礦用液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)研究

謝明明

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦選煤廠，山西 古交 030205）

1947年，世界第一臺(tái)自移式液壓支架在英國誕生，此后作為煤礦“三機(jī)”之一的液壓支架成為綜采工作面的主要設(shè)備，相應(yīng)的液壓支架電液控制及姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，并逐步朝智能化方向發(fā)展。受井下惡劣工作環(huán)境及煤層變化頻繁等因素影響，綜采工作面液壓支架工作時(shí)姿態(tài)異常的情況時(shí)有發(fā)生，甚至引發(fā)支架傾斜、倒架等事故。因此在實(shí)際工況中對(duì)液壓支架的高度、傾角等姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)全面監(jiān)測(cè)具有重要意義［1-3］。

目前針對(duì)綜采工作面液壓支架的姿態(tài)監(jiān)測(cè)主要集中于支架高度采集。監(jiān)測(cè)參數(shù)單一，姿態(tài)計(jì)算精度較低，無法對(duì)液壓支架實(shí)現(xiàn)有效全面監(jiān)測(cè)。同時(shí)多數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)單個(gè)支架的姿態(tài)監(jiān)測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)成組液壓支架的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)上述問題，采用傾角傳感器對(duì)液壓支架姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，除獲取支架高度外，還可對(duì)支架傾角進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)相應(yīng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)采用曲線預(yù)測(cè)法對(duì)成組液壓支架的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)建立模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)成組支架姿態(tài)變化規(guī)律預(yù)測(cè)及支撐狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 模型建立及監(jiān)測(cè)方案確定

1.1 液壓支架簡(jiǎn)化模型建立

液壓支架依靠高壓乳化液等高壓液體為動(dòng)力源，通過以立柱、梁體及千斤頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)和裝置為構(gòu)成的主體對(duì)綜采面頂板進(jìn)行支護(hù)，提供安全采煤作業(yè)空間，可完成升、降、推、移等基本動(dòng)作。在實(shí)際工況下，與姿態(tài)參數(shù)有關(guān)的支架結(jié)構(gòu)主要為頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿及底座四部分，為了便于對(duì)其姿態(tài)特性進(jìn)行分析并確定監(jiān)測(cè)方案，需對(duì)液壓支架主體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)四個(gè)主要結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況中的高度及傾角進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析。液壓支架實(shí)物圖及相應(yīng)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 液壓支架簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)模型

1.2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)方案

姿態(tài)監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)對(duì)象分別為液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿及底座四個(gè)主要結(jié)構(gòu)的傾角值、液壓支架支撐高度、液壓支架主要結(jié)構(gòu)所承受的壓力值、液壓支架航偏角度及液壓支架位移量［4-5］。本次采用多傳感器融合監(jiān)測(cè)方案對(duì)上述核心姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)，通過在液壓支架主要結(jié)構(gòu)處布置不同類型的傳感器來獲取上述姿態(tài)參數(shù)，監(jiān)測(cè)參數(shù)與相應(yīng)傳感器類型如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及傳感器類型

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過在液壓支架主要結(jié)構(gòu)所布置的各類傳感器對(duì)支架傾角、支撐高度、位移距離及航偏角等主要姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，并將所采集數(shù)據(jù)上傳至控制器中，通過通信網(wǎng)絡(luò)將各參數(shù)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，并通過組態(tài)界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)液壓支架姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其姿態(tài)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)及時(shí)報(bào)警。其中：傾角傳感器布置于液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、四連桿及底座，實(shí)時(shí)采集四個(gè)主要結(jié)構(gòu)的傾角參數(shù)；液壓支架航偏角度采用陀螺儀進(jìn)行采集，安裝于支架頂梁處；位移傳感器用于采集支架推移油缸、護(hù)幫油缸及二級(jí)護(hù)幫油缸的位移量，從而確定移架及推留距離是否到位；立柱壓力值由壓力傳感器進(jìn)行采集。各傳感器布局如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)傳感器采集單元布局方案

2 液壓支架監(jiān)測(cè)方法分析

2.1 液壓支架高度算法

在液壓支架高度計(jì)算過程中，頂梁、掩護(hù)梁、底座及前后連桿的高度、長(zhǎng)度為已知量，設(shè)底座高度為h1，前后連桿長(zhǎng)度為h2，掩護(hù)梁長(zhǎng)度為h3，頂梁長(zhǎng)度為h4，在上節(jié)建立的液壓支架簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上對(duì)水平狀態(tài)下的液壓支架高度進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示。

由圖3可知，處于水平狀態(tài)液壓支架的前后連桿、掩護(hù)梁、頂梁與水平軸夾角分別為θ1、θ2、θ3，各夾角可由傾角傳感器測(cè)量得到，在已知h1、h2、h3、h4的前提下即可得到水平液壓支架高度，計(jì)算見式（1）：

圖3 水平液壓支架高度計(jì)算模型

當(dāng)液壓支架處于水平傾斜狀態(tài)時(shí)，前后連桿、掩護(hù)梁、頂梁與底座面夾角不再等于水平夾角，在計(jì)算支架高度時(shí)需在通過傾角傳感器所得到的水平夾角基礎(chǔ)上再加上傾斜角β，水平傾斜下液壓支架高度計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 水平傾斜狀態(tài)下液壓支架高度計(jì)算模型

圖4中此時(shí)計(jì)算液壓支架高度H的計(jì)算公式將發(fā)生變化，前后連桿計(jì)算角度變?yōu)?θ1+β)，掩護(hù)梁計(jì)算角度變?yōu)?θ2-β)，頂梁計(jì)算角度變?yōu)?θ3-β)，可得水平傾斜狀態(tài)下液壓支架高度為：

2.2 成組液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)法分析

為了對(duì)成組液壓支架姿態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，采用馬爾可夫組合預(yù)測(cè)模型對(duì)成組液壓支架模型進(jìn)行搭建，將支架移架動(dòng)作分解為橫向循環(huán)及縱向循環(huán)兩部分。在橫向循環(huán)過程中，組內(nèi)每臺(tái)支架依次執(zhí)行移架動(dòng)作，直到最后一臺(tái)支架完成移架；在橫向預(yù)測(cè)中，系統(tǒng)可通過模型及相應(yīng)算法通過前n臺(tái)支架移架后的姿態(tài)對(duì)第n+1臺(tái)支架姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。縱向循環(huán)是指一臺(tái)液壓支架所完成的多次循環(huán)移架動(dòng)作，系統(tǒng)通過縱向預(yù)測(cè)對(duì)某臺(tái)液壓支架前n次移架后姿態(tài)對(duì)第n+1次移架動(dòng)作姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終上位機(jī)將上述移架預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制，即可得到成組支架的橫向及縱向姿態(tài)監(jiān)測(cè)曲線，從而對(duì)成組支架的支撐高度、傾角等姿態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于液壓支架姿態(tài)參數(shù)的采集依靠各類傳感器，因此數(shù)據(jù)傳輸可靠性及精度對(duì)于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)性能至關(guān)重要。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用分布式路由器所架構(gòu)的局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)參數(shù)的傳輸；在信號(hào)采集方面，每臺(tái)液壓支架的數(shù)據(jù)采集模塊由I/O模塊實(shí)現(xiàn)，各I/O模塊用于采集匯聚支架傾角、壓力、航偏角及位移距離等姿態(tài)參數(shù)，最終通過局域網(wǎng)將I/O模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示及分析計(jì)算，直觀顯示實(shí)際工況下液壓支架的各項(xiàng)姿態(tài)參數(shù)，并對(duì)其異常狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在硬件選型方面，選用GUD75型礦用雙軸傾角傳感器對(duì)液壓支架底座、前后連桿、掩護(hù)梁及頂梁傾角參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。GUD75的傾角測(cè)量范圍為±5/10/15/30°，測(cè)量誤差穩(wěn)定維持于±0.005°，零點(diǎn)溫漂可維持在0.001 1°/℃，輸出帶寬為可選1/2/3/5 Hz，其傾角測(cè)量原理為模擬電壓測(cè)量法，傳感器通過內(nèi)置高速微處理器將實(shí)時(shí)采集的電壓值通過計(jì)算輸出得到相應(yīng)支架傾角角度，同時(shí)還具備信號(hào)線性調(diào)制及溫度補(bǔ)償，輸出信號(hào)通過內(nèi)置高階濾波器進(jìn)一步提高精度，可實(shí)現(xiàn)液壓支架主體結(jié)構(gòu)傾角參數(shù)的精確采集。I/O模塊是本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾骷?，I/O模塊選用型號(hào)為康奈德遠(yuǎn)程以太網(wǎng)型模擬量I/O模塊，其內(nèi)部具備一路RS485下行串口，可實(shí)現(xiàn)串口與以太網(wǎng)雙向透明傳輸，以太網(wǎng)口采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus TCP協(xié)議，支持TCP/Server/Client模式，同時(shí)具備多類型高精度AI采集接口，采集分辨率可達(dá)16 bit，完全滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸需求。

4 結(jié)語

針對(duì)綜采工作面液壓支架在實(shí)際工況中的姿態(tài)監(jiān)測(cè)問題，通過對(duì)單個(gè)及成組液壓支架的姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于局域網(wǎng)通訊的礦用綜采工作面液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可對(duì)單個(gè)及成組液壓支架的傾角、航偏角、位移距離等姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)及支架異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警，有效提高液壓支架運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性。