基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究

摘 要：現(xiàn)有煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法主要使用MCGS嵌入式人機(jī)界面獲取鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，其易受組態(tài)前段數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化影響，監(jiān)測(cè)數(shù)值與實(shí)際數(shù)值相差較大。為解決這一問題，基于光纖通信設(shè)計(jì)一種全新的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。該方法先利用光纖通信構(gòu)建液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，然后設(shè)計(jì)了一個(gè)煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心，從而完成煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法監(jiān)測(cè)的進(jìn)給壓力/流量與實(shí)際進(jìn)給壓力/流量接近，由此可證明其監(jiān)測(cè)效果較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可為提高液壓鉆機(jī)的運(yùn)行安全性做出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：光纖通信；煤礦；井下液壓鉆機(jī)；運(yùn)行狀態(tài)；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TD421" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）09-0067-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.016

0" " 引言

煤礦井下液壓鉆機(jī)是一種常見的采探裝置，可以進(jìn)行高速動(dòng)力輸出[1]，鉆采效率較高。煤礦井下液壓機(jī)具有重量較小、鉆孔精度較高的優(yōu)點(diǎn)，且可以根據(jù)鉆采要求進(jìn)行調(diào)整[2]，因此，常被用在煤層鉆孔、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。在液壓鉆機(jī)工作過程中，首先需要確定工作位置，調(diào)整相關(guān)參數(shù)[3]；其次是按照要求安裝鉆頭、鉆桿，開始鉆孔，在鉆孔過程中，需要根據(jù)鉆孔進(jìn)給狀態(tài)不斷進(jìn)行調(diào)整；最后，待鉆孔完成后拆卸鉆頭，進(jìn)行清洗與維護(hù)處理。

受復(fù)雜的鉆采條件影響，井下液壓鉆機(jī)在運(yùn)行過程中容易發(fā)生不同的故障[4]，影響運(yùn)行安全性，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。但現(xiàn)有液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法難以準(zhǔn)確對(duì)鉆機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法起到預(yù)防性檢測(cè)的作用。為解決這一問題，本文提出了一種全新的液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

1" " 煤礦井下液壓鉆機(jī)光纖通信運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1" " 構(gòu)建液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型

光纖通信是一種特殊的信息傳輸方式，可以根據(jù)光的調(diào)制關(guān)系完成通信，降低外界干擾對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成的影響[5-6]，因此，本文基于光纖通信完成有效監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建。

首先可根據(jù)光纖鏈路信號(hào)計(jì)算監(jiān)測(cè)通信峭度CKM（M）[7]，如式（1）所示：

式中：x為監(jiān)測(cè)通信周期；x（n）為光纖通信狀態(tài)信號(hào)參量[8]。

此時(shí)采集的監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)信號(hào)y（n）如式（2）所示：

y（n）=h（n）×x（n）+e（n）（2）

式中：h（n）為初始的鏈路信號(hào)；e（n）為噪聲信號(hào)。

若監(jiān)測(cè)外界噪聲過高，很容易造成狀態(tài)信號(hào)掩蓋，影響最終的監(jiān)測(cè)效果[9]，因此，本文根據(jù)輸入、輸出的監(jiān)測(cè)序列設(shè)定了監(jiān)測(cè)噪聲處理目標(biāo)函數(shù)MCKD（T），具體如式（3）所示：

式中：x（M）為最佳監(jiān)測(cè)閾值。

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)噪聲處理目標(biāo)函數(shù)可以獲取運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)值，提取光纖鏈路信號(hào)監(jiān)測(cè)特征，構(gòu)建有效的液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型f（c），如式（4）所示：

式中：a為監(jiān)測(cè)因子；ψ為共軛值；t為監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸時(shí)間；b為超調(diào)參數(shù)。

使用上述運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型，可快速確定液壓鉆機(jī)的參數(shù)變化狀態(tài)。

1.2" " 設(shè)計(jì)煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心

在煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程中，需要實(shí)時(shí)將采集的信號(hào)傳輸至終端，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心，該監(jiān)測(cè)中心的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，該監(jiān)測(cè)中心主要由信號(hào)采集部分、電源部分、監(jiān)測(cè)顯示部分組成，信號(hào)采集部分主要將傳感器采集到的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)傳輸至終端進(jìn)行分析，由CAN總線進(jìn)行通信，其主要由MCU核心控制單元組成；電源部分主要為其他部分提供供電保證，輸出多種類型的直流電壓電源，滿足各個(gè)監(jiān)測(cè)元件的基礎(chǔ)要求；終端顯示部分完成監(jiān)測(cè)交互，可以查看相關(guān)的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。使用該液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)識(shí)別，最大程度上提高了液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2" " 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果，本文選取了可靠的實(shí)驗(yàn)鉆機(jī)，并將其與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]中兩種常規(guī)的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法對(duì)比，對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下。

2.1" " 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)要求，本文選取ZDY4000LR硬件平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。已知該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由空氣套管與履帶鉆機(jī)組成，利用敏感負(fù)載原理進(jìn)行恒壓控制，其符合實(shí)驗(yàn)的靈活操縱要求，能耗偏低。ZDY4000LR硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成示意圖如圖2所示。

該硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置的回轉(zhuǎn)器額定轉(zhuǎn)速為65～190 r/min，額定壓力為26 MPa，額定流量為135 L/min；進(jìn)給裝置的初始?jí)毫?1/26 MPa，最大起拔力為120 kN，進(jìn)給/起拔行程為1 450 mm；實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了兩個(gè)排量不同的泵站。

本文使用上下位機(jī)采集傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，利用LabVIEW完成監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體監(jiān)測(cè)架構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，待監(jiān)測(cè)架構(gòu)設(shè)置完畢后，可以根據(jù)CAN總線格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)時(shí)輸出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2" " 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，選取進(jìn)給壓力/流量作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，優(yōu)選實(shí)驗(yàn)測(cè)量參量，布置滿足監(jiān)測(cè)傳感要求的實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)，此時(shí)，分別使用本文設(shè)計(jì)的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法、文獻(xiàn)[4]的基于遠(yuǎn)程智能的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法以及文獻(xiàn)[5]的考慮LabVIEW的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將三種方法監(jiān)測(cè)的數(shù)值指標(biāo)與實(shí)際數(shù)值指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在不同的監(jiān)測(cè)次數(shù)下，本文設(shè)計(jì)的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)的液壓鉆機(jī)進(jìn)給壓力/流量與實(shí)際液壓鉆機(jī)運(yùn)行進(jìn)給壓力/流量相差較小，文獻(xiàn)[4]的基于遠(yuǎn)程智能的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法以及文獻(xiàn)[5]的考慮LabVIEW的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)的液壓鉆機(jī)進(jìn)給壓力/流量與實(shí)際液壓鉆機(jī)運(yùn)行進(jìn)給壓力/流量相差較大。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)方法的監(jiān)測(cè)效果較好，可靠性高，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3" " 結(jié)束語

綜上所述，在工業(yè)化背景下，我國(guó)的能源資源越來越匱乏，面對(duì)的探采環(huán)境也越來越復(fù)雜。煤礦井下液壓鉆機(jī)可以快速鉆孔，抽取煤礦中的瓦斯，降低開采壓力，實(shí)現(xiàn)高效開采，但其受復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境影響，容易發(fā)生運(yùn)行安全事故。在液壓鉆機(jī)運(yùn)行過程中，進(jìn)給壓力/流量等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，需要實(shí)時(shí)調(diào)整，保證其在安全范圍內(nèi)。因此，本文基于光纖通信設(shè)計(jì)了一種全新的液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法監(jiān)測(cè)效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可為降低液壓鉆機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)做出一定貢獻(xiàn)。

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收稿日期：2024-01-25

作者簡(jiǎn)介：王寬（1986—），男，山東淄博人，助理工程師，研究方向：煤礦機(jī)電設(shè)備安全管理。