礦用罐道鋼絲繩張力研究與應(yīng)用

張冬梅

鄭煤集團(tuán)工程技術(shù)研究院 河南鄭州 450042

罐道鋼絲繩作為礦井提升的重要部件，可防止提升容器非正常擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，保障其平穩(wěn)運(yùn)行[1]，但在柔性罐道繩約束下的提升容器容易產(chǎn)生橫向偏擺[2-3]。罐道繩張力偏小、偏大或者不均，都會(huì)給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重隱患?！睹旱V安全規(guī)程》第三百九十八條明確規(guī)定：“每個(gè)提升容器 (平衡錘)有 4 根罐道繩時(shí)，每根罐道繩的最小剛性系數(shù)不得小于 500 N/m，各罐道繩張緊力之差不得小于平均張緊力的 5%，內(nèi)側(cè)張緊力大，外側(cè)張緊力小。每個(gè)提升容器 (平衡錘) 有 2 根罐道繩時(shí)，每根罐道繩的剛性系數(shù)不得小于 1 000 N/m，各罐道繩的張緊力應(yīng)當(dāng)相等”[4]。目前，罐道繩張力的檢測(cè)與調(diào)整，已經(jīng)成為煤礦提升技術(shù)管理工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。但罐道繩安裝后，缺少罐道繩張力檢測(cè)手段，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量、表征各罐道繩的張力，可能造成罐道繩張力偏大、偏小或不均勻等情況[5]。如何測(cè)試罐道繩張力，為煤礦安全生產(chǎn)提供科學(xué)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，是行業(yè)迫切需要解決的難題。

關(guān)于罐道繩張力測(cè)試，目前理論研究分為 3 種：豎向張緊法、橫向張拉法和振動(dòng)波周期法[6]。前兩者雖然理論簡(jiǎn)單，但受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和安全要求的制約，可實(shí)施性差，一直沒(méi)有推廣使用。第 3 種理論自研究以來(lái)，一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)從理論到產(chǎn)品的成熟應(yīng)用轉(zhuǎn)化，沒(méi)有研制出成熟的測(cè)試設(shè)備，實(shí)際生產(chǎn)中鮮有應(yīng)用。罐道繩長(zhǎng)期在重載及濕潤(rùn)的環(huán)境下運(yùn)行，需要進(jìn)行定期檢測(cè)與維護(hù)[7]。本研究依據(jù)振動(dòng)波周期法研制了一款礦井罐道繩張力測(cè)試設(shè)備[8]，通過(guò)在鄭煤集團(tuán)多個(gè)礦井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)備的可靠性和可實(shí)施性。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可及時(shí)調(diào)整不滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》要求的罐道繩張力，為罐道繩的安全運(yùn)行提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，也為罐道繩張力的科學(xué)定量測(cè)試提供了一種新的途徑和思路。

1 基于振動(dòng)波周期法的理論研究

振動(dòng)波周期法是依據(jù)振動(dòng)波在鋼絲繩上的傳遞速度和鋼絲繩張力的關(guān)系，通過(guò)速度傳感器測(cè)量鋼絲繩振動(dòng)波周期，得到傳遞速度，進(jìn)而計(jì)算出鋼絲繩張力。

1.1 罐道繩拉力的測(cè)量

在井口附近位置，對(duì)罐道繩某一點(diǎn)施加一垂直沖擊力，使罐道繩產(chǎn)生橫向振動(dòng)。振動(dòng)波在鋼絲繩上的傳遞速度與鋼絲繩所受張力的關(guān)系[9]如下：

式中：v為振動(dòng)波在鋼絲繩上的傳播速度，m/s；Q為鋼絲繩所受張力，N；g為重力加速度，m/s2；q為罐道繩每米重力，N/m。

罐道繩力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 罐道繩力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of cage guide rope

設(shè)罐道繩末端所受張力為Qr，則距罐道繩末端s處的鋼絲繩張力

由式 (1)～(2) 可得，振動(dòng)波在距罐道繩末端y處的速度

站在井口位置打擊鋼絲繩，產(chǎn)生的振動(dòng)波在繩上傳播。振動(dòng)波往返傳遞的時(shí)間周期

通過(guò)積分處理得罐道繩下端張力

式中：L為罐道繩懸垂長(zhǎng)度，m。

1.2 計(jì)算罐道繩剛性系數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn) [10-11]，罐道繩張緊狀態(tài)和鋼絲繩自重影響剛性系數(shù)，繩長(zhǎng)范圍內(nèi)的各點(diǎn)剛性系數(shù)均不同，最小剛性系數(shù)在罐道繩下端 (0.4～0.5)L之間。最小剛性系數(shù)

式中：L0為罐道繩極限懸垂長(zhǎng)度，m；σB為罐道繩的抗拉強(qiáng)度，N/m2；m為罐道繩的安全系數(shù)，取m=6；ρ為罐道繩的密度，平均取 9 000 kg/m3。

1.3 罐道繩剛性系數(shù)的影響因素

在容器上下 4 個(gè)約束點(diǎn)平面上，罐道繩的橫向剛度相同；力臂越大的約束點(diǎn)，水平位移越大，其對(duì)容器的水平約束力越大。它會(huì)使得容器產(chǎn)生一個(gè)繞x軸的水平轉(zhuǎn)矩。當(dāng)容器在水平y(tǒng)軸上受外力F產(chǎn)生一個(gè)橫向位移時(shí)，其受力情況如圖2 所示。

圖中，O點(diǎn)為提升容器的質(zhì)心；A1、A2、A3、A4表示罐耳在提升容器上的位置，A1、A2表示提升容器的外側(cè)，A3、A4表示提升容器的內(nèi)側(cè)；wB1和wB2表示罐耳在z軸方向到容器質(zhì)心的橫向水平距離；ds(Ai)表示罐耳在y軸方向到容器質(zhì)心的橫向水平距離。

提升容器的罐耳在其中一個(gè)方向不對(duì)稱(chēng)布置，由于 4 根罐道繩底部張緊力相同，在容器上下 4 個(gè)約束點(diǎn)平面上，罐道繩的橫向剛度相同，其力臂越大的約束點(diǎn)，水平位移越大，它對(duì)容器的水平約束力越大，使容器產(chǎn)生一個(gè)水平轉(zhuǎn)矩。當(dāng)容器在水平y(tǒng)軸上受外力F作用，在罐耳A1、A2、A3、A4處產(chǎn)生的橫向位移依次為wA1、wA2、wA3和wA4。罐耳A1、A2、A3、A4處的橫向力依次為

式中：kA1、kA2、kA3、kA4為罐道繩在提升容器上側(cè)罐耳處的橫向剛度。同理，kB1、kB2、kB3、kB4為罐道繩在提升容器下側(cè)罐耳處的橫向剛度。

提升容器受到的最大轉(zhuǎn)矩

在深井下，kAi的值與kBi的值差別很小，

在橫向位移不變的情況下，提升容器的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與罐道繩橫向剛度呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)容器在水平面內(nèi)達(dá)到受力平衡時(shí)，容器產(chǎn)生了一個(gè)扭轉(zhuǎn)角θx。Mmax越大，扭轉(zhuǎn)角θ x越大，其扭轉(zhuǎn)引起在y軸的位移為wBi θx。

要削弱轉(zhuǎn)矩的影響，則需要調(diào)整罐道繩剛度，盡可能使Mmax變小。定義剛度之間的協(xié)調(diào)比值

由于wB1>wB2，可得kA2+kA3＞kA1+kA4。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第三百九十八條規(guī)定，需要滿(mǎn)足：

再根據(jù)kA2+kA3＞kA1+kA4，因此 4 根罐道繩底部的最小剛性系數(shù)需滿(mǎn)足kA3＞kA2＞kA4＞kA1。

2 檢測(cè)設(shè)備的組成和原理

2.1 檢測(cè)設(shè)備的組成

基于振動(dòng)波周期法研制的礦用罐道繩張力檢測(cè)裝置如圖3 所示。無(wú)線(xiàn)測(cè)量?jī)x的原理框圖如圖4 所示。無(wú)線(xiàn)測(cè)量?jī)x外部設(shè)有防爆外殼，將電源模塊、加速度傳感器、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、信號(hào)采集模塊等單元密封在內(nèi)。

圖3 礦用罐道繩張力檢測(cè)裝置Fig.3 Tension test equipment of cage guide rope for mine

圖4 無(wú)線(xiàn)測(cè)量?jī)x的原理框圖Fig.4 Principle block diagram of wireless measuring instrument

2.2 檢測(cè)設(shè)備的原理

用綁帶將無(wú)線(xiàn)測(cè)量?jī)x固定在鋼絲繩上，加速度傳感器測(cè)出固定點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)，信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊和增益天線(xiàn)，傳到無(wú)線(xiàn)接收模塊，通過(guò)通信電纜接入電腦。在電腦上安裝測(cè)試軟件，可以實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)波形、振動(dòng)波周期，并能儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和波形。根據(jù)波形情況，選擇并捕捉幾個(gè)穩(wěn)定的連續(xù)波形，存儲(chǔ)到記錄儀上。記錄儀自動(dòng)計(jì)算加速度峰值時(shí)間差，即為振動(dòng)波周期。用式 (5)～(7) 可計(jì)算出被測(cè)罐道繩的張力和最小剛性系數(shù)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

一直以來(lái)，時(shí)間測(cè)試的準(zhǔn)確性是一技術(shù)難點(diǎn)。利用電子技術(shù)，將固定點(diǎn)的加速度振動(dòng)波形轉(zhuǎn)換成可視波形，根據(jù)其波形峰值差自動(dòng)計(jì)算周期，有效降低了人工測(cè)試時(shí)間產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差[12-13]，解決了傳統(tǒng)提升鋼絲繩張力振波法手感測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

此設(shè)備利用無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，解決了井口布線(xiàn)難題，將加速度傳感器檢測(cè)到的鋼絲繩波形信號(hào)傳輸?shù)诫娔X。檢測(cè)設(shè)備體積小，方便攜帶，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，解決了在礦井惡劣環(huán)境下，有限空間內(nèi)測(cè)試工作面小、不安全因素多的難題。測(cè)試的原始數(shù)據(jù)能存儲(chǔ)在各種儲(chǔ)存器中，可根據(jù)每次測(cè)試數(shù)據(jù)的變化情況分析張力的發(fā)展趨勢(shì)，為礦井安全生產(chǎn)提出預(yù)防預(yù)控方案。此測(cè)試方法科學(xué)易行，準(zhǔn)確度滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求，可實(shí)施性強(qiáng)，且測(cè)試過(guò)程不影響礦井正常生產(chǎn)。

3 應(yīng)用分析

筆者及團(tuán)隊(duì)在鄭煤集團(tuán)及鄭州地區(qū)近 20 個(gè)礦井對(duì)該張力檢測(cè)裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，筆者以其中兩個(gè)礦井試驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行分析。

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目一

試驗(yàn)項(xiàng)目一用于鄭煤集團(tuán)教學(xué)二礦西副井的罐道繩，其參數(shù)如表1 所列。該試驗(yàn)主要測(cè)試罐道繩的張力，計(jì)算罐道繩的最小剛性系數(shù)，根據(jù)結(jié)果調(diào)整鋼絲繩，直至符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

表1 鄭煤集團(tuán)某礦副井基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of auxiliary shaft in a certain mine of Zhengzhou Coal Group

東西兩碼罐籠各有 4 根、共 8 根鋼絲繩罐道，罐道繩的分布如圖5 所示，圖中 1～8 號(hào)為罐道繩，下同。測(cè)試結(jié)果如表2 所列。

表2 鄭煤集團(tuán)某礦副井罐道繩張力測(cè)試結(jié)果Tab.2 Tension test results of cage guide rope of auxiliary shaft in a certain mine of Zhengzhou Coal Group

圖5 鄭煤集團(tuán)某礦副井罐道繩的分布Fig.5 Distribution of cage guide rope of auxiliary shaft in a certain mine of Zhengzhou Coal Group

由表2 可知：1～4 號(hào)罐道繩中，2 號(hào)繩與 3 號(hào)繩不滿(mǎn)足“張力差不得小于平均張緊力的 5%”的要求；5～8 號(hào)罐道繩均滿(mǎn)足“張力差不得小于平均張緊力的 5%”的要求，但不滿(mǎn)足“內(nèi)側(cè)張緊力大，外側(cè)張緊力小”的原則，因此需要調(diào)整。

根據(jù)表2 可得到結(jié)論：2、3、6 和 8 號(hào)罐道繩需調(diào)整張力。調(diào)整后，再次用相同方法測(cè)試各罐道繩張力，直至罐道繩張力和最小剛度系數(shù)符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定為止。

3.2 試驗(yàn)項(xiàng)目二

試驗(yàn)項(xiàng)目二用于振興二礦主井罐道繩，其參數(shù)如表3 所列。

表3 振興二礦主井基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of main shaft in Zhenxing No.2 Mine

南北兩碼罐籠各有 4 根、共 8 根鋼絲繩罐道，罐道繩的分布圖如圖6 所示。測(cè)試結(jié)果如表4 所列。

表4 振興二礦主井罐道繩張力測(cè)試結(jié)果Tab.4 Tension test results of cage guide rope of main shaft in Zhenxing No.2 Mine

圖6 振興二礦主井罐道繩的分布Fig.6 Distribution of cage guide rope of main shaft in Zhenxing No.2 Mine

由表4 可知：1～4 號(hào)罐道繩均滿(mǎn)足“張力差不得小于平均張緊力的 5%”的要求，也滿(mǎn)足“內(nèi)側(cè)張緊力大，外側(cè)張緊力小”的原則；5～8 號(hào)罐道繩中，8 號(hào)繩不滿(mǎn)足“張力差不得小于平均張緊力的5%”的要求，6 號(hào)繩不滿(mǎn)足“內(nèi)側(cè)張緊力大，外側(cè)張緊力小”的原則，因此需要調(diào)整。

由表4 可得到結(jié)論：6 號(hào)和 8 號(hào)罐道繩需調(diào)整張力。調(diào)整后，再次用相同方法測(cè)試各罐道繩張力，直至罐道繩張力和最小剛度系數(shù)符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定為止。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)在鄭煤集團(tuán)近 20 個(gè)礦井的試驗(yàn)，量化各罐道繩的張力，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題集中在“鋼絲繩張力差小于平均張緊力的 5%“或不滿(mǎn)足“內(nèi)側(cè)張緊力大、外側(cè)張緊力小”的要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整了礦井罐道鋼絲繩的張力不平衡和剛度不足，為礦井安全隱患排查治理提供可靠依據(jù)，及時(shí)消除了提升系統(tǒng)存在的安全隱患。

(2) 依據(jù)振動(dòng)波周期法研制的礦用罐道繩張力測(cè)試裝置，獲得了國(guó)家實(shí)用新型發(fā)明專(zhuān)利，為準(zhǔn)確測(cè)量罐道繩張力及剛性系數(shù)提供了科學(xué)測(cè)試手段。該方法布線(xiàn)安全、簡(jiǎn)單、方便，且不影響礦井生產(chǎn)，易于被廣大客戶(hù)接受和認(rèn)同，有一定推廣價(jià)值。

(3) 用加速度振動(dòng)波周期法測(cè)試時(shí)間，提高了時(shí)間測(cè)試的準(zhǔn)確性，從而提高系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確性、可靠性。