矿井提升钢丝绳测力传感器的设计.pdf

1 6 煤 矿 机 械 2 0 0 4年第 1 0期 文章 编 号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 4 1 0 0 0 1 6 0 2 矿井提升钢丝绳测力传感器的设计 李 怀 伦 河北 能源 职业技 术学 院 ，河 北 唐 山 0 6 3 0 0 4 摘 要 论 述 了利用 电阻应 变式传感器对矿井提 升过程 中钢丝绳受力 实施动 态监测 的基 本方 法 ， 并对传感 器设计 、 特点 、 非线性 处理及 参数 的选择进行 了讨论 。 关键词 l传 感器 ；钢丝绳 ；压 力 中图号 T D 5 3 2 文献标识码 A 1 测力传感器 的组成及 安装 矿井提 升钢丝 绳测力传感器是 以 口 5 3 9 MP a ， 口 8 3 4 MP a的空心 圆柱形 状合金 结构钢 作 为弹性 元件 ； 4片电 阻应 变计 按全 等臂 电桥 差 动连 接方 式 粘贴在 弹性 元件上组成 的。 由于所设计的传感器欲直接测量提升机钢丝绳 的张力 ， 根据提 升设备 的特点 ， 最有 效的安装位 置是 在钢 丝绳与罐笼 箕斗 的连接处 。但这样做增加 了 传感器 的设 计与安装 难 度 ， 且增 加 了提 升钢 丝绳 和 提升容器 之间的连 接环 节 ， 传感 器机械 部分 一旦 失 灵 或被破坏 ， 将 直接影响原来提升系统 的可靠性 ， 为 此 ， 在传感器 的设 计 上采用 拉压 式传感 器测 量各 绳 的张力 ， 即将拉力变 为压力 ， 使对钢丝绳张力的监测 转换 为对传感器 压力 的监 测 ， 以期 实现动 态监测 功 能 。测力传感器 做成 空心 圆柱套 筒形 ， 套 住调 绳丝 杠 ， 并 用调绳螺母 压 紧即可 。这样设 计不 仅安装 方 便 ， 且 对原 提升 系统不做任何 改动 ， 可靠性高 。测力 传感器 的安装 如图 1 所示 。 图 1 测 力 传 感 器 安 装 图 Fi g． 1 Pu l l i n g f o r c e mon i t or s e t u p di ag r a m 1 ．液压油 缸2 ． 传 感器3 ． 调 绳螺母 2圆柱形 空心 测力传感器的特点 该 压力 传感器 其弹性 元件 为空心 圆柱形结 构 ， 测量电路采用差 动布 片 和全桥 接线 ， 这 种布 片接桥 不仅消除 了非线 性误 差 ， 而且 可 排除 载荷偏 心或侧 向力引起 的干扰 ， 如图 2所示 。 当弹性 元件 受偏 心力 F ，作用 时 ， 由材 料 力 学 可知 ， 弹性元件将会产 生轴向压缩和弯 曲， 产生 的应 力分 别为压应力 和弯 应力 ， 各 应变 计 的应 变 为相应 的压应 变与弯应 变的代数 和。即 e‘ e， ． e ， I 窗目 图 2 电 阻 应 亚 计 在 弹 性 兀 件 上 的 布 片 辛 口 应 力 分 布 F ig． 2 T h e a s s i g n s l i c e a n d s t r e s s h d i s t r i b u t i o n o f r e s i s t a n t s t r a i no me t e r o n t he e l a s t i c e l e me nt 由于采用差动全桥接线 电路 ， 故输 出电压 △ K e l e 2 e 3 一e 4 式中 e ， ， e ， 沿轴 向产生 的应 变 ， 是 压应变 与弯 应变之 差 ， 之 和 ， e l e ， ， 一 ，e 3 ； e ， e 横 向应变 ， 根 据泊松公 式 ， e ， e 2 一 ， e 4 。 所以A U 0 詈 一 e ， 2 一 e e 3 E M 4 ] 。 又 因为 e ， 1 ‘ E M 2 e M ,， 所 以 △ 2 1 e ， ] - K 1 。 可见输 出电压只与灵敏度 、 弹性模量 、 电源两端 电压 、 受力 面积及所受拉 力有关 ， 与偏心力 引起 的弯 应变无关 ， 因此 由偏 心力 、 侧 向力 引起 的干扰被排 除 了 。 3 测力传感器参数的确定 设计 空心 圆柱 式测力 传感器 时 ， 空 心 圆柱 的强 度应满 足材料 的允许应力 [ 。 ] ， 即 季 ≤ [ 。 ] ≤ 式中 D， d 空 心 圆柱形 弹性 元 件 的外 径 和 内 维普资讯 2 0 0 4年 第 1 0期 矿井 提升钢丝绳测 力传感 器的设计李 怀伦 1 7 径 ； F 传 感 器 承受 的压 力 ， 实 际上 是每 条 钢丝 绳 的拉 力 ， 根 据 煤 矿 安 全 规 程 的规定 ， 钢丝 绳承受 的最大静 载 荷也 即为钢 丝绳承受 的拉 力 ， FQ一 QQ P H Q 一 钢丝绳最大静 载荷 ； p 容器一次提 升量 ； Q 容器 自重 ； P 钢丝绳每米 的重量 ； 日 钢丝绳最大悬垂长度 。 弹性元件 的高度对传感 器的静 态特性和动态 特 性 都有影响 ， 根据上面讨论 ， 尽管用空心圆柱形传感 器 能消除由于轴 向力偏 心而 引起 的弯应 变 ， 但高度 过大 ， 在一 定的压力作用下 ， 必然会 引起 较大的测量 误差 。由材料力学 可知 ， 弹性元 件 的高 度 日与其 直 径 D的 比值最好控制 在 H D2 1 左右 。 下 面通 过一组数据进行简单 的计算 设 弹性元 件为合金结构钢 ， 其弹性模量 E1 8 6 G P a ， 泊 松 比 0 ． 2 8 5 ， 外 径 D8 c m， 内径 d4 cm 。提升机满 载荷 为 3 0 t ， 4绳 提升 ， 每根钢丝绳满载 荷为 7 ． 5 t ， 测 量 电路采 用全 等臂 差动平 衡 电桥 ， 其 灵敏度 K2 ， 电源 电动势 U2 0 V 。 r， 根据上 面推导公式 AU 。 K[ 2 1 ￡ ， ] 1 2 ． 6 91 0 ～V。 该数值为传 感器 将非 电学量～ 压力 ， 转换 成 为 输 出的电学量一 电压 ， 由于该信 号 比较微 弱 ， 因此 ， 在 实际 的测量 电路 中还必须将 此信号进行 放大和滤 波处理 。 4设 计 过 程 中应 注 意 的 问题 1 提升机在运行过程 中都有启 动加 速 、 匀 速运 行、 减速运行等环 节 ， 根据 牛顿第 二 定律 ， 随着加 速 度的变化 ， 钢丝绳 承受 的拉 力也在变化 ， 特 别是在提 升容器被 卡住 出现 紧绳时 ， 钢 丝绳 的拉 力 可能要 超 过其破断力的总和 ， 导致 坠罐事 故的发生 ， 这 是应 当 坚决杜绝 的。根据 煤矿 安全 规程 规定 ， 钢 丝绳 所 有钢丝破断力总和与钢丝绳 的最大静 载荷及 安全 系 数满足下列关系 而 Q Q≥m t P H c ’ ⋯ 式 中 Q。 钢丝绳所有钢丝破 断力 的总和 ； m． 钢丝绳 的安全 系数 ， 煤矿 安全 规程 规定摩 擦 式 提升 设 备 钢丝 绳 安 装 系 数为 ①升降人员 和物料 用 的不 得小 于 9 ． 20 ． 0 0 0 5 H ； ② 专 为升 降 物料 用 的不得小 于 7 ． 20 ． 0 0 0 5 H 。 根据 上面技术 要求 ， 可 以通过 提升 负荷选 取钢 丝绳 ， 进而确定哪种材 料可 作为 弹性元 件 空心 圆柱 了。 2 安装 测力传感器时 ， 应注意调 整各钢丝绳 松 紧程度 相当 ， 使钢丝绳所受拉力相等 ， 避免各绳 张力 不均载荷集 中现象 。 3 由上 面计 算可以看出 ， 该测力传感 器的输 出 电压为 2 ． 6 9 m V， 这个 微 弱信 号对 噪声严 重 的提 升 井筒和绞车房来讲 ， 容易受到干扰 ， 势必影响到信 号 的输出 。因此 ， 在定做传感器 时 ， 将放大器一 同做 在 传感器里 ， 使传 感器 的输 出电压 达 到 05 V， 这样 既能提高信 号的抗干 扰能 力 ， 同时 又为下 一 步 的信 号处理奠定基础 。 作者简 介 李 怀伦 1 9 6 3一 ， 河北 唐 山人 ， 物 理 副 教 授 ， 基础 部 副 主任 ， 在 职研究 生 ， 研 究方 向 仪器 、 仪表 ． 收 稿 日期 2 0 0 4 0 4 ． 0 8 The d e s i g n o f r e s i s t a n t s t r a i n s e I l s 0 r t 0 m o n i t o r t h e pu l l i ng f o r c e t o s t e e l c a b l e s i n t h e m i ne LIHu a i - l u n H e b e i E n e r g y I n s t i tu t e o f V o c a ti o n a n d T e c h n o l o g y t T a n g s h a n 0 6 3 0 0 4 。 C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r r e pr e s e n t s t h e b a s i c wa y s o n t h e r e s i s t a nt s t r a i n s e n s o r ’ s d y n a mi c mo ni t o r o f t h e pu l l i n g f o r c e t o s t e e l c a b l e s i n the c o u r s e o f l i f t i n th e mi ne。 a n d d i s c u s s e s the f e a t u res o fth e de s i g n o f the s e ns o r 。 t h e u n l i n e a r d i s p o s a l a nd the s e l e c t i o n o f t he p a r a me t e r ． 、 Ke y wor d s s e n s o r s t e e l C a b l e；pr e s s u r e 法 国 强 力 带 式 输 送 机 跑 偏 治 理 兖州 矿业 集 团 公 司东滩 煤矿 石 门 、 岩 集输 送带 运输 巷使 用法 国强力 带式 输送机 ， 输送距 离 全长 为 7 2 0 0 m。运行 多 年 后 输送 带 出现 全程 大 面积 、 无规 律 跑偏 漂移 ， 运 行维 护 困难 ， 必须进 行 全面 治理 。 治理 方 案如 下 ① 调整机 头 、 机 尾滚 筒 及全程 槽形 托辊 组与带 式 输送 机 输送 中心 线 垂 直度 ； 调 整 全 过程 H形支 架 横 向水 平 度 ； 改 造溜 槽 ， 杜 绝偏 心装 载 。②增 设 跑偏 限位 装置 的方法 在跑 偏量小 时 作用 不 大 ， 当跑偏 量 较 大 时不 仅 起不 到 限 位作 用 ， 且 卷 曲 、 磨损 输 送带 侧边 ， 一般 不宜 采用 。③ 加强 回转式 调 心托辊 组支 承座 强 度 ， 恢 复 复位 力 的调 心 作用 ， 但 效果 甚 微 。④ 分 段 、 密集 布 置调 心托 辊组 ， 并将 调心 托辊 组抬 高 2 0 i n I n ， 使其 与输送 带接 触应 力增 大 ， 2 5 ％的托 辊 组调 偏 作用 得 以恢 复 。但 是 ， 此类 调心 托辊 有 “ 时 间延 误 ” 和摩擦 力矩 过小 时 的无反应 区 ， 会 不断将 输送 带 拨 向另 一边 。⑤ 全程 输送 带 翻转 使用 后 ， 输送 带 与槽 形托 辊组 接 触 良好 ， 复位 力 大于 干扰力 ， 使输 送带 重新 稳定运 行 。 李 剑锋供 稿 维普资讯