一种基于信号融合的深井提升装备状态监测系统及方法与流程

本发明涉及一种提升装备状态监测系统及方法，尤其是一种适用于矿山深井提升装备的基于信号融合的提升装备状态监测系统及方法。

背景技术：

提升机素有“矿井咽喉”之称，承担着提升煤炭矸石和升降人员设备的重要作用，是连接矿山井下生产系统和地面工业广场的纽带。同时，在运行过程中，提升装备极易出现卷绳错乱、罐道凸起、过卷过放、调绳异常等故障，这些故障造成了巨大的经济损失及人员伤亡。

为了保障提升装备的安全稳定运行，现有的提升装备一般安装有转速测量传感器、张力测量传感器等监测装置，但是这些装置大都独立运行，使用阈值进行判断，无法区分工况响应(比如加速度引起的信号波动)和故障响应，容易出现误判。随着开采深度的增加，基于经济效益的考虑，系统设计载重及运行速度将都大大提高，在此背景下，深井提升装备的监测系统必须达到更高的要求。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是针对现有技术中的不足之处，提供一种安全可靠、自动化程度高的基于信号融合的深井提升装备状态监测系统及方法。

技术方案：本发明的基于信号融合的深井提升装备状态监测系统，包括应变测量子系统、主轴编码器、天轮转速测量子系统、张力测量子系统和工控机；所述的应变测量子系统布置在提升机上，用于测量主轴的扭矩；所述的主轴编码器设在提升机的主轴上，用于测量提升机主轴的转速；所述的天轮转速测量子系统布置在天轮下部，用于测量天轮的转速；所述的张力测量子系统设在张力平衡装置内，用于测量钢丝绳张力；张力平衡装置设在提升容器上。

所述的应变测量子系统包括供电模块、无线采集模块、应变片、半圆垫块、锁死候箍和矩形垫块；所述的半圆垫块成对使用，通过锁死候箍上下对称安装在主轴上；上下对称安装的半圆垫块上均开有方形凹槽，方形凹槽的大小与所安装的供电模块或无线采集模块的尺寸匹配；所述的供电模块和无线采集模块分别通过矩形垫块及橡胶螺栓安装在上下对称的半圆垫块的凹槽内；所述的矩形垫块上开有条状口，条状口与所安装的供电模块或无线采集模块的接线头匹配；所述供电模块和无线采集模块通过导线与设在主轴上的应变片相连接，用于测量主轴的扭矩。

所述的半圆垫块为弹性材料，其两侧边开有锁死候箍的环形凹槽。

所述的天轮转速测量子系统包括编码器、直角板、计米轮、导轨滑块、无线采集器一、轴承座、上盖盒、下盖盒、挡片、固定夹块、导轨、弹簧、位移传感器及圆筒盒；所述计米轮位于天轮正下方，计米轮上端与天轮轮缘下端相切，计米轮左侧轴端与编码器输入孔相连，计米轮右侧轴端与轴承座相连；所述直角板和轴承座通过螺栓固定在上盖盒上；所述上盖盒中部为立方体凹槽，立方体凹槽的四个侧面分别通过螺栓安装有固定夹块，固定夹块中部开有通孔，与导轨的上端头配合；所述弹簧放置在圆筒盒内部；所述导轨穿过导轨滑块的导向孔，导轨的下端头位于圆筒盒内部，压住弹簧；所述位移传感器通过l形板件固定在下盖盒盒底面的中央，位移传感器和编码器通过导线与无线采集器一相连；所述下盖盒和无线采集器一通过螺栓固定在井架型钢上。

所述固定夹块的上端面通过螺栓固定有挡片。

所述导轨滑块共有四个，通过螺栓固定在下盖盒内侧面。

所述的张力测量子系统包括上压块、无线采集器二、拉压力传感器、弹性单元、侧向固定盒和下连接板；所述上压块的中部开有圆形凹槽，与张力平衡装置的液压缸杆头部相连；所述侧向固定盒安装在张力平衡装置上；所述弹性单元安装在侧向固定盒内，与垫块侧面紧贴；所述的侧向固定盒上部通过拉压力传感器的螺栓固接，下部通过下连接板和螺栓固接；所述拉压力传感器通过导线与无线采集器二相连；所述无线采集器二放置在提升容器上表面。

使用上述监测系统的一种基于信号融合的深井提升装备状态监测方法，包括如下步骤：

步骤1：在提升机上，设置应变测量子系统，安装完毕后敲击提升机的主轴，观察工控机中电压信号响应，验证应变测量子系统正常运行；在主轴上设置主轴编码器；在天轮下部设置天轮转速测量子系统，安装完毕后旋转计米轮，观察工控机中脉冲信号响应，验证天轮转速测量子系统正常运行；在张力平衡装置内，设置张力测量子系统，安装完毕后敲击垫块，观察工控机中电压信号响应，验证张力测量子系统正常运行；

步骤2：当提升装备在井口运行前，通过应变片测量主轴的应变，将信号传输给无线采集模块，无线采集模块将信号传输给工控机；通过拉压力传感器测量钢丝绳张力信号，将信号传输给无线采集器二，无线采集器二将信号传输给工控机，工控机将主轴应变信号、钢丝绳张力信号及装备物理参数带入系统动力学方程程序文件；所述装备物理参数包括钢丝绳刚度、阻尼、天轮转动惯量；

步骤3：当提升装备开始运行时，由主轴编码器测量主轴转速信号，信号通过导线传入工控机，工控机将主轴转速信号带入系统动力学方程程序文件输入，求得系统实时运行过程中各时刻天轮转速及钢丝绳张力的参考响应；由编码器测量天轮转速信号，信号通过导线传入无线采集器一，无线采集器一将信号打上系统时间戳后传入工控机；由拉压力传感器测量钢丝绳张力信号，信号通过导线传入无线采集器二，无线采集器二将信号打上系统时间戳后传入工控机；

步骤4：在工控机中，将计算得到的各时刻天轮转速及钢丝绳张力的参考响应与实时采集到的信号保存为数据文件，然后将天轮转速vt和容器上端张力响应f的计算结果与实际测量的天轮转速v′t和容器上端张力响应f'进行做差；

如果|vt-v′t|≥0.6·vt或|f-f′|≥0.6·f，则判定为一般故障，在空闲时进行检修处理；

如果|vt-v′t|≥1.1·vt或|f-f′|≥1.1·f，则判定为重大故障，必须进行停机处理。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)在各子系统的布置上，应变测量子系统采取候箍和垫块的安装方式，更加实用、稳固；天轮转速测量子系统直接测量天轮轮切面的转速，与侧面测量转速相比，天轮转动直径为已知，计算结果更为精确；张力测量子系统直接测量张力变化，无需由油压再计算转化，安装时也无需破坏现有机械结构。

(2)在状态监测方法上，使用多种信号进行融合监测，能够从混合监测信号(包括加速度引起的信号波动和故障引起的信号波动)中剥离出故障信号。

(3)结构简单、稳定可靠、使用效果好，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明在提升系统中各测量子系统位置布置示意图；

图2为本发明的应变测量子系统安装示意图；

图3为本发明的天轮转速测量子系统结构图；

图4为本发明的天轮转速测量子系统局部结构放大图；

图5为本发明的张力测量子系统安装位置结构图；

图6为本发明的张力测量子系统结构图。

图中：1-提升机，2-天轮，3-提升主绳，4-张力平衡装置，5-提升容器，6-尾绳，7-主轴，8-半圆垫块，9-锁死候箍，10-无线采集模块，11-矩形垫块，12-应变片，13-供电模块，14-编码器，15-直角板，16-计米轮，17-导轨滑块，18-无线采集器一，19-轴承座，20-上盖盒，21-下盖盒，22-井架型钢，23-挡片，24-固定夹块，25-导轨，26-弹簧，27-位移传感器，28-圆筒盒，29-液压缸杆，30-上压块，31-垫块，32-中拉板，33-无线采集器二，34-拉压力传感器，35-弹性单元，36-侧向固定盒，37-下连接板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的基于信号融合的深井提升装备状态监测系统，主要由应变测量子系统、主轴编码器、天轮转速测量子系统、张力测量子系统和工控机构成；所述的应变测量子系统布置在提升机1上，用于测量主轴的扭矩；所述的主轴编码器设在提升机的主轴7上，用于测量提升机主轴的转速；所述的天轮转速测量子系统布置在天轮2的下部，用于测量天轮的转速；所述的张力测量子系统设在张力平衡装置4内，用于测量钢丝绳张力；张力平衡装置4设在提升容器5上。

如图2所示，所述的应变测量子系统包括供电模块13、无线采集模块10、应变片12、半圆垫块8、锁死候箍9和矩形垫块11；所述的半圆垫块8成对使用，通过锁死候箍9上下对称安装在主轴7上；上下对称安装的半圆垫块8上均开有方形凹槽，方形凹槽的大小与所安装的供电模块13或无线采集模块10的尺寸匹配；所述的半圆垫块8为橡胶、或合成橡胶的塑胶弹性材料制成，其两侧边开有锁死候箍9的环形凹槽。所述的供电模块13和无线采集模块10分别通过矩形垫块11及橡胶螺栓安装在上下对称的半圆垫块8的凹槽内；所述的矩形垫块11上开有条状口，条状口与所安装的供电模块13或无线采集模块10的接线头匹配；所述供电模块13和无线采集模块10通过导线与设在主轴7上的应变片12相连接，用于测量主轴7的扭矩。所述电阻应变片12双竖八字布置(与轴线成45°及45°夹角)，按全桥方式与无线采集模块连线，所述无线采集模块10通过无线传输的方式与工控机通讯。

如图3和图4所示，所述的天轮转速测量子系统包括编码器14、直角板15、计米轮16、导轨滑块17、无线采集器一18、轴承座19、上盖盒20、下盖盒21、挡片23、固定夹块24、导轨25、弹簧26、位移传感器27及圆筒盒28；所述计米轮16位于天轮2正下方，计米轮16上端与天轮2轮缘下端相切，计米轮16左侧轴端与编码器14输入孔相连，计米轮16右侧轴端与轴承座19相连；所述编码器14通过螺栓与直角板15固接。所述直角板15和轴承座19通过螺栓固定在上盖盒20上；所述上盖盒20中部为立方体凹槽，立方体凹槽的四个侧面分别通过螺栓安装有固定夹块24，固定夹块24中部开有通孔，与导轨25的上端头配合；所述固定夹块24的上端面通过螺栓固定有挡片23。所述弹簧26放置在圆筒盒28内部；圆筒盒28共有四个，通过螺栓固定在下盖盒21盒底面。所述导轨25穿过导轨滑块17的导向孔，所述导轨滑块17共有四个，通过螺栓固定在下盖盒21内侧面。导轨25的下端头位于圆筒盒28内部，压住弹簧26；所述位移传感器27通过l形板件固定在下盖盒21盒底面的中央，位移传感器27和编码器14通过导线与无线采集器一18相连；所述下盖盒21和无线采集器一18通过螺栓固定在井架型钢22上。所述无线采集器一18通过无线传输的方式与工控机通讯。

如图5和图6所示，所述的张力测量子系统包括上压块30、无线采集器二33、拉压力传感器34、弹性单元35、侧向固定盒36和下连接板37；所述上压块30的中部开有圆形凹槽，与张力平衡装置4的液压缸杆29头部相连；所述侧向固定盒36安装在张力平衡装置4的两侧；所述弹性单元35安装在侧向固定盒36内部，与垫块31侧面紧贴；所述的侧向固定盒36上部通过拉压力传感器34的螺栓固接，下部通过下连接板37和螺栓固接；所述拉压力传感器34通过导线与无线采集器二33相连；所述无线采集器二33放置在提升容器5上表面。所述无线采集器二33通过无线传输的方式与工控机通讯。

本发明的基于信号融合的深井提升装备状态监测方法，具体步骤如下：

步骤1：在提升机1上，设置应变测量子系统，安装完毕后敲击提升机的主轴7，观察工控机中电压信号响应，验证应变测量子系统正常运行；在主轴7上设置主轴编码器；在天轮2下部设置天轮转速测量子系统，安装完毕后旋转计米轮16，观察工控机中脉冲信号响应，验证天轮转速测量子系统正常运行；在张力平衡装置4内，设置张力测量子系统，安装完毕后敲击垫块31，观察工控机中电压信号响应，验证张力测量子系统正常运行；

步骤2：当提升装备在井口运行前，通过应变片12测量主轴的应变，将信号传输给无线采集模块10，无线采集模块10将信号传输给工控机；通过拉压力传感器34测量钢丝绳张力信号，将信号传输给无线采集器二33，无线采集器二33将信号传输给工控机，工控机将主轴应变信号、钢丝绳张力信号及装备物理参数带入系统动力学方程程序文件，初始化程序文件中相应的变量；所述装备物理参数包括钢丝绳刚度、阻尼、天轮转动惯量；

步骤3：当提升装备开始运行时，由主轴编码器测量主轴转速信号，信号通过导线传入工控机，工控机将主轴转速信号带入系统动力学方程程序文件输入，求得系统实时运行过程中各时刻天轮转速及钢丝绳张力的参考响应；由编码器14测量天轮转速信号，信号通过导线传入无线采集器一18，无线采集器一18将信号打上系统时间戳后传入工控机；由拉压力传感器34测量钢丝绳张力信号，信号通过导线传入无线采集器二33，无线采集器二33将信号打上系统时间戳后传入工控机；

步骤4：在工控机中，将计算得到的各时刻天轮转速及钢丝绳张力的参考响应与实时采集到的信号保存为数据文件，然后将天轮转速vt和容器上端张力响应f的计算结果与实际测量的天轮转速v′t和容器上端张力响应f'进行做差；

如果|vt-v′t|≥0.6·vt或|f-f′|≥0.6·f，则判定为一般故障，在空闲时进行检修处理；

如果|vt-v′t|≥1.1·vt或|f-f′|≥1.1·f，则判定为重大故障，必须进行停机处理。