CN110255317B - 一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，包括底座和端盖，端盖截面呈倒立的凸字形，其上端面开设凹槽，凹槽下方内部开设阶梯盲孔；端盖圆周上开有与阶梯盲孔相贯通的导线通道；阶梯盲孔的下方同轴开设有圆柱形油腔，圆柱形油腔下端贯穿端盖底部，圆柱形油腔上端与阶梯盲孔下端面之间的间隙为应变梁，应变梁上表面贴应变片；底座呈凹字形，其上端面凹槽内侧上部与端盖下端面凸台外周上部螺纹配合，凹槽上端面与凸台下端面之间形成扁平状油腔；底座外侧圆周上开设与油腔相贯通的注油通道；底座下端支撑座安装于平衡油缸滑块上开设凹槽内；油腔下方与支撑座之间部分为悬臂梁；圆柱形油腔内嵌穿孔板。该传感器能提高提升机载荷计算的精确度。

Description

一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，具体涉及一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，属于矿井提升机技术领域。

背景技术

提升系统是煤矿生产运输的“咽喉”，它的正常运行对矿工的生命安全和煤矿的生产安全起着重要作用。在提升系统运行过程中，因受现场环境的制约，直接测量提升机的载荷较难实现。考虑到提升机悬挂在钢丝绳的末端，因而可通过对钢丝绳的张力进行测量间接实现对提升机总载荷的实时称重。

目前，常见的是通过测量多绳提升机钢丝绳张力自动平衡装置中的平衡油缸的油压进行钢丝绳张力监测，但由于活塞杆和油缸内壁之间存在摩擦力，导致测得的钢丝绳张力不够准确。为解决这一问题，现有技术在平衡油缸的活塞杆和滑块之间加装普通压力传感器，但由于罐道表面不光滑和风阻等因素使得钢丝绳振动比较剧烈，因此测得的数据会有很多突跳干扰，造成测得的钢丝绳的张力与提升机实际载荷之间仍存在较大的差距。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，该传感器能够消除在测量过程中钢丝绳因振动引起的数据突变干扰，提高提升机载荷的实际值计算的精确度。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，包括传感器本体，所述的传感器本体包括底座和安装在底座上的端盖，端盖截面呈倒立的凸字形，其上端面开设与平衡油缸的活塞杆相适配的凹槽，凹槽下方的端盖内部开设阶梯盲孔；端盖上开有与阶梯盲孔相贯通的导线通道；阶梯盲孔的下方同轴开设有圆柱形油腔，圆柱形油腔下端贯穿端盖底部，圆柱形油腔上端与阶梯盲孔的下端面之间的间隙形成应变梁，应变梁上表面贴有应变片；

底座截面呈凹字形，其上端面凹槽内侧上部与端盖下端面凸台外周上部螺纹配合，凹槽上端面与凸台下端面之间的空间形成扁平状油腔；底座上开设有与扁平状油腔相贯通的注油通道；底座的下端支撑座安装于平衡油缸的滑块上开设的凹槽内；扁平状油腔下方与支撑座之间的部分为悬臂梁；

圆柱形油腔和扁平状油腔共同形成密闭油腔；

所述的圆柱形油腔内嵌有穿孔板，所述的穿孔板包括刚性板体和开设在刚性板体上的多个微孔，刚性板体的外圆周与靠近下端的圆柱形油腔内壁紧密配合；

圆柱形油腔和扁平状油腔通过微孔连通

进一步地，所述的穿孔板厚度为1mm，微孔直径为1.4mm,微孔间距为3.5mm，穿孔板上端面与圆柱形油腔顶部的距离为7mm。

进一步地，所述的底座凹槽与端盖凸台的螺纹配合处设有紫铜密封垫圈。

进一步地，所述的阶梯盲孔的底部直径大于圆柱形油腔直径。

进一步地，所述的支撑座外周环设C形槽，C形槽与滑块的凹槽上端相适配。

进一步地，所述的应变片为直径小于阶梯盲孔底部直径的圆形应变片。

本发明通过将该压力传感器安装于提升机钢丝绳张力自动平衡悬挂装置油缸的活塞杆和滑块之间，其上部的端盖与平衡油缸活塞杆配合，承受活塞杆上的正压力，正压力通过端盖传递至底座上，底座下端与滑块配合的支撑座承受滑块产生的支反力，底座悬臂梁在正压力和支反力的共同作用下产生弯曲变形，使注满油液的油腔体积发生改变，同时使油腔内部产生油压，受压油液流从扁平状油腔经穿孔板微孔挤进圆柱形油腔空间，圆柱形油腔上端的应变梁在油压的作用下发生变形，紧贴于应变梁上端面的应变片输出该应变梁变形电信号，从而测得每根钢丝绳的张力，经上位机处理换算即可得到提升机所提总载荷。该压力传感器由于在扁平状油腔和圆柱形油腔之间设有穿孔板，受压油液流经穿孔板时包含的势能通过与微孔的往复摩擦被充分耗散，最终通过挤压传感器的应变梁使其上粘贴的应变片产生弹性变形，即达到了经穿孔板的缓冲作用，使钢丝绳因振动引起的张力突变在传递过程中得以消除的技术效果，最终实现准确求得提升机总载荷的目的。

附图说明

图1是本发明安装于钢丝绳张力自动平衡悬挂装置上的立体结构示意图；

图2是本发明中传感器的剖视图；

图3是本发明中穿孔板的结构示意图；

图4是穿孔板吸声体结构示意图；

图5是图4的等效电路图；

图6是传感器的等效电路图；

图7是罐笼上行过程钢丝绳张力变化曲线

图8是罐笼下行过程钢丝绳张力变化曲线；

图9是三个下降行程2#钢丝绳张力变化曲线；

图10是提升过程中油压传感器所测钢丝绳张力变化曲线；

图11是提升过程中通用压块传感器所测钢丝绳张力变化曲线。

图中：1、传感器本体，2、底座，3、端盖，4、平衡油缸，5、活塞杆，6、凹槽，7、阶梯盲孔，8、应变片，9、导线通道，10、圆柱形油腔，11、应变梁，12、扁平状油腔，13、支撑座，14、滑块，15、悬臂梁，16、穿孔板，17、刚性板体，18、微孔，19、紫铜密封垫圈，20、C形槽，21、中板，22、侧板，23、注油通道。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，包括传感器本体1，所述的传感器本体1包括底座2和安装在底座2上的端盖3，端盖3截面呈倒立的凸字形，其上端面开设与平衡油缸4的活塞杆5相适配的凹槽6，凹槽6下方的端盖3内部开设阶梯盲孔7；端盖3上开有与阶梯盲孔7相贯通的导线通道9；阶梯盲孔7的下方同轴开设有圆柱形油腔10，圆柱形油腔10下端贯穿端盖3底部，圆柱形油腔10上端与阶梯盲孔的下端面之间的间隙形成应变梁11，应变梁11上表面贴有应变片8；

底座2截面呈凹字形，其上端面凹槽内侧上部与端盖3下端面凸台外周上部螺纹配合，凹槽上端面与凸台下端面之间的空间形成扁平状油腔12；底座2上开设有与扁平状油腔12相贯通的注油通道23；底座2的下端支撑座13安装于平衡油缸4的滑块14上开设的凹槽内；扁平状油腔12下方与支撑座13之间的部分为悬臂梁15；

圆柱形油腔10和扁平状油腔12共同形成密闭油腔；

所述的圆柱形油腔10内嵌有穿孔板16，所述的穿孔板16包括刚性板体17和开设在刚性板体17上的多个微孔18，刚性板体17的外圆周与靠近下端的圆柱形油腔10内壁紧密配合；

圆柱形油腔10和扁平状油腔12通过微孔18连通。

优选地，所述的穿孔板16厚度为1mm，微孔18直径为1.4mm,微孔18间距为3.5mm，穿孔板16上端面与圆柱形油腔10顶部的距离为7mm。

为提高扁平状油腔12的密封性，所述的底座2凹槽与端盖3凸台的螺纹配合处设有紫铜密封垫圈19。

为保证应变梁应变充分，所述的阶梯盲孔7的底部直径大于圆柱形油腔10直径。

为了保证端盖3受平衡油缸4活塞杆5正压力的作用时，悬臂梁15可以充分发生形变，同时又能避免应力集中导致传感器失效，所述的支撑座13外周环设C形槽20，其中，C形槽20与滑块14的凹槽上端相适配。

为保证应变片8准确传送应变信号，所述的应变片8为直径略小于阶梯盲孔7底部直径的圆形应变片。

传感器1安装在提升机钢丝绳张力自动平衡悬挂装置内，张力自动平衡装置的上端为提升端，与钢丝绳相连，下端为负载端，与提升容器相连；中板21和侧板22通过平衡油缸4和滑块14共同组成一个抽拉扣环结构。端盖3上端面的凹槽直径略大于活塞杆5的直径，与活塞杆5相适配，并承受活塞杆5上的正压力P，正压力P通过端盖3传递到底座2上，底座2底部与滑块14相适配的支撑座13承受滑块14产生的支反力P’,底座2的悬臂梁15在正压力P和支反力P’的共同作用下产生弯曲变形，使油腔的体积大小发生改变，导致油腔内部产生了油压，受压油液从扁平状油腔12流经穿孔板16上开设的多个微孔18挤进圆柱形油腔10内，并使得圆柱形油腔10顶部的应变梁11发生形变，贴于应变梁11上面的应变片8输出电信号由导线传输给上位机，从而测得每根钢丝绳的张力，经上位机处理换算即可得到提升机所提总载荷。该压力传感器由于在扁平状油腔和圆柱形油腔之间设有穿孔板，受压油液流经穿孔板时包含的势能通过与微孔的往复摩擦被充分耗散，最终通过挤压传感器的应变梁使其上粘贴的应变片产生弹性变形，即达到了经穿孔板的缓冲作用，使钢丝绳因振动引起的张力突变在传递过程中得以消除的技术效果，最终实现准确求得提升机总载荷的目的。

对于本申请中的穿孔板能够达到的钢丝绳因振动引起的张力突变在传递过程中得以消除的技术效果，所做的试验及分析内容如下：

穿孔板吸声结构由微孔和刚性腔体构成，其结构如图4所示。图中，p为垂直入射穿孔板的声压，b为小孔间距，d为小孔直径，t为孔板厚度，h为板后腔体的深度。为了说明穿孔板结构对钢丝绳因振动引起的张力突变的消除原理，本试验以穿孔板吸声结构对其内部传播声波的吸收效果作为研究对象。

为了研究系统力学或声学方面的振动规律，研究人员通常类比电学里面的电路图来绘制系统的力学或声学线路图。这里穿孔板可视作一个具有声阻和声质量的声学元件，其与背后腔体，共同形成了共振吸声体。共振吸声体中的元件可类比为电阻、电感等阻抗型电学元件，其等效电路如图5所示。图中，ρc为流体的特性阻抗，R为穿孔板的等效声阻，M为穿孔板的等效声质量，Z_h为板后腔体的声阻抗率。

由于穿孔板是一种多孔薄壁结构，各孔内的声传播以及孔间相互作用非常复杂，因此通常用声阻抗率来表示穿孔元件的声学特性。穿孔板的声阻抗率可表示为：

Z＝R+jωM (1)

其相对声阻抗率为：

式中，q为穿孔板的穿孔率(穿孔部分面积与总面积之比)，r为相对声阻，ω为入射声波的角频率，m为相对声质量。其中：

式中，μ为流体的粘滞系数，c₀为流体中的声速，k_r为声阻常数，k_m称为声质量常数，k称为穿孔板常数，

式中，ρ₀为流体的密度，η为流体的切变粘滞系数。

穿孔板后腔体的声阻抗率为：

Z_h＝-j cot(ωh/c₀) (6)

穿孔板吸声结构的吸声特性可由其等效电路求得，声波垂直入射时穿孔板的吸声系数为：

吸声系数α在共振时达到最大：

由式(7)可知，共振频率f₀应使下式成立：

ω₀m-cot(ω₀h/c₀)＝0 (9)

用近似方法求解式(9)，求得的共振频率为：

根据电-力-声类比的相关知识，整个油腔结构的等效电路图如图6所示。图中S表示悬臂梁的受力面积。首先分析力学系统，从外力作用处引出一条力线，当力线到达悬臂梁质量M_m时分成三支，分别与三个力相平衡：一支穿过M_m与惯性力相平衡，另一支与阻尼力相平衡，还有一支与弹性力相平衡，所以在绘制的阻抗型力学线路图中质量M_m、力阻R_m及力顺C_m是串联的。再分析声学部分，悬臂梁振动产生的声流线从悬臂梁出发，一部分使扁平状腔体(C_a1)内液体的质量发生变化，同时另一部分还会使穿孔板小孔中的液体发生运动，所以流线在这里就要分支，一支穿过扁平腔体贡献的声容C_a1终止于刚性腔壁，另一支穿过穿孔板(声质量为M_a1，声阻为R_a1)，然后穿过圆柱形腔体贡献的声容C_a2终止于刚性壁。从电路图中可以看出，当传感器油腔内油液产生振动时，穿孔板的声阻R_a1对其所在支路进行分压，避免了该支路圆柱形腔体(C_a2)两端电压过大，即油液进入到圆柱形油腔时所包含的振动能量已经得到了削弱。

综合以上分析，本申请中的油腔内置穿孔板结构的压力传感器可以有效减缓振动对应变区输出信号的影响，因此可用于提升机钢丝绳张力的准确测量。

为了测试本申请所设计的传感器的使用性能，将标定合格的传感器应用到高庄煤矿对副井提升机钢丝绳的张力进行了采集。采取的试验方案如下：首先重复测量提升机三个完整的行程(上升和下降过程)中，1#和2#钢丝绳的张力；然后将2#钢丝绳上的传感器安装到3#钢丝绳的对应位置，再重复测量三个完整行程中1#和3#钢丝绳的张力；试验罐笼(宽罐笼)一直处于空载状态。将实验设备按照系统方案进行安装调试后，即可对不同行程中不同钢丝绳的张力进行测量。

图7所示为罐笼上行过程中，不同行程1#、2#和3#钢丝绳的张力对比曲线。从图中可以看出，随着提升系统的运行，钢丝绳张力整体呈现增大趋势，而且3根钢丝绳的张力变化趋势基本一致。在初加速阶段(0-5s)，由于此段提升距离较短，尾绳质量变化较少，钢丝绳张力增幅比较缓慢；当罐笼进入主加速阶段后(5-20s)，加速度会有一个增大的变化，因此反映在图中钢丝绳张力也会发生突变；待加速度稳定后(20-21s)，张力值也随之变得平稳增加；当罐笼进入匀速阶段时(21-22s)，加速度减到0m/s²，此时钢丝绳张力会出现一个减小的突变量；接下来罐笼进入匀速上升阶段(22-45s)，此阶段钢丝绳张力随时间线性增加；当系统进入主减速阶段后(45-50s)，由于此时加速度为负值，因此张力会突然减小；随后随着罐笼继续提升(50-60s)，尾绳悬挂长度继续增加，因此张力值在减小后紧接着又呈现出增大趋势；当系统进入爬行阶段后(60-65s)，加速度再次突变为0m/s²，导致张力值会先出现一个增大的突变然后再缓慢增加；当罐笼进入末减速阶段后(65-73s)后，由于所剩提升距离较短且罐笼爬行速度较缓，因此阶段钢丝绳张力的变化量比较小。

图8所示为在罐笼下行过程中，不同行程1#、2#和3#钢丝绳张力对比曲线。罐笼下行时张力整体变化趋势与上行时相反。从图中可以看出，在初加速阶段(0-5s)，钢丝绳张力减小幅度比较缓慢；当进入主加速阶段后(5-20s)，由于罐笼加速度突然增大，反映在张力曲线上会产生一个向下的突变；当加速度稳定后(20-21s)，张力值平稳减小；当罐笼进入匀速阶段时(21-22s)，加速度突减到0m/s²，张力值会出现一个增大的突变量；当罐笼匀速下降时(22-46s)，钢丝绳张力随时间线性减小；当系统进入主减速阶段后(46-48s)，此时加速度突变为负值，反映在张力曲线上会产生一个增大的突变；但随后随着罐笼继续下降(48-60s)，尾绳悬挂长度继续减小，因此张力值在突增后继续呈现减小趋势；当罐笼进入爬行阶段后(60-66s)，由于加速度再次变为0m/s²，故张力值会出现一个减小的突变；当罐笼进入末减速阶段后(66-73s)后，由于所剩提升距离较短且罐笼运行速度较缓，因此此段钢丝绳张力值变化量较小。

图9为三个下降行程中2#钢丝绳的张力对比曲线。从图中可以看出，虽然由于外界干扰导致原始测量信号中含有少量的噪声，但曲线整体的变化趋势与实际情况相符，而且三个下降行程的测量结果几乎完全重合，这也再次验证了所设计传感器具有良好的稳定性。

以上对钢丝绳张力随运行时间变化趋势的定性分析验证了本申请所设计的具有减振功能的压力传感器所测信号的准确性。关于所测信号的准确性，还可以从另外一个角度来说明。对于高庄煤矿副井提升机，罐笼底部共悬挂有2根尾绳，其密度为8.65kg/m，尾绳从井口到井底长度的变化量即为井深253m，故尾绳重量的变化量约为4.4吨。从理论上讲，同一罐笼位于井口和井底时钢丝绳载重的变化量应与尾绳的重量相等，即罐笼在井口与井底时钢丝绳张力的变化量等于尾绳重量。从图7和图8中可以看出，从开车位置到停车位置每根钢丝绳张力的变化量约为1.15吨，则四根钢丝绳的张力变化总和为4.6吨。这一结果与理论结果近似相等，因此可以认为所设计传感器能够准确表征钢丝绳的张力值。后期如果在罐笼自动平衡装置每个活塞杆与滑块之间均安装本申请设计的压力传感器，即可准确测得四根钢丝绳的张力值，从而对提升机的载荷进行称重。

将本申请中对钢丝绳张力的测量与传统测量方法的对比分析如下：

为实现提升机钢丝绳张力的在线监测，高庄煤矿先后曾经采用过油压传感器测量油压法和通用压块传感器测量压力法这两种测量方案。为了验证本申请中的压力传感器的优越性，本申请将之前这两种方案所测得的钢丝绳张力数据进行了对比分析。

(1)油压传感器测量方案

油压法测量钢丝绳张力是通过将油压传感器安装在钢丝绳张力自动平衡悬挂装置的平衡油路上测量油缸内的油液压力来实现的。当平衡油缸活塞杆与油缸内壁之间的摩擦力被忽略时，油液压力与活塞面积的乘积即为钢丝绳的张力值。

以提升过程为例，对于1#钢丝绳，利用油压传感器输出油压值计算得到的钢丝绳张力变化曲线如图10所示。从图中可以看出，张力值整体呈上升趋势，这与罐笼下方尾绳悬挂长度不断增大的实际情况相符，而且张力数据的剧烈波动情况只在最后停车阶段出现。但是图中张力值经常在某一段提升距离内保持一个固定数值不变从而导致张力曲线存在明显的阶跃变化。当平衡油缸进行调平时，张力较小的钢丝绳所对应的平衡油缸中油压值会增大，但在调平刚开始时缸内油液压力不足以克服活塞杆与缸壁之间的摩擦力，因此尽管油液压力会逐渐增大但活塞杆的运动状态并不会发生改变，当油液压力足以克服摩擦力时，活塞杆才会向外伸长，而活塞杆的伸长会导致缸内油液体积突然增大，油压值突然减小，所以钢丝绳张力曲线会产生阶跃变化。

因此利用油压传感器所测油压计算钢丝绳张力时，由于平衡油缸调平过程中活塞杆与油缸内壁之间摩擦力的不确定，张力曲线会出响应较慢、数据阶跃变化的情况，故应用此方法无法满足准确测量多绳提升机各钢丝绳张力的要求。

(2)通用压块传感器测量方案

通用压块传感器即为没有任何减振措施的压力传感器。这种测量方法将压力传感器加装在张力自动平衡悬挂装置的活塞杆和滑块之间，利用压力传感器受压产生形变后输出的电信号计算钢丝绳的张力。图11所示为高庄煤矿副井使用通用压块传感器在罐笼某次提升时测得的钢丝绳张力曲线。从图中可以看出，对单根钢丝绳而言未加任何减振措施的压块传感器测得的钢丝绳张力曲线波动十分剧烈，在较短时间内其幅值变化量最大甚至可达4.5吨，而实际中规定的罐笼最大装载量只有14吨，因此通过相加各通用压块传感器测得的钢丝绳张力值并不能反映罐笼真实的装载量。故利用通用压块传感器测量压力的方案同样不适用于多绳提升机钢丝绳张力的实时监测。

通过对比以上两种方法测得的张力曲线，可以看出用压力传感器输出信号计算得到的张力信号既不存在油压法测量时由于活塞杆与油缸之间摩擦力不确定而导致的测量数据阶跃变化的情况，同时极大程度上缓解了通用压块传感器由于内部无任何减振措施而导致的测量结果波动较大的情况，因此可以用于钢丝绳张力的准确测量，从而为工作人员判断提升机是否发生超载故障提供准确的参考。

Claims (6)

1.一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，包括传感器本体(1)，所述的传感器本体(1)包括底座(2)和安装在底座(2)上的端盖(3)，端盖(3)截面呈倒立的凸字形，其上端面开设与平衡油缸(4)的活塞杆(5)相适配的凹槽(6)，凹槽(6)下方的端盖(3)内部开设阶梯盲孔(7)；端盖(3)上开有与阶梯盲孔(7)相贯通的导线通道(9)；阶梯盲孔(7)的下方同轴开设有圆柱形油腔(10)，圆柱形油腔(10)下端贯穿端盖(3)底部，圆柱形油腔(10)上端与阶梯盲孔的下端面之间的间隙形成应变梁(11)，应变梁(11)上表面贴有应变片(8)；

底座(2)截面呈凹字形，其上端面凹槽内侧上部与端盖(3)下端面凸台外周上部螺纹配合，底座(2)上端面的凹槽上端面与端盖(3)凸台下端面之间的空间形成扁平状油腔(12)；底座(2)上开设有与扁平状油腔(12)相贯通的注油通道(23)；底座(2)的下端支撑座(13)安装于平衡油缸(4)的滑块(14)上开设的凹槽内；扁平状油腔(12)下方与支撑座(13)之间的部分为悬臂梁(15)；

圆柱形油腔(10)和扁平状油腔(12)共同形成密闭油腔；

其特征在于，所述的圆柱形油腔(10)内嵌有穿孔板(16)，所述的穿孔板(16)包括刚性板体(17)和开设在刚性板体(17)上的多个微孔(18)，刚性板体(17)的外圆周与靠近下端的圆柱形油腔(10)内壁紧密配合；

圆柱形油腔(10)和扁平状油腔(12)通过微孔(18)连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，其特征在于，所述的穿孔板(16)厚度为1mm，微孔(18)直径为1.4mm,微孔(18)间距为3.5mm，穿孔板(16)上端面与圆柱形油腔(10)顶部的距离为7mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，其特征在于，所述的底座(2)凹槽与端盖(3)凸台的螺纹配合处设有紫铜密封垫圈(19)。

4.根据权利要求3所述的一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，其特征在于，所述的阶梯盲孔(7)的底部直径大于圆柱形油腔(10)的直径。

5.根据权利要求4所述的一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，其特征在于，所述的支撑座(13)外周环设C形槽(20)，C形槽(20)与滑块(14)的凹槽上端相适配。

6.根据权利要求5所述的一种用于矿井多绳提升机载荷称重的压力传感器，其特征在于，所述的应变片(8)为直径小于阶梯盲孔(7)底部直径的圆形应变片。

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