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钢丝绳在线自动检测系统研制与应用 -冀庆亚

  内容摘要:矿山重大提升设备钢丝绳是直接承荷的高危构件,一旦发生故障就会出现影响生产和机毁人亡的恶性事故。长期以来,由于没有科学可靠的检测设备,钢丝绳的安全运行始终是设备管理过程中的难点,甚至是“盲点”。本文详细介绍了我国自主研发的世界上第一套钢丝绳在线自动监测系统。这一系统的研制成功,不仅为我国重大设备钢丝绳用户克服“隐患、浪费、低效”的三大管理矛盾,实现“安全、节约、高效”的三重管理目标,起到十分重要的作用,而且标志我国的钢丝绳无损检测技术已经走在世界的前列。

  关键词:钢丝绳 安全 检测 监测系统

  中图分类号:TD791 文献标识码:C 文章编号:1003-496X (2007) 06-0042-04

  重大提升设备在用钢丝绳使用过程中的一个重要的问题,是对钢丝绳从出厂、使用、检测、直至报废过程的全程管理。对在线钢丝绳使用过程中可能发生的各种损伤进行准确的量化检测,并及时准确地监控其变化趋势,则是钢丝绳全程管理体系中的一个至关重要环节。长期以来,钢丝绳的安全管理一直是一道世界性难题,原因在于过去的检测技术无法完成对钢丝绳损伤状况实施可靠的在线监测。

  TCK钢丝绳在线自动监测系统采用全新的弱磁检测技术,第一次在世界范围内成功的解决了这一技术难题。TCK钢丝绳在线自动监测系统可以通过对在线钢丝绳各种损伤的量化检测,准确地评估被测钢丝绳的剩余承载能力和使用寿命,并根据检测结果对钢丝绳的使用状态提出评估诊断对策,给出钢丝绳使用的全程管理方案。

  峰峰集团与TCK钢丝绳检测技术有限公司经过近一年的研究,实验表明TCK弱磁检测技术能够克服不同矿井的工况差异、钢丝绳技术特征差异、提升机特征差异等影响检测结果的各种因素,在集团公司三对生产矿井试用的效果良好,测试结果准确。不仅解决了长期困扰峰峰集团钢丝绳使用中“浪费、隐患、低效”同在的三大管理矛盾,而且为实现集团公司“安全、节约、高效”的三重管理目标,提供了可靠的高科技手段。

  该系统的主要组成部分有:加载组件、检测组件、整形组件、随动组件、结构组件、数采通讯组件、报警指示执行组件、中央处理组件、软件系统、显示终端等。

  一、安全管理系统实现总图

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  二、在线自动监测系统实现过程

  TCK钢丝绳安全监测管理系统,首先对钢丝绳因损伤和附着物引起的外形变化进行磁规划整形,使检测组件能顺利对钢丝绳进行检测。其次,检测组件准确、精确的检测到钢丝绳的各种参数,这些参数通过有线或无线、中转设备传输到主控站,由主控站进行综合分析,最后通过显示终端以人机较为容易理解的界面显示出来。通过报警指示和执行组件完成安全保护功能。


  三、各个部分主要研制技术关键点

  1、加载组件

  加载组件采用弱磁加载技术,在被测钢丝绳上建立稳定有序的“弱”势磁场。

  2、检测组件

  检测组件主要有壳体、窦氏元件、品质模块、电源和数据输出输入接口等,核心元件为“窦氏元件”,该元件利用“空间磁场矢量合成”原理对钢丝绳进行定量无损检测,其灵敏度比“霍尔元件”高数万倍。该技术在理论上通过研究损伤磁场强度及其变化和各项磁场矢量的分布关系,建立了其与钢丝绳损伤面积△S之间的数学模型,通过监测围绕钢丝绳的主磁场Hz、局部磁场Hi(即:内外断丝造成的局部磁场Hd、内外磨损造成的磁场Hm、内外锈蚀所产生的局部磁场Hx及断面变小、钢丝焊点等所产生的其它磁场Hq等)以确定钢丝绳内部和表面缺陷的量值。

  技术经验 煤矿安全 (Total 380) .43.

  3、整形组件

  钢丝绳在运行过程中有可能附着上其它物品或由于疲劳等原因造成断丝,断掉的钢丝因受力断丝端部会翘出钢丝绳表面,这些附着悬挂的物品或翘起的钢丝断头会影响检测精度或损伤检测组件,因此我们在钢丝绳通过检测组件前,先对钢丝绳表面进行磁规划整形。经过现场调查听取现场技术工人和工程技术人员的意见后,采取如下方案:

  方案一紧急开合

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  由于钢丝绳在使用中存在许多不可预料的事故隐患,其中危害较大的是断丝及由断丝翘曲造成的对检测设备的损伤性冲击。

  为了解决这一潜在因素,专门设置了一套紧急自动开合机构。如图所示损伤检测单元两端各有一个动作开关,动作器允许通过超过钢丝绳直径本身20%以内的断丝翘曲和常见的油泥等软性附着物,此时损伤检测单元会检测到该损伤并立即产生声光报警,已引起监视人员的注意。一旦翘曲范围超过了钢丝绳直径本身的20%,动作器便会立即动作,使工作主机在0.05秒左右的时间内迅速张开并停止工作,保护损伤检测单元不受伤害,同时产生紧急情况警报,要求监视人员火速检查现场,查明排除故障原因后方可使检测设备恢复工作。

  上下保护壳用来防范大部分水、煤、泥等空中坠物和钢丝绳较大附着物的干扰,避免引起动作器的误判。

  4、随动组件

  由于缠绕式提升钢丝绳在提升过程中,随着钢丝绳在卷筒上缠排,在水平方向上发生位移;多绳摩擦提升过程中,提升钢丝绳发生晃动。检测组件为环抱式,钢丝绳始终居于检测组件的正中。钢丝绳的晃动和移动会引起检测组件的震动和受力,为了避免钢丝绳运动对检测组件的损伤,所以考虑采用损伤检测单元跟随钢丝绳运动的结构方案。为了使检测组件能够随动检测钢丝绳状况,设置了随动组件。

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  所谓区域随动就是利用固定支架在损伤检测单元的周围圈定一个活动区域,然后限制损伤检测单元在这个范围内进行运动,从而达到跟随钢丝绳运动的目的。

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  .44. 煤矿安全 (Total 380) 技术经验

  所谓钢丝绳整流就是利用限位轮系将钢丝绳的振动限制在移动范围之内,从而顺利通过固定安装的检测组件。

  在离损伤检测单元两端不远的地方,各有一个钢丝绳限位装置,可将钢丝绳水平方向的振幅收小到5mm内,达到损伤检测单元自身可接受的振动范围之内,避免因钢丝绳的过度振动给检测组件带来损坏。

  考虑到会给检测带来影响,限位轮系均采用非铁磁性耐磨材料。

  5、结构组件

  结构组件主要是按照现场布置情况,具体设计制作的支撑固定上述组件的构架,设计方案随现场情况不同而采取具体的形式。

  6、数采通讯组件

  实现数据采集的功能,将模拟信号转换为数字信号,并进行预处理。组件主要有多芯屏蔽电缆、快速接头、接口、中继站、收转设备等组成,完成检测信号的传输任务。

  7、报警指示及执行组件

  由红色、黄色、绿色警示灯和继电器组成,由数采通讯组件对检测数据分析处理后,经输出接口输出高低电平控制继电器和警示信号灯实现报警指示和安全制动。从而避免事故进一步恶化。

  8、中央处理组件、软件系统和显示终端

  中央处理组件由cpu芯片、ram芯片、rom芯片和接口芯片等组成。主要负责数据的前期处理,即可接收并缓存数采通讯组件上传的数据,为二次处理提供初期数据。软件系统将中央处理组件提供的初期数据存入一个数据库中,然后进行二次处理,主要是数据的损伤分析计算,计算公式中的参数分为默认预处理后的数据参数和模拟现场的数据参数。计算结果存入一个数据库中,并可归入历史档案库,以便检索查询。在显示终端可实时查阅或打印损伤数据分析报告。

  TCK钢丝绳安全监测管理系统对矿井提升系统钢丝绳日常运行情况的检测分析,如果在日常提升系统运行当中,钢丝绳发生翘丝、断丝、疲劳、磨损、绣蚀等损伤时,检测分析处理系统将及时给出一个详细的报表分析处理结果,并对钢丝损伤变化有一个全程的损伤变化曲线显示。

  在钢丝绳损伤达到一定程度时,TCK检测分析处理系统将发出损伤预警信号,提示操作人员注意,钢丝绳需要加强注意和维护。当损伤超过规定的损伤上限时,则报警提示用户需尽快更换钢丝绳,以保障用户安全生产的需要。

  同时为了科研的需要,检测分析系统将对钢丝绳长期运行情况下的损伤数据进行大量的存储,以备科研人员取得原始数据,分析钢丝绳在不同提升情况下的损伤变化趋势。提供一个科学的损伤变化数据。

  为了以后系统的扩展需要,检测分析处理系统将全部采用模块化构成,各模块内实现一定的功能,模块与模块间有逻辑上的联系,从而构成整体的检测系统。在设计模块时,将充分考虑到今后系统的扩展需要。

  峰峰集团有限公司目前在三对矿井中安设了TCK钢丝绳安全监测管理系统,经投入使用实践证明,该系统为钢丝绳的使用管理提供了可靠的安全保障。淘汰了原来靠人手摸、肉眼看的落后的钢丝绳检查方法。


  作者简介:冀庆亚,男,1968年生。毕业于重庆大学计算机技术及其应用专业,工学学士。一直从事矿山机电技术和行政管理工作。现在峰峰集团有限公司煤炭生产部工作。

  (收稿日期:2007-03-07;责任编辑:金丽华)


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