CN105174109A - 一种缠绕式矿井提升机实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缠绕式矿井提升机实验台，连接有第一拉力传感器(304)的牵引钢丝绳(303)一端连接在运动平台(201)的一端，另一端缠绕在驱动卷筒(102)上，驱动卷筒(102)上设有旋转编码器(105)；连接有第二拉力传感器(602)的负载钢丝绳(601)的一端连接在运动平台(201)的另一端，另一端缠绕在负载卷筒(401)上；运动平台(201)的两侧均设有可更换罐道；还包括一个编码电缆(801)，在运动平台(201)上设有编码电缆天线箱(802)、载波发生器(803)、车上通信器(804)、三轴加速度计及陀螺仪(205)、信号采集板(202)、蓄电池(203)和配重(207)；还包括一个控制柜(701)。本发明能完成单绳/双绳缠绕、单层/双层排绳提升机的模拟运行、偏载、冲击、外加载荷对提升容器运动状态的动力学影响等多种科学研究与教学实验。

Description

一种缠绕式矿井提升机实验台

技术领域

本发明涉及一种矿井提升机实验台，特别是涉及一种缠绕式矿井提升机实验台。

背景技术

矿井提升机按工作原理大体可以分为单绳缠绕式、多绳摩擦式、多绳缠绕式等，其中前两种应用最广泛，随着开采深度的不断增加，双绳缠绕式提升机也开始被探索。通过实验台对矿井提升机进行实验研究可以有效地模拟其特定工况，分析某一方面的参数与特性，对于提升机的结构优化、监测控制和安全运行有重要意义。但目前提升机的模拟实验台大多功能比较单一，可模拟单绳/双绳缠绕、单层/多层排绳、刚性/柔性罐道的多功能提升机实验台尚未见到。

公开号为104261225A的中国专利公开了一种超深矿井提升系统试验台及方法，其为每侧双电机双卷筒，结构复杂，功能比较单一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能完成单绳/双绳缠绕、单层/双层排绳提升机的模拟运行、偏载、冲击、外加载荷对提升容器运动状态的动力学影响等多种科学研究与教学实验的缠绕式矿井提升机实验台。

为了解决上述技术问题，本发明提供的缠绕式矿井提升机实验台，整体采用水平放置式结构，运动平台的底部设有脚轮，所述的运动平台的两端均设有多个连接孔，第一驱动电机传动连接有驱动卷筒，包括至少一道能拆卸安装在所述的驱动卷筒上的分隔环，至少一根牵引钢丝绳一端连接在所述的运动平台的一端的多个所述的连接孔的其中一个所述的连接孔内，另一端缠绕在所述的驱动卷筒上，所述的牵引钢丝绳上连接有第一拉力传感器，还包括一个作用于所述的牵引钢丝绳的伺服调绳装置，所述的驱动卷筒上设有旋转编码器；第二驱动电机传动连接有负载卷筒，负载钢丝绳的一端连接在所述的运动平台的另一端的多个所述的连接孔的其中一个所述的连接孔内，所述的负载钢丝绳的另一端缠绕在所述的负载卷筒上，所述的负载钢丝绳上连接有第二拉力传感器；所述的运动平台的两侧均设有可更换罐道；还包括一个铺设在所述的运动平台的运动轨迹上的编码电缆，在所述的运动平台上设有与所述的编码电缆配合使用的编码电缆天线箱；所述的运动平台上设有载波发生器、车上通信器、三轴加速度计及陀螺仪、信号采集板、蓄电池和配重；还包括一个控制柜，所述的旋转编码器、第一拉力传感器、第二拉力传感器、伺服调绳装置、编码电缆天线箱、载波发生器和车上通信器、三轴加速度计及陀螺仪和信号采集板均与所述的控制柜通信连接。

所述的控制柜由变频器、工控机、PLC、电缸伺服控制器、地上通信器和地址解码器组成。

所述的可更换罐道为柔罐道，所述的柔罐道由下列组件组成：罐耳固定安装在所述的运动平台上，所述的罐耳内设有罐耳衬垫及调紧螺钉，罐道钢丝绳穿过所述的罐耳衬垫且两端连接在二个罐道绳支架之间，在所述的罐道钢丝绳上连接有钢丝绳张紧器和第三拉力传感器。

所述的可更换罐道为刚罐道，所述的刚罐道由下列组件组成：包括一根角钢罐道，罐道滚轮固定安装在所述的运动平台上且所述的罐道滚轮在所述的角钢罐道上滑动。

所述的罐道滚轮上设有U形孔。

所述的分隔环为两个内径与所述的驱动卷筒外径贴合的半圆环，设有螺栓孔，通过螺栓固定在所述的驱动卷筒上。

沿所述的驱动卷筒的径向设有三处所述的分隔环安装点和三处所述的牵引钢丝绳安装点。

所述的伺服调绳装置由推绳伺服电缸和导向轮组成，所述的牵引钢丝绳穿过所述的导向轮和所述的推绳伺服电缸。

一个摄像头对正所述的驱动卷筒。

采用上述技术方案的缠绕式矿井提升机实验台，能进行的教学与科学实验包括但不限于如下：

(1)单绳/双绳缠绕、单层/双层排绳提升机的模拟运行；

(2)钢丝绳排绳层间过渡冲击对提升容器运行状态的动力学影响

(3)刚性/柔性罐道及其参数对提升容器运行状态的动力学影响；

(4)偏载、冲击、外加载荷对提升容器运动状态的动力学影响；

(5)电缸推顶主动调绳控制张力同步的控制策略；

(6)双绳张力不同步的检测、处理与影响因素分析；

(7)机器视觉技术用于排绳故障检测；

(8)矿井提升机全面的状态监测模拟；

本发明的创新点是：

1.分割环的设计使其可模拟单绳单层、单绳多层、双绳单层、双绳多层等多种缠绕与排绳形式；

2.罐道使用模块化、可更换的柔罐道或刚罐道且参数可调节，模拟柔性/刚性罐道；

3.驱动与负载双卷筒及其变频控制的设计使得速度、负载调节方便；

4.使用编码电缆系统进行位置检测与无线数据传输，其为绝对位置检测，检测精度高，抗干扰能力强，通信稳定；

5.可进行动力学、控制、检测等方面的多种科学研究与教学实验，利用率高。

本发明与公开号为104261225A的中国专利的区别：

1.公开号为104261225A的中国专利为每侧双电机双卷筒,本发明为每侧单电机单卷筒，结构更为精简；

2.本发明分隔环设计使得可模拟单绳\双绳、单层\多层等多种缠绕形式；

3.本发明罐道可更换为刚性或柔性，罐道参数可调；

4.本发明可调节参数多，可模拟工况多，可开展的科学研究更全面；

5.本发明所使用的编码电缆位置检测系统具有直接测量绝对位置、精度高等特点，其无线数据传输稳定。

综上所述，本发明能模拟单绳/多绳不同缠绕形式，单层/多层不同的排绳形式，刚性/柔性不同罐道形式，模拟偏载、冲击等不同工况，可无级调节负载力、运行速度等，本发明是一种能完成单绳/双绳缠绕、单层/双层排绳提升机的模拟运行、偏载、冲击、外加载荷对提升容器运动状态的动力学影响等多种科学研究与教学实验的缠绕式矿井提升机实验台。

附图说明

图1是本发明的结构示意俯视图。

图2是本发明的结构示意主视图。

图3是本发明的编码电缆位置检测系统原理框图。

图4是本发明的分隔环的结构示意图。

图5是本发明的单绳缠绕示意图。

图6是本发明的双绳缠绕示意图。

图7是本发明的单绳多层缠绕示意图。(点线代表第二层)

图8是本发明的柔罐道结构示意图。

图9是本发明的刚罐道结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1、图2、图3和图4，整体采用水平放置式结构，运动平台201的底部设有脚轮206，运动平台201的两端均设有多个连接孔，第一驱动电机101传动连接有驱动卷筒102，包括至少一道能拆卸安装在驱动卷筒102上的分隔环103，至少一根牵引钢丝绳303一端连接在运动平台201的一端的多个连接孔的其中一个连接孔内，另一端缠绕在驱动卷筒102上，牵引钢丝绳303上连接有第一拉力传感器304，还包括一个作用于牵引钢丝绳303的伺服调绳装置，一个摄像头104对正驱动卷筒102，驱动卷筒102上设有旋转编码器105；第二驱动电机402传动连接有负载卷筒401，负载钢丝绳601的一端连接在运动平台201的另一端的多个连接孔的其中一个连接孔内，负载钢丝绳601的另一端缠绕在负载卷筒401上，负载钢丝绳601上连接有第二拉力传感器602；运动平台201的两侧均设有可更换罐道；还包括一个铺设在运动平台201的运动轨迹上的编码电缆801，在运动平台201上设有与编码电缆801配合使用的编码电缆天线箱802；运动平台201上设有载波发生器803、车上通信器804、三轴加速度计及陀螺仪205、信号采集板202、蓄电池203和配重207；还包括一个控制柜701，摄像头104、旋转编码器105、第一拉力传感器304、第二拉力传感器602、伺服调绳装置、编码电缆天线箱802、载波发生器803和车上通信器804、三轴加速度计及陀螺仪205和信号采集板202均与控制柜701通信连接。

具体地，控制柜701由变频器702、工控机703、PLC704、电缸伺服控制器705、地上通信器805和地址解码器806组成。

参见图1和图8，可更换罐道为柔罐道，柔罐道由下列组件组成：罐耳204固定安装在运动平台201上，罐耳204内设有罐耳衬垫2042及调紧螺钉2043，罐道钢丝绳504穿过罐耳衬垫2042且两端连接在二个罐道绳支架501之间，在罐道钢丝绳504上连接有钢丝绳张紧器502和第三拉力传感器503。

参见图1和图9，可更换罐道为刚罐道，刚罐道由下列组件组成：包括一根角钢罐道505，罐道滚轮208固定安装在运动平台201上且罐道滚轮208在角钢罐道505上滑动。

进一步地，罐道滚轮208上设有U形孔2081。

参见图4，分隔环103为两个内径与驱动卷筒102外径贴合的半圆环，设有螺栓孔1031，通过螺栓固定在驱动卷筒102上。

参见图5，沿驱动卷筒102的径向设有三处分隔环103安装点和三处牵引钢丝绳303安装点。

参见图1，伺服调绳装置由推绳伺服电缸301和导向轮302组成，牵引钢丝绳303穿过导向轮302和所述的推绳伺服电缸301。

单绳/双绳缠绕、单层/双层排绳的模拟：如图4，分隔环103为两个内径与驱动卷筒102外径贴合的半圆环，设有螺栓孔1031，通过螺栓固定在驱动卷筒102的D、E、F位置。驱动卷筒102表面设计绳槽，分隔环103为两个内径与驱动卷筒102外径贴合的半圆环，设有螺栓孔1031，通过螺栓固定在驱动卷筒102上在A、B、C位置处开有穿绳孔，能固定驱动卷筒102的绳头，在D、E、F位置有与分隔环103对应的螺纹孔，驱动卷筒102端面设计操作孔，方便手臂伸入进行换绳等操作。分隔环103的用法如下：(1)单绳/双绳缠绕的模拟：当不固定分隔环103时，单根牵引钢丝绳303的绳头在驱动卷筒102的A点固定，为单绳缠绕状态，见图5；当使用一对分隔环103固定在驱动卷筒102的E位置时，驱动卷筒102被分为两个同轴卷筒，两根牵引钢丝绳303分别固定在驱动卷筒102的A、C位置，同时牵引提升容器，即为双绳缠绕模式，见图6。(2)单层/多层排绳模拟：当不使用分隔环103时，为单层排绳，见图5；当两对分隔环103分别固定在驱动卷筒102的D、F位置时，由于驱动卷筒102的可用宽度变小，可完成两层、三层排绳，见图7。在双绳缠绕模式下，由于每个卷筒宽度变小，也可完成两层排绳，见图6。可用于研究钢丝绳换层时冲击及其对提升容器的影响。此外，还可以在驱动卷筒102上设置另外的穿绳孔、分隔环103位置以适应不同的研究需求。

可更换的刚/柔罐道：罐道为模块化设计，使用罐道钢丝绳504在罐道绳支架501间张紧，并将罐耳204固定在运动平台201上配合导向，即为柔性罐道。使用角钢罐道505固定在地面，并将罐道滚轮208固定在运动平台201上配合导向，即为刚罐道。罐耳204与罐道滚轮208采用相同的安装尺寸，方便更换。柔罐道和刚罐道均有多种参数可调。如图8，当使用柔罐道时，可通过钢丝绳张紧器502以调整罐道张力，可通过调紧螺钉2043调整每个罐耳204与罐道钢丝绳504的摩擦力。图9，当使用刚罐道时，可以通过罐道滚轮208的U形孔2081调整罐道滚轮208与角钢罐道505的距离。

伺服电缸主动调绳：在双绳缠绕提升时，两根牵引钢丝绳303的张力同步至关重要，若不同步则可能引起提升容器倾斜甚至断绳等严重事故。如图2，本实验台设计了推绳伺服电缸301，其放置在牵引钢丝绳303下方，可以通过推绳伺服电缸301的上下运动调整牵引钢丝绳303的绳长，保证两根牵引钢丝绳303的张力差异维持在一定范围，用于矿井提升机主动调绳策略的研究。

偏载、冲击、外加载荷的模拟：运动平台201与牵引钢丝绳303、负载钢丝绳601的连接处设计多个连接孔，通过连接不对称的连接孔制造偏载。此外，通过调节每个罐耳204的调紧螺钉2043调节罐耳衬垫2042与罐道钢丝绳504的摩擦力，使其有差异，制造偏载。通过在地面固定木块、锤击等方式制造冲击。通过控制推绳伺服电缸301上下运动调节牵引钢丝绳303的绳长，进而调节张力，使其不平衡，制造外加载荷。研究提升容器受冲击、偏载、外载荷作用的动力学特性。

提升载荷模拟:通过改变配重207质量模拟空载、满载等不同工况，研究其在不同参数下的动力学特性。

控制：

控制系统为三级分布式控制结构，由工控机703、PLC704、变频器702等组成，其中工控机703做上位机，PLC704做下位机，采用Profibus通信总线。第一驱动电机101和第二驱动电机402采用变频控制，可按程序调节负载、速度。推绳伺服电缸301通过上位机、电缸伺服控制器705进行控制，可按程序调节绳长。

检测：

检测系统包括编码电缆位置监测系统、摄像头104、三轴加速度传感器及陀螺仪205、第一拉力传感器304、第二拉力传感器602、第三拉力传感器503、旋转编码器105等组成。

参见图3，编码电缆801是具有一定编码规则(一般是格雷码)的专用电缆，采用特殊模具以间隔相等、方向相反、互相对称的对线形式绕制，与编码电缆天线箱802等配合可以实现长距离、非接触、高精度(可达2mm)的绝对地址检测，其采用橡胶全密封，抗干扰能力强，防护等级达到IP67，适用于恶劣的工业环境，可靠性高，寿命长。除位置检测功能外，编码电缆系统与通信器配合可以用来传输数据。编码电缆位置监测系统有车上检地址和地上检地址两种用法。以车上检地址方式为例，该系统由铺设于地面的编码电缆，安装在运动平台201的编码电缆天线箱802、载波发生器803、车上通信器804，安装与控制柜701的地上通信器805和地址解码器806等组成。编码电缆天线箱802与编码电缆801相对并相隔一定距离。

摄像头104用于拍摄卷筒排绳状态，在上位机进行实时图像处理，检测乱绳等故障。三轴加速度传感器及陀螺仪205用于检测运动平台201的加速度和倾角，可用于冲击、偏载等工况的动力学影响研究。第一拉力传感器304、第二拉力传感器602、第三拉力传感器503用于测量牵引钢丝绳303、负载钢丝绳601、罐道钢丝绳504的张力，可用于研究双绳缠绕时钢丝绳张力影响因素、同步状态、罐道绳张力对运动平台的动力学影响等研究。旋转编码器105用于驱动卷筒102转角的检测。

通信：运动平台201上设备通过蓄电池203供电，三轴加速度计及陀螺仪205等信号经信号采集板202采集后进入车上通信器804，车上通信器804将信号调制为高频电流并经天线箱转换为高频电磁波，地面上的编码电缆801通过电磁耦合方式接收到无线信号并将其发送至地上通信器805。地上通信器805解调后发给PLC704或上位机。

Claims (9)

1.一种缠绕式矿井提升机实验台，整体采用水平放置式结构，其特征是：运动平台(201)的底部设有脚轮(206)，所述的运动平台(201)的两端均设有多个连接孔，第一驱动电机(101)传动连接有驱动卷筒(102)，包括至少一道能拆卸安装在所述的驱动卷筒(102)上的分隔环(103)，至少一根牵引钢丝绳(303)一端连接在所述的运动平台(201)的一端的多个所述的连接孔的其中一个所述的连接孔内，另一端缠绕在所述的驱动卷筒(102)上，所述的牵引钢丝绳(303)上连接有第一拉力传感器(304)，还包括一个作用于所述的牵引钢丝绳(303)的伺服调绳装置，所述的驱动卷筒(102)上设有旋转编码器(105)；第二驱动电机(402)传动连接有负载卷筒(401)，负载钢丝绳(601)的一端连接在所述的运动平台(201)的另一端的多个所述的连接孔的其中一个所述的连接孔内，所述的负载钢丝绳(601)的另一端缠绕在所述的负载卷筒(401)上，所述的负载钢丝绳(601)上连接有第二拉力传感器(602)；所述的运动平台(201)的两侧均设有可更换罐道；还包括一个铺设在所述的运动平台(201)的运动轨迹上的编码电缆(801)，在所述的运动平台(201)上设有与所述的编码电缆(801)配合使用的编码电缆天线箱(802)；所述的运动平台(201)上设有载波发生器(803)、车上通信器(804)、三轴加速度计及陀螺仪(205)、信号采集板(202)、蓄电池(203)和配重(207)；还包括一个控制柜(701)，所述的旋转编码器(105)、第一拉力传感器(304)、第二拉力传感器(602)、伺服调绳装置、编码电缆天线箱(802)、载波发生器(803)和车上通信器(804)、三轴加速度计及陀螺仪(205)和信号采集板(202)均与所述的控制柜(701)通信连接。

2.根据权利要求1所述的缠绕式矿井提升机实验台，其特征是：所述的控制柜(701)由变频器(702)、工控机(703)、PLC(704)、电缸伺服控制器(705)、地上通信器(805)和地址解码器(806)组成。

3.根据权利要求1或2所述的缠绕式矿井提升机实验台，其特征是：所述的可更换罐道为柔罐道，所述的柔罐道由下列组件组成：罐耳(204)固定安装在所述的运动平台(201)上，所述的罐耳(204)内设有罐耳衬垫(2042)及调紧螺钉(2043)，罐道钢丝绳(504)穿过所述的罐耳衬垫(2042)且两端连接在二个罐道绳支架(501)之间，在所述的罐道钢丝绳(504)上连接有钢丝绳张紧器(502)和第三拉力传感器(503)。

4.根据权利要求1或2所述的缠绕式矿井提升机实验台，其特征是：所述的可更换罐道为刚罐道，所述的刚罐道由下列组件组成：包括一根角钢罐道(505)，罐道滚轮(208)固定安装在所述的运动平台(201)上且所述的罐道滚轮(208)在所述的角钢罐道(505)上滑动。

5.根据权利要求4所述的缠绕式矿井提升机实验台，其特征是：所述的罐道滚轮(208)上设有U形孔(2081)。

6.根据权利要求1或2所述的缠绕式矿井提升机实验台，其特征是：所述的分隔环(103)为两个内径与所述的驱动卷筒(102)外径贴合的半圆环，设有螺栓孔(1031)，通过螺栓固定在所述的驱动卷筒(102)上。

7.根据权利要求1或2所述的缠绕式矿井提升机实验台，其特征是：沿所述的驱动卷筒(102)的径向设有三处所述的分隔环(103)安装点和三处所述的牵引钢丝绳(303)安装点。

8.根据权利要求1或2所述的缠绕式矿井提升机实验台，其特征是：所述的伺服调绳装置由推绳伺服电缸(301)和导向轮(302)组成，所述的牵引钢丝绳(303)穿过所述的导向轮(302)和所述的推绳伺服电缸(301)。

9.根据权利要求1或2所述的缠绕式矿井提升机实验台，其特征是：一个摄像头(104)对正所述的驱动卷筒(102)。