煤矿天轮车槽装置控制系统设计及研究

摘要:为了避免矿井钢丝绳因绳槽衬垫磨损造成的二次伤害，介绍了煤矿提升机车槽装置，根据现场使用情况制定了安装方案及其支架，基于PLC设计了煤矿天轮车削装置控制，搭建了天轮偏摆及振动性能检测装置和径向特性检测装置，建立了实验平台。针对实验天轮研究发现:天轮从最左边的第四天轮到最右边的第一天轮，天轮最突出位置的直径越来越大，最凹处位置的直径从第四天轮到第二天轮逐渐减少，至第一天轮时稍有增加，但天轮的磨损情况则呈现越来越严重的趋势。据此，基于车削装置进行了针对性车削，消除了天轮衬垫的磨损，保障了煤矿矿井提升机的提升安全。

　　T.

为此，本文基于PLC设计了煤矿天轮车削装置控制，建立了实验平台，以期优化系统，提高车槽装置性能。

矿井天轮车削装置

1.1　　车削装置

矿井天轮车削装置采用正交车铣复合加工工艺，主轴转动的同时，铣刀进行高速旋转并对天轮绳槽进行铣削。采用单刀进给、分次分槽车削的方式，实现三维运动，即平行于天轮轴心的运动X、垂直于天轮轴心的运动Y、刀头的自旋转运动MY，方案如图1所示。

1—X轴燕尾槽;2—X轴电机;3—Y轴电机;4—Y轴燕尾槽;

5—铣刀;6—切削电机;7—天轮图1矿井天轮车削方案

1.2　　车削装置安装

天轮的结构、工作环境不同于提升机，天轮平台空间狭小，天轮井架预留操作空间较小，上方有钢丝绳干扰，下方缺少支撑平面，只有狭小的下三角空间可供使用。完成刀架机床等的固定、精确定位、刀具的快速找正和进给等作业，是困扰加工精度的首要难题。除了设计出结构紧凑，便于人员安全方便操作和固定的在线天轮切槽装置外，必须根据天轮现场条件研究合理可行的配套安装机架及基准找正方法，确保安装可靠及机床对天轮的车削精度。故矿井天轮绳槽车削装置需要托架支撑，采用整体式机架定位思想将托架安装于天轮的两个外凸检修用工字钢上下方。整体式托架由两边的固定面和中间的工字钢横梁构成，如图2所示。托架通过两边的固定板挂在天轮平台上的两根检修用工字钢上，找正基准后用螺栓将其固定。底座下支撑梁与水平面倾斜一角度，两边竖板及支撑梁均加有肋板，安装效果如图3所示。

控制系统设计

传统提升机车槽装置采用手动进给，效率低、精度差。基于PLC设计整体控制系统，依靠编码器、霍尔元件及位移传感器等外部测量装置实现外部信息实时采集。采用步进电机为动力源，以步进电机+滚珠丝杠副的驱动方式驱动

　　图2　　车槽装置托架结构图

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　　图3　　安装效果示意图

机床实现两轴联动工作，以代替手工转动手柄，简化人力。同时以PLC作为主控制单元，触摸屏控制面板为上位机，并以单步和自动相结合的方式，实现了精密测量、半自动化加工，极大地提高了工作效率及工作稳定性，减少工作人员在高空作业的危险性，对煤矿的安全高效生产及智能矿山建设都具有重要的意义。

切削装置设计的进给运行采用横、纵向的两台步进电机控制，横向在下，纵向在上。开始时，切削电机位于霍尔位置传感器标定的定位原点，准备切削时，由横向步进电机控制，通过滚轴丝杠转动，横向移动切削电机到霍尔位置传感器标定的天轮绳槽位置，锁住横向步进电机转动，启动纵向步进电机，快速进给至绳槽上方5mm处准备粗加工，进入慢速阶段，然后进行粗、精加工的极慢速阶段。待该绳槽的一系列加工完成后，退回纵向步进电机至纵向定位原点位置，横向步进电机启动，找寻下一个天轮绳槽横向加工位置，如此对刀进给，保证进给加工的运行平稳性及精确性。控制过程中，车削为了结合四根钢丝绳均衡受力，在四个槽内交替加工。

I/O地址分配见表1，包括输入继电器X，输出继电器Y，辅助继电器M，定时器T，计数器C，数据寄存器D，常数K。I/O口的分配中，由于PLC与触摸屏相连，输入端由输入继电器x改成辅助继电器M，但仍是输入信号作用。

根据I/O地址分配，部分控制系统PLC梯形图如图4所示。

　　图4　　部分控制系统PLC梯形图

检测系统设计

3.1　　天轮偏摆及振动性能检测装置

天轮偏摆及振动性能检测装置，如图5所示，包括传感器支架，横纵向位移传感器、采集器和上位机。传感器支架安装在天轮径向正前方的天轮平台上，之间设有隔振橡胶垫。横径向位移传感器通过固定件装在传感器支架上。根据对应天轮个数及所需测量数据量的不同，可装载个横径向位移传感器。纵向传感装置包括纵向杆、弹簧和横径向位移传感器的机身部位。当所述纵向杆纵向移动时，横径向位移传感器的机身部位内设有的电容传感器的电容有效面积发生变化，引起电压改变，并将电信号传输给横径向位移传感器的机身内部进行信号处理。横径向位移传感器的信号输出端通过物理接线连接采集器的信号输入端，上位机的输入端通过以太网连接采集器的信号输出端。同时，上位机通过LabVIEW软件，对接收的振动及偏摆数据信号进行计算处理、最终通过数字量、曲线图等显示方式，得出天轮的实时偏摆和振动情况等天轮运转特性。

　　图5　　天轮偏摆及振动性能检测装置

3.2　　天轮径向特性检测装置

天轮径向特性检测装置包括传感器支架、位移传感器、编码器、测外径编码器、采集器和上位机等。述传感器支架设置在天轮径向正前方的天轮平台上，其上装有测外径编码器支架、测外径编码器支架内装有弹簧和弹簧上端的测外径编码器支杆。测外径编码器安装在测外径编码器支杆上端的接头安装部位，并通过紧贴绳槽的特制测外径编码器测槽轮测量天轮外缘绳槽的线速度，其紧贴能力靠弹簧的压缩势能实现。传感器支撑架上设有高灵敏度的位移传感器，其测量杆端装有位移传感器滚轮。高灵敏度位移传感器通过滚轮在天轮绳槽表面滚动并随着绳槽凹凸情况作径向往复位移，从而间接测得绳槽表面的凹凸质量状况。编码器通过微型弹性联轴器连接于天轮转轴的轴端，以测量天轮的实时旋转角速度。各个传感器信号输出端通过物理接线与采集器的信号输入端相连，采集器的信号输出端通过物理线路或以太网连接上位机的信号输入端，送入

labview软件采集。

实验研究

对天轮车削机床在天轮平台上的在线车削做模拟性实验，验证天轮车削机床车削天轮绳槽的可行性、可靠性及车削精度等。天轮车削机床是对天轮内绳槽进行车削修圆的一种装置，采用车刀进行单刀进给，分次手动车削的方式。车削装置采用车铣复合的加工方式，加工过程中，天轮作为主轴转动的同时，铣刀进行高速旋转并对天轮绳槽进行铣削，完成天轮绳槽的切削工作。

实验对象为废旧天轮，实验中，首先对装置进行定位，如图6所示。先通过卷尺将机架抬到距离天轮轴线垂直面1.m的前方位置，保证机床的车削位置适宜，同时使机架前端面与天轮轴线保持平行;使用框式水平仪测量机架的上端面的前后两侧边线，通过在机架底部加垫片的方式调节两端水平位置，使其左右两端保持水平;画出机架底部螺栓孔的位置，抬出机架，使用水泥电钻进行打孔，之后将机架通过膨胀丝固定在地面上，但不加预紧力;通过螺栓组将切削机床固定在机架上端的倾斜平面上，并使机床与机架上端面保持平行;通过激光测距仪分别测得机床两端与天轮两端垂直面的距离，并使两端距离保持一致，距离不同时可以通过铁锤敲击机架，实现距离的微调节，最终两端实测距离都是.0mm(.0mm=1.0mm－5.0mm其中5.0mm为天轮支架下部中间位置的工字钢左侧端面—激光测距仪所测端面与天轮中心线的距离);紧固机架下端面上的膨胀丝，固定机架位置，检查机床各部件是否安装完备。

　　图6　　机床定位示意图(mm)

再者，对天轮绳槽进行修圆工作，调节车刀左右方向上的位置，使其找正最左侧天轮衬垫上绳槽的中心;　　使用

位移传感器检测左侧天轮衬垫上绳槽中心线的最高与最低点，旋转天轮时车削电机刀尖对准天轮中心线最高点位置;旋转刀头使刀片垂直地面，以车刀接触到转动的天轮衬垫绳槽内的最底端为准，进行校零，退出车刀并再次旋转刀头使刀片平行于地面，前进车刀至刚接触衬垫绳槽边线位置，开始车削工作，记录数据见表2。

　　表2　　车削电机X、Z方向上的坐标位置表　　mm

表2中，Z坐标初始位置为车刀刚接触天轮绳槽的位置坐标;Z坐标最终位置为天轮修圆完成时的车刀位置坐标;Z向车削距离即为改天轮所需的车削量。从表2可以看出，天轮从最左边的第四天轮到最右边的第一天轮，天轮的最突出位置的直径越来越大，最凹处位置的直径从第四天轮到第二天轮逐渐减少，至第一天轮时稍有增加，但天轮的磨损情况则呈现越来越严重的趋势。

据此，对其进行针对性车削，可消除天轮衬垫磨损，天轮地面试验情况如图7所示。车削前后，钢丝绳受力的变化情况可通过四根钢丝绳的油缸伸长量反应，见表3，绘制出折线图如图8所示。

　　图7　　天轮地面试验情况

　　表3　　油缸伸长量均值对比　　mm

由表3和图8可以看出，经过修圆试验后，各个油缸伸长量相对初始伸长量有均化趋势，即四根钢丝绳的拉力值经过修圆试验后，有明显均化现象，这对延长钢丝绳的使用寿命、减少天轮绳槽的磨损及降低增加提升系统的可靠性等都是有益的。

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　　图8　　油缸伸长量均值对比图

结　　语

为了避免矿井钢丝绳因绳槽衬垫磨损造成的二次伤害，介绍了煤矿提升机车槽装置，根据现场使用情况制定了安装方案及其支架，基于PLC设计了煤矿天轮车削装置控制，搭建了天轮偏摆及振动性能检测装置和径向特性检测装置，建立了实验平台。针对实验天轮研究发现:天轮从最左边的第四天轮到最右边的第一天轮，天轮的最突出位置的直径越来越大，最凹处位置的直径从第四天轮到第二天轮逐渐减少，至第一天轮时稍有增加，但天轮的磨损情况则呈现越来越严重的趋势。据此，基于车削装置进行了针对性车削，消除了天轮衬垫的磨损，保障了煤矿矿井提升机的提升安全。