钢丝绳罐道刚性系数检测与调整

闵得华

（郑煤集团工程技术研究院，河南 郑州450042）

煤矿提升运输系统是矿井安全生产中的关键环节系统，提升系统罐道安全运行状态评估及管理是煤矿提升系统安全稳定运行的基础条件。

《煤矿安全规程》第三百九十八条“钢丝绳罐道应优先选用密封式钢丝绳。每个提升容器（平衡锤）有4 根罐道绳时，每根罐道绳的最小刚性系数不得小于500N/m，各罐道绳张紧力之差不得小于500N/m，各罐道绳张紧力之差不得小于平均张紧力的5%，内侧张紧力大，外侧张紧力小。每个提升容器（平衡锤）有2根罐道绳时，每根罐道绳的刚性系数不得小于1000N/m，各罐道绳的张紧力应相等。单绳提升的2 根主提升钢丝绳必须采用同一捻向或不旋转钢丝绳。”对钢丝绳罐道最小刚性系数做出了明确规定。但钢丝绳罐道安装后，由于缺少检测手段、方法，在用罐道钢丝绳最小刚性系数及各绳张力没有准确检测检验，可能造成钢丝绳张力偏大、偏小、不均匀等情况，会对矿井提升运输系统造成损害，国内外对钢丝绳罐道刚性系数研究多存在于最小刚系数位置进行确定，缺少相关检测检验方法及手段，在用钢丝绳最小刚性系数及各绳张力没有准确测量和表征，无法了解提升系统的运行状态，为煤矿安全生产埋下了隐患。

1 钢丝绳罐道刚性系数检测

1.1 钢丝绳罐道刚性系数检测的现状

20 世纪80 年代，国内主要煤矿技术刊物和学术组织，发表了多篇关于钢丝绳罐道刚性系数方面的研究成果，但大多数是沿用前苏联的研究理论，仅进行理论性的研究探索，或者是测试方法的探索，并没有形成可行的适用于煤矿实际测试的装置设备和方法。随着煤矿管理要求的不断提高，作为煤矿比较重要的提升系统安全运行状况引起了更多的重视和关注，郑州煤炭工业（集团）有限责任公司的资源整合矿井比较多，钢丝绳罐道的使用率较高，利用现代科技检测检验手段，研究新型检测检验装备，总结适用的检测检验方法势在必行。

1.2 钢丝绳罐道刚性系数定义

1.2.1 刚性系数定义

钢丝绳罐道抵抗横向力或者说阻止提升容器运行时横向偏移的能力，叫做钢丝绳罐道的刚性。罐道钢丝绳产生单位横向偏移的阻抗系数，通常称之为罐道钢丝绳的“刚性系数”，一般用K 表示。

1.2.2 最小刚性系数

目前国内、外对罐道钢丝绳的刚性系数研究结果：受罐道钢丝绳张紧和钢丝绳自重的影响，罐道绳全长每一点的刚性系数是不同的，最小刚性系数大约在钢丝绳下端（0.4～0.5）L 之间。

1.2.2.1 最小刚性系数满足以下公式[1]：

1.3 罐道钢丝绳刚性系数检测的三种方法

目前罐道钢丝绳张力检测主要有三种检测方法1.3.1 串联法

其原理为在钢丝绳与提升重物之间串联一测力传感器来测量。

1.3.2 弯曲法

罐道钢丝绳横向刚度与钢丝绳张力之间存在函数关系，则可利用力的合成与分解原理，实现罐道钢丝绳的张力测量，先通过测试元件测出钢丝绳的横向刚度，便可求出钢丝绳的张力。

1.3.3 振波频率法

通过检测振动波在罐道钢丝绳上的传播周期来计算罐道绳张力。

此三种检测方法都有各自的优点和缺点，下面从技术复杂性、使用性、经济性、测试准确性等方面对三种测试方法进行比较，如表1。

表1 罐道绳刚性系数检测方法比较

通过对以上三种测试方法的对比分析，振波频率法在现场应用更容易实现，且能满足工程应用要求。

1.4 刚性系数振波频率法测试装置设计

根据振波频率法测试原理，提出罐道钢丝绳张力检测装置设计方案，能够解决测试环境复杂、振波频率检测准确度等问题，使振波周期法测试精度进一步提高，满足了检测检验要求。

1.4.1 装置原理

在井口附近位置，对罐道钢丝绳某一点施加一打击力，则在罐道钢丝绳上产生振动波，振动波在钢丝绳上的传递速度与钢丝绳所受张力关系为:

式中Q下-罐道钢丝绳下端张力，N；

q-罐道钢丝绳每米重力，N/m；

L-罐道钢丝绳悬垂长度，m；

g-重力加速度，m/s2。

由公式（5）可知，只要检测出振动波在钢丝绳上传播的周期，就可以利用公式计算出罐道钢丝绳最下端张力，然后计算出最小刚性系数。

1.4.2 检测信号的转换

用秒表等计时装置检测振波周期时，受为反应、视觉效应等因素影响较大，测时准确性较低。我们提出通过时间-加速度-时间转换的方式来测量，测试精度得以提升，采用无线传输，最大程度保证了测试人员安全。

1.4.3 检测信号采集与处理系统

首先把罐笼或箕斗停在井底位置，再井口附近位置罐道钢丝绳上固定压阻式高灵敏度加速度传感器，然后打击罐道钢丝绳，振动波沿钢丝绳传播，加速度传感器采集到的电压信号，经过信号调试、电压放大、抗混滤波后，利用无线AP 传输至上位机，进行加速度变化分析，根据加速度曲线变化，分析得到振波周期。

1.4.4 检测检验装置优势

1.4.4.1 振波频率检测装置体积偏小，便于现场安装应用。各传感器内置电源模块，利用无线传输，解决了井口布线难题，采用本安电源，满足《煤矿安全规程》要求，加速度传感器很容易跟钢丝绳进行固定，能够检测各型号大小钢丝绳，应用范围广。

1.4.4.2 检测方法科学易行，准确度满足工程应用要求，利用振动波在罐道钢丝绳上的传播实现罐道绳张力检测，通过检测信号的转换，提高了测试准确度，罐道钢丝绳的线密度和罐道钢丝绳长度现场可查，只需检测振波频率一项参数，方法简便可靠。

1.5 检测装置的现场应用

检测装置现场应用如图1 所示。

图中曲线为检测仪采集的加速度信号，振动波在钢丝绳上传播时，钢丝绳质点呈周期性振动，振动周期稳定，可以检测出振波周期。

振动波在钢丝绳上传播，由于阻尼作用，波动幅度逐渐变小，是否会影响测试的准确性和稳定性呢，下面通过单次检测信号衰减情况影响和多次检测重复性来验证。

图1 检测装置现场应用

1.5.1 单次测量信号衰减性

通过分析系统显示，第一次时间间隔为2.62s，第二次时间间隔为2.62s，采集到的振动波周期变化不大，说明振动波在传递时，阻尼作用影响较小，测试时间周期较为准确。

1.5.2 多次测量信号重复性

对同一根罐道钢丝绳进行多次测量，第一次测试周期为2.62s，采用同样测试方法进行负测，第二次测试为2.61s，测试结果偏差为0.4%，满足刚性系数测试要求。

2 钢丝绳罐道刚性系数调整

按照《煤矿安全规程》规定，钢丝绳罐道不满足要求时，有两种情况，一是刚性系数不满足要求，一是罐道绳张力差不满足要求，下面就这种情况进行分析：

2.1 刚性系数不满足要求时

需要对罐道钢丝绳张紧情况进行调整，首先计算最小刚性系数（Kmin）等于规程要求数值[Kmin]时罐道钢丝绳下端张力[Q],然后对罐道钢丝绳张紧情况进行调整，调整量△L 由下式确定

式中：L-钢丝绳悬垂长度（实际），m；

[Q]-刚性系数为[Kmin]时罐道钢丝绳下端张力，N；

Q-实测罐道钢丝绳下端张力，N；

A-罐道钢丝绳断面面积，mm2；

Ep-罐道钢丝绳平均弹性模数，GPa。

2.2 张力差不满足要求

罐道钢丝绳张力差不满足要求时，各绳调整量△L 由下式确定

式中：L-钢丝绳悬垂长度（实际），m；

Qcp-罐道钢丝绳下端平均张力，N；

Q-罐道钢丝绳下端张力，N；

A-罐道钢丝绳断面面积，mm2；

Ep-罐道钢丝绳平均弹性模数，GPa。

结束语

随着矿井开采深度不断加大，使用钢丝绳作为罐道，可以节约投资、缩短建设周期等，现场应用越来越多，罐道钢丝绳的张力情况反映了钢丝绳以及相关设备的重要运行状态信息，进行罐道钢丝绳张力检测方面的研究设计，对量化矿井提升系统钢丝绳罐道运行状态，掌握罐道钢丝绳使用情况，为提升系统安全稳定运行提供很大的科学支撑。