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摘要：由于提升機載荷監測裝置存在數據存儲不足、數據效率低等問題，因此，為彌補目前監測系統的短板，采用ARM芯片為核心，設計新型提升機載荷監測系統，主要包括上位機、下位機、信號接受裝置三大部分。通過ADAMS仿真軟件運算對新型載荷監測系統進行試驗，結果顯示能夠實現對提升機鋼絲繩的載荷監測。
關鍵詞：煤礦；提升機；載荷監測；系統設計
引言
提升系統是保障礦井煤炭物料連續運輸開采的關鍵設備之一[1]，如出現故障將形成安全隱患，甚至發生安全生產事故。通過對煤礦行業各類生產事故以及故障的統計分析發現，提升機在運轉過程中發生的卡罐、斷繩、過卷等安全事故，上述安全事故類型都與提升機所受載荷有關[2-3]。因此，應運用提升機載荷監測系統及時對提升機鋼絲繩以及相應受力部件進行載荷監測，及時發現載荷異常數據并進行有效處置。目前提升機載荷監測系統存在技術上的短板，可通過采用ARM高新技術芯片對監測系統性能進行提升，可以使得監測系統能夠滿足現代化煤礦大數據采集決策的發展需要[4]。
1提升機運行狀態特性分析
在設計提升機監測系統之前應對提升機在運行過程中的動態特性進行分析，由于動態特性的載荷曲線是呈波浪形式，載荷數據并非一直處于穩定狀態。此時提升機的鋼絲繩張力將出現最大值和最小值相結合的特性，在運輸過程中受到其他部件的摩擦和加速度作用都會使載荷發生變化，因此在提升期運行狀態下的動態特性才使得載荷監測系統研究更具有意義。由于提升機是通過機械和電氣設備相結合的驅動模式，在整個運行提升過程中將產生5個階段，分別為加速、勻速、減速、爬升、停車階段[5]。其中在提升機加速階段的時候，鋼絲繩將受到較大的載荷張力，對于鋼絲繩的牽引性能有著較高的要求。在勻速階段的時候，整體結構受力狀態保持平衡，鋼絲繩的受力數據不變。在提升機進入到減速階段的時候，鋼絲繩的張力較小[6]。此外，在爬行階段時，與提升機勻速運行階段的特征相似，而在停車階段時候，提升機的速度較小，依靠著所裝載的煤炭物料重力進行減速至停車狀態。提升機5個階段速度特征示意圖如圖1所示。
2監測系統硬件設計
根據對提升機速度特性的分析以及驅動方式，采用以液壓缸的液壓油驅動的提升機為研究對象。監測系統隨著提升機各個部件的移動能夠及時采集和傳送數據，在后臺監控室的上位機和各個工作面的傳感器之間都能有信號的傳送，設計出整體載荷監測系統的框架示意圖如圖2所示。采用ARM芯片作為核心部件，實現各傳感器之間的數據傳輸、電路集成、信號發射的功能。ARM的STM33芯片是目前工業領域采用的先進芯片，是載荷監測系統硬件高效運轉的基礎部件。此外，在對載荷數據信號采集的電路設計時，應選用防爆元器件并進行電氣隔離，綜合設計出采集電路為16路的數字采集通道，同時接收32路的模擬量信號，集成數字量隔離電路，使同一芯片能夠進行多路計算，數字量電路設計如圖3所示。傳感器的設計選型是關鍵步驟，最主要的傳感器是壓力變送器，根據提升機監測系統的電壓、壓力、防護等因素綜合考慮選用NS-P-I型號的壓力變送器，具有IP68防護等級。該型號的壓力變送器的輸入電壓為24V，可以承受的壓力范圍值為0~25MPa，工作精度為0.5%，滿足在礦井內高溫高濕的工作環境，最大工作溫度能夠達到80℃。
3監測系統軟件設計
對提升機載荷監測系統上下位機軟件進行設計，能夠實現人機交互和安全平穩運行為目標。其中上位機的軟件設計主要包括參數設定、運行管理、查詢數據等三個關鍵功能，上位機軟件結構圖如圖4所示。下位機應該與上位機進行配合開發，能夠使下位機通過CAN數據總線實現MCU的配置，并通過單片機底層開發實現機器語言的寄存管理，如圖5所示為下位機軟件架構圖。在對下位機進行通信串口定義時，通過單片機各個引腳寫入各類數據傳輸和存儲的功能函數，包括時鐘模塊化配置、串口中斷配置、數據存儲與傳輸的程序設計等。將下位機設計的16路ADC進行數據采樣并實現A/D轉換，將轉換后的數字信號傳輸至上位機的監測界面。
4應用效果分析
對提升機運行階段鋼絲繩張力數據進行獲取，同時對提升運行階段鋼絲繩張力變化特性進行了相關研究。為驗證以上研究的正確性，采用Adams軟件對提升運行階段模型進行仿真，并將仿真后的數據與礦井生產過程中提升機的實際加載曲線進行對照，對在線監測系統模型與應用的正確性進行驗證。圖6所示為提升機運行階段Adams模型曲線示意圖。隨提升加速度不同模型亦有所差異，為保證模型驗證在整個提升運行階段的連續性，通過設置尾繩等效彈簧鋼度與等效質量為時變函數，使之能夠滿足提升機不同提升運行階段的工況模型，輸出鋼絲繩與張力自平衡裝置結合點應力仿真曲線，該曲線與實際提升時鋼絲繩所受應力的曲線基本相同，如下頁圖7所示。兩者曲線具有相同的變化趨勢，通過以上數據說明，所研究的提升機運行階段鋼絲繩載荷張力變化特性具有正確性，證明設計出的提升機載荷監測系統所獲得的載荷張力數據精確，能夠有效地掌握提升機受載荷情況的變化。
5結語
提升機作為連接礦井內外的主要運輸工具，其整體結構部件的安全性至關重要，尤其是提升機鋼絲繩在受到載荷作用力的長時間作用下會發生磨損斷裂。因此，提升機載荷監測系統有助于掌握提升機鋼絲繩所受的載荷大小，監測是否有異常載荷數據出現。通過仿真技術軟件，對設計出的提升機載荷監測系統進行仿真并提取載荷數據，與實際工況的載荷數據進行對比分析得出，提升機載荷監測系統能夠滿足于現場實際工作需要，可為煤礦行業研發新型提升機安全監測設備提供依據。
參考文獻
[1]馮浩亮.多繩纏繞式超深礦井提升機張力平衡裝置性能分析[D].洛陽：河南科技大學，2016.
[2]馮浩亮，馬偉，李濟順，等.超深礦井鋼絲繩張力平衡裝置動態響應分析[J].河南科技大學學報（自然科學版），2016，37（1）：9-14.
[3]杜帆，楊兆建.基于非均勻弦振動的提升機鋼絲繩張力測試方法[J].煤炭學報，2010，35（5）：840-843.
[4]姜曉瑜，譚繼文，陳龍，等.鋼絲繩非接觸式無損張力檢測研究概述[J].內江科技，2017，38（9）：46-47.
[5]杜帆，楊兆建.基于非均勻弦振動的提升機鋼絲繩張力測試方法[J].煤炭學報，2010，35（5）：840-843.
[6]戴珊珊，馬馳，肖興明.便攜式提升機載荷檢測裝置的設計[J].煤礦機械，2010，31（6）：153-154.
作者：楊瑞芳 單位：山西汾西中興煤業有限責任公司