提升钢丝绳张力监测及超载预警系统
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监控界面
监控界面完成实时 数据的显示和报警。波 形图表能清晰的实时显 示波形。 数据的显示主要通 过波形图和其它数值显 示控件来完成，报警通 过报警指示灯完成。 A勾罐笼监控界面如 图所示。
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
报警记录查询
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
报警设置界面
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
例如徐州矿务局权台矿主井发生一起过卷断绳 事故，全矿生产6天零8小时，主要原因是煤含水 量过大严重超载所致。
（2）卡罐导致松绳打结
松绳造成的卡罐：提升容器若超速或加速度超限等都会启用安全紧急制动，下 放的容器易造成钢丝绳松绳，从而导致防坠器误启动而卡罐。若司机未及时发现 卡罐继续下放容器，由于提升钢丝绳的自旋转扭转力，使钢丝绳就发生打结。 罐道变形造成罐笼震动，若震动幅度超出罐笼防坠器制动齿与罐道木的标准 间隙(一般为10mm)，将造成防坠器产生误动作卡罐， 同样发生松绳打结现象。
3.斜井串车提升机超载产生原因及危害分析
斜井串车提升系统，要求挂车数量是一定的，不得超过规定 数量，但是会出现数量未超，而总载重量已经远远超过了提升 量。超载会造成钢丝绳断绳导致跑车事故。 在挂车数已经满足数量要求时，但总载重量却不足额定量， 可以再挂串车，使总载重量接近额定载重量，以提高提升效率。
2 6 5 4 3 1
2. 项目研究的技术方案路线
多绳摩擦提升机 每根钢丝绳张力 及张力差油压信号 单绳缠绕提升机 钢丝绳张力 旁压信号
斜井串车提升机 钢丝绳张力 轴承座压力信号
通过无线发射和接收装置传输信号
研制采集装置采集信号
编制软件分析处理并诊断故障
在线监测及控制系统
3. 项目研究的关键技术点
采集各钢丝 绳张力信号
采集电量信号
否
否
是否已完成对全部 采 集 量 的 5次 采 集 是 对 5次 采 集 的 数 据取平均值
如果上位机允许数据发送，则该模块将最 近一次取得的数据和校验数据一并发送。
数据采集发送流程图如图所示。
对要发送的数据 进行与或运算
是否允许发送?
是 发送数据头、采集 的数据和校验数据
(3) 钢丝绳张力差产生原因和危害分析
使用钢丝绳张力自动平衡装置只能减小 张力差，并不能使张力差消失。 全调压时，由于钢丝绳张力差是时刻存 在的，导致钢丝绳在滚筒上来回窜绳滑动， 造成滚筒绳槽衬垫和钢丝绳过度磨损。 半调压时，油缸相通一侧钢丝绳张力相 等，由于钢丝绳张力差时刻存在，自动平 衡装置只能起局部调节作用，使张力差减 小一些但不能消除，另一侧钢丝绳仍存在 张力差。
平煤二矿西斜井采用串车提升，采用轴承座传感器钢丝绳的张力信号。并 将信号通过电缆上传至机房监控计算机。
3.2 监测系统硬件设计
上电复位
系统采集发送模块软件设计
系统上电复位后模块循环采集各钢丝绳张 力信号和供电模块的电量信号。 系统采用平均值滤波的算法，对连续采集 的五次数据取平均值，得到要发送的采集信 号。采用平均值滤波的算法可以去除在采集 过程中随机信号的干扰，从而使测量结果更 加可靠。
提升钢丝绳张力监测及超载预警系统
中国矿业大学（徐州）机电工程学院 徐桂云
汇报内容
1
项目研究背景、对象 项目研究的技术方案路线 项目研究的关键技术
2 3 4
工业性试验情况
1.项目研究背景、对象
超载提升、钢丝绳张力差过大等，是造成矿井提升坠罐、 过卷等事故的主要原因，防止这些事故最有效的方法是在
线监测钢丝绳张力和张力差。
目前，关于这方面尚没有全面有效的监测手段，平煤集团 机电处和中国矿业大学共同 完成了“煤矿提升钢丝绳张力 差在线监测及超载预警系统” 项目的研究； 该项目面向三种常见的提升机：1.立井多绳摩擦式提升机；
2.立井单绳缠绕式提升机；3.斜井串车提升机。
针对不同的提升机，易发生的提升故障和事故叙述如下。
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
十一矿与三矿系统设计中数据采集、数据传输与数据处理 基本相同，采集得到的数据均是通过串口读入监控计算机， 监控软件根据串口读取的数据进行处理、分析和判断。 二矿西斜井通过装在监控计算机中的高速数据采集卡对信 号进行采集，计算机可通过PCI总线直接读取数据。 系统上位机和下位机进行串口通信完成数据收发、处理、
一、多绳摩擦提升机中钢丝绳张力油压传感器的研制
钢丝绳张力油压传感器安装在每个张力液压自动平衡油缸旁路上，并安 有油压开关便于维修。 诊断钢丝绳张力差超过10%时超限预警，提醒维修人员降低张力差。
四根钢丝绳的张力之和是载重量，每次提升前若监测到容器的载重量和 两容器的载重差超限闭锁提升机。根据载重量可计算提煤量。
曲线变化，是因为矿车轨道坡度变化引起钢丝绳张力变化所致。
在容器上安装无线发射模块，将油压数据传到无线接收模块，再通过电 缆传输到车房。
二、单绳缠绕立井提升机中钢丝绳张力旁压传感器的研制
将旁压传感器，通过螺钉套装在楔形连接绳环附近的钢丝绳上。 旁压传感器受力分析如图。
Fm Fm F 2 tan 2 tan12 0
M1
F Fm
α
F
F
二、单绳缠绕立井提升机中钢丝绳张力旁压传感器的研制
(3) 钢丝绳张力差产生原因和危害分析 各根钢丝绳长度不同、 绳槽加工误差等都会使滚 筒与钢丝绳之间的摩擦力不同，使各根钢丝绳之间产 生张力差。
《煤矿安全规程》规定：多绳摩擦提升装置中任一 根提升钢丝绳的载荷与平均载荷之差不得超过±10%。 张力差过大造成：钢丝绳运行时抖动大，甚至有脱 槽的危险；钢丝绳出现断丝、疲劳损伤、磨损较大， 绳槽衬垫过度磨损，钢丝绳与绳槽衬垫摩擦系数减小， 导致滑绳等事故的发生。
十一矿新主井多绳摩擦提升机钢丝绳张力试验曲线
该曲线是空箕斗在最底部下放和上提的曲线段，基本对称，这与箕斗的运 行规律是相一致的。 在下放过程中钢丝绳载荷直线下降，这是因为连接在箕斗下的尾绳长度逐 渐减小，在上提过程中钢丝绳载荷直线上升，这是因为连接在箕斗下的尾绳 长度逐渐增大。
二矿西斜井串车提升钢丝绳张力试验曲线
运行中经常出现一侧活塞杆伸出到极限， 另一侧活塞杆缩回到极限的偏串现象；还 出现油缸卡死。
有必要在线监测张力差的大小，使维护 人员及时采取措施减小张力差。
1.2.单绳缠绕提升机超载、松绳卡罐产生原因及危害
（1）超载产生原因及危害分析 单绳缠绕提升机超载原因同多绳摩擦提升机。 超载会对钢丝绳造成重大损伤，甚至断丝断绳 ，导致断绳坠罐、过卷等重大提升事故。
当A面加力F1时，可以分解为两部分，可看成是两只单悬臂梁传感器， F1与 应变εmax关系和旁压传感器相同
4bE BH 3 ( B b)h3 F1 2 2 max 3Hh (1 ) BH ( B b)h
A面应Biblioteka 片1/2F11/2F1
F1
1/2F1 1/2F1
A线
3.2 监测系统硬件设计
项目研究的关键技术有三点：
三种提升机钢丝绳张力传感器的研制； 数据信息无线传输方式的研究应用；
实时处理数据的软件的设计开发。
3.1 三种钢丝绳张力传感器的研制
一、多绳摩擦提升机中钢丝绳张力油压传感器的研制
因为无线传输受罐道内复杂信号的影响有误码率，为避开使用
无线传输信号，最初的研究方案是张力差和总张力分开监测。
传感器标定界面
4 工业性试验情况
三矿己八井单绳缠绕提升机钢丝绳张力试验曲线
图为两罐在同一时间段内的钢 丝绳张力曲线图。 两罐笼钢丝绳提升和下放过程 中的受力情况刚好相对。现在对 罐笼A的钢丝绳载荷曲线进行分析。 曲线左侧为罐笼A装满煤并上 提的过程。 曲线中部受力有一个尖峰出现， 是停车造成的。 卸煤是将煤车推下再将另一个 空煤车推入罐笼的过程，根据曲 线可分别求出罐笼和空矿车重量。 曲线的后部分为罐笼到达底部 并装煤的过程，由于罐笼接触井 底，所以钢丝绳张力值在此刻是 小于罐笼的重量。
平煤十一矿新主井井深703米，立井多绳摩擦提升。平煤三环公司己八井井 深270米，采用立井单绳缠绕的升。系统将钢丝绳传感器张力信号转换为数 字信号，通过无线发射模块发射到上井口（或井道中间）的无线接收模块， 再通过电缆将数字信号传至机房计算机。系统工作原理如图所示。
张力传感器
3.2 监测系统硬件设计
显示、记录、报警等功能，上位机软件是本系统的主要组成 部分。
本系统选用图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW来完成 上位机的设计。
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
系统程序
系统程序包括串口数据收发、数据处理、显示，报警数据保存，报 警查询等功能。具体结构如图所示
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
旁压式传感器的优 点是能直接迅速在线
监测到钢丝绳张力的
，除能监测超载和提 煤量外，对松绳最灵 敏感，因此松绳保护 效果最好。
三、斜井串车提升机中钢丝绳张力轴承座传感器的研制 钢丝绳张力轴承座传感器现场安装如图
α
Fm
β
F
Fm
F sin sin
三、斜井串车提升机中钢丝绳张力轴承座传感器的研制
1.1 多绳摩擦提升机超载和张力差产生原因及危害 (1) 超载产生原因
① 提升箕斗粘 煤。
② 重复装载。 ③副井提升操作 人员判断不准确造 成超载。
（2）超载提升的危害
超载时，易超温烧坏设备，发生险情或事故。 例如平煤十一矿曾出现严重超载，提升速度正常是11m/s，减到了1m/s慢 慢提升，烧坏导电带。又例如徐州大屯煤电公司某矿井因重复装载造成 险情，700米的矿井用了6小时才把箕斗提上来。 超载会对钢丝绳造成重大损伤，甚至断丝，如中途因过载急停，极易造 成重大提升事故。 超载对整个提升机械系统造成冲击和损坏，如减速机、联轴节打齿等。 《煤矿安全规程》规定：制动时所产生的力矩与实际提升最大静荷重旋 转力矩之比K值不得小于3。超载时静荷重旋转力矩过大造成制动力矩不 足无法制动，导致坠罐、过卷等事故。 在线监测提升载荷即钢丝绳的张力，可避免超载。
监控界面完成实时 数据的显示和报警。波 形图表能清晰的实时显 示波形。 数据的显示主要通 过波形图和其它数值显 示控件来完成，报警通 过报警指示灯完成。 A勾罐笼监控界面如 图所示。
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
报警记录查询
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
报警设置界面
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
例如徐州矿务局权台矿主井发生一起过卷断绳 事故，全矿生产6天零8小时，主要原因是煤含水 量过大严重超载所致。
（2）卡罐导致松绳打结
松绳造成的卡罐：提升容器若超速或加速度超限等都会启用安全紧急制动，下 放的容器易造成钢丝绳松绳，从而导致防坠器误启动而卡罐。若司机未及时发现 卡罐继续下放容器，由于提升钢丝绳的自旋转扭转力，使钢丝绳就发生打结。 罐道变形造成罐笼震动，若震动幅度超出罐笼防坠器制动齿与罐道木的标准 间隙(一般为10mm)，将造成防坠器产生误动作卡罐， 同样发生松绳打结现象。
3.斜井串车提升机超载产生原因及危害分析
斜井串车提升系统，要求挂车数量是一定的，不得超过规定 数量，但是会出现数量未超，而总载重量已经远远超过了提升 量。超载会造成钢丝绳断绳导致跑车事故。 在挂车数已经满足数量要求时，但总载重量却不足额定量， 可以再挂串车，使总载重量接近额定载重量，以提高提升效率。
2 6 5 4 3 1
2. 项目研究的技术方案路线
多绳摩擦提升机 每根钢丝绳张力 及张力差油压信号 单绳缠绕提升机 钢丝绳张力 旁压信号
斜井串车提升机 钢丝绳张力 轴承座压力信号
通过无线发射和接收装置传输信号
研制采集装置采集信号
编制软件分析处理并诊断故障
在线监测及控制系统
3. 项目研究的关键技术点
采集各钢丝 绳张力信号
采集电量信号
否
否
是否已完成对全部 采 集 量 的 5次 采 集 是 对 5次 采 集 的 数 据取平均值
如果上位机允许数据发送，则该模块将最 近一次取得的数据和校验数据一并发送。
数据采集发送流程图如图所示。
对要发送的数据 进行与或运算
是否允许发送?
是 发送数据头、采集 的数据和校验数据
(3) 钢丝绳张力差产生原因和危害分析
使用钢丝绳张力自动平衡装置只能减小 张力差，并不能使张力差消失。 全调压时，由于钢丝绳张力差是时刻存 在的，导致钢丝绳在滚筒上来回窜绳滑动， 造成滚筒绳槽衬垫和钢丝绳过度磨损。 半调压时，油缸相通一侧钢丝绳张力相 等，由于钢丝绳张力差时刻存在，自动平 衡装置只能起局部调节作用，使张力差减 小一些但不能消除，另一侧钢丝绳仍存在 张力差。
平煤二矿西斜井采用串车提升，采用轴承座传感器钢丝绳的张力信号。并 将信号通过电缆上传至机房监控计算机。
3.2 监测系统硬件设计
上电复位
系统采集发送模块软件设计
系统上电复位后模块循环采集各钢丝绳张 力信号和供电模块的电量信号。 系统采用平均值滤波的算法，对连续采集 的五次数据取平均值，得到要发送的采集信 号。采用平均值滤波的算法可以去除在采集 过程中随机信号的干扰，从而使测量结果更 加可靠。
提升钢丝绳张力监测及超载预警系统
中国矿业大学（徐州）机电工程学院 徐桂云
汇报内容
1
项目研究背景、对象 项目研究的技术方案路线 项目研究的关键技术
2 3 4
工业性试验情况
1.项目研究背景、对象
超载提升、钢丝绳张力差过大等，是造成矿井提升坠罐、 过卷等事故的主要原因，防止这些事故最有效的方法是在
线监测钢丝绳张力和张力差。
目前，关于这方面尚没有全面有效的监测手段，平煤集团 机电处和中国矿业大学共同 完成了“煤矿提升钢丝绳张力 差在线监测及超载预警系统” 项目的研究； 该项目面向三种常见的提升机：1.立井多绳摩擦式提升机；
2.立井单绳缠绕式提升机；3.斜井串车提升机。
针对不同的提升机，易发生的提升故障和事故叙述如下。
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
十一矿与三矿系统设计中数据采集、数据传输与数据处理 基本相同，采集得到的数据均是通过串口读入监控计算机， 监控软件根据串口读取的数据进行处理、分析和判断。 二矿西斜井通过装在监控计算机中的高速数据采集卡对信 号进行采集，计算机可通过PCI总线直接读取数据。 系统上位机和下位机进行串口通信完成数据收发、处理、
一、多绳摩擦提升机中钢丝绳张力油压传感器的研制
钢丝绳张力油压传感器安装在每个张力液压自动平衡油缸旁路上，并安 有油压开关便于维修。 诊断钢丝绳张力差超过10%时超限预警，提醒维修人员降低张力差。
四根钢丝绳的张力之和是载重量，每次提升前若监测到容器的载重量和 两容器的载重差超限闭锁提升机。根据载重量可计算提煤量。
曲线变化，是因为矿车轨道坡度变化引起钢丝绳张力变化所致。
在容器上安装无线发射模块，将油压数据传到无线接收模块，再通过电 缆传输到车房。
二、单绳缠绕立井提升机中钢丝绳张力旁压传感器的研制
将旁压传感器，通过螺钉套装在楔形连接绳环附近的钢丝绳上。 旁压传感器受力分析如图。
Fm Fm F 2 tan 2 tan12 0
M1
F Fm
α
F
F
二、单绳缠绕立井提升机中钢丝绳张力旁压传感器的研制
(3) 钢丝绳张力差产生原因和危害分析 各根钢丝绳长度不同、 绳槽加工误差等都会使滚 筒与钢丝绳之间的摩擦力不同，使各根钢丝绳之间产 生张力差。
《煤矿安全规程》规定：多绳摩擦提升装置中任一 根提升钢丝绳的载荷与平均载荷之差不得超过±10%。 张力差过大造成：钢丝绳运行时抖动大，甚至有脱 槽的危险；钢丝绳出现断丝、疲劳损伤、磨损较大， 绳槽衬垫过度磨损，钢丝绳与绳槽衬垫摩擦系数减小， 导致滑绳等事故的发生。
十一矿新主井多绳摩擦提升机钢丝绳张力试验曲线
该曲线是空箕斗在最底部下放和上提的曲线段，基本对称，这与箕斗的运 行规律是相一致的。 在下放过程中钢丝绳载荷直线下降，这是因为连接在箕斗下的尾绳长度逐 渐减小，在上提过程中钢丝绳载荷直线上升，这是因为连接在箕斗下的尾绳 长度逐渐增大。
二矿西斜井串车提升钢丝绳张力试验曲线
运行中经常出现一侧活塞杆伸出到极限， 另一侧活塞杆缩回到极限的偏串现象；还 出现油缸卡死。
有必要在线监测张力差的大小，使维护 人员及时采取措施减小张力差。
1.2.单绳缠绕提升机超载、松绳卡罐产生原因及危害
（1）超载产生原因及危害分析 单绳缠绕提升机超载原因同多绳摩擦提升机。 超载会对钢丝绳造成重大损伤，甚至断丝断绳 ，导致断绳坠罐、过卷等重大提升事故。
当A面加力F1时，可以分解为两部分，可看成是两只单悬臂梁传感器， F1与 应变εmax关系和旁压传感器相同
4bE BH 3 ( B b)h3 F1 2 2 max 3Hh (1 ) BH ( B b)h
A面应Biblioteka 片1/2F11/2F1
F1
1/2F1 1/2F1
A线
3.2 监测系统硬件设计
项目研究的关键技术有三点：
三种提升机钢丝绳张力传感器的研制； 数据信息无线传输方式的研究应用；
实时处理数据的软件的设计开发。
3.1 三种钢丝绳张力传感器的研制
一、多绳摩擦提升机中钢丝绳张力油压传感器的研制
因为无线传输受罐道内复杂信号的影响有误码率，为避开使用
无线传输信号，最初的研究方案是张力差和总张力分开监测。
传感器标定界面
4 工业性试验情况
三矿己八井单绳缠绕提升机钢丝绳张力试验曲线
图为两罐在同一时间段内的钢 丝绳张力曲线图。 两罐笼钢丝绳提升和下放过程 中的受力情况刚好相对。现在对 罐笼A的钢丝绳载荷曲线进行分析。 曲线左侧为罐笼A装满煤并上 提的过程。 曲线中部受力有一个尖峰出现， 是停车造成的。 卸煤是将煤车推下再将另一个 空煤车推入罐笼的过程，根据曲 线可分别求出罐笼和空矿车重量。 曲线的后部分为罐笼到达底部 并装煤的过程，由于罐笼接触井 底，所以钢丝绳张力值在此刻是 小于罐笼的重量。
平煤十一矿新主井井深703米，立井多绳摩擦提升。平煤三环公司己八井井 深270米，采用立井单绳缠绕的升。系统将钢丝绳传感器张力信号转换为数 字信号，通过无线发射模块发射到上井口（或井道中间）的无线接收模块， 再通过电缆将数字信号传至机房计算机。系统工作原理如图所示。
张力传感器
3.2 监测系统硬件设计
显示、记录、报警等功能，上位机软件是本系统的主要组成 部分。
本系统选用图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW来完成 上位机的设计。
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
系统程序
系统程序包括串口数据收发、数据处理、显示，报警数据保存，报 警查询等功能。具体结构如图所示
3.3 实时处理数据的软件的设计开发
旁压式传感器的优 点是能直接迅速在线
监测到钢丝绳张力的
，除能监测超载和提 煤量外，对松绳最灵 敏感，因此松绳保护 效果最好。
三、斜井串车提升机中钢丝绳张力轴承座传感器的研制 钢丝绳张力轴承座传感器现场安装如图
α
Fm
β
F
Fm
F sin sin
三、斜井串车提升机中钢丝绳张力轴承座传感器的研制
1.1 多绳摩擦提升机超载和张力差产生原因及危害 (1) 超载产生原因
① 提升箕斗粘 煤。
② 重复装载。 ③副井提升操作 人员判断不准确造 成超载。
（2）超载提升的危害
超载时，易超温烧坏设备，发生险情或事故。 例如平煤十一矿曾出现严重超载，提升速度正常是11m/s，减到了1m/s慢 慢提升，烧坏导电带。又例如徐州大屯煤电公司某矿井因重复装载造成 险情，700米的矿井用了6小时才把箕斗提上来。 超载会对钢丝绳造成重大损伤，甚至断丝，如中途因过载急停，极易造 成重大提升事故。 超载对整个提升机械系统造成冲击和损坏，如减速机、联轴节打齿等。 《煤矿安全规程》规定：制动时所产生的力矩与实际提升最大静荷重旋 转力矩之比K值不得小于3。超载时静荷重旋转力矩过大造成制动力矩不 足无法制动，导致坠罐、过卷等事故。 在线监测提升载荷即钢丝绳的张力，可避免超载。