CN112815820A - 可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置及工作方法 - Google Patents

可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置及工作方法，适用于巷道厚煤层顶煤厚度探测使用。包括探地雷达系统、液压自动调高系统、顶煤平面对正系统、多点位平移系统和运载小车系统；探地雷达系统包括主机，连接线缆、雷达天线。液压自动调高系统由可控电动泵、导管、液压油缸、天线支架、测距传感器组成；顶煤平面对正系统由小转动载物台，大转动载物台，伺服电机以及测距传感器组成；多点位平移系统由丝杠，移动平台和伺服电机组成。解决了巷道顶煤厚度难以准确探测的问题，具有雷达天线自动调高，自动对正顶煤平面，多点位静态测量，软启动，运行平稳，复杂环境适应性强的特点。

Description

可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置及工作方法
【技术领域】
本发明涉及一种多点位顶煤厚度探测装置及工作方法，尤其适用于巷道厚煤层顶煤厚度探测使用的一种可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置及工作方法。
【背景技术】
煤炭作为我国能源主体，在过去开发的过程中，大力促进了我国经济发展。但现阶段顶煤厚度的探测尤其对特厚顶煤涉及很少，普遍以薄煤层为主，大多数以静态测量为主，并且测量效率低，测量精度差，获取的煤厚数据连续性不佳，造成了放顶煤工作面资源回采率低下的问题。为解决回采率低下的问题，国内学者指出对特厚顶煤厚度的准确探测，实现放顶煤智能化以及无人化开采是目前工作的当务之急。
目前厚煤层的顶煤厚度探测装置结构单一，便携性差，操作性不强。忽略了巷道复杂环境区域(深积水区、斜坡区)的顶煤厚度数据获取，忽视了天线工作时与顶煤所在平面对正的要求，并且传统静态测量存在偶然误差，动态测量忽略了探测装置均匀缓速的要求。
如一种勘探顶煤煤厚的探地雷达装置【CN201721218876.9】，仅提出单一雷达系统，结构简单，操作不便，难以满足大规模顶煤厚度探测，并且实际动态探测效果不能满足相关数据要求。
一种勘探煤厚雷达装置用固定装置【CN201922491407.X】，提出一种手推式探测装置，探测功能性不足，无法满足巷道中部分复杂环境区域的数据探测。
勘探顶煤煤厚的爬行探测装置【CN201821142974.3】，由于巷道顶煤中穿插锚杆，爬行探测装置无法满足对巷道顶煤厚度探测的要求。
基于上述探测装置获取的煤厚数据所构建的三维地质模型误差略大，整体结果的可信度较低。
【发明内容】
针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，自动化程度高，能够实现巷道复杂环境下厚煤煤层顶煤厚度的静态和动态测量的可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置及工作方法。
为实现上述技术目的，本发明可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，包括探地雷达系统、液压自动调高系统、顶煤平面对正系统、雷达天线多点位平移系统和运载小车；所述雷达天线多点位平移系统设置在运载小车，顶煤平面对正系统设施在雷达天线多点位平移系统上，顶煤平面对正系统上通过液压自动调高系统与探地雷达系统相连接；
所述的运载小车包括车身，车身上设有伺服电机和电源，车身底部通过四个减震器连接有前后两排共四个车轮，车轮上设有车轮电机，车轮电机连接有控制其工作的驱动遥控；
所述雷达天线多点位平移系统包括设置在车身上方的移动平台，移动平台与车身之间通过两条横置的滑轨连接，两条横置的滑轨之间设有一条横置的丝杠，通过伺服电机驱动移动平台与车身之间的丝杠旋转，从而驱动移动平台在车身上产生固定的横向移动；
所述顶煤平面对正系统为设置在驱动移动平台上的顶煤平行保持机构，顶煤平行保持机构始终与当前所处位置的顶煤平行；
所述液压自动调高系统包括设置在顶煤平行保持机构中心处的液压油缸，液压油缸上垂直设有天线支架；
所述探地雷达系统包括矩形结构的雷达天线，雷达天线设置在天线支架顶部，雷达天线上方的的边缘处分别设有四个测距传感器，测距传感器和雷达天线分别通过连接线缆连接有主机；通过调整顶煤平行保持机构的角度，使雷达天线式中与被测顶煤平行。
所述顶煤平行保持机构包括设置在驱动移动平台内的大旋转载物台，大旋转载物台内设有小转动载物台，其中驱动移动平台和大旋转载物台均为框体结构，驱动移动平台内侧与大旋转载物台的外侧通过左右两根对称设置的转轴活动连接，大旋转载物台内侧与小转动载物台的外侧通过前后两根对称设置的转轴活动连接，其中驱动移动平台和大旋转载物台之间的转轴处设有提供驱动力的伺服电机b，大旋转载物台与小转动载物台之间的转轴处设有提供驱动力的伺服电a。
所述顶煤平行保持机构为万向轴结构，并通过在周围设置多个拉绳电机或者伸缩油缸控制万向轴结构调整水平角度。
液压油缸通过导管连接设置在移动平台上的电动泵(6)提供油压，实现雷达天线的自动调高，实际调高最大高度为4m。
所述车身尾部设有推车用的扶手，扶手上设有托台，主机设置在托台上。
位于车身后方的两个车轮电机上设有锁死机构。
所述顶煤平面对正系统，依据四点测距传感器反馈的距离顶煤的数据，得到雷达天线的平面与顶煤平面的夹角误差，分别控制两转动载物台的转动，实现雷达天线与待测顶煤平面对正，实现与天线中心轴线0～±15°的误差调整。
所述运载小车的车轮电机采用降压启动并设置占空比逐渐变大的控制方法，实现平滑启动，减小启动时车身冲击，可实现均匀缓速动态测量。
为了适应不同顶煤厚度地测量，所述雷达天线为GC270HF、GC100HF、GC50HF 雷达天线，探测煤层厚度为0.15～15米。
一种可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置的工作方法，其步骤为：
驱动遥控控制运载小车行驶至预设待测点，打开锁死机构，使运载小车锁死。检查雷达天线、打开主机，设置雷达天线距离顶煤的距离L0；通过此事测距传感器反馈的参数控制电动泵为伸缩油缸加压，调整雷达天线与顶煤距离；
根据测距传感器反馈的信号，伺服电机a和伺服电机a分别调整大旋转载物台与小转动载物台的旋转角度，实现天线平面与当前测点的顶煤近似对正；
雷达天线向顶煤发出电磁波，经天线接收，通过连接线缆传输至主机，进行顶煤厚度的静态测量；然后伺服电机c带动丝杠转动，使得移动平台在车身静止不动的情况下横向位移一段距离，从而带动雷达天线在同一掘进深度下横向移动，然后雷达天线再次与顶煤平面对正，进行静态测量；取多点静态测量值的平均值作为最终测量结果，以减小静态测量的偶然误差；每次横向位移后顶煤平面对正系统均与顶煤重新进行位置矫正；
解除锁死机构，驱动运载小车在巷道中前进直至下一个预设待测点，重复上述操作实现顶煤厚度的动态测量；从而对整个巷道顶煤厚度静态和动态测量的数据进行整理。
在坡度较大，积水区等恶劣环境下测量时，首先打开运载小车的后轮的锁死机构，利用锁死机构的刹车片卡住后轮，自动切，实现装置在待测点的可靠固定。
有益效果：
本发明的液压自动调高系统，根据测距传感器反馈信号，实现对油缸的增/减压，推动天线支架升高/降低，实现了雷达天线自由调高的要求；
顶煤平面对正系统依据布置天线的测距传感器，计算天线平面与顶煤平面的夹角，伺服电机、伺服电机分别带动旋转载物台转动，实现天线与顶煤的对正；
雷达天线多点位平移系统利用伺服电机带动丝杠旋动，使得移动平台在车身产生固定位移，减小了同一掘进深度静态测量时的偶然误差；
动力装置采用直流电机降压启动和pwm调速，能够实现软启动；
车轮处配有减震器有效提高探测装置在巷道运行的平稳性；
载物小车的后轮安装有锁死机构，刹车片与车轮电机控制电路的串联系统，保证了静态测量时，装置的稳定性。
载物小车的后轮轮毂宽于前轮，较宽的后轮增大与地面的摩擦，提高巷道内行驶的动力；较窄的前轮可减轻前部重量，提高装置方向的可控性。
由于测量点上方锚杆布置问题以及其他因素对雷达波的干扰，导致单词的测量数据容易产生误差，所以使用丝杠带动整个测量装置产生一定的横移，可对测量点附近的同一掘进深度进行煤厚测量，从减小以往单一测量的误差，强化静态测量的效果。
【附图说明】
图1为本发明可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置的主视图；
图2为本发明可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置的俯视图；
图3为本发明雷达天线上测距传感器布置示意图；
图4为本发明雷达天线自动对正系统结构示意图；
图5为本发明巷道雷达天线自动对正系统工作示意图；
图6为本发明可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置的工作流程图。
图中：1-测距传感器，2-雷达天线，3-连接线缆，4-主机，5-托台，6-电动泵，7-导管，8-减震器，9-锁死机构，10-天线支架，11-伸缩油缸，12小旋转载物台，13-伺服电机a，14-伺服电机b，15-大旋转载物台，16移动平台，17-车身，18-伺服电机c，19- 电源，20-车轮电机，21驱动遥控，22丝杠。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明的可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，包括探地雷达系统、液压自动调高系统、顶煤平面对正系统、雷达天线多点位平移系统和运载小车；所述雷达天线多点位平移系统设置在运载小车，顶煤平面对正系统设施在雷达天线多点位平移系统上，顶煤平面对正系统上通过液压自动调高系统与探地雷达系统相连接；
所述的运载小车包括车身17，车身17上设有伺服电机18和电源19，车身17底部通过四个减震器8连接有前后两排共四个车轮，车轮上设有车轮电机20，车轮电机20 连接有控制其工作的驱动遥控21；位于车身17后方的两个车轮电机20上设有锁死机构9；
所述雷达天线多点位平移系统包括设置在车身17上方的移动平台16，移动平台16与车身17之间通过两条横置的滑轨连接，两条横置的滑轨之间设有一条横置的丝杠22，通过伺服电机18驱动移动平台16与车身17之间的丝杠22旋转，从而驱动移动平台16 在车身17上产生固定的横向移动；车身17尾部设有推车用的扶手，扶手上设有托台5，主机4设置在托台5上；
所述顶煤平面对正系统为设置在驱动移动平台16上的顶煤平行保持机构，顶煤平行保持机构始终与当前所处位置的顶煤平行；
所述液压自动调高系统包括设置在顶煤平行保持机构中心处的液压油缸11，液压油缸11上垂直设有天线支架10；液压油缸11通过导管7连接设置在移动平台16上的电动泵6提供油压，实现雷达天线的自动调高，实际调高最大高度为4m；
所述探地雷达系统包括矩形结构的雷达天线2，雷达天线2设置在天线支架10顶部，雷达天线2上方的的边缘处分别设有四个测距传感器1，测距传感器1和雷达天线2分别通过连接线缆3连接有主机4；通过调整顶煤平行保持机构的角度，使雷达天线2式中与被测顶煤平行；为了适应不同顶煤厚度地测量，所述雷达天线2为GC270HF、 GC100HF、GC50HF雷达天线，探测煤层厚度为0.15～15米。
所述顶煤平行保持机构包括设置在驱动移动平台16内的大旋转载物台15，大旋转载物台15内设有小转动载物台12，其中驱动移动平台16和大旋转载物台15均为框体结构，驱动移动平台16内侧与大旋转载物台15的外侧通过左右两根对称设置的转轴活动连接，大旋转载物台15内侧与小转动载物台12的外侧通过前后两根对称设置的转轴活动连接，其中驱动移动平台16和大旋转载物台15之间的转轴处设有提供驱动力的伺服电机b14，大旋转载物台15与小转动载物台12之间的转轴处设有提供驱动力的伺服电a13。或者顶煤平行保持机构为万向轴结构，并通过在周围设置多个拉绳电机或者多个伸缩油缸11控制万向轴结构调整水平角度。顶煤平面对正系统，依据四点测距传感器1反馈的距离顶煤的数据，得到雷达天线2的平面与顶煤平面的夹角误差，分别控制两转动载物台的转动，实现雷达天线与待测顶煤平面对正，实现与天线中心轴线0～± 15°的误差调整。
一种可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置的工作方法，其步骤为：
驱动遥控21控制运载小车行驶至预设待测点，打开锁死机构9，使运载小车锁死。检查雷达天线2、打开主机4，设置雷达天线2距离顶煤的距离L0；通过此事测距传感器1反馈的参数控制电动泵6为伸缩油缸11加压，调整雷达天线2与顶煤距离；
根据测距传感器1反馈的信号，伺服电机a13和伺服电机a14分别调整大旋转载物台15与小转动载物台12的旋转角度，实现天线平面与当前测点的顶煤近似对正；
雷达天线2向顶煤发出电磁波，经天线2接收，通过连接线缆3传输至主机4，进行顶煤厚度的静态测量；然后伺服电机c18带动丝杠22转动，使得移动平台16在车身 17静止不动的情况下横向位移一段距离，从而带动雷达天线2在同一掘进深度下横向移动，然后雷达天线2再次与顶煤平面对正，进行静态测量；取多点静态测量值的平均值作为最终测量结果，以减小静态测量的偶然误差；每次横向位移后顶煤平面对正系统均与顶煤重新进行位置矫正；
解除锁死机构9，驱动运载小车在巷道中前进直至下一个预设待测点，重复上述操作实现顶煤厚度的动态测量；从而对整个巷道顶煤厚度静态和动态测量的数据进行整理。
运载小车的车轮电机20采用降压启动并设置占空比逐渐变大的控制方法，实现平滑启动，减小启动时车身冲击，可实现均匀缓速动态测量。
在坡度较大，积水区等恶劣环境下测量时，首先打开运载小车的后轮的锁死机构9，利用锁死机构9的刹车片卡住后轮，自动切，实现装置在待测点的可靠固定。

Claims (10)

1.一种可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，其特征在于：它包括探地雷达系统、液压自动调高系统、顶煤平面对正系统、雷达天线多点位平移系统和运载小车；所述雷达天线多点位平移系统设置在运载小车，顶煤平面对正系统设施在雷达天线多点位平移系统上，顶煤平面对正系统上通过液压自动调高系统与探地雷达系统相连接；
所述的运载小车包括车身(17)，车身(17)上设有伺服电机(18)和电源(19)，车身(17)底部通过四个减震器(8)连接有前后两排共四个车轮，车轮上设有车轮电机(20)，车轮电机(20)连接有控制其工作的驱动遥控(21)；
所述雷达天线多点位平移系统包括设置在车身(17)上方的移动平台(16)，移动平台(16)与车身(17)之间通过两条横置的滑轨连接，两条横置的滑轨之间设有一条横置的丝杠(22)，通过伺服电机(18)驱动移动平台(16)与车身(17)之间的丝杠(22)旋转，从而驱动移动平台(16)在车身(17)上产生固定的横向移动；
所述顶煤平面对正系统为设置在驱动移动平台(16)上的顶煤平行保持机构，顶煤平行保持机构始终与当前所处位置的顶煤平行；
所述液压自动调高系统包括设置在顶煤平行保持机构中心处的液压油缸(11)，液压油缸(11)上垂直设有天线支架(10)；
所述探地雷达系统包括矩形结构的雷达天线(2)，雷达天线(2)设置在天线支架(10)顶部，雷达天线(2)上方的的边缘处分别设有四个测距传感器(1)，测距传感器(1)和雷达天线(2)分别通过连接线缆(3)连接有主机(4)；通过调整顶煤平行保持机构的角度，使雷达天线(2)式中与被测顶煤平行。
2.根据权利要求1所述可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，其特征在于：所述顶煤平行保持机构包括设置在驱动移动平台(16)内的大旋转载物台(15)，大旋转载物台(15)内设有小转动载物台(12)，其中驱动移动平台(16)和大旋转载物台(15)均为框体结构，驱动移动平台(16)内侧与大旋转载物台(15)的外侧通过左右两根对称设置的转轴活动连接，大旋转载物台(15)内侧与小转动载物台(12)的外侧通过前后两根对称设置的转轴活动连接，其中驱动移动平台(16)和大旋转载物台(15)之间的转轴处设有提供驱动力的伺服电机b(14)，大旋转载物台(15)与小转动载物台(12)之间的转轴处设有提供驱动力的伺服电a(13)。
3.根据权利要求1所述的可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，其特征在于：所述顶煤平行保持机构为万向轴结构，并通过在周围设置多个拉绳电机或者多个伸缩油缸(11)控制万向轴结构调整水平角度。
4.根据权利要求1所述的可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，其特征在于：液压油缸(11)通过导管(7)连接设置在移动平台(16)上的电动泵(6)提供油压，实现雷达天线的自动调高，实际调高最大高度为4m。
5.根据权利要求1所述的可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，其特征在于：所述车身(17)尾部设有推车用的扶手，扶手上设有托台(5)，主机(4)设置在托台(5)上。
6.根据权利要求1所述的可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，其特征在于：位于车身(17)后方的两个车轮电机(20)上设有锁死机构(9)。
7.根据权利要求2或3所述的可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，其特征在于：所述顶煤平面对正系统，依据四点测距传感器(1)反馈的距离顶煤的数据，得到雷达天线(2)的平面与顶煤平面的夹角误差，分别控制两转动载物台的转动，实现雷达天线与待测顶煤平面对正，实现与天线中心轴线0～±15°的误差调整。
8.根据权利要求1所述的可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置，其特征在于：所述运载小车的车轮电机(20)采用降压启动并设置占空比逐渐变大的控制方法，实现平滑启动，减小启动时车身冲击，可实现均匀缓速动态测量。
9.一种使用上述任一权利要求所述可自动调高、对正的多点位顶煤厚度探测装置的工作方法，其特征在于步骤为：
驱动遥控(21)控制运载小车行驶至预设待测点，打开锁死机构(9)，使运载小车锁死。检查雷达天线(2)、打开主机(4)，设置雷达天线(2)距离顶煤的距离L0；通过此事测距传感器(1)反馈的参数控制电动泵(6)为伸缩油缸(11)加压，调整雷达天线(2)与顶煤距离；
根据测距传感器(1)反馈的信号，伺服电机a(13)和伺服电机a(14)分别调整大旋转载物台(15)与小转动载物台(12)的旋转角度，实现天线平面与当前测点的顶煤近似对正；
雷达天线(2)向顶煤发出电磁波，经天线(2)接收，通过连接线缆(3)传输至主机(4)，进行顶煤厚度的静态测量；然后伺服电机c(18)带动丝杠(22)转动，使得移动平台(16)在车身(17)静止不动的情况下横向位移一段距离，从而带动雷达天线(2)在同一掘进深度下横向移动，然后雷达天线(2)再次与顶煤平面对正，进行静态测量；取多点静态测量值的平均值作为最终测量结果，以减小静态测量的偶然误差；每次横向位移后顶煤平面对正系统均与顶煤重新进行位置矫正；
解除锁死机构(9)，驱动运载小车在巷道中前进直至下一个预设待测点，重复上述操作实现顶煤厚度的动态测量；从而对整个巷道顶煤厚度静态和动态测量的数据进行整理。
10.根据权利要求10所述的工作方法，其特征在于：在坡度较大，积水区等恶劣环境下测量时，首先打开运载小车的后轮的锁死机构(9)，利用锁死机构(9)的刹车片卡住后轮，自动切，实现装置在待测点的可靠固定。
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