一種基於光纖光柵的採煤機搖臂位姿監測裝置及方法與流程
2023-09-10 02:34:35 4
本發明涉及一種採煤機搖臂位姿監測方法，屬於礦井機械工況監測領域，尤其適用於一種基於光纖光柵的採煤機搖臂位姿監測裝置及方法。
背景技術：
在煤礦生產中，採煤機是煤炭綜合機械化開採中的關鍵設備，受地質活動的影響，煤層厚度常具有較大的空間差異性，採煤機滾筒需要沿工作面煤巖界面的高度不斷調整，以獲得最大的採出率，並儘量避免截割巖石。採煤機搖臂位姿監測就是在採煤機進行開採時，對採煤機的搖臂位姿進行監測，從而對採煤機的前後滾筒進行調高，前後滾筒高度能夠隨煤層厚度變化進行調整，以獲得最大採出率並避免切割到頂板和底板。
目前，採煤機搖臂位姿監測在國內外已經有了多種方法，包括滾筒支臂振動監測與特徵頻譜分析、滾筒驅動電機電流值與採煤機行進速度監測及比截割能量特徵分析、雷達探測法等。這些監測方法基本都是採用現場實時採集信號，其顯著的缺點是受採煤現場惡劣環境條件的幹擾較大，信號採集不穩定，識別結果的可靠性低，造成採煤機搖臂位姿監測效果普遍不理想。
技術實現要素：
技術問題：針對上述技術目的，提供一種本質安全，抗電磁幹擾能力強，受環境影響小，可靠性高，測量精度高，能夠對採煤機搖臂位姿進行及時監測，可自動監測及實時在線動態連續監測的基於光纖光柵的採煤機搖臂位姿監測裝置及方法。
技術方案：為實現上述局地目的，本發明的基於光纖光柵的採煤機搖臂位姿動態監測系統包括數據分析子系統、位姿數據傳遞子系統、位姿數據傳感採集子系統，其中數據分析子系統通過礦用傳輸光纖與位姿數據傳遞子系統相連接，位姿數據傳遞子系統通過光纖尾纖與位姿數據傳感採集子系統相連接；
所述數據分析子系統包括相互連接的面上監控計算機和光纖光柵解調設備，以及為兩者供電的供電電源，數據分析子系統設置在地面監控室內，光纖光柵解調設備通過礦用傳輸光纖與設置在井下採煤機上的位姿數據傳遞子系統相連接；
所述位姿數據傳遞子系統包括多個相互連接的光纖接線盒；
所述位姿數據傳感採集子系統為光纖接線盒與數量匹配的光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器，多個光纖接線盒與多個光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器之間分別通過匹配數量的光纖尾纖相互連接；
所述多個光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器分為兩組，一組設置在採煤機前搖臂液壓油缸的活塞杆上，另一組設置在後搖臂液壓油缸的活塞杆上。
所述光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器包括光纖光柵加速度傳感器、光纖光柵傾角傳感器和光纖光柵溫度傳感器，所述的光纖光柵溫度傳感器監測採煤機的工作環境溫度，並對光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵傾角傳感器監測結果進行溫度補償。
所述的光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵傾角傳感器的溫度補償方法為最小二乘擬合補償方法。
一種基於光纖光柵的採煤機搖臂位姿動態監測監測方法，步驟如下：
步驟一：在採煤機前搖臂液壓油缸的活塞杆的位置安裝一組光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器，在採煤機後搖臂液壓油缸的活塞杆的位置安裝一組光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器，在採煤機機身的位置安設光纖接線盒；
步驟二：每個光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器、通過光纖尾纖利用光纖接線盒與礦用傳輸光纖連接，將光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器監測到的光信號傳輸到井上；
步驟三：利用供電電源對地面上監控計算機和光纖光柵解調設備進行供電，礦用傳輸光纖與光纖光柵解調設備連接，光纖光柵解調設備將接收到的光信號解調為數位訊號，光纖光柵解調設備通過網線將數位訊號傳輸給監控計算機；
步驟四：監控計算機對採集到的數位訊號通過最小二乘擬合補償方法對加速度傳感器和傾角傳感器的數據進行溫度補償，利用小波分析降噪技術對採煤機位姿信號進行降噪分離處理；
步驟五：處理之後的採煤機搖臂位姿數據通過監控計算機分析軟體實現人機互動和實時動態顯示，實現對採煤機搖臂位姿的動態監測。
有益效果：本發明與已有技術相比，可有如下優點：
1、本申請在煤機搖臂上設置光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器，光纖光柵具有極其靈敏的傳感特性，煤機搖臂油缸活塞杆發生很小的伸縮和轉動時，都可以測量出來。
2、光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器利用了光纖光柵的核心技術，光纖光柵本質安全，無源工作，可實現井下現場直接採集數據，方便靈活，抗電磁幹擾能力強；同時，利用光纖進行信號傳輸，傳輸距離遠，可靠性高，測量範圍大。
3、實現了採煤機搖臂位姿的自動監測及實時在線動態連續測量，通過測得光纖光柵波長變化就可以計算出採煤機搖臂位姿狀態的信息。
4、可及時獲得採煤機搖臂位姿狀態的信息，監測採煤機開採工作是否合理。
附圖說明
圖1為本發明的監測系統的整體布置結構示意圖；
圖2為本發明的光纖光柵搖臂位姿監測傳感器的安裝示意圖；
圖3為本發明的光纖光柵搖臂位姿監測傳感器組成；
圖中標號：1-數據分析子系統；2-位姿數據傳遞子系統；3-位姿數據傳感採集子系統；4-地面上監控計算機；5-光纖光柵解調設備；6-供電電源；7-礦用傳輸光纖；8-光纖接線盒；9-光纖尾纖；10ab-光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器；11-地面監測室；12-前搖臂液壓油缸的活塞杆；13-後搖臂液壓油缸的活塞杆；14-採煤機機身；15-滑靴。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步的描述：
如圖1所示，本發明的基於光纖光柵的採煤機搖臂位姿動態監測系統，其特徵在於：它包括數據分析子系統1、位姿數據傳遞子系統2、位姿數據傳感採集子系統3，其中數據分析子系統1通過礦用傳輸光纖7與位姿數據傳遞子系統2相連接，位姿數據傳遞子系統2通過光纖尾纖9與位姿數據傳感採集子系統3相連接；
所述數據分析子系統1包括相互連接的面上監控計算機4和光纖光柵解調設備5，以及為兩者供電的供電電源6，數據分析子系統1設置在地面監控室11內，光纖光柵解調設備5通過礦用傳輸光纖7與設置在井下採煤機上的位姿數據傳遞子系統2相連接；
所述位姿數據傳遞子系統2包括多個相互連接的光纖接線盒8；
如圖3所示，所述位姿數據傳感採集子系統3為與光纖接線盒8數量匹配的光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10，多個光纖接線盒8與多個光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10之間分別通過匹配數量的光纖尾纖相互連接；所述光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10包括光纖光柵加速度傳感器、光纖光柵傾角傳感器和光纖光柵溫度傳感器，所述的光纖光柵溫度傳感器監測採煤機的工作環境溫度，並對光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵傾角傳感器監測結果進行溫度補償。
如圖2所示，所述光纖接線盒8設置在採煤機機身14上，採煤機機身14底部設有滑靴15
多個光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10分為兩組，設置在採煤機前搖臂液壓油缸的活塞杆12上的為光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10a，設置在後搖臂液壓油缸的活塞杆13上為光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10b。
一種基於光纖光柵的採煤機搖臂位姿動態監測方法，其步驟如下：
步驟一：在採煤機前搖臂液壓油缸的活塞杆12的位置安裝一組光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10，在採煤機後搖臂液壓油缸的活塞杆13的位置安裝一組光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10，在採煤機機身14的位置安設光纖接線盒8；
步驟二：每個光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10、通過光纖尾纖9利用光纖接線盒8與礦用傳輸光纖7連接，將光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10監測到的光信號傳輸到井上；
步驟三：利用供電電源6對地面上監控計算機4和光纖光柵解調設備5進行供電，礦用傳輸光纖7與光纖光柵解調設備5連接，光纖光柵解調設備5將接收到的光信號解調為數位訊號，光纖光柵解調設備5通過網線將數位訊號傳輸給監控計算機4；
步驟四：監控計算機對採集到的數位訊號通過最小二乘擬合補償方法對加速度傳感器和傾角傳感器的數據進行溫度補償，利用小波分析降噪技術對採煤機位姿信號進行降噪分離處理；
步驟五：處理之後的採煤機搖臂位姿數據通過監控計算機分析軟體實現人機互動和實時動態顯示，實現對採煤機搖臂位姿的動態監測。
實施例1：
當採煤機的前搖臂液壓油缸的活塞杆12和後搖臂液壓油缸的活塞杆13位姿發生變化時，引起光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10內部光柵柵距變化，從而使光柵反射回來的光信號的中心波長發生漂移；所述的位姿數據傳遞子系統由礦用傳輸光纖7、光纖接線盒8和光纖尾纖9組成，光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10通過自身的光纖尾纖9將反射回來的光信號傳輸到礦用傳輸光纖7，光纖尾纖9與礦用傳輸光纖7通過光纖接線盒8連接；所述的數據分析子系統安裝在地面監控室內，數據分析子系統由監控計算機4、光纖光柵解調設備5和供電電源6組成，供電電源6為地面上監控計算機4和光纖光柵解調設備5提供額定的電源，礦用傳輸光纖7將光信號傳輸到光纖光柵解調設備5，光纖光柵解調設備5將光信號解調為數位訊號並傳輸至監控計算機4保存，監控計算機4對數位訊號進行進一步處理分析，並通過屏幕和鍵盤實現人機互動，實現對採煤機搖臂位姿的動態監測。
所述的監測系統地面和井下相互連接的方式為，位姿數據傳感採集子系統的兩組光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10通過光纖尾纖9和光纖接線盒8將採集監測的採煤機搖臂位姿的波長信息數據傳至礦用傳輸光纖9，然後以礦用傳輸光纖7的有線通訊方式傳送至地面監控室的光纖光柵解調設備5，光纖光柵解調設備5將波長信息數據進行解調為數位訊號數據，然後通過網線將數位訊號傳至地面上監控計算機4，地面上監控計算機4對數據進行後期處理，並及時的將數據反饋至井下，實現地面與井下的相互通訊。
所述的地面上監控計算機4內嵌採煤機搖臂位姿數據分析處理軟體。
所述的光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感10器為不鏽鋼封裝，採用單端出光纖的方式。
通過以上的具體實施，本發明提供了一種基於光纖光柵的採煤機搖臂位姿監測方法，該方法實現了採煤機搖臂位姿的自動監測及實時在線動態連續監測，採用的光纖光柵具有極其靈敏的傳感特性，同時本質安全，井下現場直接採集數據，抗電磁幹擾能力強；利用光纖進行信號傳輸，傳輸距離遠，可靠性高，測量範圍大；可及時獲得採煤機搖臂位姿狀態的信息，對採煤機搖臂位姿監測具有重要意義。
本發明的工作原理是：首先簡要地了解採煤機搖臂的工作原理：採煤機搖臂是在液壓油缸系統的帶動下進行工作的；當向密閉油缸內注油時，油缸內的活塞杆伸出；反之當出油口出油時，活塞杆縮進。正是由於在油缸活塞的伸縮帶動下搖臂才能升高或下降，即活塞杆的伸縮長度與搖臂高度之間有種對應的關係，如果知道了活塞杆的伸縮長度時，通過這種對應關係也就獲得了搖臂的高度。因此採用間接法監測搖臂高度時，可先通過傳感器監測油缸活塞杆的伸縮長度，然後再根據它們之間的關係計算搖臂的高度。本發明採用間接的方法監測採煤機搖臂位姿狀態，當油缸活塞杆伸縮時即採煤機搖臂位姿發生變化，光纖光柵採煤機搖臂位姿監測傳感器10內的光纖光柵發生應變，使得光纖光柵的中心波長產生漂移，利用光纖光柵解調設備5將波長信號解調為數位訊號，傳至地面上監控計算機4，可實時動態顯示採煤機搖臂位姿狀態變化，這一技術的應用對採煤機搖臂位姿的監測具有重要意義。