一种提升机卷筒监控系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种监控系统，具体涉及一种提升机卷筒监控系统及检测方法，属于电气设备控制技术领域。

背景技术

焦炉干熄焦使用提升机用于焦罐的往返接送，其中提升机卷筒是其中重要的机械设备，在提升机整个工作流程中，都需要卷筒带动钢丝绳做反复提放运动，所承载的机械负荷重、负载变化大，卷筒的主要机械结构和工作原理如图1所示。每个卷筒1上对称排列两根钢丝绳2，钢丝绳随着卷筒的滚动而沿卷筒上的斜槽进行收放排列，每个钢丝绳一端固定安装在平衡臂上，另一端固定安装在卷筒外侧，通过和吊具上的动滑轮11形成一个动滑轮组。当卷筒滚动收起钢丝绳时，吊具10两侧的动滑轮11提起吊具在沿着提升塔支架8内壁提升，吊具中的导向轮9被约束在提升塔支架中避免吊具晃动，此时每个卷筒的钢丝绳由两边向中间逐渐收拢。当卷筒放出钢丝绳时，吊具10两侧的动滑轮11提着吊具在沿提升塔支架8内壁下降，此时每个卷筒上的钢丝绳由卷筒中心线向两边逐渐分开，滚筒和钢丝绳的运行状态如图2所示。

在提升机卷筒周期性高强度的工作过程中，卷筒钢丝绳反复在卷筒上按钢丝绳槽顺序进行排列收放，但受机械外力影响，极易发生因钢丝绳收放过程中排列错误导致的“乱绳”问题，进而导致钢丝绳快速磨损、引发提升动作异常等事故，钢丝绳易出现的错位状态如图3所示。同时，驱动卷筒的动力是由两台电机经行星减速机传递而来，动力传递过程中经过的轴和齿轮较多，提升电机的转速和提升机吊具行程之间的关系无法有效监控，很难发现动力传递过程中因机械结构损坏引发的偏载和卡阻等异常和事故。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种提升机卷筒监控系统及检测方法，该技术方案为实现对提升机卷筒的在线检测，及时发现卷筒运行过程中出现的异常，发明一种可以对干熄焦卷筒进行在线监测的装置，并提供一种计算方法判断提升机卷筒运行过程中出现的异常。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种提升机卷筒监控系统，所述监控系统包含吊具位移测量装置、提升电机测速仪和钢丝绳位移检测装置，吊具位移测量装置包含两只测距仪15，测距方向沿着提升机井架中心方向垂直向下，用于直接测量提升机吊具两边的垂直位移；提升电机测速仪安装在提升电机上，用于测量各提升电机的输出转速；钢丝绳位移检测装置用于测量卷筒上收放的钢丝绳与卷筒中心位的距离。

其中，钢丝绳位移检测装置中心位置和卷筒对中线平齐，移动的钢丝绳贯穿绳套，随着钢丝绳的收放而沿钢丝绳运动的垂直方向牵引绳套，使移杆14伸缩产生位移量。工作原理如下：当卷筒下放钢丝绳时，钢丝绳将与卷筒中心线的距离越来越远，这时下放的钢丝绳带动绳套向移杆位移增大方向移动。当卷筒收起钢丝绳时，钢丝绳将与卷筒中心线的距离越来越近，这时收起的钢丝绳带动绳套向移杆位移减小方向移动，卷筒监测系统将采集到卷筒到吊具两边的距离L1、L2，提升电机的转速na和nb，内侧钢丝绳距离滚筒中心线的水平位移La1、La2、Lb1和Lb2。

一种提升机卷筒的安全检测方法，所述检测方法采用所述的提升机卷筒监控系统，在可靠采集卷筒运行参数的基础上，提出一种快速测算提升电机转速和钢丝绳伸缩速度对应关系的方法。对于提升机这种动滑轮组结构，钢丝绳的伸缩速度将是吊具移动速度的2倍，由于卷筒监测系统采集到卷筒到吊具各边的距离L1、L2，则在两台提升机电机额定转速(Na、Nb)输出情况下可以计算得出升降的吊具的最高速度为V，钢丝绳的最快伸缩速度即为2*V，提升电机的额定转速(最大转速)为Na和Nb，由于是行星减速机，其输出转速将是两个电机转速的线性叠加，因此电机的转速和电机钢丝绳伸缩速度呈线性比例关系。设提升电机转速和钢丝绳伸缩速度的比例系数为S，则在电机额定转速下，(Na+Nb)*S＝2*V，即S＝2*V/(Na+Nb)，由于Na、Nb和V都为固定值，则S也为一个固定值，在提升机正常工作的情况下，两台电机的实际输出转速为na和nb，根据测距仪量值计算出的吊具两边速度分别为v1和v2，则在正常工作状态下，任一时刻都满足以下等式：2*v1＝2*v2＝(na+nb)*S，即v1＝v2＝0.5*(na+nb)*S，若出现等式不成立情况，则说明卷筒运行中出现了异常，当v1≠v2，说明吊具两边提升速度不一样，提升机有偏斜的风险，可分析原因为吊具卡阻、钢丝绳断裂或卷筒变形；若v1＝v2≠0.5*(na+nb)*S，说明卷筒和电机间的传动比例系数出现了异常，传动系统存在速度输出异常的风险，可分析原因为电机断轴、减速机齿轮断齿。

根据采样的卷筒到吊具各边的距离L1、L2，内侧钢丝绳距离滚筒中心线的位移La1、La2、Lb1和Lb2，提出一种测算钢丝绳在滚筒上的水平位移和钢丝绳垂直伸缩长度对应关系的方法，当卷筒到吊具各边的距离变化量为△L时，各卷筒上钢丝绳垂直方向上伸缩量为2*△L，设卷筒的直径为D，钢丝绳在卷筒钢丝绳斜槽上占据的宽度为a，则钢丝绳在卷筒上的水平位移和垂直伸缩长度间存在以下几何关系：

M为钢丝绳在滚筒上的位移和钢丝绳伸缩长度的比例系数，Δlb为卷筒到吊具距离变化量为△L时钢丝绳位移检测器测出的钢丝绳距离卷筒中线的位移变量。可得：/>

即△La1＝△La2＝2a*△L1/(MπD)，△Lb1＝△Lb2＝2a*△L2/(MπD)，在发生钢丝绳错位的情况下，△Lb＝2a*△L/(MπD)这个等式将不再成立，若△Lb>2a*△L/(MπD),则说明钢丝绳在卷筒上发生了重叠问题，若△Lb<2a*△L/(MπD),则说明钢丝绳在卷筒上发生了松脱问题。

在提升机卷筒运行过程中，以吊具单位时间T内通过的距离△L1和△L2为参照标准，利用以上推导出的等式v1＝v2＝0.5*(na+nb)*S和△Lb＝2a*△L/(MπD)，可以计算出提升电机的合并转速(na+nb)＝2*△L1/(T*S)和卷筒上钢丝绳伸缩量△La1＝△La2＝△Lb1＝△Lb2＝2a*△L/(MπD),并与实际值进行对比，若实际值和计算值偏差超过设定阈值，则说明卷筒在运行过程中因减速机和钢丝绳等机械问题出现了异常，并且这些问题对高负荷强度运行的提升机来说都是致命的，需要立即进行安全连锁报警和保护，避免事故的扩大化。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，(1)该技术方案采用测距仪直接测距的方式测算出吊具的位移，比利用限位和编码器间接测算位移的方式更加可靠和准确；(2)该方案测距仪同时检测吊具两边的位移变化，可以快速发现吊具偏斜问题；(3)该方案利用钢丝绳水平位移和吊具垂直位移之间的线性关系检测卷筒钢丝绳乱绳异常；(4)该方案以吊具的位移值为标准，按照设定的公式比较电机转速、钢丝绳偏移量计算值和实际测量之差，易于发现卷筒运行中的异常情况。

附图说明

图1提升机卷筒结构示意图；

图2卷筒上钢丝绳伸缩示意图；

图3钢丝绳错位示意图；

图4钢丝绳位移检测装置结构图；

图5钢丝绳位移检测装置动作示意图；

图6提升机卷筒监控系统安装示意图；

图7卷筒尺寸示意图。

其中1-提升机卷筒；2-钢丝绳；3-卷筒支架；4-提升电机；5-平衡臂；6-平衡臂上钢丝绳端；7-卷筒固定处；8-提升塔支架；9-导向轮；10-吊具；11-动滑轮；12-钢丝绳位移检测装置；13-绳套；14-移杆；15-测距仪，16-测速仪。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1-图7，一种提升机卷筒监控系统，所述监控系统包含吊具位移测量装置、提升电机测速仪和钢丝绳位移检测装置12，吊具位移测量装置包含两只测距仪15，测距方向沿着提升机井架中心方向垂直向下，用于直接测量提升机吊具两边的垂直位移；提升电机测速仪16安装在提升电机上，用于测量各提升电机的输出转速；钢丝绳位移检测装置12用于测量卷筒上收放的钢丝绳与卷筒中心位的距离。其中，钢丝绳位移检测装置12中心位置和卷筒对中线平齐，移动的钢丝绳贯穿绳套13，随着钢丝绳的收放而沿钢丝绳运动的垂直方向牵引绳套，使移杆14伸缩产生位移量。工作原理如图5所示，当卷筒下放钢丝绳时，钢丝绳将与卷筒中心线的距离越来越远，这时下放的钢丝绳带动绳套13向移杆14位移增大方向移动。当卷筒收起钢丝绳时，钢丝绳将与卷筒中心线的距离越来越近，这时收起的钢丝绳带动绳套13向移杆位移减小方向移动。提升机卷筒监控系统中的各检测装置安装示意图见图6，卷筒监测系统将采集到卷筒到吊具两边的距离L1、L2，提升电机的转速na和nb，内侧钢丝绳距离滚筒中心线的水平位移La1、La2、Lb1和Lb2。

工作过程：参照图4，制造钢丝绳位移检测装置，位移检测装置安装在卷筒伸出的两根钢丝绳中间位置，中心和卷筒中心线对齐，移杆可以沿垂直于钢丝绳伸缩的方向移动，采用模拟量位移传感器向卷筒监控系统传递移杆位移变化情况，绳套为环形结构，套在垂直的钢丝绳，上当钢丝绳在卷筒上收放而产生水平位移时，带动绳套和支架一起移动，从而产生横向位移信号，正常情况下La1＝La2＝Lb1＝Lb2。

参照图6，安装测距仪和电机测速仪，本例中测距仪采用激光测距方式，激光测距仪安装在滚筒下方，测距方向沿着提升塔支架中心垂直向下，反射板安装在吊具的导向轮附近，确保两台测距仪在吊具上下过程中始终能照射到各种的反射板，测得的距离为L1和L2。电机测速仪安装在每台提升电机上，测得的每台电机转速为na和nb。

在两台提升机电机额定转速输出情况下可以计算得出升降的吊具的最高速度为V＝0.5米/秒，钢丝绳的最快伸缩速度即为2*V＝2*0.5米/秒＝1米/秒。提升电机的额定转速为Na＝1440转/分钟＝24转/秒和Nb＝1450转/分钟＝24转/秒，由于是行星减速机，其输出转速将是两个电机转速的线性叠加，因此电机的转速和电机钢丝绳伸缩速度呈线性比例关系。设提升电机转速和钢丝绳伸缩速度的比例系数为S，则在电机额定转速下，(Na+Nb)*S＝2*V，即S＝2*V/(Na+Nb)＝1/48，为一个固定值。在提升机正常工作的情况下，两台电机的实际输出转速为na和nb，根据测距仪量值计算出的吊具两边速度分别为v1和v2，则在正常工作状态下，任一时刻都满足以下等式：2*v1＝2*v2＝(na+nb)*S，即v1＝v2＝0.5*(na+nb)*S＝(na+nb)/96。若出现等式不成立情况，则说明卷筒运行中出现了异常，当v1≠v2，说明吊具两边提升速度不一样，提升机有偏斜的风险，可分析原因为吊具卡阻、钢丝绳断裂或卷筒变形等。若v1＝v2≠(na+nb)/96，说明卷筒和电机间的传动比例系数出现了异常，传动系统存在速度输出异常的风险，可分析原因为电机断轴、减速机齿轮断齿等。

根据采样的卷筒到吊具各边的距离L1、L2，内侧钢丝绳距离滚筒中心线的位移La1、La2、Lb1和Lb2，提出一种测算钢丝绳在滚筒上的水平位移和钢丝绳垂直伸缩长度对应关系的方法。当卷筒到吊具各边的距离变化量为△L＝5米时，各卷筒上钢丝绳垂直方向上伸缩量为2*△L＝10米，设卷筒的直径为D＝1.5米，钢丝绳在卷筒钢丝绳斜槽上占据的宽度为a＝0.1米，则钢丝绳在卷筒上的水平位移和垂直伸缩长度间存在以下几何关系：

M为钢丝绳在滚筒上的位移和钢丝绳伸缩长度的比例系数，Δlb为卷筒到吊具距离变化量为△L时钢丝绳位移检测器测出的钢丝绳距离卷筒中线的位移变量，本是实例中取Δlb＝0.4米。可得：/>

即

在提升机卷筒运行过程中，以吊具单位时间T＝2秒内通过的距离△L1＝1米和△L2＝1米为参照标准，利用以上推导出的等式v1＝v2＝0.5*(na+nb)*S和△Lb＝2a*△L/(MπD)，可以计算出提升电机的合并转速(na+nb)＝2*△L1/(T*S)＝48转/秒和卷筒上钢丝绳伸缩量△La1＝△

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。