专利名称：摩擦牵引系统运行工况优化方法及其随机监控装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及摩擦牵引系统特征参数的测试、监控、优化方法及其专用设备。具体地说，它涉及一种摩擦牵引系统运行工况的优化方法及其专用随机监控装置。
众所周知广义的摩擦牵引系统是指以摩擦副作为摩擦牵引机构而配套组成的带式输送机、楼宇电梯、矿井摩擦提升机等完整系统。
长期以来，在工程应用中，通常使用18世纪大数学家欧拉(Euler)用经典方法导出的柔线摩擦传动公式。
欧拉公式及其理想假设(约束条件——Sub.)可用下式表示
在上式中S1与S2为重载与空载侧柔线的张力；F为摩擦牵引力；因欧拉假定牵引绳(带)是无弹性、无质量、纯柔性细线，故其弹模Ed＝∞，质量qd＝0，弯曲应力σu＝0，…；又假设摩擦副筒体为绝对刚体，故其弹模Em＝∞；再假设摩擦副之间的摩擦系数μ＝Const；还假定摩擦副处于“滑而未滑”的极限平衡状态，故摩擦牵引角等于围包角且为常数，即γ＝α＝const.
上述四个理想假定(Sub.)，使欧拉公式与摩擦牵引系统的工程实践之间形成了一条难以逾越的鸿沟，它是摩擦牵引系统运行工况效益低下，事故多端的肇事主因。
近百年来，为了充填上述“鸿沟”，众多学者修正欧拉公式的兴趣至今不衰。经检索可知文献《А.В.АНДреев ИссЛеДоВанИе раóоТЫ ЩКИВоВТренИЯ КанаТнЫХ ПоДЪеМоВ，ЦИТИ УГЛЯ，МосКВа，1959》报道苏联学者А.В.АнДреев教授考虑了摩擦副的几何尺寸、结构形状、断面系数(有效与名义横断面积之比值)及材料特征对参数μ与α的影响，导出了下列修正式S1S2=exp[(α-mdD)KKZKZ·Mμ]----(2)]]>式中，n为与摩擦副的弹模(E)相关的无因次系数；d为绳的直径(或者带的厚度)；D为摩擦绳筒(或胶带滚筒)直径；K＜1为与绳(或带)的断面形状相关的系数；KZ＜KZ·M≤1为绳(或带)的断面系数。
本发明的目的在于通过电测与光测摩擦牵引机理的实验研究，找到能全面概括影响摩擦牵引机理众诸已知和未知因素的综合参数；建立工况优化方法的监控数学模型；研制摩擦牵引系统专用随机监控装置。
本发明的任务是这样实现的以能概括反映摩擦牵引系统的构件材料、几何结构、界面形态、运动参数、动力参数、环境因素、时空效应等相关摩擦牵引机理全因子的“综合特征参数”建立系统工况随机监控优化方法数学模型，它分为监测显示用目标函数、巡回调控用不等式约束条件，以及识别控制等式约束条件三个互相关单元部分。摩擦牵引系统运行工况的随机监控优化方法数学模型为
式中γ及γA——摩擦副的有功摩擦牵引角及其安全门槛值；JK——监控信号；X——摩擦牵引随机特征系数；i及iA——拖动电机的电流及其安全门槛值；q及qA——制动器液压及其安全门槛值；
——γ的奇异值；j＝1，2…，m——提升钢绳编号(单绳提升系统与胶带机系统时，j＝1)；Ki＝1，2，3，4——不同信号的变比系数，其许用值须通过实验研究而确定；而其目的在于①取约束条件(Sub.)许用之下的最大有功摩擦牵引角(maxγj)作为监控的优化目标，可使牵引系统的运行工况达到“高产、高效、节能、低耗”之目的摩擦牵引力(F＝Fmax＝S1max-S2＝f(γjmax))最大；牵引电动机的过负荷能力利用率最高与无功损失最小，而“高效，节能”(η＝ηmax)；降低牵引系统及其构件的运行频率与疲劳次数而延长构件的使用寿命(N＝Nmax)，故“低耗”(W＝Wmin)；②六个约束条件均与牵引系统的运行安全相关，其中g1(X)-既预防“打滑”事故的发生，又允许个别提升钢绳出现“瞬时打滑”，以利众诸钢绳之间张力“自动”平衡，以延长钢绳的使用寿命；g2(X)-限制提升钢绳的最大张力不超过诸绳平均张力的K2倍，以防止“断绳”事故的发生；g3(X)与g4(X)-限制起动加速度(a1)与制动减速度(a3)不大于其防滑极限；或者说，限制起动力矩与制动力矩勿大于摩擦牵引力矩而防滑；h1(X)-当监控软件识知γj之平均值已等于其安全门槛值γA的K3倍时，即当出现“打滑”征兆之时，则会立刻起动紧急制动器与附设的《多级防滑机械手》，使之“防滑”于未然；h2(X)-当发现绳(或带)某区段的γj角的奇异值
且等于γj平均常值的K4倍时，即当绳(或带)出现“薄弱环节”之时，则同上，须马上投入紧急制动与《防滑机械手》，以求“防断绳(或带)”于未然。
为实施本发明的工况优化方法而研制的专用工况优化随机监控装置，它由以下四个部分组成(1)参数传感器S1～Sn——它们构成探测系统特征参数(Si，γj，ai，i，q，…)的信号源。
(2)系统特征信号的存储、显示、打印、处理、调控用的软硬件——由优化方法式(8)为主的软件与计算机的处理器、存贮器、显示屏、打印机为主的硬件构成，它可同时给出系统特征参数的门槛值与极值。
(3)调控系统工况特征参数达到优化匹配指标的伺服系统——由执行机构E1～En及报警装置W等组成。
(4)联接以上三部分的总线及接口件——由小信号放大调理板、模拟量扩展板、高速数据采集卡等组成。
本发明所研制的随机监控装置具有高灵敏、高可靠的信号源(由敏感元器件等构成)，能实时拾取反映摩擦牵引系统的工况综合特征的随机信号；而它的信号处理器及其智能软件具备三种功能监测显示工况特征参数、分析存储工况特征资料；巡回调控伺服机构、使工况参数达到优化匹配；监控安全执行机构，确保运行工况安全。
利用摩擦牵引系统运行工况优化方法及其随机监控装置推广应用所积累的大量典型系列X图谱与典型系列XA数值表，可对欧拉摩擦牵引理想公式进行全面实质修正；同时，它也将为相关《产品标准》、《安全规程》、《设计规范》的修定，提供可靠的基础依据，从而促进科学技术管理水平的提高。
以下将结合附图对本发明作进一步的描述。
图1摩擦副示意2光测γ＝α-β≌0实验图象图3电测γ＝α-β＝f(X)实验图象图4光测γ＝α-β＝f(X)实验图象图5电测γ＝α实验图象图6光测γ＝α实验图象图7μ＝f(γ)实验曲线图8δ＝f(γ)实验散点图及其拟合曲线·-91～98实验散点(E860，S23.5)×-101～108实验散点(E860，S27.4)。-131～137实验散点(E3060，S27.4)图9橡胶配对表层波浪式弹·塑性交替变形机制实验景观(P＝1kg/cm2；V＝0.3m/s)图10尼龙AK-7配对表层波浪式弹·塑性交替变形机制实验景观(P＝5.5kg/cm2，V＝0.3m/s)图11玻璃·锦伦摩擦副高温积聚塑变失效实验图象(P＝5kg/cm2，V＝15.8m/s)图12玻璃·聚炭酸脂摩擦副高温积聚塑变失效实验图象(P＝5kg/cm2，V＝15.8m/s)图13ΔV监控信号测试原理14多绳机提升钢丝绳动张力实验曲线图15 X＝f(lnI)实验散点图及其拟合直线91～98E＝860，S2＝3.5101～108E＝860，S2＝7.4131～137E＝3060，S2＝7.4图16多级防滑机械手示意图(a)(b)系统设置，(c)平面结构图17摩擦牵引系统随机监控装置框图诸图中α-摩擦副之围包角；β-无功摩擦牵引储备角；γ-有功摩擦牵引角；Si绳(或带)的张力；ω-摩擦副的旋转方向；L-绳(或带)的长度；μ-摩擦副界面之间的摩擦系数；δ-γ角的扩展速率；X-摩擦牵引系数；I-重载与空载侧绳(或带)的张力比；E-摩擦衬垫的杨氏弹性模量；p-防滑机械手用液压缸的推力；CPU为处理器；RAM/ROM为存贮器；CRT为显示屏；PRN为打印机；BUS为总线；S1～Sn为参数传感器；E1～En为执行机构；W为报警装置；A/D，D/A，I/O为接口件；《SYSTEM》为摩擦牵引系统。
摩擦牵引系统工况优化方法的实施，须借助随机监控装置执行；因此，本发明须寻觅能概括反映摩擦牵引机理的特征参数，以之作为随机监控摩擦牵引系统优化工况的特征信号。
1.机理特征信号(γ)寻觅若以F表示摩擦副的摩擦牵引力，以Q表示其负载力，则可将摩擦牵引系统工况按负载分为下列三类，而其相对应的摩擦牵引机理实验图象示于(图2至图6)，即①空载(图2)F＝Fmin＝Q≌0，γ＝γmin≌0，β＝βmin≌α；②常载(图3、4)Fmax＞F＝Q，γ＞0，β＞0，γ+β＝α；③超载(图5、6)Fmax＝F＜Q，β＝0，γ＝γmax＝α；图中γ——称之为“有功摩擦牵引角”，它是一个随机变量，可概括摩擦牵引机理的全部静、动态特征在γ角对应的
弧段之内，摩擦副之间有相对位移(ε)与摩擦力(F)存在；当相对位移速度(V＝ε)小于其门槛值(VA)之时，F随摩擦系数(μ)之增长而呈增大态势，而当μ＞μA时，F则随μ之急转直下而下降(图7)；因此，γ角在扩展过程中存在“扩展速率δ＝(dγ/dF)＝0”的门槛值γA(图8)。
当摩擦副界面表层某单元体的摩擦力(F)小于其分子内聚力(R)之时，则该单元小区呈弹性变形；而当F＞R时，则呈塑性变形；于是，在常负荷情况之下，(0＜γ＜α)，R≌const，F＝f(μ)≠const，在
弧界面表层会形成弹一塑性交替变形机制之下的“波浪式变形景观”(图9、10)。
在超负荷(Q＞Fmax)情况之下，由于出现了高速(V＞＞VA)“打滑”工况，摩擦热使界面表层的温度(t)骤增，而内聚力(R)随之陡降，故而在摩擦副围包角α对应的
弧全线(β＝0)呈单一的纯塑性变形机制(图11、12)。
β-“无功摩擦储备角”，在其对应的
弧设之上，无ε与F存在，故无上述机理特征。
综上所述，可认为特征参数γ＝α-β＝f(X)反映了影响摩擦牵引机理的全部随机因素(因X包括影响工况特征的众诸已知与未知因素)；因此，有功摩擦牵引角γ及其门槛值γA是n维欧氏时空领域(En)里的一个随机变量，可用下式表示，即
本发明通过实验研究所寻觅到的“摩擦牵引机理特征参数γ及其门槛值γA”，将作为摩擦牵引系统工况随机特征监控信号的“摹本”，是由于它具有以下突出优点(或主要特征)。
①因为γ信号是拾取自转动的摩擦副本体界面之间，它窥视与反映的是摩擦牵引机理的完整过程与真实内幕(图2至图12)；同时，它具有极为广泛的综合概括能力；故而，它会显著提高(式4)信号的信噪比与监控装置的可靠性。
②因γ信号具有可预测工况安全而获“防患于未然”，可预知牵引效益而得“事半功倍”的门槛值γA(式4、图8)，故而必将大大提高“工况优化方法”的社会经济效益。
2.非机理特征信号(ΔV)品位目前，在国产与进口摩擦牵引系统群体之中，只有带式输送机设有一种与摩擦牵引机理无关的《胶带机综合保护器》，其功能之一为“防滑保护”(其它“烟雾、温度、堆煤、防尘”保护均属成熟的简易功能)。
其“防滑保护”的构思是监控胶带速度V4(或V5)与滚筒速度V0之差ΔV＝V4-V0(图13)；当ΔV＝0-摩擦副之间无滑动，属正常运行工况；当ΔV≠0-有滑动，须制动停机而防滑，故而可用或门开关
控制，即ΔV=V4-V0=0→0≠0→1----(5)]]>现场调研悉知仅为贯彻有关指示，才不得不继续附设胶带机综合保护器；但是，因为它经常出现误动作而影响正常生产，就不得不将其短接甩掉，使其处于“有形无实”的虚设地位。
因胶带机综合保护器的防滑构思与摩擦牵引机理毫无内在联系，故存在下述固有缺陷。
①当摩擦牵引系统处于正常运行工况(β＞0，γ＞0)之时(图1、13)所示摩擦副之速度V1＝V0(带与筒同处于无相对位移的
弧段)，V3＜V0(带从重载侧过度到空载侧)；但是，因摩擦副本体之“内与外”的“干拢因素”(带的振动、筒的椭圆度、污染……)不同，则将导致V5≠V1，V4≠V3，故而产生一个干扰“速度差ΔV′＝V5-V1或ΔV′＝V4-V3；因此，应将(5)式改变为下式，即
由(6)式可知在正常运行工况(β＞0)之时，只有在极为罕见的情况之下(当ΔV′＝0，或当干扰速度差ΔV′的“正值”恰好等于奔离点3的带筒速度差之“负值”-(V3-V0)＝负)，胶带机综合保护器才偶然不会产生误动作；或者说，在多数情况之下，它均会产生误动作。它不仅使人“虚惊一场”；更糟的是紧急停车不但会影响正常生产，有时，还会因减速度过大，而引发“打滑”事故的发生。
②当摩擦牵引系统坠入“打滑”工况之时(β＝0，V1≠V0)，虽然胶带机综合保护器除偶然情况(ΔV′+ΔV＝0)之外，均会因ΔV≠0而发出制动停车指令，但它已无法阻止“打滑”事故的发生与扩大，即《胶带机综合保护器》只具有“测滑报警”的功能，而无《防滑保护》的本领。其原因在于由机理实验可知，当摩擦副一挨坠入“打滑”工况，则其摩擦界面表层温升积聚，随即变为不可逆转的纯塑性变形机制(图11、12)，促使滑速再度升高，形成恶性循环而肇至事故扩大；同时，由于从监控信号ΔV无法导出其用于防滑的安全门槛值ΔVA，故而ΔV胶带机综合保护器就无法“预防”摩擦牵引系统窜入打滑工况而肇事。
据①、②可认为ΔV监控信号的品位极低；因此，ΔV胶带机综合保护器不仅无“防滑保护”的本领，反而具有产生误动作而影响正常生产的弊端，故现场虚设不用为妙。
3.系统特征鉴定随机监控装置检测鉴定代表摩擦牵引系统特征的参数γ及其导出量与互相关参数之间的优化匹配态势，既是为摩擦牵引系统工况优化提供必要的前提条件(γ的门槛值与奇异值γA与
)，又可为摩擦牵引系统的技术改造指明方向(负载、衬垫、钢绳、制动系统、拖动电控的更新改造)。因此，摩擦牵引系统特征鉴定，属于摩擦牵引系统工况优化方法的前期准备工作。
系统特征鉴定的内容、方法、步骤可用下列公式化框图简要概括，即
式中I——重载与空载侧钢绳(或胶带)张力S1与S2(图14)之比值；X——摩擦牵引系数(图15)；μ——摩擦副之间的摩擦系数(图7)，δ——γ角的扩展速率(图8)；i——拖动电机的电流；q——制动器油压；a1与a3——起动加速度与制动减速度；
——X的奇异值。
式(7)已指明摩擦牵引系统特征鉴定内容，而其方法步骤应如下①实测演示摩擦牵引系统技改前后的特征参数，提供系列“可行优化设计方案”；②根据既定优化目标，筛选优化设计方案，并测定该方案的相关特征参数；③计算特征参数与其极值之间的差值，可定量预测分析所鉴定摩擦牵引系统优化技改应获社会经济效益。
4.优化方法建模按照优化方法须以模型表示的常规；同时，为了实现工况优化目的，并完成优化方法的关键任务，本发明建立在前述实验研究基础上的“摩擦牵引系统运行工况优化方法的数学模型”如下
式中，j＝1，2，…m——提升钢丝绳编号，m为绳数；jk随机监控装置的输入监控信号；Ki＝1、2、3、4——一不同信号的变比系数与许用限值，须通过实验研究而确定；
——有功摩擦牵引角的奇异值(门槛值γA、IA、qA——据“系统特征鉴定”确定)。
建立数模(8)所示《摩擦牵引系统运行工况优化方法》的宗旨可归结如下。
①取约束条件(Sub.)许用之下的最大有功摩擦牵引角(maxγj)作为监控的优化目标，可使牵引系统的运行工况达到“高产、高效、节能、低耗”之目的摩擦牵引力最大[Fmax＝Smax-S2＝f(γjmax)]而“高产”；牵引电动机的过负荷能力利用率最高无功损失最小而“高效，节能”(η＝ηmax)；降低牵引系统及其构件的运行频率与疲劳次数而延长构件的使用寿命N＝Nmax，故“低耗”(W＝Wmin)，可以下式表示γj⇒γj·max→F⇒Fmaxη⇒ηmaxN⇒NmaxW⇒Wmin---(9)]]>②六个约束条件均与牵引系统的运行安全相关，其中g1(X)——既预防“打滑”事故的发生；又允许个别提升钢绳出现“瞬时打滑”，以利众诸钢绳之间张力“自动”平衡，以延长钢绳的使用寿命(图14)；g2(X)——限制提升钢绳的最大张力不超过诸绳平均张力的K2倍；以防止“断绳”事故的发生；g3(X)与g4(X)—限制起动加速度(a1)与制动减速度(a3)不大于其防滑极限；或者说，限制起动力矩与制动力矩勿大于摩擦牵引力矩而防滑；h1(X)——当监控软件识知γj之平均值已等于其安全门槛值γA的K3倍时，即当出现“打滑”征兆之时，则会立刻起动紧急制动器与附设的《多级防滑机械手》(图16)，以之“防滑”于未然；h2(X)——当发现绳(或带)某区段的γj角为奇异值
且等于γj平均值的K4倍时，即当绳(或带)出现“薄弱环节”之时，则同上，须马上投入紧急制动与《防滑机械手》，以求“防断绳(或带)”于未然。
5.随机监控装置构成为了将系统特征鉴定(式7)与系统工况优化方法(式8)付诸实施，本《随机监控装置》须由下列四部分构成(图17)①探测摩擦牵引系统(《SYSTEM》)特征参数(Si、γj、ai、i、q…)的信号源——由几何、运动、动力参数传感器S·1～S·n等组成。
②系统特征信号的存储、显示、打印、处理、调控用软硬件——软件以权利要求1所述优化方法监控数模式(8)为主编程；硬件由Intel406i工业控制机之处理器(CPU)、存贮器(RAM/ROM)、显示器(CRT)、打印机(PRN)为主承担；它们可同时给出系统特征参数的门槛值与极值(γA，iA，QA，…，γmax，imax，qmax，…)。
③调控系统工况特征参数达到优化匹配指标的伺服系统——由执行机构E·1～E·n及报警装置W等组成。
④联接以上三部分的总线(BUS)及相应的接口件(A/D，D/A，…I/O卡)——由小信号放大调理板(PCLD…779)，模拟量扩展板(PCLD-774)，高速数据采集卡(PCL-818H)等组成。
6.欧拉公式的修正本发明应用前述工况优化实验研究所获《X图谱》与《XA数值表》，并考虑在无功摩擦牵引储备弧段
之内(图1)无摩擦力存在，可得下列欧拉修正式
若尚考虑“安全第一，预防为主”的方针，则又可获式(10)的子式如下
比较式(1、2)与(10、11)可知①式(2)属于“多因子(m、d、D、K、Kz)”修正式，它较“单因子”修正式(如，仅考虑摩擦副之间的比压P对μ的影响而导出的修正式)更接近工程实际，充填“鸿沟”的作用更大。但应指明，至今为止，权威文献、高等教材仍延用200年前的欧拉公式，究其原因一因修正多繁锁；二因修正因子难测定；三因“鸿沟”远未填平。
②式(10、11)企图尽填“鸿沟”，使修正式由量变跃升到质变；为此，它考虑了影响参数μγ的全因子X＝[X1，X2，…Xn]T；同时，它将修正式中的全部参数均视为全因子X的随机变量。式(11)不同于式(10)之处，仅在于以X的安全门槛值XA取代X，故而能保证“安全第一，预防为主”方针的实施。
③本发明导出的欧拉修正式(10、11)是推广应用《摩擦牵引系统运行工况优化方法及其随机监控装置》的产物；其中X与XA的确定，亦依赖于本发明推广应用所积累的资料。尤其在计算机大发展的今天，走“随机监控优化之路”，是解决工程应中现存繁杂难题(如摩擦副的防滑)的“捷径”。
权利要求
1.摩擦牵引系统运行工况优化方法，其特征在于它分为监测显示用目标函数、巡回调控用不等式约束及识别控制用等式约束三个互相关单元，故其数学模型为
式中γ及γA——摩擦副的有功摩擦牵引角及其安全门槛值；JK——监控信号；X——摩擦牵引系数；i及iA——拖动电机的电流及其安全门槛值；q及qA——制动器液压及其安全门槛值；
——γ的奇异值；j＝1，2，…，m——提升钢绳编号(单绳提升系统与胶带机系统时，j＝1)；Ki＝1，2，3，4——不同信号的变比系数，其许用值须通过实验研究而确定；而其目的在于①取约束条件(Sub.)许用之下的最大有功摩擦牵引角(maxγj)作为监控的优化目标，可使牵引系统的运行工况达到“高产、高效、节能、低耗”之目的摩擦牵引力(F＝Fmax＝S1max-S2＝f(γjmax))最大；牵引电动机的过负荷能力利用率最高与无功损失最小，而“高效，节能”(η＝ηmax)；降低牵引系统及其构件的运行频率与疲劳次数而延长构件的使用寿命(N＝Nmax)，故“低耗”(W＝Wmin)；②六个约束条件均与牵引系统的运行安全相关，其中g1(X)-既预防“打滑”事故的发生，又允许个别提升钢绳出现“瞬时打滑”，以利众诸钢绳之间张力“自动”平衡，以延长钢绳的使用寿命；g2(X)-限制提升钢绳的最大张力不超过诸绳平均张力的K2倍，以防止“断绳”事故的发生；g3(X)与g4(X)-限制起动加速度(a1)与制动减速度(a3)不大于其防滑极限；或者说，限制起动力矩与制动力矩勿大于摩擦牵引力矩而防滑；h1(X)-当监控软件识知γj之平均值已等于其安全门槛值γA的K3倍时，即当出现“打滑”征兆之时，则会立刻起动紧急制动器与附设的《多级防滑机械手》，使之“防滑”于未然；h2(X)-当发现绳(或带)某区段的γj角的奇异值
且等于γj平均常值的K4倍时，即当绳(或带)出现“薄弱环节”之时，则同上，须马上投入紧急制动与《防滑机械手》，以求“防断绳(或带)”于未然。
2.为实施权利要求1所述方法而专门设计了随机监控装置，其特征在于①探测摩擦牵引系统(SYSTEM)特征参数(Si，γj，ai，i，q，…)的信号源——由几何、运动、动力参数传感器S.1～S.n等组成；②系统特征信号的存储、显示、打印、处理、调控用软硬件——软件以权利要求1所述优化方法监控数模为主编程；硬件由Intel406i工业控制机之处理器(CPU)、存贮器(RAM/ROM)、显示器(CRT)、打印机(PRN)等为主承担；它们可同时给出系统特征参数的门槛值与极值(γA，iA，qA，…，γmax，imax，qmin，…)；③调控系统工况特征参数达到优化匹配指标的伺服系统——由执行机构E.1～E.n及报警装置W等组成；④联接以上三部分的总线(BUS)及相应接口件(A/D，D/A，…，I/O卡)——由小信号放大调理板(PCLD-779)、模拟量扩展板(PCLD-774)、高速数据采集卡(PCL-818H)等组成。
全文摘要
本发明公开了一种摩擦牵引系统运行工况优化方法及其随机监控装置。通过电测与光测摩擦牵引机理的实验研究，找到了能全面概括影响摩擦牵引机理众诸已知与未知因素X=[X
文档编号B66B5/00GK1157795SQ9611711
公开日1997年8月27日 申请日期1996年9月28日 优先权日1996年9月28日
发明者岳文选, 王楚光, 何荣法, 王国乾, 黄孙灼, 陈日齐, 左友德, 盛一松, 朱志军, 苏振光, 朱凯, 许培宽 申请人:福州大学