光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置及方法

2023-05-14 22:03:16 1

光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置及方法
【專利摘要】一種光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置及方法，包括鋼絲繩、對稱扣合固定鋼絲繩的防滑楔形橡膠圈和封裝外殼、封裝外殼內部設有對稱的兩個彈性測杆，彈性測杆上粘貼光纖光柵，光纖光柵串聯接在光纖上，光纖通過光纖引出孔與封裝外殼外的光纖連接頭的一端連接，光纖引出孔的內部通過密封膠進行密封，光纖連接頭的另外一端與光纖尾纖連接，光纖尾纖利用鎧裝保護膠皮進行保護，封裝外殼的頂部和底部利用緊固螺母緊固穿過螺栓孔的螺栓；裝置結構簡單，安裝及操作使用方便，利用先進的光纖光柵傳感技術，抗電磁幹擾能力強，可靠性高，兩個光纖光柵測量的波長值加權取平均值，可進一步提高測量精度和靈敏度，減小誤差。
【專利說明】光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及煤礦設備的安全監測【技術領域】，尤其是一種適用於煤礦提升機、罐籠等提升設備的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置及方法，
【背景技術】
[0002]在煤礦開採過程中，提升設備的安全尤為重要，鋼絲繩的張力大小直接決定其壽命和礦井提升安全，鋼絲繩作為礦井提升設備的重要組成部分，在提升設備工作時，鋼絲繩在運轉時會受到許多應力的作用，將導致鋼絲繩受到嚴重拉伸，有時可能會發生斷裂，進而引起重大安全事故的發生，造成嚴重的人員和財產損失。因此，對礦井提升設備鋼絲繩張力的監測非常有必要。
[0003]鋼絲繩的張力監測是一項複雜的工作，往往難以做到正確的判斷，對存在的安全隱患難以及時發現。目前，對鋼絲繩張力監測的方法主要有三種:一種是利用電容或者電感來監測鋼絲繩的張力，利用電容或者電感的變化值，以及鋼絲繩的直徑變化值，通過計算可求得鋼絲繩的張力大小，這種測量方法的不足之處是電容或者電感均為帶電工作，抗電磁的幹擾能力弱，易受複雜環境的影響，影響測量的精度；一種是在鋼絲繩與提升重物之間串聯一個測力傳感器測量，此種方法必須是在鋼絲繩靜止的狀態下進行測量，且這種測量方法在操作時，測力傳感器要一直安裝在提升設備上，傳感器長期受載，使得傳感器中的測量元件產生蠕變，造成測量時產生較大的漂移，線性度和靈敏度下降；一種是利用振波法進行測量，利用衝擊力垂直打擊鋼絲繩產生橫向振動，然後通過測試鋼絲繩的振動頻率，運算得到鋼絲繩的張力值，不足之處是所基於的數學模型都是建立在不考慮鋼絲繩重力的基礎上，這種測量方法精度較低，誤差較大，不能滿足實際工程的需要；

【發明內容】

[0004]技術問題:本發明的目的是克服現有技術中的不足，提供一種結構簡單、安裝方便、測量精度高、靈敏度高、抗電磁幹擾能力強、可靠性高的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置及方法。
[0005]技術方案:本發明的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置，包括封裝外殼、鋼絲繩、光纖光柵、螺栓、緊固螺母；所述的封裝外殼對稱扣合固定在鋼絲繩上，在封裝外殼與鋼絲繩固定處之間安裝有防滑楔形橡膠圈，封裝外殼的頂部和底部均對稱開設有螺栓孔，利用緊固螺母緊固穿過螺栓孔的螺栓；封裝外殼的內部設有相互對稱的兩個彈性測杆，在兩個彈性測杆中部靠近封裝外殼的一側對稱粘貼有光纖光柵，光纖光柵串聯接在光纖上，光纖經光纖引出孔與設在封裝外殼外的光纖連接頭的一端連接，光纖引出孔的內部充填有進行密封的密封膠，光纖連接頭的另外一端連接光纖尾纖，光纖尾纖鎧裝有保護膠皮。
[0006]所述的防滑楔形橡膠圈在靠近封裝外殼外部的一端尺寸大於靠近封裝外殼內部一端的尺寸。[0007]所述的彈性測杆為矩形的長測杆，彈性測杆的兩端均固定連接在封裝外殼的內部。
[0008]所述的兩個光纖光柵形狀大小相同，波長互不相同，粘貼在位於彈性測杆中部的豎直中心軸線上。
[0009]使用上述裝置的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測方法，包括以下步驟:
[0010]A、在靠近提升設備的提升容器或者牽引容器處的鋼絲繩上設置張力監測裝置；
[0011]B、將內部設有彈性測杆、光纖光柵、光纖的封裝外殼和防滑楔形橡膠圈對稱扣合固定在鋼絲繩上，在封裝外殼的頂部和底部利用螺栓和緊固螺母固定；
[0012]C、測量鋼絲繩在未受力時，即沒有提升重物時直徑D的大小，同時利用光纖光柵解調設備解調出初始光纖光柵的波長大小λΒ;
[0013]D、當提升設備提升重物時，由於鋼絲繩與封裝外殼緊固，且彈性測杆和封裝外殼固定連接，鋼絲繩此時受拉力，將引起彈性測杆拉伸，粘貼在彈性測杆上的光纖光柵由於受應力變化，波長產生漂移，利用光纖光柵解調設備解調出光纖光柵波長的變化漂移量
Δ λ B ;
[0014]Ε、根據實測光纖光柵波長的變化漂移量Λ λ Β、初始光纖光柵波長大小λ Β和鋼絲繩直徑D的大小，即可計算出鋼絲繩的張力F的大小，並通過計算機實時的直觀動態顯示張力數值大小，同時對過大的張力值進行預警，保證礦井提升設備的安全運行。
[0015]有益效果:本發明適用於煤礦提升機、罐籠等提升設備的光纖光柵拉伸式礦井提升，通過對鋼絲繩張力監測，可確保煤礦工人的安全下井和升井、安全順利的提升煤炭。本發明為了解決光纖光柵在進行應變測量時，由於溫度變化引起的應變、溫度交叉敏感問題，在位於彈性測杆中部的豎直中心軸線上對稱的粘貼形狀大小相同，波長不相同的光纖光柵，且處於相同的工作環境中。採用差動式溫度補償方法，消除溫度對光纖光柵的影響，解決應變與溫度交叉敏感的問題，同時兩個光纖光柵測量的波長值加權取平均值，可進一步的提高測量精度和靈敏度。與已有技術相比，具有如下優點:
[0016]1、裝置結構簡單，操作使用方便，安裝方便，監測過程容易，無需人工進行記錄測試數據和計算，適用範圍廣；
[0017]2、通過測量光纖光柵波長的變化間接測量鋼絲繩的張力，光纖光柵靈敏度高，受工作環境影響較小，光纖光柵在受到很微弱的力時波長也可發生漂移變化，測量精度高、誤差較小；
[0018]3、利用先進的光纖光柵傳感技術，放棄使用傳統的壓電式壓力傳感器或者別的帶電測量張力的裝置及方法，光纖光柵本質安全、可靠性高，抗電磁幹擾能力強，可以實時在線監測，同時可以對鋼絲繩張力的大小進行預警；
[0019]4、由於同時使用兩個對稱的光纖光柵，利用差動式溫度補償的方法，消除了由於溫度變化引起的應力應變的幹擾，解決了應變與溫度的交叉敏感的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明裝置的剖視結構圖；
[0021]圖2為本發明裝置的俯視結構圖。[0022]圖中:1、封裝殼體；2、防滑楔形橡膠圈；3、鋼絲繩；4、彈性測杆；5、光纖光柵；6、光纖；7、光纖引出孔；8、密封膠；9、光纖連接頭；10、銷裝保護膠皮；11、光纖尾纖；12、螺栓；13、螺栓孔；14、緊固螺母。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明的一個實施例作進一步的描述:
[0024]如圖1和圖2所示，本發明的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置，包括封裝外殼1、防滑楔形橡膠圈2、鋼絲繩3、彈性測杆4、光纖光柵5、光纖6、光纖引出孔
7、密封膠8、光纖連接頭9、鎧裝保護膠皮10、光纖尾纖11、螺栓12、螺栓孔13、緊固螺母14。封裝外殼I對稱扣合固定鋼絲繩3，在封裝外殼I與鋼絲繩3固定處之間安裝有防滑楔形橡膠圈2，防滑楔形橡膠圈2在靠近封裝外殼I外部的一端尺寸較大，在靠近封裝外殼I內部的一端尺寸較小；封裝外殼I的頂部和底部均對稱開設有螺栓孔13，利用緊固螺母14緊固穿過螺栓孔13的螺栓12 ;封裝外殼I的內部設有相互對稱的兩個彈性測杆4，彈性測杆4為一彈性性能好、感知靈敏、橫截面為矩形的長測杆，在兩個彈性測杆4中部靠近封裝外殼I的一側對稱粘貼光纖光柵5,兩個光纖光柵5形狀大小相同,波長互不相同,粘貼在位於彈性測杆4中部的豎直中心軸線上；光纖光柵5串聯接在光纖6上，光纖6通過光纖引出孔7與封裝外殼I外的光纖連接頭9的一端連接，光纖引出孔7的內部通過密封膠8進行密封，光纖連接頭9的另外一端與光纖尾纖11連接，光纖尾纖11利用鎧裝保護膠皮10進行保護。
[0025]本發明的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置及方法，步驟如下:
[0026]A、首先，選取張力監測裝置待安裝的位置，一般選取在靠近提升設備的提升容器或者牽引容器處的鋼絲繩3上；
[0027]B、其次，將內部設有彈性測杆4、光纖光柵5、光纖6的封裝外殼I和防滑楔形橡膠圈2對稱扣合固定在鋼絲繩3上，在封裝外殼I的頂部和底部利用螺栓12和緊固螺母14固定；
[0028]C、測量出鋼絲繩3在未受力時，即沒有提升重物時直徑D的大小，同時利用光纖光柵解調設備解調出初始光纖光柵的波長大小λΒ;
[0029]D、當提升設備提升重物時，由於鋼絲繩3與封裝外殼I緊固，且彈性測杆4和封裝外殼I固定連接，鋼絲繩2此時受拉力，將引起彈性測杆4拉伸，粘貼在彈性測杆4上的光纖光柵5由於受應力變化，波長將產生漂移，利用光纖光柵解調設備解調出光纖光柵波長的變化漂移量Λ λ Β ;
[0030]Ε、利用實測的光纖光柵波長的變化漂移量Λ λΒ，以及初始的光纖光柵波長大小λ Β和鋼絲繩3直徑D的大小，即可計算出鋼絲繩3張力F的大小，並通過計算機實時的直觀動態顯示張力數值大小，同時可以對過大的張力值進行預警，保證礦井提升設備的安全運行。
[0031]鋼絲繩張力F的計算公式如下表示:
[0032]F = δ.A (I)
[0033]式中:F為鋼絲繩的張力；δ為鋼絲繩橫截面積上的應力；Α為鋼絲繩的橫截面積；
[0034]δ = E.ε (2)[0035]式中:E為鋼絲繩的彈性模量；ε為鋼絲繩的軸向應變；
[0036]由於鋼絲繩與封裝外殼緊固，且彈性測杆和封裝外殼固定連接，因此鋼絲繩與彈性測杆同步應變，又由於粘貼在彈性測杆上的光纖光柵隨著彈性測杆同步變化，故可認為鋼絲繩的軸向應變和光纖光柵的軸向應變一致；
[0037]鋼絲繩未受力時，光纖光柵的初始波長為λΒ ;鋼絲繩提升重物時，光纖光柵波長的變化漂移量為Λ λ Β，利用公式:
【權利要求】
1.一種光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置，包括封裝外殼(I)、鋼絲繩(3)、光纖光柵(5)、螺栓(12)、緊固螺母(14);其特徵在於:所述的封裝外殼(I)對稱扣合固定在鋼絲繩(3)上，在封裝外殼(I)與鋼絲繩(3)固定處之間安裝有防滑楔形橡膠圈(2)，封裝外殼(I)的頂部和底部均對稱開設有螺栓孔(13)，利用緊固螺母(14)緊固穿過螺栓孔(13)的螺栓(12);封裝外殼(I)的內部設有相互對稱的兩個彈性測杆(4)，在兩個彈性測杆(4)中部靠近封裝外殼(I)的一側對稱粘貼有光纖光柵(5 ),光纖光柵(5 )串聯接在光纖(6 )上，光纖(6)經光纖引出孔(7)與設在封裝外殼(I)外的光纖連接頭(9)的一端連接，光纖引出孔(7 )的內部充填有進行密封的密封膠(8 )，光纖連接頭(9 )的另外一端連接光纖尾纖(11)，光纖尾纖(11)鎧裝有保護膠皮(10 )。
2.根據權利要求1所述的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置，其特徵在於:所述的防滑楔形橡膠圈(2)在靠近封裝外殼(I)外部的一端尺寸大於靠近封裝外殼(O內部一端的尺寸。
3.根據權利要求1所述的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置，其特徵在於:所述的彈性測杆(4)為矩形的長測杆，彈性測杆(4)的兩端均固定連接在封裝外殼Cl)的內部。
4.根據權利要求書I所述的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測裝置，其特徵在於:所述的兩個光纖光柵(5)形狀大小相同，波長互不相同，粘貼在位於彈性測杆(4)中部的豎直中心軸線上。
5.一種使用權利要求1所述裝置的光纖光柵拉伸式礦井提升設備鋼絲繩張力監測方法，其特徵在於包括以下步驟: A、在靠近提升設備的提升容器或者牽引容器處的鋼絲繩(3)上設置張力監測裝置； B、將內部設有彈性測杆(4)、光纖光柵(5 )、光纖(6 )的封裝外殼(I)和防滑楔形橡膠圈(2)對稱扣合固定在鋼絲繩(3)上，在封裝外殼(I)的頂部和底部利用螺栓(12)和緊固螺母(14)固定； C、測量鋼絲繩(3)在未受力時，即沒有提升重物時直徑D的大小，同時利用光纖光柵解調設備解調出初始光纖光柵的波長大小λΒ; D、當提升設備提升重物時，由於鋼絲繩(3)與封裝外殼(I)緊固，且彈性測杆(4)和封裝外殼(I)固定連接，鋼絲繩(2)此時受拉力，將引起彈性測杆(4)拉伸，粘貼在彈性測杆(4)上的光纖光柵(5)由於受應力變化，波長產生漂移，利用光纖光柵解調設備解調出光纖光柵波長的變化漂移量NK' Ε、根據實測光纖光柵波長的變化漂移量△ λ Β、初始光纖光柵波長大小λB和鋼絲繩(3)直徑D的大小，即可計算出鋼絲繩(3)的張力F的大小，並通過計算機實時的直觀動態顯示張力數值大小，同時對過大的張力值進行預警，保證礦井提升設備的安全運行。
【文檔編號】B66B19/06GK103508288SQ201310508442
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】方新秋, 梁敏富, 劉曉寧, 謝小平, 劉宗柱, 樊海亮 申請人:中國礦業大學