本發(fā)明涉及一種提升裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，尤其是一種適用于礦山深井提升裝備的基于信號(hào)融合的提升裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

提升機(jī)素有“礦井咽喉”之稱，承擔(dān)著提升煤炭矸石和升降人員設(shè)備的重要作用，是連接礦山井下生產(chǎn)系統(tǒng)和地面工業(yè)廣場(chǎng)的紐帶。同時(shí)，在運(yùn)行過程中，提升裝備極易出現(xiàn)卷繩錯(cuò)亂、罐道凸起、過卷過放、調(diào)繩異常等故障，這些故障造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡。

為了保障提升裝備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)有的提升裝備一般安裝有轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器、張力測(cè)量傳感器等監(jiān)測(cè)裝置，但是這些裝置大都獨(dú)立運(yùn)行，使用閾值進(jìn)行判斷，無法區(qū)分工況響應(yīng)(比如加速度引起的信號(hào)波動(dòng))和故障響應(yīng)，容易出現(xiàn)誤判。隨著開采深度的增加，基于經(jīng)濟(jì)效益的考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)載重及運(yùn)行速度將都大大提高，在此背景下，深井提升裝備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須達(dá)到更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種安全可靠、自動(dòng)化程度高的基于信號(hào)融合的深井提升裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的基于信號(hào)融合的深井提升裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)、主軸編碼器、天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)、張力測(cè)量子系統(tǒng)和工控機(jī)；所述的應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)布置在提升機(jī)上，用于測(cè)量主軸的扭矩；所述的主軸編碼器設(shè)在提升機(jī)的主軸上，用于測(cè)量提升機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速；所述的天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)布置在天輪下部，用于測(cè)量天輪的轉(zhuǎn)速；所述的張力測(cè)量子系統(tǒng)設(shè)在張力平衡裝置內(nèi)，用于測(cè)量鋼絲繩張力；張力平衡裝置設(shè)在提升容器上。

所述的應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)包括供電模塊、無線采集模塊、應(yīng)變片、半圓墊塊、鎖死候箍和矩形墊塊；所述的半圓墊塊成對(duì)使用，通過鎖死候箍上下對(duì)稱安裝在主軸上；上下對(duì)稱安裝的半圓墊塊上均開有方形凹槽，方形凹槽的大小與所安裝的供電模塊或無線采集模塊的尺寸匹配；所述的供電模塊和無線采集模塊分別通過矩形墊塊及橡膠螺栓安裝在上下對(duì)稱的半圓墊塊的凹槽內(nèi)；所述的矩形墊塊上開有條狀口，條狀口與所安裝的供電模塊或無線采集模塊的接線頭匹配；所述供電模塊和無線采集模塊通過導(dǎo)線與設(shè)在主軸上的應(yīng)變片相連接，用于測(cè)量主軸的扭矩。

所述的半圓墊塊為彈性材料，其兩側(cè)邊開有鎖死候箍的環(huán)形凹槽。

所述的天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)包括編碼器、直角板、計(jì)米輪、導(dǎo)軌滑塊、無線采集器一、軸承座、上蓋盒、下蓋盒、擋片、固定夾塊、導(dǎo)軌、彈簧、位移傳感器及圓筒盒；所述計(jì)米輪位于天輪正下方，計(jì)米輪上端與天輪輪緣下端相切，計(jì)米輪左側(cè)軸端與編碼器輸入孔相連，計(jì)米輪右側(cè)軸端與軸承座相連；所述直角板和軸承座通過螺栓固定在上蓋盒上；所述上蓋盒中部為立方體凹槽，立方體凹槽的四個(gè)側(cè)面分別通過螺栓安裝有固定夾塊，固定夾塊中部開有通孔，與導(dǎo)軌的上端頭配合；所述彈簧放置在圓筒盒內(nèi)部；所述導(dǎo)軌穿過導(dǎo)軌滑塊的導(dǎo)向孔，導(dǎo)軌的下端頭位于圓筒盒內(nèi)部，壓住彈簧；所述位移傳感器通過l形板件固定在下蓋盒盒底面的中央，位移傳感器和編碼器通過導(dǎo)線與無線采集器一相連；所述下蓋盒和無線采集器一通過螺栓固定在井架型鋼上。

所述固定夾塊的上端面通過螺栓固定有擋片。

所述導(dǎo)軌滑塊共有四個(gè)，通過螺栓固定在下蓋盒內(nèi)側(cè)面。

所述的張力測(cè)量子系統(tǒng)包括上壓塊、無線采集器二、拉壓力傳感器、彈性單元、側(cè)向固定盒和下連接板；所述上壓塊的中部開有圓形凹槽，與張力平衡裝置的液壓缸桿頭部相連；所述側(cè)向固定盒安裝在張力平衡裝置上；所述彈性單元安裝在側(cè)向固定盒內(nèi)，與墊塊側(cè)面緊貼；所述的側(cè)向固定盒上部通過拉壓力傳感器的螺栓固接，下部通過下連接板和螺栓固接；所述拉壓力傳感器通過導(dǎo)線與無線采集器二相連；所述無線采集器二放置在提升容器上表面。

使用上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種基于信號(hào)融合的深井提升裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1：在提升機(jī)上，設(shè)置應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)，安裝完畢后敲擊提升機(jī)的主軸，觀察工控機(jī)中電壓信號(hào)響應(yīng)，驗(yàn)證應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)正常運(yùn)行；在主軸上設(shè)置主軸編碼器；在天輪下部設(shè)置天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)，安裝完畢后旋轉(zhuǎn)計(jì)米輪，觀察工控機(jī)中脈沖信號(hào)響應(yīng)，驗(yàn)證天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)正常運(yùn)行；在張力平衡裝置內(nèi)，設(shè)置張力測(cè)量子系統(tǒng)，安裝完畢后敲擊墊塊，觀察工控機(jī)中電壓信號(hào)響應(yīng)，驗(yàn)證張力測(cè)量子系統(tǒng)正常運(yùn)行；

步驟2：當(dāng)提升裝備在井口運(yùn)行前，通過應(yīng)變片測(cè)量主軸的應(yīng)變，將信號(hào)傳輸給無線采集模塊，無線采集模塊將信號(hào)傳輸給工控機(jī)；通過拉壓力傳感器測(cè)量鋼絲繩張力信號(hào)，將信號(hào)傳輸給無線采集器二，無線采集器二將信號(hào)傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)將主軸應(yīng)變信號(hào)、鋼絲繩張力信號(hào)及裝備物理參數(shù)帶入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程程序文件；所述裝備物理參數(shù)包括鋼絲繩剛度、阻尼、天輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

步驟3：當(dāng)提升裝備開始運(yùn)行時(shí)，由主軸編碼器測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)通過導(dǎo)線傳入工控機(jī)，工控機(jī)將主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)帶入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程程序文件輸入，求得系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中各時(shí)刻天輪轉(zhuǎn)速及鋼絲繩張力的參考響應(yīng)；由編碼器測(cè)量天輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)通過導(dǎo)線傳入無線采集器一，無線采集器一將信號(hào)打上系統(tǒng)時(shí)間戳后傳入工控機(jī)；由拉壓力傳感器測(cè)量鋼絲繩張力信號(hào)，信號(hào)通過導(dǎo)線傳入無線采集器二，無線采集器二將信號(hào)打上系統(tǒng)時(shí)間戳后傳入工控機(jī)；

步驟4：在工控機(jī)中，將計(jì)算得到的各時(shí)刻天輪轉(zhuǎn)速及鋼絲繩張力的參考響應(yīng)與實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)保存為數(shù)據(jù)文件，然后將天輪轉(zhuǎn)速vt和容器上端張力響應(yīng)f的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的天輪轉(zhuǎn)速v′t和容器上端張力響應(yīng)f'進(jìn)行做差；

如果|vt-v′t|≥0.6·vt或|f-f′|≥0.6·f，則判定為一般故障，在空閑時(shí)進(jìn)行檢修處理；

如果|vt-v′t|≥1.1·vt或|f-f′|≥1.1·f，則判定為重大故障，必須進(jìn)行停機(jī)處理。

有益效果：由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)在各子系統(tǒng)的布置上，應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)采取候箍和墊塊的安裝方式，更加實(shí)用、穩(wěn)固；天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)直接測(cè)量天輪輪切面的轉(zhuǎn)速，與側(cè)面測(cè)量轉(zhuǎn)速相比，天輪轉(zhuǎn)動(dòng)直徑為已知，計(jì)算結(jié)果更為精確；張力測(cè)量子系統(tǒng)直接測(cè)量張力變化，無需由油壓再計(jì)算轉(zhuǎn)化，安裝時(shí)也無需破壞現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)。

(2)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法上，使用多種信號(hào)進(jìn)行融合監(jiān)測(cè)，能夠從混合監(jiān)測(cè)信號(hào)(包括加速度引起的信號(hào)波動(dòng)和故障引起的信號(hào)波動(dòng))中剝離出故障信號(hào)。

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、使用效果好，具有廣泛的實(shí)用性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明在提升系統(tǒng)中各測(cè)量子系統(tǒng)位置布置示意圖；

圖2為本發(fā)明的應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)安裝示意圖；

圖3為本發(fā)明的天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)放大圖；

圖5為本發(fā)明的張力測(cè)量子系統(tǒng)安裝位置結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明的張力測(cè)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1-提升機(jī)，2-天輪，3-提升主繩，4-張力平衡裝置，5-提升容器，6-尾繩，7-主軸，8-半圓墊塊，9-鎖死候箍，10-無線采集模塊，11-矩形墊塊，12-應(yīng)變片，13-供電模塊，14-編碼器，15-直角板，16-計(jì)米輪，17-導(dǎo)軌滑塊，18-無線采集器一，19-軸承座，20-上蓋盒，21-下蓋盒，22-井架型鋼，23-擋片，24-固定夾塊，25-導(dǎo)軌，26-彈簧，27-位移傳感器，28-圓筒盒，29-液壓缸桿，30-上壓塊，31-墊塊，32-中拉板，33-無線采集器二，34-拉壓力傳感器，35-彈性單元，36-側(cè)向固定盒，37-下連接板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述：

如圖1所示，本發(fā)明的基于信號(hào)融合的深井提升裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)、主軸編碼器、天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)、張力測(cè)量子系統(tǒng)和工控機(jī)構(gòu)成；所述的應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)布置在提升機(jī)1上，用于測(cè)量主軸的扭矩；所述的主軸編碼器設(shè)在提升機(jī)的主軸7上，用于測(cè)量提升機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速；所述的天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)布置在天輪2的下部，用于測(cè)量天輪的轉(zhuǎn)速；所述的張力測(cè)量子系統(tǒng)設(shè)在張力平衡裝置4內(nèi)，用于測(cè)量鋼絲繩張力；張力平衡裝置4設(shè)在提升容器5上。

如圖2所示，所述的應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)包括供電模塊13、無線采集模塊10、應(yīng)變片12、半圓墊塊8、鎖死候箍9和矩形墊塊11；所述的半圓墊塊8成對(duì)使用，通過鎖死候箍9上下對(duì)稱安裝在主軸7上；上下對(duì)稱安裝的半圓墊塊8上均開有方形凹槽，方形凹槽的大小與所安裝的供電模塊13或無線采集模塊10的尺寸匹配；所述的半圓墊塊8為橡膠、或合成橡膠的塑膠彈性材料制成，其兩側(cè)邊開有鎖死候箍9的環(huán)形凹槽。所述的供電模塊13和無線采集模塊10分別通過矩形墊塊11及橡膠螺栓安裝在上下對(duì)稱的半圓墊塊8的凹槽內(nèi)；所述的矩形墊塊11上開有條狀口，條狀口與所安裝的供電模塊13或無線采集模塊10的接線頭匹配；所述供電模塊13和無線采集模塊10通過導(dǎo)線與設(shè)在主軸7上的應(yīng)變片12相連接，用于測(cè)量主軸7的扭矩。所述電阻應(yīng)變片12雙豎八字布置(與軸線成45°及45°夾角)，按全橋方式與無線采集模塊連線，所述無線采集模塊10通過無線傳輸?shù)姆绞脚c工控機(jī)通訊。

如圖3和圖4所示，所述的天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)包括編碼器14、直角板15、計(jì)米輪16、導(dǎo)軌滑塊17、無線采集器一18、軸承座19、上蓋盒20、下蓋盒21、擋片23、固定夾塊24、導(dǎo)軌25、彈簧26、位移傳感器27及圓筒盒28；所述計(jì)米輪16位于天輪2正下方，計(jì)米輪16上端與天輪2輪緣下端相切，計(jì)米輪16左側(cè)軸端與編碼器14輸入孔相連，計(jì)米輪16右側(cè)軸端與軸承座19相連；所述編碼器14通過螺栓與直角板15固接。所述直角板15和軸承座19通過螺栓固定在上蓋盒20上；所述上蓋盒20中部為立方體凹槽，立方體凹槽的四個(gè)側(cè)面分別通過螺栓安裝有固定夾塊24，固定夾塊24中部開有通孔，與導(dǎo)軌25的上端頭配合；所述固定夾塊24的上端面通過螺栓固定有擋片23。所述彈簧26放置在圓筒盒28內(nèi)部；圓筒盒28共有四個(gè)，通過螺栓固定在下蓋盒21盒底面。所述導(dǎo)軌25穿過導(dǎo)軌滑塊17的導(dǎo)向孔，所述導(dǎo)軌滑塊17共有四個(gè)，通過螺栓固定在下蓋盒21內(nèi)側(cè)面。導(dǎo)軌25的下端頭位于圓筒盒28內(nèi)部，壓住彈簧26；所述位移傳感器27通過l形板件固定在下蓋盒21盒底面的中央，位移傳感器27和編碼器14通過導(dǎo)線與無線采集器一18相連；所述下蓋盒21和無線采集器一18通過螺栓固定在井架型鋼22上。所述無線采集器一18通過無線傳輸?shù)姆绞脚c工控機(jī)通訊。

如圖5和圖6所示，所述的張力測(cè)量子系統(tǒng)包括上壓塊30、無線采集器二33、拉壓力傳感器34、彈性單元35、側(cè)向固定盒36和下連接板37；所述上壓塊30的中部開有圓形凹槽，與張力平衡裝置4的液壓缸桿29頭部相連；所述側(cè)向固定盒36安裝在張力平衡裝置4的兩側(cè)；所述彈性單元35安裝在側(cè)向固定盒36內(nèi)部，與墊塊31側(cè)面緊貼；所述的側(cè)向固定盒36上部通過拉壓力傳感器34的螺栓固接，下部通過下連接板37和螺栓固接；所述拉壓力傳感器34通過導(dǎo)線與無線采集器二33相連；所述無線采集器二33放置在提升容器5上表面。所述無線采集器二33通過無線傳輸?shù)姆绞脚c工控機(jī)通訊。

本發(fā)明的基于信號(hào)融合的深井提升裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，具體步驟如下：

步驟1：在提升機(jī)1上，設(shè)置應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)，安裝完畢后敲擊提升機(jī)的主軸7，觀察工控機(jī)中電壓信號(hào)響應(yīng)，驗(yàn)證應(yīng)變測(cè)量子系統(tǒng)正常運(yùn)行；在主軸7上設(shè)置主軸編碼器；在天輪2下部設(shè)置天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)，安裝完畢后旋轉(zhuǎn)計(jì)米輪16，觀察工控機(jī)中脈沖信號(hào)響應(yīng)，驗(yàn)證天輪轉(zhuǎn)速測(cè)量子系統(tǒng)正常運(yùn)行；在張力平衡裝置4內(nèi)，設(shè)置張力測(cè)量子系統(tǒng)，安裝完畢后敲擊墊塊31，觀察工控機(jī)中電壓信號(hào)響應(yīng)，驗(yàn)證張力測(cè)量子系統(tǒng)正常運(yùn)行；

步驟2：當(dāng)提升裝備在井口運(yùn)行前，通過應(yīng)變片12測(cè)量主軸的應(yīng)變，將信號(hào)傳輸給無線采集模塊10，無線采集模塊10將信號(hào)傳輸給工控機(jī)；通過拉壓力傳感器34測(cè)量鋼絲繩張力信號(hào)，將信號(hào)傳輸給無線采集器二33，無線采集器二33將信號(hào)傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)將主軸應(yīng)變信號(hào)、鋼絲繩張力信號(hào)及裝備物理參數(shù)帶入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程程序文件，初始化程序文件中相應(yīng)的變量；所述裝備物理參數(shù)包括鋼絲繩剛度、阻尼、天輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

步驟3：當(dāng)提升裝備開始運(yùn)行時(shí)，由主軸編碼器測(cè)量主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)通過導(dǎo)線傳入工控機(jī)，工控機(jī)將主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)帶入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程程序文件輸入，求得系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中各時(shí)刻天輪轉(zhuǎn)速及鋼絲繩張力的參考響應(yīng)；由編碼器14測(cè)量天輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，信號(hào)通過導(dǎo)線傳入無線采集器一18，無線采集器一18將信號(hào)打上系統(tǒng)時(shí)間戳后傳入工控機(jī)；由拉壓力傳感器34測(cè)量鋼絲繩張力信號(hào)，信號(hào)通過導(dǎo)線傳入無線采集器二33，無線采集器二33將信號(hào)打上系統(tǒng)時(shí)間戳后傳入工控機(jī)；

步驟4：在工控機(jī)中，將計(jì)算得到的各時(shí)刻天輪轉(zhuǎn)速及鋼絲繩張力的參考響應(yīng)與實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)保存為數(shù)據(jù)文件，然后將天輪轉(zhuǎn)速vt和容器上端張力響應(yīng)f的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的天輪轉(zhuǎn)速v′t和容器上端張力響應(yīng)f'進(jìn)行做差；

如果|vt-v′t|≥0.6·vt或|f-f′|≥0.6·f，則判定為一般故障，在空閑時(shí)進(jìn)行檢修處理；

如果|vt-v′t|≥1.1·vt或|f-f′|≥1.1·f，則判定為重大故障，必須進(jìn)行停機(jī)處理。