СИСТЕМА ОНЛАЙН-МОНИТОРИНГА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН НА ШПИНДЕЛЕ ПОДЪЕМНОГО МЕХАНИЗМА И СПОСОБ МОНИТОРИНГА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ Российский патент 2020 года по МПК G01N29/04 G01N29/22 B66B5/00 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к области мониторинга образования трещин и, в частности, к системе онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма.

Описание предшествующего уровня техники

В настоящее время большинство скважин в угольном массиве, находящихся на территории Китая, представляют собой неглубокие скважины глубиной от 500 до 800 м. При этом запасы угля на глубинах 1000-2000 м составляют около 53% от общих запасов. В этом случае необходимо использовать подъемную систему в скважинах на глубину в 1 километр (включая подъемник, подъемный контейнер, подъемный канат и т.д.). Являясь основным несущим элементом конструкции подъемника, шпиндель выдерживает нагрузку всего крутящего момента при осуществлении подъема и опускании груза, а также выдерживает натяжение канатов с обеих сторон. В случае если глубина скважины достигает более 1 километра, то максимальное статическое натяжение подъемника и количество слоев намотки барабана шпинделя значительно увеличиваются, вследствие чего со стороны канатов создается давление намотки на барабан, которое значительно больше, чем давление действующей конструкции, при этом натяжение и крутящий момент канатов, воздействующих на шпиндель, также значительно увеличиваются. Если глубина скважины составляет 2000 м, то статическая нагрузка в конце подъемника составляет 240 т или более, а экономичная скорость подъема - 20 м/с или более. Создаваемая таким образом огромная динамическая нагрузка существенно сокращает срок службы шпинделя. Поэтому необходимо проводить онлайн-мониторинг образования трещин на шпинделе скважинного подъемника на глубине в 1 километр.

Трудно отслеживать трещины в режиме реального времени на участке шпинделя, расположенном внутри барабана подъемника, по следующим трем причинам: скорость шпинделя подъемника составляет 81 рад/с или более; узкое внутреннее пространство барабана, которое затрудняет установку контролирующего устройства; а также спутывание и образование узлов на линиях передачи, которые легко могут возникнуть при использовании проводной передачи данных.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача

Целью настоящего изобретения является предоставление системы онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма, которая предназначена для решения технической задачи, заключающейся в том, что существующая система онлайн-мониторинга обнаружения трещин не может отслеживать трещины на участке шпинделя, расположенном внутри барабана.

Техническое решение

Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение предусматривает использование следующего технического решения:

Система онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма, расположенного внутри барабана, содержащая:

блок обнаружения трещин, который создан для обнаружения трещин на шпинделе подъемного механизма и состоит из направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, при этом направляющий рельс спиральной трубчатой пружины присоединен к участку шпинделя подъемного механизма за его пределами в осевом направлении, располагается вдоль шпинделя подъемного механизма и закреплен относительно этого шпинделя подъемного механизма; скользящая деталь расположена на направляющем рельсе спиральной трубчатой пружины с возможностью скольжения; две стороны скользящей детали соответственно соединены с элементом соединения каната посредством этого же каната с возможностью передачи приводного усилия; элемент соединения каната содержит первый элемент соединения каната и второй элемент соединения каната; причем два элемента соединения каната выполнены с возможностью приводить скользящую деталь в движение вперед и назад по направляющему рельсу спиральной трубчатой пружины;

скользящая деталь содержит изогнутую трубу, внешний корпус и тонкостенный соединительный участок, причем изогнутая труба представляет собой изогнутую полую трубу, диаметр которой меньше внутреннего диаметра направляющего рельса спиральной трубчатой пружины; изогнутая труба проходит через внутреннюю часть направляющего рельса спиральной трубчатой пружины; на одной стороне направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, которая обращена наружу, расположен сквозной паз; один конец тонкостенного соединительного участка неподвижно соединен с изогнутой трубой, а другой конец соединен с внешним корпусом при помощи сквозного паза; болт для закрепления каната расположен на тонкостенном соединительном участке; ультразвуковой преобразователь для передачи ультразвуковых волн на шпиндель подъемного механизма установлен в нижней части внешнего корпуса; при этом ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью обнаружения трещин на шпинделе подъемного механизма; а также

блок беспроводной передачи данных, содержащий три ZigBee-модуля беспроводных датчиков, где

конец входа сигнала первого ZigBee-модуля соединен с концом выхода сигнала первого элемента соединения каната;

конец входа сигнала второго ZigBee-модуля соединен с концом выхода сигнала второго элемента соединения каната;

конец входа сигнала третьего ZigBee-модуля соединен с концом выхода сигнала ультразвукового преобразователя;

конец выхода сигнала первого ZigBee-модуля, конец выхода сигнала второго ZigBee-модуля и конец выхода сигнала третьего ZigBee-модуля соединены с концом входа сигнала компьютера; а также

конец выхода компьютера соединен с концом входа сигнала первого элемента соединения каната и концом входа сигнала второго элемента соединения каната, соответственно.

Болты для закрепления каната расположены на тонкостенном соединительном участке.

Первый элемент соединения каната и второй элемент соединения каната имеют одинаковую структуру и каждый из них состоит из: привода шагового электродвигателя, шагового электродвигателя и направляющего колеса каната, при этом привод шагового электродвигателя установлен на перегородке, направляющее колесо каната соединено с вращающимся валом шагового электродвигателя, направляющее колесо каната неподвижно соединено с одним концом каната, а другой конец каната соединен с одной стороной скользящей детали.

Левый конец направляющего рельса спиральной трубчатой пружины прикреплен к одному концу первого рельсового стыка, а другой конец первого рельсового стыка неподвижно соединен с цилиндрическим швом сварного соединения левой перегородки подъемника. Правый конец направляющего рельса спиральной трубчатой пружины соединен с одним концом второго рельсового стыка, а другой конец второго рельсового стыка неподвижно соединен с цилиндрическим швом сварного соединения правой перегородки подъемника.

Три ZigBee-модуля беспроводных датчиков содержат антенну, проходящую наружу через отверстие в перегородке в процессе установки, чтобы избежать воздействия металлов на беспроводной датчик.

Настоящее изобретение дополнительно раскрывает способ мониторинга образования трещин, использующий систему онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма, при котором первый ZigBee-модуль получает команду с компьютера и затем передает команду первому приводу шагового электродвигателя, а первый шаговый электродвигатель в свою очередь приводит первое направляющее колесо во вращение по направлению вперед, таким образом чтобы обмотка первого тягового каната тянула скользящую деталь, причем создавалось скольжение по спирали в левую сторону, по направляющему рельсу спиральной трубчатой пружины, а ультразвуковой преобразователь, закрепленный на скользящей детали, контролирует вращение шпинделя вдоль направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, а также третий ZigBee-модуль, встроенный в ультразвуковой преобразователь, передает данные мониторинга на компьютер в режиме реального времени;

компьютер посылает ответную команду второму ZigBee-модулю, во время скольжения скользящей детали к крайнему левому концу направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, второй ZigBee-модуль передает команду второму приводу шагового электродвигателя, при этом второй шаговый электродвигатель в свою очередь приводит второе направляющее колесо во вращение в обратном направлении, таким образом чтобы обмотка второго тягового каната тянула скользящую деталь, причем создавалось скольжение по спирали в левую сторону, по направляющему рельсу спиральной трубчатой пружины, а ультразвуковой преобразователь, закрепленный на скользящей детали, контролирует вращение шпинделя вдоль направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, до того момента пока скользящая деталь не дойдет до крайнего правого конца направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, тем самым благодаря этому циклическому процессу осуществляется мониторинг шпинделя подъемного механизма в режиме реального времени.

Полезный эффект изобретения

Преимущества и полезные эффекты настоящего изобретения заключаются в следующем.

1) Система онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма настоящего изобретения может отслеживать трещины в режиме реального времени на участке шпинделя, расположенном внутри барабана подъемника, а также может своевременно и эффективно предупреждать о дальнейшем распространении трещин, тем самым предотвращая производственные аварии, человеческие жертвы и материальный ущерб.

2) Силовой блок натяжения каната отделяет устройство подачи питания от механизма скользящей детали, что дает возможность снизить вес скользящей детали, а также может отвечать требованию использования скользящей детали небольшого размера в узком пространстве с небольшим уклоном направляющего рельса спиральной трубчатой пружины.

3) Использование ZigBee-модуля беспроводного датчика делает передачу компьютерных команд более удобной и предотвращает спутывание и образование узлов на линиях передачи данных, образующихся во время вращения шпинделя.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СХЕМ

ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение, демонстрирующее общую структуру системы онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма в соответствии с настоящим изобретением.

На фигуре: 1 - первый рельсовый стык; 2 - первый тяговый канат; 3 - первое направляющее колесо; 4 - первый цилиндрический шов сварного соединения; 5 - направляющий рельс спиральной трубчатой пружины; 6 - первый шаговый электродвигатель; 7 - скользящая деталь; 8 - левая перегородка; 9 - правая перегородка.

ФИГ. 2 представляет собой увеличенное изображение отдельного участка конструкции, показанной на ФИГ. 1.

На фигуре: 10 - второй рельсовый стык; 11 - второй шаговый электродвигатель; 12 - второе направляющее колесо; 13 - второй тяговый канат; 14 - второй цилиндрический шов сварного соединения.

ФИГ. 3 представляет собой схематическое структурное изображение спиральной трубчатой пружины направляющего рельса в соответсвии с настоящим изобретением.

ФИГ. 4 представляет собой увеличенное изображение отдельного участка конструкции, показанной на ФИГ. 3.

На фигуре: 15 - сквозной паз.

ФИГ. 5 представляет собой схематическое структурное изображение скользящей детали в соответствии с настоящим изобретением.

На фигуре: 7-1 - изогнутая труба; 7-2 - внешний корпус; 7-3 - тонкостенный соединительный участок; 16 - болт.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение более подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые схемы и варианты его осуществления.

ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение, демонстрирующее общую структуру системы онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма в соответствии с настоящим изобретением.

В этом варианте осуществления онлайн-мониторинг проводится для обнаружения трещин на участке шпинделя, расположенного внутри одиночного барабана подъемника JK-2.5/20E с наматыванием одного каната, при этом система мониторинга обнаружения трещин установлена внутри барабана и включает в себя силовой блок натяжения каната, блок обнаружения трещин и блок беспроводной передачи данных. Силовой блок натяжения каната включает в себя:

два тяговых каната, два направляющих колеса, два шаговых электродвигателя и два устройства запуска шаговых электродвигателей. Левый конец первого тягового каната 2 закреплен на торце первого направляющего колеса 3 при помощи болта, а правый конец первого тягового каната 2 проходит через сквозное отверстие на верхнем конце первого рельсового стыка 1, а затем крепится к скользящей детали 7 при помощи болта на левом ее конце.

Правый конец второго тягового каната 13 закреплен на торце второго направляющего колеса 12 при помощи болта, а левый конец второго тягового каната 13 проходит через сквозное отверстие на верхнем конце второго рельсового стыка 10, а затем крепится к скользящей детали 7 при помощи болта на правом ее конце.

Два привода шаговых электродвигателей, установленные на левой и правой перегородках соответственно, приводят в движение два шаговые электродвигателя, а именно первый шаговый электродвигатель 6 и второй шаговый электродвигатель 11, причем первый шаговый электродвигатель 6 приводит первое направляющее колесо 3 во вращение по направлению вперед для осуществления намотки первого тягового каната 2, а второй шаговый электродвигатель 11 приводит второе направляющее колесо 12 во вращение в обратном направлении для осуществления намотки второго тягового каната 13.

Блок обнаружения трещин включает в себя направляющий рельс спиральной трубчатой пружины, скользящую деталь 7 и ультразвуковой преобразователь, при этом скользящая деталь 7, соединенная с двумя канатами, прикреплена к направляющему рельсу спиральной трубчатой пружины, левый конец направляющего рельса спиральной трубчатой пружины прикреплен к первому рельсовому стыку 1, другой конец первого рельсового стыка 1 прикреплен к первому цилиндрическому шву сварного соединения 4 левой перегородки подъемника, правый конец направляющего рельса спиральной трубчатой пружины прикреплен ко второму рельсовому стыку 10, другой конец второго рельсового стыка 10 прикреплен ко второму цилиндрическому шву сварного соединения 14 правой перегородки подъемника, а ультразвуковой преобразователь крепится к основанию скользящей детали 7 при помощи болтов.

Блок беспроводной передачи данных включает в себя три ZigBee-модуля беспроводных датчиков. Интерфейс первого ZigBee-модуля последовательно подключен к интерфейсу первого привода шагового электродвигателя. Интерфейс второго ZigBee-модуля последовательно подключен к интерфейсу второго привода шагового электродвигателя. Интерфейс третьего ZigBee-модуля последовательно подключен к интерфейсу ультразвукового преобразователя. Первый ZigBee-модуль получает команду с компьютера и передает команду первому приводу шагового электродвигателя, который приводит первое направляющее колесо во вращение по направлению вперед. Второй ZigBee-модуль получает команду с компьютера и передает команду второму приводу шагового электродвигателя, который приводит второе направляющее колесо во вращение в обратном направлении. Третий ZigBee-модуль передает зарегистрированные ультразвуковым преобразователем данные на компьютер в режиме реального времени.

Направляющий рельс спиральной трубчатой пружины представляет собой направляющий рельс полой спиральной трубчатой пружины, на периферии которого имеется сквозной паз. Периферийный сквозной паз сообщается с внутренней частью направляющего рельса спиральной трубчатой пружины и служит для соединения внутренней части скользящей детали 7 с внешней частью скользящей детали 7.

Скользящая деталь 7 включает в себя изогнутую трубу 7-1, внешний корпус 7-2 и тонкостенный соединительный участок 7-3, причем изогнутая труба 7-1 представляет собой изогнутую полую трубу, диаметр которой меньше внутреннего диаметра направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, изогнутая труба 7-1 проходит через внутреннюю часть направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, на одной стороне направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, которая обращена наружу, расположен сквозной паз, один конец тонкостенного соединительного участка 7-3 неподвижно соединен с изогнутой трубой 7-1, а другой конец соединен с внешним корпусом 7-2 при помощи сквозного паза, болт для закрепления каната расположен на тонкостенном соединительном участке 7-3, ультразвуковой преобразователь для передачи ультразвуковых волн на шпиндель подъемного механизма установлен в нижней части внешнего корпуса 7-2, при этом ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью обнаружения трещин на шпинделе подъемного механизма.

В качестве дополнительной предпочтительной версии технического решения настоящего изобретения предлагается ZigBee-модуль беспроводного датчика, который содержит антенну, проходящую наружу через отверстие в перегородке в процессе установки, чтобы избежать воздействия металлов на беспроводной датчик.

В качестве еще одной предпочтительной версии технического решения настоящего изобретения предлагается ZigBee-модуль беспроводного датчика, который включает в себя первый ZigBee-модуль и второй ZigBee-модуль. Первый ZigBee-модуль и второй ZigBee-модуль синхронно получают команды с компьютера, чтобы происходило одновременное вращение первого шагового электродвигателя по направлению вперед и вращение второго шагового электродвигателя в обратном направлении.

Блоки (участки), детальное описание которых не приводится в настоящем изобретении, являются общеизвестными техническими средствами для специалистов в данной области техники.

Изобретение раскрывает систему онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма и способ мониторинга образования трещин. Система состоит из силового блока натяжения каната, блока обнаружения трещин, блока беспроводной передачи данных и компьютера. Силовой блок натяжения каната состоит из двух тяговых канатов, двух направляющих колес, двух шаговых электродвигателей и двух приводов шаговых электродвигателей. Блок обнаружения трещин состоит из направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, скользящей детали и ультразвукового преобразователя. Блок беспроводной передачи данных содержит три ZigBee-модуля беспроводных датчиков. ZigBee-модули получают команды с компьютера и передают команды приводам шаговых электродвигателей для осуществления контроля за вращением этих электродвигателей. Шаговые электродвигатели приводят направляющие колеса во вращение для осуществления намотки канатов, таким образом чтобы скользящая деталь начинала скольжение по направляющему рельсу спиральной трубчатой пружины. Техническим результатом является обеспечение эффективного контроля шпинделя подъемного механизма до возникновения неполадки, что позволяет избежать производственных аварий. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система онлайн-мониторинга для обнаружения трещин на шпинделе подъемного механизма находится внутри барабана и содержит:

блок обнаружения трещин, который создан для обнаружения трещин на шпинделе подъемного механизма и состоит из направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, при этом направляющий рельс спиральной трубчатой пружины присоединен к участку шпинделя подъемного механизма за его пределами в осевом направлении, располагается вдоль шпинделя подъемного механизма и закреплен относительно этого шпинделя подъемного механизма; скользящая деталь расположена на направляющем рельсе спиральной трубчатой пружины с возможностью скольжения; две стороны скользящей детали соответственно соединены с элементом соединения каната посредством этого же каната с возможностью передачи приводного усилия; элемент соединения каната содержит первый элемент соединения каната и второй элемент соединения каната; причем два элемента соединения каната выполнены с возможностью приводить скользящую деталь в движение вперед и назад по направляющему рельсу спиральной трубчатой пружины;

скользящая деталь содержит изогнутую трубу, внешний корпус и тонкостенный соединительный участок, причем изогнутая труба представляет собой изогнутую полую трубу, диаметр которой меньше внутреннего диаметра направляющего рельса спиральной трубчатой пружины; изогнутая труба проходит через внутреннюю часть направляющего рельса спиральной трубчатой пружины; на одной стороне направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, которая обращена наружу, расположен сквозной паз; один конец тонкостенного соединительного участка неподвижно соединен с изогнутой трубой, а другой конец соединен с внешним корпусом при помощи сквозного паза; болт для закрепления каната расположен на тонкостенном соединительном участке; ультразвуковой преобразователь для передачи ультразвуковых волн на шпиндель подъемного механизма установлен в нижней части внешнего корпуса; при этом ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью обнаружения трещин на шпинделе подъемного механизма; а также

блок беспроводной передачи данных, содержащий три ZigBee-модуля беспроводных датчиков, где

конец входа сигнала первого ZigBee-модуля соединен с концом выхода сигнала первого элемента соединения каната;

конец входа сигнала второго ZigBee-модуля соединен с концом выхода сигнала второго элемента соединения каната;

конец входа сигнала третьего ZigBee-модуля соединен с концом выхода сигнала ультразвукового преобразователя;

конец выхода сигнала первого ZigBee-модуля, конец выхода сигнала второго ZigBee-модуля и конец выхода сигнала третьего ZigBee-модуля соединены с концом входа сигнала компьютера; а также

конец выхода компьютера соединен с концом входа сигнала первого элемента соединения каната и концом входа сигнала второго элемента соединения каната, соответственно,

болт для закрепления каната расположен на тонкостенном соединительном участке.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что первый элемент соединения каната и второй элемент соединения каната имеют одинаковую структуру и каждый из них состоит из: привода шагового электродвигателя, шагового электродвигателя и направляющего колеса каната, при этом привод шагового электродвигателя установлен на перегородке, направляющее колесо каната соединено с вращающимся валом шагового электродвигателя, направляющее колесо каната неподвижно соединено с одним концом каната, а другой конец каната соединен с одной стороной скользящей детали.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что левый конец направляющего рельса спиральной трубчатой пружины прикреплен к первому рельсовому стыку, а другой конец первого рельсового стыка неподвижно прикреплен к первому цилиндрическому шву сварного соединения левой перегородки подъемника; правый конец направляющего рельса спиральной трубчатой пружины прикреплен ко второму рельсовому стыку, а другой конец второго рельсового стыка неподвижно прикреплен ко второму цилиндрическому шву сварного соединения правой перегородки подъемника.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что три ZigBee-модуля беспроводных датчиков содержат антенну, проходящую наружу через отверстие в перегородке в процессе установки, чтобы избежать воздействия металлов на беспроводной датчик.

5. Способ мониторинга образования трещин с помощью системы онлайн-мониторинга образования трещин на шпинделе подъемного механизма, отличающийся тем, что первый ZigBee-модуль получает команду с компьютера и затем передает команду первому приводу шагового электродвигателя, а первый шаговый электродвигатель в свою очередь приводит первое направляющее колесо во вращение по направлению вперед, таким образом чтобы обмотка первого тягового каната тянула скользящую деталь, причем создавалось скольжение по спирали в левую сторону, по направляющему рельсу спиральной трубчатой пружины, а ультразвуковой преобразователь, закрепленный на скользящей детали, контролирует вращение шпинделя вдоль направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, а также третий ZigBee-модуль, встроенный в ультразвуковой преобразователь, передает данные мониторинга на компьютер в режиме реального времени;

компьютер посылает ответную команду второму ZigBee-модулю, во время скольжения скользящей детали к крайнему левому концу направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, второй ZigBee-модуль передает команду второму приводу шагового электродвигателя, при этом второй шаговый электродвигатель в свою очередь приводит второе направляющее колесо во вращение в обратном направлении, таким образом чтобы обмотка второго тягового каната тянула скользящую деталь, причем создавалось скольжение по спирали в левую сторону, по направляющему рельсу спиральной трубчатой пружины, а ультразвуковой преобразователь, закрепленный на скользящей детали, контролирует вращение шпинделя вдоль направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, до того момента пока скользящая деталь не дойдет до крайнего правого конца направляющего рельса спиральной трубчатой пружины, тем самым благодаря этому циклическому процессу осуществляется мониторинг шпинделя подъемного механизма в режиме реального времени.