一种提升机钢丝绳张力动态测量装置的设计与分析

□ 张俊杰 □ 文学洙

延边大学工学院 吉林延吉 133002

矿井提升机作为煤矿的主要提升设备，其运行状况在很大程度上影响着煤矿工业安全、高产、高效的目标，直接关系着矿井工作人员的人身安全。随着矿井开采深度的增加和一次提升量的加大，多绳摩擦式提升机由于具有体积小、自重轻、提升能力大、安全性能好、适合于深井等优点，已在煤矿生产中发挥出越来越突出的作用［1］。

多绳摩擦式提升机安全运行的关键是保障多绳间的张力平衡［2］，我国《煤矿安全规程》中规定：任意一根提升钢丝绳的张力与平均张力之差不得超过±10%。但在实际生产过程中，由于摩擦轮绳槽的直径制造误差、衬垫的磨损、钢丝绳的直径误差、弹性模量、提升容器内装载物的分布不均匀等因素，都会使提升过程中的钢丝绳产生较大张力差。若各钢丝绳之间的张力不平衡，不仅会影响到提升性能，而且还会造成钢丝绳疲劳损坏和摩擦衬垫的早期报废，甚至会发生滑绳、断绳等重大生产事故［3］。目前，生产实践中多采用三滚轮方式来检测钢丝绳的横向力，通过检测与中间轮相连接的连杆应变量，测算钢丝绳的张力。实践证明，上述方法能够在一定程度上解决钢丝绳的张力检测问题，但检测结果不够准确。笔者结合提升机钢丝绳所处的特殊工作环境，提出了一种新型提升机轿厢张力动态测量装置，该装置采用张力合成原理，将对钢丝绳中的张力测量转化为对压力传感器的压力测量，受力分析结果表明，该钢丝绳张力测量装置可以动态测量钢丝绳的张力。

1 张力动态测量装置设计

根据提升机钢丝绳的特殊工作环境，设计了滚轮式钢丝绳张力测量装置，工作原理如图1所示，它采用大曲率的滚动接触方式，保证钢丝绳能够平稳导向。具体组成：5个滚轮均布在以O为圆心的圆弧上，钢丝绳两端分别连接提升机和钢丝绳固定端，测力传感器安装在底板后方，通过加载轴来传递接触力，压力传感器选用圆膜片式压力传感器［4，5］，由力矩平衡原理可知，当钢丝绳中存在张力时，该传感器会受到相应的压应力，使压敏元件发生变形，产生电信号，从而检测出相应的张力值。

▲图1 张力动态测量装置工作原理及系统组成

2 张力动态测量装置力学分析

作为一种机械传动式测量装置，需要分析钢丝绳在测量过程中的实际受力情况，以获得传感器输入端压力与实际钢丝绳张力间的函数关系，进而分析机构传动过程中由于摩擦等因素引起的测量误差。笔者将张力动态测量装置受力分为静力分析和摩擦力分析两部分，其中，静力分析为张力测量装置的基本设计依据，用于校核设计中的强度和刚度，并为摩擦力分析提供输入条件。

2.1 测量装置静力分析

如图2所示，张力动态测量装置的真实受力情况可以简化成3组不同的支反力，其中：Fc和Fd为钢丝绳在测量装置两端的受力，静力平衡条件下Fc=Fd；N为钢丝绳与滚轮接触施加于钢丝绳的反作用力；Ps为底板传递给传感器的力。对图中的每组力分别进行受力平衡分析。

2.1.1 组①受力分析

组①包括2号和4号滚轮，由于两滚轮受力是关于线对称分布，故只分析其中一个即可。受力分析如图3所示，以2号滚轮为受力对象，Fc为钢丝绳张力，N2为合力。由图可知，钢丝绳作用于滚轮的合力方向指向滚轮分布圆的圆心，由此可得合力与水平方向的夹角为 16.1°+8.05°=24.15°，合力及其两个方向的分力为：

2.1.2 组②受力分析

组②为3号滚轮，如图4所示，以3号滚轮为受力对象，钢丝绳作用于滚轮的合力方向指向滚轮分布圆的圆心，由此可得合力与水平方向的夹角为32.2°+8.05°=40.25°，合力及其两个方向的分力为：

▲图2 张力动态测量装置静力分析

2.1.3 组③受力分析

组③包括1号和5号滚轮，如图5所示，该组拉力并不是沿着圆周对称分布的，即合力并不是指向滚轮分布圆的圆心。以1号滚轮为受力对象，由几何关系可知，合力方向与水平方向偏角为8.05°，两拉力的夹角为64.4°，由此可得合力及其两个方向的分力为：

如图6所示，叠加上述3组滚轮所受合力，整理可得5个滚轮所受的合力Fs=FS1+FS2+FS3，该合力的作用方向与水平线成40.25°。结构设计时取l1=l2，根据力矩平衡关系，可得压力传感器的理论压力PS为：

▲图3 组①滚轮受力分析

▲图4 组②滚轮受力分析

▲图5 组3滚轮受力分析

▲图6 3组合力示意图

▲图7 滚轮摩擦受力分析

假设被测力FC=600 N，代入式（6），即可得静力平衡下传感器理论计算值为PS=775.4 N。

2.2 测量装置摩擦力分析

静力分析结果将为测力机构的摩擦力分析提供输入条件，如图7所示，以单个滚轮为对象，进行摩擦受力分析，其中：f为摩擦力，F为上一级滚轮内拉力，F′为下一级滚轮内拉力，且F′等于F加上单个滚轮的摩擦力f，M为摩擦力矩，r为摩擦圆半径，R为钢丝绳接触半径，N为滚轮对钢丝绳的作用力。

以1号滚轮为受力分析对象，由于钢丝绳受到摩擦力作用，所受合力大小较静力状态要大，方向不变，平衡方程如下：

式中：F1=FC；ρ为拉力-支撑力比例因子，ρ=0.280 1；ζv为等价摩擦因数润滑条件下取 ζ=0.05［6］［7］，下同。

对2号滚轮分析可得：

式中：F2=F1′。

对3号滚轮分析可得：

式中：F3=F2′。

对4号滚轮分析可得：

表1 各个滚轮所受力计算结果/N

式中：F4=F3′。

对5号滚轮分析可得：

式中：F5=F4′。

假设被测力 FC=600 N，联立式（7）～式（11），即可得到滚动摩擦情况下的各个滚轮受力情况，计算结果见表1。

将表1中的各个支持力 N1、N2、N3、N4、N5代入式（1）～式（6）中，进行受力分解和合成，即可得出在摩擦情况下5个滚轮所受的合力FS为：

由力矩平衡可知，在滚动摩擦情况下传感器理论计算值为PS′=831.9 N，相比静力分析结果PS=775.4 N，偏大了56.6 N。由此可见该传感器测量误差主要来源于滚轮和钢丝绳之间的滚动摩擦。因此在实际使用中应尽可能采用液体或固体润滑处理，避免发生干摩擦，或通过改变角度和材料等来减小摩擦力，提高测量精度。

3 结论

设计了一种新型检测提升机钢丝绳张力动态测量装置，结合设计进行了相关静力分析及摩擦力分析，获得了测量装置的误差影响因素。由力学分析结果可知，实际测量中应尽可能采用润滑处理，减少摩擦影响。该测力机构体积小，结构简单，操作便捷，通用性强，具有较高的应用价值。

［1］刘云楷，徐桂云，张晓光.多绳摩擦式提升机钢丝绳张力在线监测系统［J］.煤矿机械，2011（5）：131-133.

［2］侯英勇，谭继文，张兴波.基于虚拟仪器技术的钢丝绳张力检测方法的研究［J］.煤矿机械，2009（1）：43-45.

［3］王广丰，潘宏歌，钟海娜，等.摩擦提升钢丝绳张力监测［J］.煤矿机械，2005（5）：1-3.

［4］孙宝元，杨宝清.传感器及其应用手册（第一版）［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［5］卓如飞.高速纸机卷取部的张力测量和控制［J］.仪表自控，2001（1）：23-24.

［6］蒋维新，郑英强.单机座冷轧机张力测量装置的优化设计［J］.上海有色金属，1985（5）：32-35.

［7］温诗铸.摩擦学原理［M］.北京：清华大学出版社，1990.