矿用罐道钢丝绳张力研究与应用

张冬梅

郑煤集团工程技术研究院 河南郑州 450042

罐道钢丝绳作为矿井提升的重要部件，可防止提升容器非正常摆动或转动，保障其平稳运行[1]，但在柔性罐道绳约束下的提升容器容易产生横向偏摆[2-3]。罐道绳张力偏小、偏大或者不均，都会给矿井安全生产带来严重隐患。《煤矿安全规程》第三百九十八条明确规定：“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 500 N/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 1 000 N/m，各罐道绳的张紧力应当相等”[4]。目前，罐道绳张力的检测与调整，已经成为煤矿提升技术管理工作中的一项重要内容。但罐道绳安装后，缺少罐道绳张力检测手段，无法准确测量、表征各罐道绳的张力，可能造成罐道绳张力偏大、偏小或不均匀等情况[5]。如何测试罐道绳张力，为煤矿安全生产提供科学数据和技术支撑，是行业迫切需要解决的难题。

关于罐道绳张力测试，目前理论研究分为 3 种：竖向张紧法、横向张拉法和振动波周期法[6]。前两者虽然理论简单，但受现场环境和安全要求的制约，可实施性差，一直没有推广使用。第 3 种理论自研究以来，一直没有实现从理论到产品的成熟应用转化，没有研制出成熟的测试设备，实际生产中鲜有应用。罐道绳长期在重载及湿润的环境下运行，需要进行定期检测与维护[7]。本研究依据振动波周期法研制了一款矿井罐道绳张力测试设备[8]，通过在郑煤集团多个矿井现场试验，验证了设备的可靠性和可实施性。根据测试结果，可及时调整不满足《煤矿安全规程》要求的罐道绳张力，为罐道绳的安全运行提供了科学数据，也为罐道绳张力的科学定量测试提供了一种新的途径和思路。

1 基于振动波周期法的理论研究

振动波周期法是依据振动波在钢丝绳上的传递速度和钢丝绳张力的关系，通过速度传感器测量钢丝绳振动波周期，得到传递速度，进而计算出钢丝绳张力。

1.1 罐道绳拉力的测量

在井口附近位置，对罐道绳某一点施加一垂直冲击力，使罐道绳产生横向振动。振动波在钢丝绳上的传递速度与钢丝绳所受张力的关系[9]如下：

式中：v为振动波在钢丝绳上的传播速度，m/s；Q为钢丝绳所受张力，N；g为重力加速度，m/s2；q为罐道绳每米重力，N/m。

罐道绳力学模型如图1 所示。

图1 罐道绳力学模型Fig.1 Mechanical model of cage guide rope

设罐道绳末端所受张力为Qr，则距罐道绳末端s处的钢丝绳张力

由式 (1)～(2) 可得，振动波在距罐道绳末端y处的速度

站在井口位置打击钢丝绳，产生的振动波在绳上传播。振动波往返传递的时间周期

通过积分处理得罐道绳下端张力

式中：L为罐道绳悬垂长度，m。

1.2 计算罐道绳刚性系数

根据文献 [10-11]，罐道绳张紧状态和钢丝绳自重影响刚性系数，绳长范围内的各点刚性系数均不同，最小刚性系数在罐道绳下端 (0.4～0.5)L之间。最小刚性系数

式中：L0为罐道绳极限悬垂长度，m；σB为罐道绳的抗拉强度，N/m2；m为罐道绳的安全系数，取m=6；ρ为罐道绳的密度，平均取 9 000 kg/m3。

1.3 罐道绳刚性系数的影响因素

在容器上下 4 个约束点平面上，罐道绳的横向刚度相同；力臂越大的约束点，水平位移越大，其对容器的水平约束力越大。它会使得容器产生一个绕x轴的水平转矩。当容器在水平y轴上受外力F产生一个横向位移时，其受力情况如图2 所示。

图中，O点为提升容器的质心；A1、A2、A3、A4表示罐耳在提升容器上的位置，A1、A2表示提升容器的外侧，A3、A4表示提升容器的内侧；wB1和wB2表示罐耳在z轴方向到容器质心的横向水平距离；ds(Ai)表示罐耳在y轴方向到容器质心的横向水平距离。

提升容器的罐耳在其中一个方向不对称布置，由于 4 根罐道绳底部张紧力相同，在容器上下 4 个约束点平面上，罐道绳的横向刚度相同，其力臂越大的约束点，水平位移越大，它对容器的水平约束力越大，使容器产生一个水平转矩。当容器在水平y轴上受外力F作用，在罐耳A1、A2、A3、A4处产生的横向位移依次为wA1、wA2、wA3和wA4。罐耳A1、A2、A3、A4处的横向力依次为

式中：kA1、kA2、kA3、kA4为罐道绳在提升容器上侧罐耳处的横向刚度。同理，kB1、kB2、kB3、kB4为罐道绳在提升容器下侧罐耳处的横向刚度。

提升容器受到的最大转矩

在深井下，kAi的值与kBi的值差别很小，

在横向位移不变的情况下，提升容器的静态转矩与罐道绳横向刚度呈线性关系。当容器在水平面内达到受力平衡时，容器产生了一个扭转角θx。Mmax越大，扭转角θ x越大，其扭转引起在y轴的位移为wBi θx。

要削弱转矩的影响，则需要调整罐道绳刚度，尽可能使Mmax变小。定义刚度之间的协调比值

由于wB1>wB2，可得kA2+kA3＞kA1+kA4。

根据《煤矿安全规程》第三百九十八条规定，需要满足：

再根据kA2+kA3＞kA1+kA4，因此 4 根罐道绳底部的最小刚性系数需满足kA3＞kA2＞kA4＞kA1。

2 检测设备的组成和原理

2.1 检测设备的组成

基于振动波周期法研制的矿用罐道绳张力检测装置如图3 所示。无线测量仪的原理框图如图4 所示。无线测量仪外部设有防爆外壳，将电源模块、加速度传感器、无线发射模块、信号采集模块等单元密封在内。

图3 矿用罐道绳张力检测装置Fig.3 Tension test equipment of cage guide rope for mine

图4 无线测量仪的原理框图Fig.4 Principle block diagram of wireless measuring instrument

2.2 检测设备的原理

用绑带将无线测量仪固定在钢丝绳上，加速度传感器测出固定点的振动加速度信号，信号通过无线发射模块和增益天线，传到无线接收模块，通过通信电缆接入电脑。在电脑上安装测试软件，可以实时显示振动波形、振动波周期，并能储存数据和波形。根据波形情况，选择并捕捉几个稳定的连续波形，存储到记录仪上。记录仪自动计算加速度峰值时间差，即为振动波周期。用式 (5)～(7) 可计算出被测罐道绳的张力和最小刚性系数。

2.3 关键技术难点

一直以来，时间测试的准确性是一技术难点。利用电子技术，将固定点的加速度振动波形转换成可视波形，根据其波形峰值差自动计算周期，有效降低了人工测试时间产生的系统误差[12-13]，解决了传统提升钢丝绳张力振波法手感测量结果不准确的问题。

此设备利用无线传输技术，解决了井口布线难题，将加速度传感器检测到的钢丝绳波形信号传输到电脑。检测设备体积小，方便携带，便于现场安装，解决了在矿井恶劣环境下，有限空间内测试工作面小、不安全因素多的难题。测试的原始数据能存储在各种储存器中，可根据每次测试数据的变化情况分析张力的发展趋势，为矿井安全生产提出预防预控方案。此测试方法科学易行，准确度满足工程应用要求，可实施性强，且测试过程不影响矿井正常生产。

3 应用分析

笔者及团队在郑煤集团及郑州地区近 20 个矿井对该张力检测装置进行了现场测试，笔者以其中两个矿井试验结果为例进行分析。

3.1 试验项目一

试验项目一用于郑煤集团教学二矿西副井的罐道绳，其参数如表1 所列。该试验主要测试罐道绳的张力，计算罐道绳的最小刚性系数，根据结果调整钢丝绳，直至符合《煤矿安全规程》要求。

表1 郑煤集团某矿副井基本参数Tab.1 Basic parameters of auxiliary shaft in a certain mine of Zhengzhou Coal Group

东西两码罐笼各有 4 根、共 8 根钢丝绳罐道，罐道绳的分布如图5 所示，图中 1～8 号为罐道绳，下同。测试结果如表2 所列。

表2 郑煤集团某矿副井罐道绳张力测试结果Tab.2 Tension test results of cage guide rope of auxiliary shaft in a certain mine of Zhengzhou Coal Group

图5 郑煤集团某矿副井罐道绳的分布Fig.5 Distribution of cage guide rope of auxiliary shaft in a certain mine of Zhengzhou Coal Group

由表2 可知：1～4 号罐道绳中，2 号绳与 3 号绳不满足“张力差不得小于平均张紧力的 5%”的要求；5～8 号罐道绳均满足“张力差不得小于平均张紧力的 5%”的要求，但不满足“内侧张紧力大，外侧张紧力小”的原则，因此需要调整。

根据表2 可得到结论：2、3、6 和 8 号罐道绳需调整张力。调整后，再次用相同方法测试各罐道绳张力，直至罐道绳张力和最小刚度系数符合《煤矿安全规程》规定为止。

3.2 试验项目二

试验项目二用于振兴二矿主井罐道绳，其参数如表3 所列。

表3 振兴二矿主井基本参数Tab.3 Basic parameters of main shaft in Zhenxing No.2 Mine

南北两码罐笼各有 4 根、共 8 根钢丝绳罐道，罐道绳的分布图如图6 所示。测试结果如表4 所列。

表4 振兴二矿主井罐道绳张力测试结果Tab.4 Tension test results of cage guide rope of main shaft in Zhenxing No.2 Mine

图6 振兴二矿主井罐道绳的分布Fig.6 Distribution of cage guide rope of main shaft in Zhenxing No.2 Mine

由表4 可知：1～4 号罐道绳均满足“张力差不得小于平均张紧力的 5%”的要求，也满足“内侧张紧力大，外侧张紧力小”的原则；5～8 号罐道绳中，8 号绳不满足“张力差不得小于平均张紧力的5%”的要求，6 号绳不满足“内侧张紧力大，外侧张紧力小”的原则，因此需要调整。

由表4 可得到结论：6 号和 8 号罐道绳需调整张力。调整后，再次用相同方法测试各罐道绳张力，直至罐道绳张力和最小刚度系数符合《煤矿安全规程》规定为止。

4 结论

(1) 通过在郑煤集团近 20 个矿井的试验，量化各罐道绳的张力，发现问题集中在“钢丝绳张力差小于平均张紧力的 5%“或不满足“内侧张紧力大、外侧张紧力小”的要求。根据试验结果，及时调整了矿井罐道钢丝绳的张力不平衡和刚度不足，为矿井安全隐患排查治理提供可靠依据，及时消除了提升系统存在的安全隐患。

(2) 依据振动波周期法研制的矿用罐道绳张力测试装置，获得了国家实用新型发明专利，为准确测量罐道绳张力及刚性系数提供了科学测试手段。该方法布线安全、简单、方便，且不影响矿井生产，易于被广大客户接受和认同，有一定推广价值。

(3) 用加速度振动波周期法测试时间，提高了时间测试的准确性，从而提高系统测试的准确性、可靠性。