CN109341593B - 一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，先沿刮板输送机的机身敷设圆柱形柔性长杆；再沿着平行于水平面和竖直面的圆柱形柔性长杆纵切面的长边布置水平面传感光纤和竖直面传感光纤；然后，将水平面传感光纤和竖直面传感光纤分别连接到矿用信号解调仪再连矿用工控机；最后，根据水平面传感光纤以及竖直面传感光纤的直线度与刮板输送机直线度之间存在的映射关系，演算出刮板输送机的直线度。本发明实现了刮板输送机直线度的直接、便捷、精确以及在线实时监测，具有抗干扰能力强，本征隔爆绝缘，结构简单，成本适宜，原理清晰等突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种综采工作面刮板输送机工作状态监测的方法，尤其是一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，属于煤矿井下综采装备工作状态监测技术领域。
背景技术
我国具有丰富的煤炭资源，煤炭也是我国的主要消费能源和原料，在当前及未来一段时期内将一直占据主体能源地位。根据《煤矿安全规程》的规定，综采工作面的煤壁、刮板输送机和液压支架必须保持直线。采煤机以刮板输送机作为轨道进行移动，刮板输送机的直线度直接影响着采煤机的使用寿命、采煤效率以及割煤质量，因此，有必要深入研究可靠有效的刮板输送机直线度监测技术。
已知的与刮板输送机直线度监测相关的技术如下：
1)已经授权的中国发明专利(申请号为201510379025.1)报道了一种基于弹性杆和相对位姿测量装置的刮板输送机机身自动调直装置及方法，利用角度传感器监测弹性杆与目标液压支架的角度，并与设定的阈值(90°)进行比较，根据比较结果控制目标液压支架的推进和拉移，此外，根据应变传感器的信号极性(正值或者负值)控制刮板输送机中部槽的调直动作；然而，这种自动调直装置及方法仅仅适用于液压支架以及刮板输送机在水平面内的调直作业，无法用于刮板输送机的直线度监测。
2)已经授权的中国发明专利(申请号为201310492654.6)报道了一种利用激光准直的煤矿工作面液压支架调直系统及方法，如果正在移架的液压支架接收到与其相邻且已完成移架的液压支架的激光信号，则正在移架的液压支架完成移架作业；然而，这种液压支架调直方法抗干扰能力较弱，激光收发器表面的长期清洁度在煤矿综采工作面很难保证，无法用于刮板输送机的直线度监测。
3)已经授权的中国发明专利(申请号分别为201410103888.1以及201410103904.7)分别报道了一种使用光纤的工作面液压支架组直线度控制系统及方法，将光纤传感器安装在相邻的两节溜槽之间，当液压支架推移不到位或者推移过位，该支架对应的溜槽两端安装的光纤传感器中光信号将产生布里渊频率偏移，根据布里渊频率的偏移量计算得到该液压支架的位置数据，利用位置数据实现工作面液压支架组的直线度控制；这种液压支架组的直线度控制系统及方法可以进行液压支架组以及刮板输送机的直线度控制，但是无法用于刮板输送机直线度的监测。
4)已经公开的中国发明专利(申请号为201610128789.8)报道了一种刮板输送机的直线度测量方法，以首端刮板输送机溜槽作为参考基准，对刮板输送机的溜槽依次编号，将刮板输送机溜槽长度与目标溜槽编号的乘积作为目标溜槽在水平方向的位置；利用超声波传感器确定液压支架与煤壁的距离，利用推移油缸内部的位移传感器获取刮板输送机溜槽的推进距离，结合已知液压支架底座的长度，确定目标溜槽在竖直方向的位置；利用这种方法可以知道刮板输送机所有溜槽的空间分布信息，从而可以进行刮板输送机直线度的监测；然而，这种方法存在的一个不足是对煤壁的直线度要求非常高，当煤壁存在直线度误差时，这种方法在进行刮板输送机直线度测量时竖直方向将存在较大误差，另一个不足是目标溜槽的水平位置应该是目标溜槽与首端溜槽之间所有溜槽在水平方向的投影，需要获得所有溜槽与水平方向的夹角，不能简单的采用溜槽长度，否则将导致进行刮板输送机直线度测量时水平方向将存在较大误差。
5)一种刮板输送机直线度监测方法也被广泛报道，这种方法具体为：利用采煤机定位技术监测采煤机的运行轨迹，根据采煤机与刮板输送机的几何约束关系，由采煤机运行轨迹反演出具有绝对方位的刮板输送机轨迹，进而实现刮板输送机的直线度监测；这种方法的不足在于成本较高，部分核心技术问题还需进一步突破。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，该方法能够直接、便捷、精确以及在线实时监测综采工作面刮板输送机直线度误差，结构简单，价格成本适宜，设计及使用原理清晰易懂，抗干扰能力强，本征隔爆绝缘，特别适用于综采工作面等极端工作环境。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括如下步骤：
1)先沿刮板输送机的机身敷设圆柱形柔性长杆；
2)再沿着平行于水平面的圆柱形柔性长杆纵切面的长边布置水平面传感光纤，以及沿着平行于竖直面的圆柱形柔性长杆纵切面的长边布置竖直面传感光纤；
3)然后，将水平面传感光纤和竖直面传感光纤分别连接到矿用信号解调仪，矿用信号解调仪再连接矿用工控机；
4)最后，演算出刮板输送机的直线度：
当刮板输送机的直线度在水平面内发生变化时，只需确定刮板输送机在水平面内的直线度；当刮板输送机的直线度在竖直面内发生变化时，只要确定刮板输送机在竖直面内的直线度；当刮板输送机的直线度在非水平面且非竖直面内发生变化时，首先将刮板输送机的直线度分解到水平面和竖直面内，分别测得水平面直线度分量和竖直面直线度分量，在此基础上，合成为刮板输送机的直线度。
相比现有技术，本发明的一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，是将水平面传感光纤以及竖直面传感光纤沿着综采工作面刮板输送机的机身敷设，水平面传感光纤以及竖直面传感光纤的直线度与综采工作面刮板输送机的直线度之间存在一一映射，据此实现综采工作面刮板输送机的直线度的精确、直接以及实时监测，这是现有技术所不具备的优点；此外，本发明还具有抗干扰能力强，本征隔爆绝缘，结构简单，成本适宜，工作原理清晰等突出优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例的光路结构原理示意图。
图中：1、水平面传感光纤，2、竖直面传感光纤，3、圆柱形柔性长杆，4、矿用信号解调仪，5、矿用工控机，6、刮板输送机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例的一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，按照图1实施例所示，先进行一系列装置(包括水平面传感光纤1、竖直面传感光纤2、圆柱形柔性长杆3、矿用信号解调仪4和矿用工控机5，其中，所述的水平面传感光纤1和竖直面传感光纤2都均匀刻制若干个光纤光栅)的依次安装：沿刮板输送机6的机身敷设所述的圆柱形柔性长杆3；沿着平行于水平面的圆柱形柔性长杆3纵切面的长边粘贴所述的水平面传感光纤1，沿着平行于竖直面的圆柱形柔性长杆3纵切面的长边粘贴所述的竖直面传感光纤2；将所述的水平面传感光纤1和竖直面传感光纤2分别连接矿用信号解调仪4，所述的矿用信号解调仪4连接矿用工控机5。
在本具体实施例中，刮板输送机6的机身长度为150m(比如中煤张家口煤矿机械有限责任公司生产的630系列刮板输送机等)，水平面传感光纤1、竖直面传感光纤2以及圆柱形柔性长杆3的长度均为150m，其中，水平面传感光纤1以及竖直面传感光纤2均选用普通单模光纤，水平面传感光纤1以2.5m的间距刻制60个光纤光栅，竖直面传感光纤2以3.0m的间距刻制50个光纤光栅，圆柱形柔性长杆3的材质为弹性合金，截面直径设置为0.05m，矿用信号解调仪4的最大通道数不少于两通道。
如果在所述刮板输送机直线度监测装置中，增加光纤耦合器形成水平面传感光纤阵列以及竖直面传感光纤阵列，同样在本发明的保护范围。
本发明实施例的一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，还包括如下步骤：
1)当刮板输送机6的直线度在水平面内发生变化时，圆柱形柔性长杆3在水平面内产生与直线度变化量呈线性关系的弯曲应变，水平面传感光纤1产生与圆柱形柔性长杆3相同的弯曲应变；水平面传感光纤1中每个光纤光栅监测所处位置的弯曲应变，矿用信号解调仪4获取水平面传感光纤1中每个光纤光栅的监测结果并传输给矿用工控机5进行解算，确定水平面传感光纤1中每个光纤光栅所处位置的弯曲半径。
将水平面传感光纤1的所有光纤光栅自左向右依次设置标号，如果将水平面传感光纤1的光纤光栅数量假设为N，则标号分别设置为Ⅰ号、Ⅱ号、...、N号；利用水平面传感光纤1的Ⅰ号光纤光栅所在位置的切线和法线建立直角坐标系，并将其作为水平面固定坐标系；利用水平面传感光纤1的Ⅱ号光纤光栅所在位置的切线和法线建立水平面第一运动坐标系，根据I号、Ⅱ号光纤光栅测得的弯曲半径以及I号、Ⅱ号光纤光栅之间的光纤弧长，确定水平面第一运动坐标系与固定坐标系的变换关系；利用水平面传感光纤1的Ⅲ号光纤光栅所在位置的切线和法线建立水平面第二运动坐标系，根据Ⅱ号、Ⅲ号光纤光栅测得的弯曲半径以及Ⅱ号、Ⅲ号光纤光栅之间的光纤弧长，确定水平面第二运动坐标系与水平面第一运动坐标系的变换关系，结合水平面第一运动坐标系与水平面固定坐标系的变换关系，获得水平面第二运动坐标系和水平面固定坐标系的变换关系；同理可得Ⅳ号、Ⅴ号、...、N号光纤光栅对应的水平面第三、第四、...、第N-1运动坐标系与水平面固定坐标系的变换关系，据此确定水平面传感光纤1的所有光纤光栅所在位置在水平面固定坐标系中的具体坐标，最终绘制出水平面传感光纤1的弯曲状态曲线，并将其作为刮板输送机6在水平面内的弯曲状态曲线，与预设的水平面直线度参考曲线进行比较，确定刮板输送机6在水平面内的直线度。
2)当刮板输送机6的直线度在竖直面内发生变化时，圆柱形柔性长杆3在竖直面内产生与直线度变化量呈线性关系的弯曲应变，竖直面传感光纤1产生与圆柱形柔性长杆3相同的弯曲应变；竖直面传感光纤1中每个光纤光栅监测所处位置的弯曲应变，矿用信号解调仪4获取竖直面传感光纤1中每个光纤光栅的监测结果并传输给矿用工控机5进行解算，确定竖直面传感光纤1中每个光纤光栅所处位置的弯曲半径。
将竖直面传感光纤1的所有光纤光栅自左向右依次设置标号，如果将竖直面传感光纤1的光纤光栅数量假设为M，则标号分别设置为1号、2号、...、M号；利用竖直面传感光纤1的1号光纤光栅所在位置的切线和法线建立直角坐标系，并将其作为竖直面固定坐标系；利用竖直面传感光纤1的2号光纤光栅所在位置的切线和法线建立竖直面第一运动坐标系，根据1号、2号光纤光栅测得的弯曲半径以及1号、2号光纤光栅之间的光纤弧长，确定竖直面第一运动坐标系与竖直面固定坐标系的变换关系；利用竖直面传感光纤1的3号光纤光栅所在位置的切线和法线建立竖直面第二运动坐标系，根据2号、3号光纤光栅测得的弯曲半径以及2号、3号光纤光栅之间的光纤弧长，确定竖直面第二运动坐标系与竖直面第一运动坐标系的变换关系，结合竖直面第一运动坐标系与竖直面固定坐标系的变换关系，获得竖直面第二运动坐标系和竖直面固定坐标系的变换关系；同理可得4号、5号、...、M号光纤光栅对应的竖直面第三、第四、...、第M-1运动坐标系与竖直面固定坐标系的变换关系，据此确定竖直面传感光纤1的所有光纤光栅所在位置在固定坐标系中的具体坐标，最终绘制出竖直面传感光纤1的弯曲状态曲线，并将其作为刮板输送机6在竖直面内的弯曲状态曲线，与预设的竖直面直线度参考曲线进行比较，确定刮板输送机6在竖直面内的直线度。
3)当刮板输送机6的直线度在非水平面且非竖直面内发生变化时，首先将刮板输送机6的直线度分解到水平面和竖直面内，其中，水平面直线度分量和竖直面直线度分量分别依据上述对应方法测量，在此基础上，合成为刮板输送机6的直线度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，其特征是，包括如下步骤：
1)先沿刮板输送机(6)的机身敷设圆柱形柔性长杆(3)；
2)再沿着平行于水平面的圆柱形柔性长杆(3)纵切面的长边布置水平面传感光纤(1)，以及沿着平行于竖直面的圆柱形柔性长杆(3)纵切面的长边布置竖直面传感光纤(2)；
3)然后，将水平面传感光纤(1)和竖直面传感光纤(2)分别连接到矿用信号解调仪(4)，矿用信号解调仪(4)再连接矿用工控机(5)；
4)最后，演算出刮板输送机(6)的直线度：
当刮板输送机(6)的直线度在水平面内发生变化时，只需确定刮板输送机(6)在水平面内的直线度；当刮板输送机(6)的直线度在竖直面内发生变化时，只要确定刮板输送机(6)在竖直面内的直线度；当刮板输送机(6)的直线度在非水平面且非竖直面内发生变化时，首先将刮板输送机(6)的直线度分解到水平面和竖直面内，然后分别测得水平面直线度分量和竖直面直线度分量，在此基础上，合成为刮板输送机(6)的直线度；
所述步骤4)中刮板输送机(6)在水平面内的直线度的确定步骤具体如下：
a.当刮板输送机(6)的直线度在水平面内发生变化时，圆柱形柔性长杆(3)在水平面内产生与直线度变化量呈线性关系的弯曲应变，水平面传感光纤(1)产生与圆柱形柔性长杆(3)相同的弯曲应变；
b.水平面传感光纤(1)中每个光纤光栅监测所处位置的弯曲应变，矿用信号解调仪(4)获取水平面传感光纤(1)中每个光纤光栅的监测结果并传输给矿用工控机(5)进行解算，确定水平面传感光纤(1)中每个光纤光栅所处位置的弯曲半径；
c.将水平面传感光纤(1)的所有光纤光栅自左向右依次设置标号，将水平面传感光纤(1)的光纤光栅数量假设为N，则标号分别设置为Ⅰ号、Ⅱ号、...、N号；
d.利用水平面传感光纤(1)的Ⅰ号光纤光栅所在位置的切线和法线建立直角坐标系，并将其作为水平面固定坐标系；
e.利用水平面传感光纤(1)的Ⅱ号光纤光栅所在位置的切线和法线建立水平面第一运动坐标系，根据I号、Ⅱ号光纤光栅测得的弯曲半径以及I号、Ⅱ号光纤光栅之间的光纤弧长，确定水平面第一运动坐标系与固定坐标系的变换关系；
f.利用水平面传感光纤(1)的Ⅲ号光纤光栅所在位置的切线和法线建立水平面第二运动坐标系，根据Ⅱ号、Ⅲ号光纤光栅测得的弯曲半径以及Ⅱ号、Ⅲ号光纤光栅之间的光纤弧长，确定水平面第二运动坐标系与水平面第一运动坐标系的变换关系，结合水平面第一运动坐标系与水平面固定坐标系的变换关系，获得水平面第二运动坐标系和水平面固定坐标系的变换关系；
g.同理可得Ⅳ号、Ⅴ号、...、N号光纤光栅对应的水平面第三、第四、...、第N-1运动坐标系与水平面固定坐标系的变换关系，据此确定水平面传感光纤(1)的所有光纤光栅所在位置在水平面固定坐标系中的具体坐标，最终绘制出水平面传感光纤(1)的弯曲状态曲线，并将其作为刮板输送机(6)在水平面内的弯曲状态曲线，与预设的水平面直线度参考曲线进行比较，确定刮板输送机(6)在水平面内的直线度；
所述步骤4)中刮板输送机(6)在竖直面内的直线度的确定步骤具体如下：
A.当刮板输送机(6)的直线度在竖直面内发生变化时，圆柱形柔性长杆(3)在竖直面内产生与直线度变化量呈线性关系的弯曲应变，竖直面传感光纤(1)产生与圆柱形柔性长杆(3)相同的弯曲应变；
B.竖直面传感光纤(1)中每个光纤光栅监测所处位置的弯曲应变，矿用信号解调仪(4)获取竖直面传感光纤(1)中每个光纤光栅的监测结果并传输给矿用工控机(5)进行解算，确定竖直面传感光纤(1)中每个光纤光栅所处位置的弯曲半径；
C.将竖直面传感光纤(1)的所有光纤光栅自左向右依次设置标号，将竖直面传感光纤(1)的光纤光栅数量假设为M，则标号分别设置为1号、2号、...、M号；
D.利用竖直面传感光纤(1)的1号光纤光栅所在位置的切线和法线建立直角坐标系，并将其作为竖直面固定坐标系；
E.利用竖直面传感光纤(1)的2号光纤光栅所在位置的切线和法线建立竖直面第一运动坐标系，根据1号、2号光纤光栅测得的弯曲半径以及1号、2号光纤光栅之间的光纤弧长，确定竖直面第一运动坐标系与竖直面固定坐标系的变换关系；
F.利用竖直面传感光纤(1)的3号光纤光栅所在位置的切线和法线建立竖直面第二运动坐标系，根据2号、3号光纤光栅测得的弯曲半径以及2号、3号光纤光栅之间的光纤弧长，确定竖直面第二运动坐标系与竖直面第一运动坐标系的变换关系，结合竖直面第一运动坐标系与竖直面固定坐标系的变换关系，获得竖直面第二运动坐标系和竖直面固定坐标系的变换关系；
G.同理可得4号、5号、...、M号光纤光栅对应的竖直面第三、第四、...、第M-1运动坐标系与竖直面固定坐标系的变换关系，据此确定竖直面传感光纤(1)的所有光纤光栅所在位置在固定坐标系中的具体坐标，最终绘制出竖直面传感光纤(1)的弯曲状态曲线，并将其作为刮板输送机(6)在竖直面内的弯曲状态曲线，与预设的竖直面直线度参考曲线进行比较，确定刮板输送机(6)在竖直面内的直线度；
所述步骤4)中的水平面直线度分量和竖直面直线度分量分别依据刮板输送机(6)在水平面和竖直面内的直线度的确定步骤测得；
所述的水平面传感光纤(1)和竖直面传感光纤(2)均通过粘贴的方式沿着平行于水平面的圆柱形柔性长杆(3)纵切面的长边和沿着平行于竖直面的圆柱形柔性长杆(3)纵切面的长边布置。
2.根据权利要求1所述的一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，其特征是：所述的水平面传感光纤(1)和竖直面传感光纤(2)都均匀刻制若干个光纤光栅。
3.根据权利要求1所述的一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，其特征是：
所述的水平面传感光纤(1)以2.5m的间距刻制60个光纤光栅，竖直面传感光纤(2)以3.0m的间距刻制50个光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，其特征是：所述的水平面传感光纤(1)以及竖直面传感光纤(2)均选用普通单模光纤；所述的圆柱形柔性长杆(3)的材质为弹性合金，截面直径设置为0.05m。
5.根据权利要求1所述的一种综采工作面刮板输送机直线度光纤监测方法，其特征是：所述的矿用信号解调仪(4)的最大通道数不少于两通道。
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