矿用液压支架姿态监测技术及系统研究

谢明明

（山西焦煤西山煤电马兰矿选煤厂，山西 古交 030205）

1947年，世界第一台自移式液压支架在英国诞生，此后作为煤矿“三机”之一的液压支架成为综采工作面的主要设备，相应的液压支架电液控制及姿态监测技术也在不断进步，并逐步朝智能化方向发展。受井下恶劣工作环境及煤层变化频繁等因素影响，综采工作面液压支架工作时姿态异常的情况时有发生，甚至引发支架倾斜、倒架等事故。因此在实际工况中对液压支架的高度、倾角等姿态参数进行实时全面监测具有重要意义［1-3］。

目前针对综采工作面液压支架的姿态监测主要集中于支架高度采集。监测参数单一，姿态计算精度较低，无法对液压支架实现有效全面监测。同时多数监测系统仅能实现单个支架的姿态监测，无法实现对成组液压支架的实时监测。针对上述问题，采用倾角传感器对液压支架姿态参数进行采集，除获取支架高度外，还可对支架倾角进行实时监测，并对相应姿态监测系统进行设计，同时采用曲线预测法对成组液压支架的运动姿态建立模型，实现对成组支架姿态变化规律预测及支撑状态监测。

1.1 液压支架简化模型建立

液压支架依靠高压乳化液等高压液体为动力源，通过以立柱、梁体及千斤顶等结构和装置为构成的主体对综采面顶板进行支护，提供安全采煤作业空间，可完成升、降、推、移等基本动作。在实际工况下，与姿态参数有关的支架结构主要为顶梁、掩护梁、前后连杆及底座四部分，为了便于对其姿态特性进行分析并确定监测方案，需对液压支架主体结构模型进行简化，并对四个主要结构在实际工况中的高度及倾角进行监测及分析。液压支架实物图及相应简易结构模型如图1所示。

图1 液压支架简易结构模型

1.2 液压支架姿态监测方案

姿态监测主要监测对象分别为液压支架的顶梁、掩护梁、前后连杆及底座四个主要结构的倾角值、液压支架支撑高度、液压支架主要结构所承受的压力值、液压支架航偏角度及液压支架位移量［4-5］。本次采用多传感器融合监测方案对上述核心姿态参数进行采集监测，通过在液压支架主要结构处布置不同类型的传感器来获取上述姿态参数，监测参数与相应传感器类型如表1所示。

表1 监测点布置及传感器类型

监测系统通过在液压支架主要结构所布置的各类传感器对支架倾角、支撑高度、位移距离及航偏角等主要姿态参数进行采集，并将所采集数据上传至控制器中，通过通信网络将各参数实时上传至上位机进行分析计算，并通过组态界面进行动态显示，实现液压支架姿态的实时监测，当发现其姿态出现异常状态时及时报警。其中：倾角传感器布置于液压支架的顶梁、掩护梁、四连杆及底座，实时采集四个主要结构的倾角参数；
液压支架航偏角度采用陀螺仪进行采集，安装于支架顶梁处；
位移传感器用于采集支架推移油缸、护帮油缸及二级护帮油缸的位移量，从而确定移架及推留距离是否到位；
立柱压力值由压力传感器进行采集。各传感器布局如图2所示。

图2 系统传感器采集单元布局方案

2.1 液压支架高度算法

在液压支架高度计算过程中，顶梁、掩护梁、底座及前后连杆的高度、长度为已知量，设底座高度为h1，前后连杆长度为h2，掩护梁长度为h3，顶梁长度为h4，在上节建立的液压支架简易结构模型的基础上对水平状态下的液压支架高度进行计算，如图3所示。

由图3可知，处于水平状态液压支架的前后连杆、掩护梁、顶梁与水平轴夹角分别为θ1、θ2、θ3，各夹角可由倾角传感器测量得到，在已知h1、h2、h3、h4的前提下即可得到水平液压支架高度，计算见式（1）：

图3 水平液压支架高度计算模型

当液压支架处于水平倾斜状态时，前后连杆、掩护梁、顶梁与底座面夹角不再等于水平夹角，在计算支架高度时需在通过倾角传感器所得到的水平夹角基础上再加上倾斜角β，水平倾斜下液压支架高度计算模型如图4所示。

图4 水平倾斜状态下液压支架高度计算模型

图4中此时计算液压支架高度H的计算公式将发生变化，前后连杆计算角度变为(θ1+β)，掩护梁计算角度变为(θ2-β)，顶梁计算角度变为(θ3-β)，可得水平倾斜状态下液压支架高度为：

2.2 成组液压支架姿态监测法分析

为了对成组液压支架姿态进行有效监测，采用马尔可夫组合预测模型对成组液压支架模型进行搭建，将支架移架动作分解为横向循环及纵向循环两部分。在横向循环过程中，组内每台支架依次执行移架动作，直到最后一台支架完成移架；
在横向预测中，系统可通过模型及相应算法通过前n台支架移架后的姿态对第n+1台支架姿态进行预测。纵向循环是指一台液压支架所完成的多次循环移架动作，系统通过纵向预测对某台液压支架前n次移架后姿态对第n+1次移架动作姿态进行预测，最终上位机将上述移架预测数据进行曲线绘制，即可得到成组支架的横向及纵向姿态监测曲线，从而对成组支架的支撑高度、倾角等姿态信息进行监测。

由于液压支架姿态参数的采集依靠各类传感器，因此数据传输可靠性及精度对于系统监测性能至关重要。在数据传输方面，采用分布式路由器所架构的局域网实现姿态参数的传输；
在信号采集方面，每台液压支架的数据采集模块由I/O模块实现，各I/O模块用于采集汇聚支架倾角、压力、航偏角及位移距离等姿态参数，最终通过局域网将I/O模块的实时数据上传至上位机进行显示及分析计算，直观显示实际工况下液压支架的各项姿态参数，并对其异常状态进行监测，系统整体结构如图5所示。

图5 液压支架监测系统结构

在硬件选型方面，选用GUD75型矿用双轴倾角传感器对液压支架底座、前后连杆、掩护梁及顶梁倾角参数进行实时采集。GUD75的倾角测量范围为±5/10/15/30°，测量误差稳定维持于±0.005°，零点温漂可维持在0.001 1°/℃，输出带宽为可选1/2/3/5 Hz，其倾角测量原理为模拟电压测量法，传感器通过内置高速微处理器将实时采集的电压值通过计算输出得到相应支架倾角角度，同时还具备信号线性调制及温度补偿，输出信号通过内置高阶滤波器进一步提高精度，可实现液压支架主体结构倾角参数的精确采集。I/O模块是本系统采集数据传输的重要器件，I/O模块选用型号为康奈德远程以太网型模拟量I/O模块，其内部具备一路RS485下行串口，可实现串口与以太网双向透明传输，以太网口采用标准Modbus TCP协议，支持TCP/Server/Client模式，同时具备多类型高精度AI采集接口，采集分辨率可达16 bit，完全满足本系统数据采集传输需求。

针对综采工作面液压支架在实际工况中的姿态监测问题，通过对单个及成组液压支架的姿态监测方法进行详细分析，在此基础上设计了基于局域网通讯的矿用综采工作面液压支架姿态监测系统，系统可对单个及成组液压支架的倾角、航偏角、位移距离等姿态参数进行实时精确监测及支架异常状态监测报警，有效提高液压支架运行安全性及稳定性。

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