礦用液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案研究

王月旺

（大同煤礦集團北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

引言

礦用液壓支架是煤礦綜采工作面最常用的重要支護設(shè)備，其自身性能的穩(wěn)定性以及工況下的安全性，對煤礦開采的效率以及生產(chǎn)活動的安全有著關(guān)鍵影響[1]。由于綜采工作面液壓支架安裝空間受限，且綜采工作面往往載荷變化較大，液壓支架工作時可能會處于姿態(tài)不合理狀態(tài)，該狀態(tài)下的液壓支架頂梁出現(xiàn)的不平衡會直接造成頂梁與支護頂板之間接觸面積較小，導致支護效果下降[2]，另外液壓支架不合理的姿態(tài)極有可能使其某些關(guān)鍵零部件受到損壞，使得液壓支架功能穩(wěn)定性受到影響，嚴重的還可能引發(fā)支護事故。本文旨在建立一套符合液壓支架運行工況的姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測工作狀態(tài)，從而提升液壓支架支護的穩(wěn)定性和安全性。

1 液壓支架姿態(tài)形式

兩立柱掩護式液壓支架是我國煤礦應(yīng)用最多的液壓支架，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。液壓支架姿態(tài)不合理的原因主要有液壓支架安裝位置地面不平整、綜采工作面頂部不平整導致頂梁受力不均勻、液壓支架安裝調(diào)整錯誤以及液壓支架掩護梁角度過小等。

當液壓支架底座處于水平狀態(tài)時，根據(jù)綜采工作面頂板的實際情況，液壓支架的頂梁會承受不同方向與大小的壓力，處于支護穩(wěn)定狀態(tài)后，支護頂梁可能出現(xiàn)抬頭、低頭和水平三種狀態(tài)，示意圖見圖2（上）。當液壓支架底座由于安裝位置地面不平整或者拉架作時提底動作過高，使得液壓支架可能出現(xiàn)不同的姿態(tài)，示意圖見圖2（下）。另外如果在液壓支架拉架過程中前部受到的阻力過大，底座會出現(xiàn)低頭現(xiàn)象，同樣會使得液壓支架出現(xiàn)抬頭、水平和低頭三種姿態(tài)。

圖1 兩立柱掩護式液壓支架結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖2 底座處于不同狀態(tài)時液壓支架姿態(tài)示意圖

總之，不同狀態(tài)下引起的液壓支架不合理姿態(tài)主要表現(xiàn)為底座和頂梁的非水平，這對液壓支架的支護能力和安全性有著很大的影響。液壓支架的姿態(tài)形式可以通過部分構(gòu)件的對應(yīng)參數(shù)變量來確定，基于監(jiān)測需求，一般選擇液壓支架姿態(tài)關(guān)鍵構(gòu)件的傾角和前后立柱的壓力來確定。液壓支架傾角參數(shù)是表現(xiàn)液壓支架姿態(tài)的最直觀參數(shù)，通過分析不同狀態(tài)時液壓支架的姿態(tài)可以看出，底座水平傾角和頂梁水平傾角是監(jiān)測的關(guān)鍵，一般而言，頂梁俯仰角不可以超過5°。另外液壓支架姿態(tài)不合理時，前后立柱液壓氣缸的壓力必定是不相同的，因此監(jiān)測前后液壓支架的壓力也是有效的。

2 姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)主要包括三大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸交互模塊以及上位機應(yīng)用模塊，主要實現(xiàn)監(jiān)測液壓支架工作狀態(tài)以及姿態(tài)情況的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖見圖3。

圖3 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由具有數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)化功能的各種傳感器構(gòu)成。壓力傳感器采用中航威斯特本安型GST-20S 隔膜礦用壓力變送器，內(nèi)部的核心隔膜采用高性能彈性材料，內(nèi)部電路能夠?qū)崿F(xiàn)壓力信號-彈性形變-電信號的轉(zhuǎn)化，輸出量為4～20 mA信號，測量量程為0～65 MPa，誤差±0.25%FS，能夠高精度準確采集液壓支架的壓力信號。傾角傳感器由位移傳感器GSF-880 和加速度傳感器ADXL235共同組成，測量三軸方向的位移和加速度分量，組合計算后輸出電壓信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元C8051F020單片機計算處理得到傾角數(shù)據(jù)。除此之外，數(shù)據(jù)采集模塊還包括超聲波探傷儀、超聲波泄漏儀、溫濕度傳感器以及瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯?，主要采集液壓支架工作狀態(tài)信號[3-4]。煤礦液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)各監(jiān)測分站之間信號采集采用并聯(lián)方式，采集互不干擾，數(shù)據(jù)處理采用集中處理方式。

2.2 信息傳輸交互模塊

信息傳輸交互模塊是連接數(shù)據(jù)采集模塊與上位機的橋梁，信息傳輸是建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議基礎(chǔ)上的，將系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的識別處理，通過串口通訊和工業(yè)總線相結(jié)合的方式完成數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)處理完成到上位機等其他終端設(shè)備的傳輸。本系統(tǒng)采用的信息傳輸方式是RS485結(jié)合以太環(huán)網(wǎng)通信方式[5]。液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中各監(jiān)測分站之間的通訊采用RS485 總線通訊方式實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸與共享，井下防爆液壓支架監(jiān)測主機對各監(jiān)測分站的周期性監(jiān)測狀態(tài)巡檢也是通過該種通訊方式實現(xiàn)的。而各類地面監(jiān)測主機、遠程監(jiān)測主機以及礦山監(jiān)測監(jiān)控主機與井下就地監(jiān)測分系統(tǒng)的通訊方式采用的是以太網(wǎng)方式，數(shù)據(jù)傳輸方式示意圖見圖4。

圖4 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)圖

2.3 上位機應(yīng)用模塊

上位機應(yīng)用模塊是液壓之間姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)上位機采用LabVIEW 開發(fā)平臺，利用應(yīng)用接口使其與MySQL 數(shù)據(jù)庫管理軟件相連，通過RS485 總線通信方式接收系統(tǒng)監(jiān)測分站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并利用軟件程序完成隨液壓支架姿態(tài)變化形成的數(shù)據(jù)的處理、顯示、調(diào)取、存儲、查詢以及管理等功能。本文采用的LabVIEW 開發(fā)平臺是一種將所有通信功能與符合GPIB、VXI、RS-232 和RS-485 協(xié)議的硬件和數(shù)據(jù)采集卡集成在一起的開發(fā)平臺?；贚abVIEW的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上位機界面見圖5。

圖5 基于LabVIEW 的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上位機界面

3 結(jié)論

1）針對我國井下常用的兩立柱掩護式液壓支架姿態(tài)形式做了歸納，分析不同姿態(tài)下數(shù)據(jù)參量的變化趨勢，為姿態(tài)監(jiān)測量提供理論依據(jù)；

2）對液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進行了設(shè)計，對其中關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸交互模塊以及上位機應(yīng)用模塊的原理和部分選型情況做了說明；

3）液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以RS485 和以太網(wǎng)結(jié)合的通訊方式，實現(xiàn)了監(jiān)測分站、礦山監(jiān)測系統(tǒng)以及地面監(jiān)測系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和共享，符合智慧礦山的系統(tǒng)設(shè)計理念。