CN111577351A - 一种超前液压支架偏角测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超前液压支架偏角测量装置及其使用方法，本装置包括由摆动梁、下连杆、从动梁以及上连杆依次铰接在一起组成的平行四边形机构，摆动梁的中部设有刚性梁，刚性梁上端与摆动梁上端、刚性梁下端与摆动梁下端之间分别设有右光栅和左光栅，摆动梁中部铰接有固定臂，固定臂固定在左超前液压支架上，从动梁固定在右超前液压支架上，上连杆、下连杆上分别设有拉压力传感器，本方法能够实现煤矿井下超前液压支架的偏角检测和超前液压支架的前移调直，使超前液压支架在巷道中竟然有序的依次前移，提高了超前液压支架前移的位姿精度和工作效率进而提高煤矿设备的自动化和智能化水平，从而保证了煤炭的开采效率和经济效率。

Description

一种超前液压支架偏角测量装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下综采领域，具体涉及一种超前液压支架偏角测量装置 及其使用方法。

背景技术

随着煤矿井下综采工作面机械自动化程度的快速提高，通风、运输和开采 工艺对两道断面尺寸要求越来越大，传统的工作面超前支护方式从支护能力、 支护高度、自动化程度、可操作性、安全性方面都已经不适应安全高效综采工 作面对超前支护的要求。尤其是目前超前液压支架存在着两大问题：一是超前 液压支架在工作过程中不能测量出一组超前液压支架的相对偏角，超前液压支 架工仅依据自己的工作经验进行拖拽超前液压支架前移，并不能保证左右两台 超前液压支架平行的向前移动，只能根据经验判断是否偏移，大大增加了工人 的劳动强度和劳动时间，降低了工作效率。二是无论是人工拖拽还是已经存在 的自移式超前液压支架都存在着前移过程中，超前液压支架出现偏移而不能调直的问题，在每一次前移的过程中，超前支架会有微小的偏移，在不断累积之 后，偏移误差达到一定值之后，超前支架的护帮板有卡进巷道一侧的煤壁里， 导致无法继续前移，从而影响采煤进度，降低工作效率。为了克服上述不足， 亟需一种能够实现超前液压支架偏角测量的装置以及调直其前移方向的装置 和方法。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种超前液压支架偏角测 量装置及其使用方法，其能够实现煤矿井下超前液压支架的偏角检测和超前液 压支架的前移调直，保证了煤炭的开采效率和经济效率，提高了煤矿设备的自 动化和智能化水平。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种超前液压支架偏角测量装置，包括由摆动梁5、下连杆6、 从动梁8以及上连杆10依次铰接在一起组成的平行四边形机构，所述摆动梁5 的中部设有刚性梁，所述刚性梁上端与摆动梁5上端之间、所述刚性梁下端与 摆动梁5下端之间分别固定有右光栅2和左光栅4，所述右光栅2、所述左光 栅4同轴线设置并分别与所述摆动梁5平行，所述摆动梁5上还铰接有固定臂 3，所述固定臂3固定在左超前液压支架1上并与其垂直设置，所述从动梁8 固定在右超前液压支架9上并与其平行设置，所述上连杆10、所述下连杆6 上分别设有拉压力传感器7。

优选地，两个所述拉压力传感器7分别设在上连杆10和下连杆6的中部。

优选地，所述固定臂3固定在摆动梁5的中部。

本发明还提供一种上述的超前液压支架偏角测量装置的使用方法，如图4 所示，具体包括以下步骤：

S1、在煤矿井下以左超前液压支架1为主，根据巷道方向在左超前液压支 架1的起始位置标定校正其位置和方向；

S2、右超前液压支架9以左超前液压支架1作为参考进行前移；

超前液压支架在巷道中沿巷道方向朝工作面推进方向每次推进一个步距， 步距即是截深，是采煤机沿工作面推进方向一次割煤的宽度；

S3、右超前液压支架9前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量 装置计算出此时偏角θ；

计算偏角θ的公式为：θ＝(arcsin(Δλ/F))/η_θ，其中，F为拉压力传感器7数 值，Δλ为光栅中心波长漂移量且由光栅静态调解仪11测得，Δλ＝α_ε(ε₁-ε₂)， ε₁为左光栅4的应变量，ε₂为右光栅2的应变量；α_ε为光栅的应变灵敏系数； η_θ为上述超前液压支架偏角测量装置的灵敏性系数；

S4、若偏角θ小于等于0，则重复步骤S3，若偏角θ大于0，读取此时θ数值 并调整右超前液压支架9的行驶方向使偏角θ为0后前移；

S5、右超前液压支架9前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量 装置计算出此时偏角θ；

S6、若偏角θ不等于0，则调整右超前液压支架9使其偏角θ等于0，若偏 角θ等于0则直接进行下一步；

S6、左超前液压支架1前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量 装置计算出此时偏角θ；

S7、若偏角θ小于等于0，则重复步骤S6，若偏角θ大于0，读取此时θ数值 并调整左超前液压支架1的行驶方向使偏角θ为0后前移；

S8、左超前液压支架1前移一个步距后停止，判断是否到达巷道末端，若 到达了则结束前进，若未到达则利用超前液压支架偏角测量装置计算出此时偏 角θ；

S9、若偏角θ不等于0，则调整左超前液压支架1使其偏角θ等于0，若偏 角θ等于0则重复步骤S2-S8直至到达巷道末端。

优选地，步骤S3中，超前液压支架偏角测量装置的灵敏性系数η_θ计算公 式为：

其中，设左光栅4与刚性梁的触点为A，右光栅2与刚性梁的触点为A₁， 左光栅4与摆动梁5下端触点为O，K为刚性梁AA₁的中点，l₁为OA段的长度， l₂为AK的长度，L为左光栅4的初始长度，E为摆动梁OA段的杨氏模量，b为 摆动梁OA段的宽度，h为摆动梁OA段的厚度。

本发明的有益效果在于：本发明的偏角测量装置和方法能够实现煤矿井下 超前液压支架的偏角检测和超前液压支架的前移调直，使超前液压支架在巷道 中竟然有序的依次前移，提高了超前液压支架前移的位姿精度和工作效率进而 提高煤矿设备的自动化和智能化水平，从而保证了煤炭的开采效率和经济效 率。同时，本发明可以减少煤矿井下超前液压支架工种的人员数量，减少自然 灾害引起的人员伤亡，保障了煤矿安全生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超前液压支架偏角测量装置的结构示意 图；

图2为本发明实施例提供的一种超前液压支架偏角测量装置与左右超前液 压支架固定图；

图3为本发明实施例提供的一种超前液压支架偏角测量装置产生偏角θ时 状态图；

图4为本发明实施例提供的一种超前液压支架偏角测量装置使用方法流程 图；

图5为本发明实施例提供的一种超前液压支架偏角测量装置工作时左右光 栅受力示意图；

图6为本发明实施例提供的一种超前液压支架偏角测量装置工作时左光栅 工作原理示意图。

附图标记说明：

1、左超前液压支架，2、上光栅，3、固定臂，4、下光栅，5、摆动梁，6、 下连杆，7、拉压力传感器，8、从动梁，9、右超前液压支架，10、上连杆， 11、光栅静态调解仪。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，一种超前液压支架偏角测量装置及其使用方法，包括 由摆动梁5、下连杆6、从动梁8以及上连杆10依次铰接在一起组成的平行四 边形机构，所述摆动梁5的中部设有刚性梁，所述刚性梁上端与摆动梁5上端 之间、所述刚性梁下端与摆动梁5下端之间分别固定有右光栅2和左光栅4， 所述右光栅2、所述左光栅4同轴线设置并分别与所述摆动梁5平行，所述摆 动梁5上还铰接有固定臂3，所述固定臂3固定在左超前液压支架1上并与其 垂直设置，所述从动梁8固定在右超前液压支架9上并与其平行设置，所述上 连杆10、所述下连杆6上分别设有拉压力传感器7。

两个所述拉压力传感器7分别设在上连杆10和下连杆6的中部。

所述固定臂3固定在摆动梁5的中部。

本发明还提供一种上述的超前液压支架偏角测量装置的使用方法，具体包 括以下步骤：

S1、在煤矿井下以左超前液压支架1为主，根据巷道方向在左超前液压支 架1的起始位置标定校正其位置和方向；

S2、右超前液压支架9以左超前液压支架1作为参考进行前移；

超前液压支架在巷道中沿巷道方向朝工作面推进方向每次推进一个步距， 步距即是截深，是采煤机沿工作面推进方向一次割煤的宽度；

S3、右超前液压支架9前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量 装置计算出此时偏角θ；

计算偏角θ的公式为：θ＝(arcsin(Δλ/F))η_θ，其中，F为拉压力传感器7数 值，Δλ为光栅中心波长漂移量且由光栅静态调解仪11测得，Δλ＝α_ε(ε₁-ε₂)， ε₁为左光栅4的应变量，ε₂为右光栅2的应变量；α_ε为光栅的应变灵敏系数； η_θ为上述超前液压支架偏角测量装置的灵敏性系数；

设左光栅4与刚性梁的触点为A，右光栅2与刚性梁的触点为A₁，左光栅 4与摆动梁5下端触点为O，K为刚性梁AA₁的中点，，l₁为OA段的长度，l₂为 AK的长度，L为左光栅4的初始长度，E为摆动梁OA段的杨氏模量，b为摆动 梁OA段的宽度，h为摆动梁OA段的厚度。

S4、若偏角θ小于等于0，则重复步骤S3，若偏角θ大于0，读取此时θ数值 并调整右超前液压支架9的行驶方向使偏角θ为0后前移；

S5、右超前液压支架9前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量 装置计算出此时偏角θ；

S6、若偏角θ不等于0，则调整右超前液压支架9使其偏角θ等于0，若偏 角θ等于0则直接进行下一步；

S6、左超前液压支架1前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量 装置计算出此时偏角θ；

S7、若偏角θ小于等于0，则重复步骤S6，若偏角θ大于0，读取此时θ数值 并调整左超前液压支架1的行驶方向使偏角θ为0后前移；

S8、左超前液压支架1前移一个步距后停止，判断是否到达巷道末端，若 到达了则结束前进，若未到达则利用超前液压支架偏角测量装置计算出此时偏 角θ；

S9、若偏角θ不等于0，则调整左超前液压支架1使其偏角θ等于0，若偏 角θ等于0则重复步骤S2-S8直至到达巷道末端。

步骤S3中，偏角θ测量计算原理如图5和图6所示，超前液压支架偏角测 量装置偏转θ角时，根据其结构对图5中对称机构中的左光栅4进行力学分析 如图6所示，OA段为柔性梁，右光栅2与摆动梁5上端触点为O₁，AK段为刚 性梁，由A点的受力分析可知，该点受连杆的拉力以及连杆对OA段的产生弯 矩M_A，则A点受到垂直OK方向的力为：

F_t＝F sinθ (1)

弯矩M_A为：

M_A＝Fl₁sinθ (2)

其中，l₁为触点A到触点O的距离。

在F_t作用下点A的挠曲变形量ω_A1为：

其中l₁为OA段的长度，E为摆动梁OA段梁的杨氏模量；I为OA段梁惯性 矩I＝bh³/12，b为OA段梁的宽度，h为OA段梁的厚度。

在弯矩M_A作用下A点的挠曲变形量位移ω_A2为：

A点在挠曲变形作用下产生断截面转角α为：

其中α可近似为

随着OA段的截面转角α，AK段同样旋转α角，K点就会产生相应的位移。 所以，K点产生的总位移d等于A点的位移与由截面转角产生的位移之和，即 为：

d＝l₂sinα+ω_A1+ω_A2 (7)

将公式(1)到公式(6)代入公式(7)可得：

由于左右两个光栅是沿着K点对称布置的，因此K点位移d为左右两侧光 栅的伸长量和压缩量之和，故光栅的应变量为ε₁和ε₂，即ε₁＝d/L，ε₂＝-d/L， 其中L为光栅的初始长度。

根据光栅传感器原理可得，左光栅4与右光栅2的中心波长偏移量为Δλ_L、 Δλ_R，即Δλ_L＝α_εε₁+α_TΔT，Δλ_R＝α_εε₂+α_TΔT，其中α_T为温度灵敏系数，α_ε为应变 灵敏系数，两者可根据查表求得。为了消除温度对光栅的影响，取Δλ_L和Δλ_R的 差值，即：Δλ＝α_ε(ε₁-ε₂)，其中Δλ为左光栅4与右光栅2波长变化幅度差。 把以上所得的d、ε₁和ε₂代入Δλ＝α_ε(ε₁-ε₂)可得波长变化幅度差与θ的关系为：

其中，η_θ为本发明超前液压支架偏角测量装置的灵敏性系数，即为：

由于l₁、l₂、L、E、b和h可通过超前液压支架光栅偏角测量装置机构参数和 查表可知，是固定的数值，故η_θ为已知的常数值，计算偏角θ的公式为： θ＝(arcsin(Δλ/F))/η_θ，式中F为左右超前液压支架在工作过程中拉压力传感器 7的值，Δλ为光栅中心波长漂移量且可由光栅静态调解仪11测得。

本发明超前液压支架光栅偏角测量装置，根据光栅静态调解仪11和拉压 力传感器7的数值测得同组两个左右超前液压支架的相对偏角。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种超前液压支架偏角测量装置，其特征在于，包括由摆动梁5、下连杆6、从动梁8以及上连杆10依次铰接在一起组成的平行四边形机构，所述摆动梁5的中部设有刚性梁，所述刚性梁上端与摆动梁5上端之间、所述刚性梁下端与摆动梁5下端之间分别固定有右光栅2和左光栅4，所述右光栅2、所述左光栅4同轴线设置并分别与所述摆动梁5平行，所述摆动梁5上还铰接有固定臂3，所述固定臂3固定在左超前液压支架1上并与其垂直设置，所述从动梁8固定在右超前液压支架9上并与其平行设置，所述上连杆10、所述下连杆6上分别设有拉压力传感器7。

2.如权利要求1所述的一种超前液压支架偏角测量装置，其特征在于，两个所述拉压力传感器7分别设在上连杆10和下连杆6的中部。

3.如权利要求1所述的一种超前液压支架偏角测量装置，其特征在于，所述固定臂3固定在摆动梁5的中部。

4.一种如权利要求1至3任一项所述的超前液压支架偏角测量装置的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、在煤矿井下以左超前液压支架1为主，根据巷道方向在左超前液压支架1的起始位置标定校正其位置和方向；

S2、右超前液压支架9以左超前液压支架1作为参考进行前移；

超前液压支架在巷道中沿巷道方向朝工作面推进方向每次推进一个步距，步距即是截深，是采煤机沿工作面推进方向一次割煤的宽度；

S3、右超前液压支架9前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量装置计算出此时偏角θ；

计算偏角θ的公式为：θ＝(arcsin(Δλ/F))/η_θ，其中，F为拉压力传感器7数值，Δλ为光栅中心波长漂移量且由光栅静态调解仪11测得，Δλ＝α_ε(ε₁-ε₂)，ε₁为左光栅4的应变量，ε₂为右光栅2的应变量；α_ε为光栅的应变灵敏系数；η_θ为上述超前液压支架偏角测量装置的灵敏性系数；

S4、若偏角θ小于等于0，则重复步骤S3，若偏角θ大于0，读取此时θ数值并调整右超前液压支架9的行驶方向使偏角θ为0后前移；

S5、右超前液压支架9前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量装置计算出此时偏角θ；

S6、若偏角θ不等于0，则调整右超前液压支架9使其偏角θ等于0，若偏角θ等于0则直接进行下一步；

S6、左超前液压支架1前移一个步距后停止，利用超前液压支架偏角测量装置计算出此时偏角θ；

S7、若偏角θ小于等于0，则重复步骤S6，若偏角θ大于0，读取此时θ数值并调整左超前液压支架1的行驶方向使偏角θ为0后前移；

S8、左超前液压支架1前移一个步距后停止，判断是否到达巷道末端，若到达了则结束前进，若未到达则利用超前液压支架偏角测量装置计算出此时偏角θ；

S9、若偏角θ不等于0，则调整左超前液压支架1使其偏角θ等于0，若偏角θ等于0则重复步骤S2-S8直至到达巷道末端。

5.如权利要求4所述的一种超前液压支架偏角测量装置的使用方法，其特征在于，步骤S3中，超前液压支架偏角测量装置的灵敏性系数η_θ计算公式为：

其中，设左光栅4与刚性梁的触点为A，右光栅2与刚性梁的触点为A₁，左光栅4与摆动梁5下端触点为O，K为刚性梁AA₁的中点，l₁为OA段的长度，l₂为AK的长度，L为左光栅4的初始长度，E为摆动梁OA段的杨氏模量，b为摆动梁OA段的宽度，h为摆动梁OA段的厚度。

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