礦用液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案研究

王月旺

（大同煤礦集團(tuán)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(hù)設(shè)備，其自身性能的穩(wěn)定性以及工況下的安全性，對(duì)煤礦開采的效率以及生產(chǎn)活動(dòng)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(shí)可能會(huì)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(huì)直接造成頂梁與支護(hù)頂板之間接觸面積較小，導(dǎo)致支護(hù)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(yán)重的還可能引發(fā)支護(hù)事故。本文旨在建立一套符合液壓支架運(yùn)行工況的姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)，從而提升液壓支架支護(hù)的穩(wěn)定性和安全性。

1 液壓支架姿態(tài)形式

兩立柱掩護(hù)式液壓支架是我國(guó)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(dǎo)致頂梁受力不均勻、液壓支架安裝調(diào)整錯(cuò)誤以及液壓支架掩護(hù)梁角度過小等。

當(dāng)液壓支架底座處于水平狀態(tài)時(shí)，根據(jù)綜采工作面頂板的實(shí)際情況，液壓支架的頂梁會(huì)承受不同方向與大小的壓力，處于支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)后，支護(hù)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(dāng)液壓支架底座由于安裝位置地面不平整或者拉架作時(shí)提底動(dòng)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(huì)出現(xiàn)低頭現(xiàn)象，同樣會(huì)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(hù)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(shí)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(duì)液壓支架的支護(hù)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(duì)應(yīng)參數(shù)變量來確定，基于監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)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(shí)，前后立柱液壓氣缸的壓力必定是不相同的，因此監(jiān)測(cè)前后液壓支架的壓力也是有效的。

2 姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(jī)應(yīng)用模塊，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(cè)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(hào)-彈性形變-電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，輸出量為4～20 mA信號(hào)，測(cè)量量程為0～65 MPa，誤差±0.25%FS，能夠高精度準(zhǔn)確采集液壓支架的壓力信號(hào)。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(cè)量三軸方向的位移和加速度分量，組合計(jì)算后輸出電壓信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元C8051F020單片機(jī)計(jì)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)舛葌鞲衅鞯龋饕杉簤褐Ъ芄ぷ鳡顟B(tài)信號(hào)[3-4]。煤礦液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)分站之間信號(hào)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(jī)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(shí)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(jī)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(cè)系統(tǒng)中各監(jiān)測(cè)分站之間的通訊采用RS485 總線通訊方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與共享，井下防爆液壓支架監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)各監(jiān)測(cè)分站的周期性監(jiān)測(cè)狀態(tài)巡檢也是通過該種通訊方式實(shí)現(xiàn)的。而各類地面監(jiān)測(cè)主機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)主機(jī)以及礦山監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)與井下就地監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)圖

2.3 上位機(jī)應(yīng)用模塊

上位機(jī)應(yīng)用模塊是液壓之間姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)上位機(jī)采用LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)，利用應(yīng)用接口使其與MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件相連，通過RS485 總線通信方式接收系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(chǔ)、查詢以及管理等功能。本文采用的LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)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(tái)。基于LabVIEW的液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)界面見圖5。

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

3 結(jié)論

1）針對(duì)我國(guó)井下常用的兩立柱掩護(hù)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(shì)，為姿態(tài)監(jiān)測(cè)量提供理論依據(jù)；

2）對(duì)液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)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(jī)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(cè)系統(tǒng)以RS485 和以太網(wǎng)結(jié)合的通訊方式，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)分站、礦山監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及地面監(jiān)測(cè)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(jì)理念。