煤矿钢丝绳张力传感器的研究 煤炭科学研究总院南京研究所 梁培清 郭增瑗 摘 要 通过理论分析和试验室模拟试验,确定张力传感器张力角的合适范围, 还介绍了力电传感器电路的设计要点和特点 关键词 张力传感器 张力角 设计要点和特点 煤矿井筒对钢丝绳罐道的稳绳和悬吊绳 的张力检测,大多靠工作人员用手晃动绳索, 凭感觉和经验来决定钢丝绳的松紧程度 由 此,可能造成绞车与钢丝绳罐道、 悬吊钢丝绳 与吊盘各点受力不均,引起钢丝绳罐道抖动 和吊盘盘面偏歪,甚至造成设备和人身事故 为此,我们研究设计了钢丝绳张力传感器和 智能钢丝绳张力检测装置 1 张力传感器的设计原理 张力传感器由张力缩放机构和力电传感 器组成,张力传感器结构和原理见图1 其中 A点为张力受力点,p为力电传感器所受的 压力值,F为钢丝绳张力值,a为张力方向与 垂直于P力方向的张力角(夹角) 显然张力F1=F2=F,则P= 2Fsina 筒水位降深,井筒施工到火成岩顶界面时,含 水层的承压水头为256194m ,故S= 256. 94 m; r为井筒半径,r= 2. 80m;R0为井筒引用 影响半径,R0= 385. 45m 将以上数据代入得:Q= 1798. 60m 3? d。
为井筒刚揭露含水层顶板之后的涌水量 由于井筒施工是边掘边砌,按一个施工 段高L= 5m进行预计,符合井筒施工实际 情况,采用公式为: Q=1. 366K〔 (2 H-M)M-h2j〕 ?(Rc +Ra) 式中:H为承压含水层底部到承压水位间的 距离,H= 344. 03m;M为含水层采用的厚 度,M= 20. 30m;hj为含水层底板到井壁外 的动水位的距离,hj= 20. 30- 5= 15. 30m; rj为井筒设计半径,rj= 2. 80m;R0为引用影 响半径,R0= 385. 45m;Ra为不完整井附加 阻力系数,Ra = ( M-L)lg (1 112? Πrj)?L= 2. 9058;Rc为 完 整 井 阻 力 系 数,Rc= lg(R0?rj) = 2. 1388;L为井 筒 进 水 长 度, L= 5. 0m; 代入以上数据得:Q= 1422. 71m 3? d 4 火成岩含水体富水原因分析 用上述方法预计K3砂岩及相邻含水层 组井筒涌水量,相对火成岩段涌水量较小,而 邻近矿井K3砂岩为强含水层 原因是砂岩, 火成岩均为裂隙含水层,含水性取决于裂隙 发育程度 该矿侵入岩体是岩浆岩沿沉积岩 层间侵入,为顺层侵入体,构造应力集中于岩 石力学强度大的侵入体,使该部位裂隙特别 发育,其它部位裂隙发育程度差。
由于岩体受 多期构造应力作用,裂隙发育规律复杂 因 此,对火成岩段井筒施工及开拓,应先探后 掘,查明涌水量情况,以做到 “干打井” 施工 参 考 文 献 1 薛禹群1地下水动力学原理1北京:地质出版社, 1986 2 房佩贤,卫中鼎,廖资生1专门水文地质学1北京: 地质出版社, 1987 (收稿日期: 1997—11— 05) 91998年第1期 江 苏 煤 炭 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 张力传感器结构和原理 1—钢丝绳; 2—导向轮; 3—受力轮; 4—力电传感器 在钢丝绳承受载荷的状态下,若导向轮 与受力轮之间给定一个位移值 ∃H(张力角 a ), 钢丝绳上张力F通过导向轮3作用在力 电传感器上的压力P也就确定了 2 试验室内模拟试验 为了设计和安装使用,需要确定导向轮 与压力轮之间给定位移 ∃H(张力角)应以多 大为宜,为此在试验室内做了模拟试验 211 张力模拟试验装置(简称试验台) 试验室的条件与现场有较大的差异,因 此在设计试验台时,改钢丝绳垂直、 斜角悬挂 为水平悬挂,水平长为4m ,张力传感器和高 精度标准力值传感器串联悬挂在被测钢丝绳 中间。
通过手压油泵推动油缸牵引钢丝绳,张 力的变化就体现在油缸内压力的大小 为了 模拟张力传感器的动态运行特性,在试验台 上安装一台电动推杆,推动张力传感器在钢 丝绳上反复运动,速度为0115m? s, 大于实际 运行速度 212 试验结果 (1)张力角对各参数的影响 试验目的在于确定合适的张力角,以减 少导向轮和受力轮与钢丝绳的磨损,找出张 力F与横向力P的转换关系,以及张力角a 对非线性度L,滞后H,重复性R的影响,试 验结果见表1 可以看出,张力角a在3158°～ 5137° 范围内比较合适 表1 张力角实验结果 钢 丝 绳 直 径 (mm) 负 荷 (kN) 张 力 角 (a°) 导 向 轮 磨 损 程 度 转 换 效 率 F 和 P 的 精 度 L、H、R 24150～16 2169无磨损差没有影响 3158轻度磨损较好没有影响 4148轻度磨损较好 允许范 围之内 5137轻度磨损好 允许范 围之内 7118中等磨损好 允许范 围之内 8100严重磨损好有影响 (2)张力角a与L、H、R之间的关系 钢丝绳在承载状态下,张力传感器上导 向轮和受力轮与钢丝绳产生滚动摩擦关系 为:f=kıN 式中f— 摩擦力,k— 摩擦系数,N— 压 力(导向轮、 受力轮上的压力)。
张力角愈大,导向轮和受力轮上的压力 愈大,与钢丝绳产生的摩擦阻力愈大,愈影响 其精度 图2、 图3、 图4是在钢丝绳承受载荷不 变,张力角分别为a= 2169°、a= 4148°、a= 6127° 的实测数据曲线 用端点直线作为工作直线(理论曲线), 表示非线性度L、 滞后H、 重复性R,则: L=∃Η L ? Η n ×100 (◊FS) H=∃Η H ? Η n ×100 (◊FS) R=∃Η R? Ηn ×100 (◊FS) 式中:∃Η L 为进程平均校准曲线与平均端点 直线偏差的最大值;∃Η H 为回程平均校准曲 线与进程校准曲线偏差的最大值;∃Η R 为进 程重复校准时各负荷点输出极差的最大值 从图2～ 图4可以看出,随着张力角a的 增大,∃Η L 、∃Η H 也跟着增大,额定输出 Η n 是固 定数值,非线性度L和滞后H随着 ∃Η L 和 ∃Η H 增大而增大 可见在满足张力F和横向 01江 苏 煤 炭 1998年第1期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 力P转换效率前提下,应选用较小的张力角, 减少磨损和摩擦阻力,以提高其精度。
张力角在2169° ～7118° 范围内,对重复 性R和零点输出基本没有什么影响 图2 张力角a= 2. 69° 时 ∃ΗL和 ∃ΗH 图3 张力角a= 4. 48° 时 ∃ΗL和 ∃ΗH 图4 张力角a= 6. 27° 时 ∃ΗL和 ∃ΗH (3)张力传感器动静态分析 在钢丝绳承受载荷的状态下,电动推杆 推动张力传感器在钢丝绳上左右运动,以模 拟动态运行 试验台上受力的油缸、 钢丝绳夹 头, 4m左右的钢丝绳等部件,具有储能和惯 性较大的特点,以0115m?s速度移动的张力 传感器,对整个测力系统精度影响不大 经动 静态测试数据分析比较,精度误差在允许范 围之内(载荷限20kN以下,a 7118°) 3 张力传感器的设计制造 311 设计依据和设计方案 张力传感器长期安装在靠近绞车的钢丝 绳上,野外露天,环境温度变化大,距离指示 仪表和信号处理装置50～200m 要确保张力 传感器可靠地工作,力电传感器必须具备长 距离传送力电信号的能力,有足够高灵敏度, 有良好的零点输出和额定输出的温度特性, 及很强的抗扰能力 为了满足以上要求,力电传感器由力值 转换电路,放大电路和电压电流变换电路三 部分组成,电路示意图见图5。
图5 力电传感器电路示意图 A—力值转换电路 ;B —放大电路; C—电压电流变换器 ;D —微机系统 (1)电阻应变式力值转换电路 采用电阻应变式力值转换电路,温度特 性较好,精度可达015% FıS以上,零点温度 漂移小于01 1F ıS?10K 在环境温度±50℃内 非直线度L不大于012% Fı S, 滞后H不大 于012% Fı S, 重复性不大于0105% Fı S, 零点 温度影响不大于012%FıS?10K,额定输出温 度影响不大于011% FıS?10K (2)放大电路 力值转换电路输出电信号为毫伏级,必 须放大以增强输出信号的幅值,提高灵敏度 放大电路包括信号放大电路和辅助放大电 路,对力值信号进行缓冲、 放大,通过调整放 大倍数,可以标定它的输入电压量程 (3)电压电流变换器 为了把放大后的力值信号有效地远传, 在放大电路的后级设置了电压电流变换电 111998年第1期 江 苏 煤 炭 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 煤 浆 粘 度 的 实 验 研 究 徐州矿务局机械厂 于同芹 摘 要 对中浓度的煤浆进行了实验研究,得出了煤浆表观粘度与浆体浓度、 剪 切速率的关联式,就煤浆中较大直径的固体颗粒对煤浆粘度的影响进行了讨论。
关键词 煤浆 浓度 粘度 煤浆管道运输是一种新兴的煤炭运输形 式 我国第一条煤浆管道线路山西孟县—青 岛将于1999年建成运行,对于煤浆管道运输 中的基础参数之一煤浆粘度的计算方法,作 者经过大量实验得出了其粘度的计算关联 式,这有利于进一步计算煤浆运动的动力学 参数 1 实验方法 实验煤样为枣庄矿务局八一煤矿选煤厂 的浮选煤,比重为1138、 粒度为200目筛下 将200目筛下的煤粉与水混合,分别配制 成含煤为5%、10%、15%、20%、25%和30% 的煤浆 每一种煤浆,在毛细管粘度计上测出 不同压强下煤浆流经毛细管所用的时间,用 电动计时器自动记录下来 2 实验结果及其分析 煤浆可以用宾汉流体的流变方程来关 联,对毛细管粘度计,用布金海姆方程: 8Um D = ΣW Γ〔 1 - 4 3 ( Σ0 Σw ) + 1 3 ( Σ0 Σw ) 4〕 式中:Um为毛细管内流体的平均流速,Um= 4Q? ΠD 2,Q 为流量;D为毛细管直径;ΣW为管 壁剪切应力,ΣW=∃PD?4L,∃P为压强,L为 管长;Σ0为层服应力;Γ为塑性粘度 直接应用上式很难得到煤浆粘度,若略 去(Σ0? ΣW )4 ?3,则 ∃P的误差当 Σ0? ΣW= 015 时为519◊ 、 当 Σ0? ΣW=014时为118◊ 。
因 此,略去最后一项仍可得到足够精确的权值 解,煤浆的 Γ和 Σ0可由下式来求解 8Um D = - 4 3 ı Σ0 Γ + ΣW Γ 路 其核心元件是V?I功能模块加上少量的 外围元件组成一个单片电压电流调节器,电 源为±15V ,输出量程和零位单独可调,输出 4～20mA直流电流,调试和使用十分方便 312 力电传感器的特点 (1)电阻应变式力值转换电路有优良的 零点输出,能在±50℃环境温度中可靠地工 作 (2)采用放大模块和V?I功能模块,输 出信号为国际标准制4～20mA 既能把信号 远传到微机系统,又不会与机械点相重合,容 易识别断电、 断线故障 传输信号上限为 20mA ,信号强,有利于提高信号输送效率和 分辨率 (3)4 ～20mA电流传输信号进入信号处 理装置,通过2508、1 W转换电阻,得到1～ 5V 直电压信号,可供多路检测和控制 4 工业性试验效果 KBG2(25)型钢丝绳张力智能检测仪、 在 江苏省徐州矿务局建井工程处工业性试验期 间,正值春节前后数九寒冬季节,夜间最低温 度达零下15℃ 试验期间每天约开机8小时, 每间隔半小时微机系统记录打印一次,采集 张力数据近千组,与理论计算值基本一致。
(收稿日期: 1997—08— 25) 21江 苏 煤 炭 。