CN111285234A - 一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统及监测方法，包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅传感分析仪、光纤、通信、工控机和显示器，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器固定设置于天轮轴承座的外表面，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器分别通过光纤连接光纤光栅分析仪，光纤光栅传感分析仪通过通信与工控机进行信号连通，并将监测数值显示在显示器上。本系统可以有效准确地对提升机载荷进行监测并预警，且现场适应能力强。

Description

一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及矿井提升机技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统及监测方法。
背景技术
矿井提升机是矿井生产中的主要设备之一，是井下与地面之间运送物料及人员的纽带。因此，矿井提升运输系统的监测越来越得到重视。在提升机的运行过程当中，提升钢丝绳承受着提升载荷，提升机在运行过程中的运行状态具有一定的不确定性，主要有以下几个方面：(1)钢丝绳受到卡罐或突然停车等猛烈拉伸时，会使钢丝绳产生剧烈的轴向振动，可能会造成明显的损伤，从而导致其承受负载的能力降低，甚至会骤然断裂，对工作人员的生命安全以及生产安全产生危害；(2)由于井下煤质黏度较大，煤中又常含有大块矸石及水分，造成箕斗被提到卸载点时出现煤卸不净现象，箕斗在被往复提升过程中，里面的煤与矸石越积越多，如不及时发现，严重时的后果相当于箕斗；(3)提升机出现装载过载、二次装载等超重现象，对提升正常运行造成严重影响；(4)有时提升容器也会因为井筒罐道的变形而出现卡容器或者阻力突然增加的现象，对钢丝绳造成损伤，情况严重时钢丝绳会被拉断，造成严重过放、松绳、断绳和坠罐等严重的事故，造成严重人员伤亡和经济损失等严重后果。传统的载荷监测系统主要有两种，一种是使用安装于井筒内容器和钢丝绳连接处的油压变送器作为载荷检测元件，由于供电困难、井筒通信干扰大、工况恶劣等原因，此类系统可靠性低，维护量大；另外一种采用安装于天轮轴承座底部的电阻式应变传感器作为载荷检测元件，但在实际工况当中，受到温度、湿度、雷电等环境因素影响比较大，使用应变片测量应变缺乏必要的耐久性和完整性，无法在较长时间内提供准确、可操作的信息，同时天轮轴承座表面的环境比较恶劣，电阻应变片传感器易被腐蚀，受环境影响大，容易对电阻应变片传感器造成损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统及监测方法，通过安装在天轮轴承座上的光纤光栅应变传感器测得天轮轴承座的应变，依据应变量的变化，对提升载荷进行监测，进而判断提升机运行状况。
为了实现上述目的，本发明一方面公开了一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统，所述提升机包括驱动轮、天轮、提升钢丝绳、提升载荷、尾绳和提升容器，其中所述驱动轮通过所述提升钢丝绳带动所述天轮旋转从而将放置于所述提升容器中的所述提升载荷提起或下落，所述尾绳连接于所述提升容器的下方。所述天轮包括天轮轴承和天轮轴承座，所述载荷监测系统包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅传感分析仪、光纤、通信、工控机和显示器，所述光纤光栅应变传感器和所述光纤光栅温度传感器固定设置于所述天轮轴承座的外表面，所述光纤光栅应变传感器和所述光纤光栅温度传感器分别通过所述光纤连接所述光纤光栅传感分析仪，所述光纤光栅传感分析仪通过通信与所述工控机进行信号连通，并将监测数值显示在所述显示器上。
进一步地，所述轴承座包括弧形面和弧底面，所述弧形面用于放置所述轴承，所述弧底面位于所述弧形面底部外侧；所述光纤光栅应变传感器和所述光纤光栅温度传感器固定设置于所述弧底面上。
进一步地，所述通迅为有线通迅或无线通迅。
进一步地，所述光纤光栅传感分析仪通过所述光纤光栅温度传感器对所述光纤光栅应变传感器所采集到的应变量进行温度补偿。
另一方面，本发明还公开了一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测方法，包括如下步骤：
(1)光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器接收天轮轴承座产生的应变量，转化成应变量信号；
(2)光纤光栅传感分析仪接收上述应变量信号，传送到工控机中进行数据处理；
(3)工控机利用数据挖掘的方法计算出应变量与提升载荷之间的关系公式，由显示器实时监测提升载荷的运行状态，诊断超载、未卸净、卡罐等故障，并进行报警。
本发明的有益效果是：将光纤光栅应变传感器放置于轴承座受力最集中的部位，并通过光纤光栅温度传感器对光纤光栅应变传感器进行温度补偿，使光纤光栅应变传感器能够准确及时地接收应载荷应变量。光纤光栅应变传感器具有抗电磁干扰及耐腐蚀的优点，非常适合于放置在提升机的工作场合，并可长期稳定工作。本发明使用光纤将应变量信号取到光纤光栅传感器中，也体现传输快速准确的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是天轮的结构示意图；
图3是轴承座结构示意图；
图4光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器安装位置图；
图5是系统工作流程图；
图中，1-驱动轮，2-天轮，3-天轮轴承，4-天轮轴承座，40-弧形面，41-弧底面，5-光纤光栅应变传感器，6-光纤光栅温度传感器，7-提升钢丝绳，8-提升载荷，9-尾绳，10-提升容器，11-光纤光栅传感分析仪，12-光纤，13-通迅，14-工控机，15-显示器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
光纤光栅传感器主体是光纤，光纤相较于传统传感器，不仅抗腐蚀抗干扰，而且成本低廉。光纤光栅传感器是目前国际上新一代光纤传感器，具有高精度、重量轻、体积小、防爆、防雷击、抗强电磁干扰的优点，能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个光纤光栅分布式测量等优点。本发明使用光纤光栅应变传感器5对于天轮轴承座4应变进行测量，可以提高测量精度，同时光纤光栅应变传感器5具有比传统结构材料更高的疲劳和应变极限，适合长期进行监测。如图1-4所示，一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统，提升机包括驱动轮1、天轮2、提升钢丝绳7、提升载荷8、尾绳9和提升容器10。其中驱动轮1通过提升钢丝绳7带动天轮2旋转从而将放置于提升容器10中的提升载荷8提起或下落，尾绳9连接于提升容器10的下方。天轮2包括天轮轴承3和天轮轴承座4，载荷监测系统包括光纤光栅应变传感器5、光纤光栅温度传感器6、光纤光栅传感分析仪11、光纤12、通信13、工控机14和显示器15，光纤光栅应变传感器5和光纤光栅温度传感器6固定设置于天轮轴承座4的外表面，光纤光栅应变传感器5和光纤光栅温度传感器6分别通过光纤12连接光纤光栅传感分析仪11，光纤光栅传感分析仪11通过通信13与工控机14进行信号连通，并将监测数值显示在显示器15上。光纤12铺设距离足以保证光栅分析仪11、通信13与工控机14处于非防爆要求区域。轴承座4包括弧形面40和弧底面41，弧形面40用于放置天轮轴承3，弧底面41位于弧形面40底部外侧。光纤光栅应变传感器5和光纤光栅温度传感器6固定设置于弧底面41上。本发明将光纤光栅应变传感器5设置于受力最集中的部位，其采集的信号最准确，为后续设备的分析奠定了良好基础。本实施例中的通迅13采用有线通迅或无线通迅，要根据现场情况进行选择。光纤光栅传感分析仪11通过光纤光栅温度传感器6对光纤光栅应变传感器5所采集到的应变量进行温度补偿，使光纤光栅应变传感器5采集应变信号更准确。为了更好地保护光纤光栅应变传感器5和光纤光栅温度传感器6，在其上面加设一个保护外壳(图中未示出)。本系统中设有两个天轮2，每个天轮2设有两个天轮轴承座4，因此，在每个天轮2上设有两个光纤光栅应变传感器5和两个光纤光栅温度传感器6，光纤光栅应变传感器5与光纤光栅温度传感器成组使用。
本发明还公开了一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测方法，包括如下步骤：
(1)光纤光栅应变传感器5和光纤光栅温度传感器6接收天轮轴承座4产生的应变量，转化成应变量信号；
(2)光纤光栅传感分析仪11接收上述应变量信号，传送到工控机中进行数据处理；
(3)工控机利用数据挖掘的方法计算出应变量与提升载荷之间的关系公式，由显示器实时监测提升载荷的运行状态，诊断超载、未卸净、卡罐等故障，并进行报警。
本发明采用光纤光栅应变传感器5通过测量天轮轴承座4应变，间接监测提升载荷8，进而得到提升钢丝绳7张力变化情况，实时了解设备运行状态。在使用光纤光栅应变传感器5对应变进行测量时，为了排除温度的干扰，需要外贴已标定好温度系数的光纤光栅温度传感器6做补偿，监测应变的光纤光栅应变传感器5与进行温度补偿的光纤光栅温度传感器6需安装在同一个光纤光栅分析仪上，为了更为准确地完成动态提升载荷8测量，需要选择采样频率较高的光纤光栅分析仪。光纤光栅传感分析仪11与电脑设备相连，进而完成硬件系统的构建，为提升载荷动态监测提供良好的测量条件。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统，所述提升机包括驱动轮(1)、天轮(2)、提升钢丝绳(7)、提升载荷(8)、尾绳(9)和提升容器(10)，其中所述驱动轮(1)通过所述提升钢丝绳(7)带动所述天轮(2)旋转从而将放置于所述提升容器(10)中的所述提升载荷(8)提起或下落，所述尾绳(9)连接于所述提升容器(10)的下方；所述天轮(2)包括天轮轴承(3)和天轮轴承座(4)，其特征在于：所述载荷监测系统包括光纤光栅应变传感器(5)、光纤光栅温度传感器(6)、光纤光栅传感分析仪(11)、光纤(12)、通信(13)、工控机(14)和显示器(15)，所述光纤光栅应变传感器(5)和所述光纤光栅温度传感器(6)固定设置于所述天轮轴承座(4)的外表面，所述光纤光栅应变传感器(5)和所述光纤光栅温度传感器(6)分别通过所述光纤(12)连接所述光纤光栅传感分析仪(11)，所述光纤光栅传感分析仪(11)通过通信(13)与所述工控机(14)进行信号连通，并将监测数值显示在所述显示器(15)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统，其特征在于：所述轴承座(4)包括弧形面(40)和弧底面(41)，所述弧形面(40)用于放置所述轴承(3)，所述弧底面(41)位于所述弧形面(40)底部外侧；所述光纤光栅应变传感器(5)和所述光纤光栅温度传感器(6)固定设置于所述弧底面(41)上。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统，其特征在于：所述通迅(13)为有线通迅或无线通迅。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感分析仪(11)通过所述光纤光栅温度传感器(6)对所述光纤光栅应变传感器(5)所采集到的应变量进行温度补偿。
5.一种基于光纤光栅技术的提升机载荷监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)光纤光栅应变传感器(5)和光纤光栅温度传感器(6)接收天轮轴承座(4)产生的应变量，转化成应变量信号；
(2)光纤光栅传感分析仪(11)接收上述应变量信号，传送到工控机(14)中进行数据处理；
(3)工控机(14)利用数据挖掘的方法计算出应变量与提升载荷之间的关系公式，由显示器(15)实时监测提升载荷的运行状态，诊断超载、未卸净、卡罐等故障，并进行报警。
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