CN203011358U - 压力式液压支架高度检测系统 - Google Patents

Abstract

为了解决现有煤矿井下测量液压支架高度存在成本较高、计算复杂、精确度较低，安装、检修不便的问题，提供一种压力式液压支架高度检测系统及方法。压力式液压支架高度检测系统，包括压力传感器、控制模块、无线发送模块、电源模块和液压软管，液压软管一端密闭连接压力传感器，另一端开口，液压软管内盛装液体；控制模块连接压力传感器采集、无线发送模块和电源模块。本实用新型具有成本低廉，测量简单精确，便于安装的特点，可以更好地配合煤矿井下综采工作面的协调工作，提高综采工作面的工作效率。

Description

压力式液压支架高度检测系统

技术领域

本实用新型涉及煤矿井下液压支架控制系统，具体为一种压力式液压支架高度检测系统及方法。 

背景技术

随着煤炭采掘自动化水平越来越高，在煤矿井下综采工作面中，对采煤设备的状态监测与掌控已成为国内现代化煤矿的迫切需求。液压支架数量众多，动作频繁，需要频繁采集液压支架顶梁头部的高度，来完成与采煤机等其它综采工作面采运煤设备的协调作业。 

在地下开采中，各种类型的液压支架用来完成顶板支撑和防止该顶部支撑过早塌陷的任务。在液压支架的运动过程中需要降架才能实现液压支架的移动，液压支架降架高度越大，液压支架顶板脱离支撑状态的时间就越长，造成顶板塌陷的机率就越高，同时液压支架降架所需的时间也就越长。最大限度的控制液压支架的降架高度，不但可以实现液压支架对支护顶板的有效管理，而且可以提高液压支架移架速度。因此对液压支架高度的精确测量就显得尤为重要。 

液压支架高度采集常规方法有：在液压支架的顶梁、掩护梁以及底座上分别安装双轴倾角传感器，通过倾角传感器测量顶梁、掩护梁以及底座与水平方向上的倾角，根据已知顶梁、掩护梁、底座及连杆机构与油缸等的相关几何尺寸可计算得出液压支架顶梁顶端的高度。实际使用过程中，这种方式测量方法存在成本较高、计算复杂、精确度较低，安装、检修不方便的问题。 

发明内容

本实用新型为了解决现有煤矿井下测量液压支架高度存在成本较高、计算复杂、精确度较低，安装、检修不便的问题，提供一种压力式液压支架高度检测传感器。 

本实用新型具体采用如下技术方案实现： 

压力式液压支架高度检测系统，用于测量液压支架顶梁的高度，其特征在于：

包括压力传感器、控制模块、无线发送模块、电源模块和液压软管，液压软管一端密闭连接压力传感器，另一端开口，且固定于液压支架顶梁顶端，液压软管内盛装一定容量液体；控制模块连接压力传感器、无线发送模块和电源模块。

根据实施例的一个方面，液压软管中的液体可以选用常见无毒便于携带液体，常选用水。 

根据实施例的一个方面，控制模块可选取TI公司生产的MSP430系列单片机；压力传感器选取深圳瑞德龙公司出品的ccps32型号压力传感器；无线发送模块选取CC1101无线模块。 

根据实施例的一个方面，所述液压支架，包括护帮1、伸缩梁2、顶梁3、立柱4、千斤顶5、上连杆6、底座14、后探梁9、前连杆13、后连杆12以及隔离机构16。 

根据实施例的一个方面，液压支架由前架和后架构成，前架包括一级护帮3、二级护帮1、顶梁5、前立柱6、后立柱9，上连杆7、前连杆8、后连杆10和底座23。 

根据实施例的一个方面，液压软管用套环和固定块固定于液压支架上，跟随液压支架移动。 

根据实施例的一个方面，压力传感器测量出液压软管底部受到的液体的压力P，并将测量出的压力值传送给控制模块，控制模块处理数据后经无线发送模块发送给指定基站，用户从基站处读取液压软管底部压力值数据，根据公式压力P=ρgh计算出压力测量点至液面的垂直高度h；其中，ρ为液体密度，g为重力加速度，值取9.80N/kg，h为压力传感器测量点至液面的垂直高度，单位米。 

根据其中一个实施例，提供一种压力式液压支架高度检测传感器，包括压力传感器、控制模块、无线发送模块、电源模块和液压软管，液压软管一端密闭连接压力传感器，另一端开口，液压软管内盛装液体；控制模块连接压力传感器采集、无线发送模块和电源模块。 

液压软管可密闭盛装液体，使用时将液压软管开口一端垂挂于液压支架顶梁顶端，连接的压力传感器一端固定于液压支架底粱上。 

液压软管中的液体可以选用常见无毒便于携带液体，常选用水。注入液体的高度应与液压支架顶梁顶部的高度相同，便于精确测量。 

控制模块选取TI公司生产的MSP430系列单片机，该系列单片机具有高效、低功耗的特点。压力传感器选取深圳瑞德龙公司出品的ccps32型号压力传感器。无线发送模块选取CC1101无线模块，CC1101无线模块工作在433M频道进行无线通信。 

与现有技术相比，本实用新型具有成本低廉，测量简单精确，便于安装的特点，可以更好地配合煤矿井下综采工作面的协调工作，提高综采工作面的工作效率。 

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本实用新型再作进一步详细的说明。 

图1为本实用新型所述压力式液压支架高度检测传感器的原理框图。 

图2为本实用新型所述压力式液压支架高度检测传感器的安装及工作示意图。 

图3示出了一种液压支架的主视示意图。 

图4示出了一种液压支架的主视示意图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点描述地更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 

根据本实用新型的一个实施例，图3示出了一种液压支架，包括护帮1、伸缩梁2、顶梁3、立柱4、千斤顶5、上连杆6、底座14、后探梁9、前连杆13、后连杆12以及隔离机构16，其中，所述前连杆13以及所述后连杆12共有两组并对称地设置在所述液压支架的两侧，所述护帮1铰接安装在所述伸缩梁2的前端，所述伸缩梁2安装在所述顶梁3的前端，所述前连杆13和所述后连杆12的下端铰接安装在所述底座14上，所述前连杆13和所述后连杆12的上端与所述上连杆6铰接，所述上连杆6、所述前连杆13、所述后连杆12和所述底座14组成四连杆机构，所述上连杆6的上端与所述顶梁3铰接，所述液压支架包括两个所述立柱4，两个所述立柱(4)分别设置于所述底座14的两侧，两个所述立柱4的上下端分别与所述顶梁3和所述底座14铰接，所述后探梁9与所述顶梁3的后端铰接，在所述后探梁9下侧安装有所述隔离机构16，所述隔离机构16可防止膏体流入该隔离机构16前部。本实施例中，所述隔离机构可以安装在所述后探梁下部，也可以安装在所述底座上部，只要能实现阻挡膏体进入所述隔离机构前方即可。在该技术方案中，采用两根立柱支撑结构，结构简单、紧凑，而且可以使所述顶梁的前后高度一致，从而使对所述顶梁的支撑更加稳定，解决了顶梁不稳定的问题，消除了安全隐患，提高了安全系数，而且，所述底座、所述上连杆、所述前连杆和所述后连杆形成四连杆结构，可以配合所述立柱实现升架和降架，适合不同高度的使用需求，以及，在不工作时将进行降架，从而减小所占用的空间，方便支架的移动，在所述后探梁下侧安装有所述隔离机构，可以防止充填膏体流入支架前部而对移架造成阻碍，使移架更容易。 

当所述液压支架从图3所示状态降架时，护帮1向下转动并折叠，伸缩梁2回缩至顶梁3内，尾梁调节千斤顶8拉动隔离机构16向前摆动折叠，后探梁调节千斤顶7拉动后探梁9向下摆动折叠，立柱4回缩下降，同时上连杆调节千斤顶5推动上连杆6进而驱动四连杆机构19向下折叠，最终使整个所述液压支架折叠降架。升架时，立柱4首先伸长，将顶梁3顶起，顶梁3带动安装在其上面的护帮1、伸缩梁2、后探梁9、后探梁调节千斤顶7以及尾梁调节千斤顶8上升，顶梁3还拉动上连杆6上升，同时拉动四连杆机构19向上展开，当立柱4伸长到合适长度时，再通过上连杆调节千斤顶5调节顶梁3与水平面的夹角，使顶梁3紧贴巷道顶壁，然后再完成护帮1和后探梁9的展开，伸缩梁2的伸出以及隔离机构16的展开，最终恢复到图3所示状态。 

在上述液压支架上安装高度检测系统，包括压力传感器、控制模块、无线发送模块、电源模块和液压软管，液压软管一端密闭连接压力传感器，另一端开口，液压软管内注液体；控制模块连接压力传感器采集、无线发送模块和电源模块。 

液压软管可密闭盛装液体，安装时将液压软管开口一端固定于液压支架顶梁顶端，连接的压力传感器一端固定于液压支架底座或其它相对于底座位置固定的地方。液压软管用套环和固定块固定于液压支架上，跟随液压支架移动。 

液压软管中的液体可以选用常见无毒便于携带液体，常选用水。注入液体的高度应与液压支架顶梁顶部的高度相同，便于精确测量。 

具体的，查知液体工作环境温度T=5-15℃下的密度（水的密度为1000kg/m³），压力传感器测量出液压软管底部受到的水的压力P，并将测量出的压力值传送给控制模块，控制模块处理数据后经无线发送模块发送给指定基站，用户可从基站处读取液压软管底部压力值数据，根据公式:压力P=ρgh可以计算出压力测量点至液面的垂直高度h。ρ为液体密度（水的密度为1000kg/m³），g为重力加速度，值取9.80N/kg，h为压力传感器测量点至液面的垂直高度，单位米。 

根据本实用新型的一个实施例，图4示出了一种一体化液压支架。该一体化液压支架由前架和后架构成，前架包括一级护帮3、二级护帮1、顶梁5、前立柱6、后立柱9，上连杆7、前连杆8、后连杆10和底座23，上连杆7、前连杆8、后连杆10和底座23两两铰接构成四杆机构，上连杆7上端与顶梁5中部铰接，前立柱6和后立柱9上下端分别与顶梁5和底座23铰接，一级护帮3与顶梁5之间铰接有一级护液压缸4，二级护帮1与一级护帮3之间铰接有二级护帮液压缸2，后架包括后架顶梁13、后架上连杆17、后架前连杆15、后架后连杆16、后架底座21和后架立柱18，后架上连杆17、后架前连杆15、后架后连杆16和后架底座21两两铰接构成四杆机构，后架上连杆17上端与后架顶梁13后部铰接，后架立柱18上下端分别与后架顶梁13和后架底座21铰接，该前架包括两根前立柱6和一根后立柱9，两根前立柱6位于底座23前端两侧，后立柱9位于底座后端中间，上连杆7呈H型，后立柱9穿设于上连杆7下部两分支之间，后架包括两根后架立柱18，后架上连杆17呈一字型，H型上连杆7两分支内侧之间的距离大于一字型后架上连杆17的宽度，当支架降架时后架上连杆17可以进入H型上连杆两分支之间，形成交错式结构，避免前后架四杆机构运动干涉，后架上连杆17中部与后架顶梁13中前部之间铰接有平衡液压缸14，该液压缸14用于支撑顶梁、并可调节顶梁的水平位置，后架顶梁13后端铰接有向后延伸的后探梁19，在后架底座21上还设有套板27、伸缩挡板20和伸缩挡板液压缸，套板27固于后架底座21后部，套板27略向底座后方倾斜，套板27向上延伸，伸缩挡板液压缸设于套板内，伸缩挡板20套设于套板27内，伸缩20挡板与套27板之间设有沿其长度方向的滑动副，伸缩挡板液压缸两端分别与套板与伸缩挡板铰接，伸缩挡板上端开设有注浆管连接孔，在伸缩挡板液压缸的作用下使伸缩挡板上下移动，确保伸缩挡板上端与后探险梁形成密封接触，构成膏体充填时的挡板，再与其它支架的侧挡板形成密封空间，对采空区进行膏体充填。在前架顶梁5后端内部套设有前伸缩梁11及前伸缩梁液压缸，后架顶梁13前端套设有后伸缩梁12及后伸缩梁液压缸，前、后伸缩伸出相接触，对前后架之间区域进行支护，防止矸石下落。 

在后架底座中部设有尾端充填结构28，该尾端充填结构主视图呈具有圆头的锥形、侧视图呈斜坡状，该尾端充填结构28一端与后架的套板27相接触，另一端位于后架底座的后端，尾端充填结构从伸缩挡板端向后架底座后端呈倾斜状，当充填膏体凝固后，后架前移，形成一个拱形区域，增强充填结构的强度，防止充填物垮落。后架底座21前端下侧面设有过渡面，前架底座前部裆间设有抬架液压缸24，抬架液压缸固定于前架底座上，便于移架。后探梁19通过销轴与后架顶梁13后端销接，在该销轴轴线下方、后探梁左端面与后架顶梁右端面相接触，在该销轴轴线上方、后探梁左端面与后架顶梁右端面之间设有20mm的距离，这样，当向前移架时，后探梁可以小角度向上摆动(一般在5°以内)，减小后探梁与膏体之间的摩擦力，便于移架。 

在上述液压支架上安装高度检测系统，包括压力传感器、控制模块、无线发送模块、电源模块和液压软管，液压软管一端密闭连接压力传感器，另一端开口，液压软管内注液体；控制模块连接压力传感器采集、无线发送模块和电源模块。 

液压软管可密闭盛装液体，安装时将液压软管开口一端固定于液压支架顶梁顶端，连接的压力传感器一端固定于液压支架底座或其它相对于底座位置固定的地方。液压软管用套环和固定块固定于液压支架上，跟随液压支架移动。 

液压软管中的液体可以选用常见无毒便于携带液体，常选用水。注入液体的高度应与液压支架顶梁顶部的高度相同，便于精确测量。 

具体的，查知液体工作环境温度T=5-15℃下的密度（水的密度为1000kg/m³），压力传感器测量出液压软管底部受到的水的压力P，并将测量出的压力值传送给控制模块，控制模块处理数据后经无线发送模块发送给指定基站，用户可从基站处读取液压软管底部压力值数据，根据公式:压力P=ρgh可以计算出压力测量点至液面的垂直高度h。ρ为液体密度（水的密度为1000kg/m³），g为重力加速度，值取9.80N/kg，h为压力传感器测量点至液面的垂直高度，单位米。 

根据本实用新型的一个实施例，压力传感器实时检测液压支架压力的变化值，包括前支柱压力，后支柱压力和前伸梁压力；位移传感器实时检测液压支架的支撑高度，推移行程；倾角传感器分别安装在支架底座和顶梁位置，实时检测液压支架的底座的俯仰角、横滚角以及直接顶梁的俯仰角、横滚角，并将相关信息进行融合，判断支架的状态；支架姿态检测器实时接收压力、位移和倾角传感器的信息，对接收的多源信息进行综合处理，得到准确的支架姿态信息，根据当前的支架姿态信息，支架姿态检测器通过电磁阀对支架姿态进行调整，维持支架平稳；同时，通过液晶显示器实时显示支架姿态信息，当姿态偏移超限时进行声光报警，并停止支架动作；在顺槽主控计算机中进行适当算法的计算，扩展实现故障诊断功能。

实现液压支架姿态检测方法的装置：包括压力传感器、位移传感器、倾角传感器、支架姿态检测器、电磁阀、液晶显示器、声光报警装置、顺槽主控计算机，压力传感器、位移传感器和倾角传感器均通过信号调理变送器与支架姿态检测器的输入端连接，支架姿态检测器的输出端分别与液晶显示器和声光报警装置连接，支架姿态检测器的输出端通过电磁阀与液压支架连接；顺槽主控计算机通过耦合器与支架姿态检测器连接，顺槽主控计算机通过井下交换机与地面主控计算机连接；交流电源为双路电源，双路电源通过隔离耦合器与支架姿态检测器的本安电源的输入端连接；多台支架姿态检测器之间通过CAN总线连接。 

压力传感器、位移传感器、倾角传感器用于采集液压支架各部分的压力、位移、倾角信息，采集到的信号经信号调理变送器转换成标准信号，输入到支架姿态检测器，支架姿态检测器进行数据综合、分析，对支架的姿态进行检测，当支架姿态偏移时，支架姿态检测器发出调整命令给电磁阀，电磁阀控制液压支架动作，纠正支架姿态，同时支架姿态检测器将支架实时姿态信息输入液晶显示器，液晶显示器实时显示支架姿态信息；当姿态参数超过报警临界值时，通过声光报警装置发出警告信息； 

井下电液控用顺槽主控计算机通过CAN总线网络与所有的支架姿态检测器建立联系，支架的姿态信息通过CAN总线网络传输至井下顺槽主控计算机进行汇总、存储和显示，也可经井下交换机进入井下环网，将数据传输到地面调度室内的地面主控计算机。

根据本实用新型一个优选实施例，所述的液压支架包括顺次铰接的顶梁、掩护梁、连杆、底座。 

所述顶梁上设置有顶梁倾角传感器，所述底座上设置有底座倾角传感器，所述掩护梁上设置有掩护梁倾角传感器，所述连杆上设置有连杆倾角传感器，其中可以理解的是，在某些液压支架中，其可以具有不同与上述液压支架的构件结构，如具有更多的顺次铰接的构件，在这种情况下，在每个构件上都需分别设置倾角传感器。在此实施例中的四个构件仅仅为示例，其并不是对其进行限定。所述各倾角传感器优选采用双轴加速度倾角传感器，其质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力，非常适于井下环境中使用。在设置过程中，保证各倾角传感器的测量轴与设置该倾角传感器的各部件的长度方向基本平行，即各倾角传感器与其安装构件的摆动方向基本垂直，也就是说，顶梁倾角传感器的测量轴与顶梁的摆动方向基本垂直、底座倾角传感器的测量轴与底座的摆动方向基本垂直、掩护梁倾角传感器与掩护梁的摆动方向基本垂直、连杆倾角传感器与连杆的摆动方向基本垂直，通过这种方式，保证各倾角传感器能准确测量出各部件长度方向与水平面的倾角。 

液压支架还包括控制装置，控制装置可以是支架控制器，或者是其它任何具有计算功能的单元，优选采用嵌入式计算机系统。各倾角传感器采用串联或并联的方式分别连接所述控制装置，向控制装置传输测量的倾角数据，控制装置根据倾角数据依照一定算法，如三角函数，结合各部件的长度计算得出液压支架的高度h。 

测量上述支架高度的方法为，当液压支架处于水平状态时，直接根据其各构件长度和倾角计算出各构件的倾斜高度，各倾斜高度相加得到液压支架的高度；当液压支架不处于水平状态时，首先根据安装在液压支架底座构件上的倾角传感器判断液压支架的仰俯角度，然后测量液压支架各构件的倾角，通过所述俯仰角度对所述倾角进行修订，根据液压支架高度计算模型进行修订，根据其各构件长度和修订后的倾角计算出各构件的倾斜高度，各倾斜高度相加得到液压支架的高度。 

计算的液压支架高度值用于在液压支架移架过程中限制液压支架的降柱最大高度。 

测量的具体步骤优选为： 

在支架控制装置中输入顶梁、掩护梁、连杆和底座的长度；

通过顶梁倾角传感器、掩护梁倾角传感器、连杆倾角传感器和底座倾角传感器分别测量顶梁、掩护梁、连杆和底座相对水平面的倾角，并将所述倾角传输至支架控制装置；

支架控制装置通过各部件的倾角和长度数值，计算各部件的竖直高度，将各竖直高度相加得到液压支架的整体高度。值得注意的是，由于各部件一般都不是从一端而多是从中间部件铰接，因此如此计算得到的高度存在一定的误差。如需得到更为精确的高度数据，则可以使用多种方法，如使输入的各部件的长度不为其原始长度，如顶板长度应是顶板前端到掩护梁铰接点的长度、掩护梁长度应是掩护梁与顶板的铰接点与掩护梁与尾梁的铰接点之间的长度，或者在控制装置中设置平衡系数等等。这些误差消除方法是本领域的公知常识，在此不予累述。

根据本实用新型的一个实施例，可以应用于前述的液压支架，提供了一种压力式液压支架高度检测传感器，包括压力传感器、控制模块、无线发送模块、电源模块和液压软管，液压软管一端密闭连接压力传感器，另一端开口，液压软管内注液体；控制模块连接压力传感器采集、无线发送模块和电源模块。 

液压软管可密闭盛装液体，安装时将液压软管开口一端固定于液压支架顶梁顶端，连接的压力传感器一端固定于液压支架底座或其它相对于底座位置固定的地方。液压软管用套环和固定块固定于液压支架上，跟随液压支架移动。 

液压软管中的液体可以选用常见无毒便于携带液体，常选用水。注入液体的高度应与液压支架顶梁顶部的高度相同，便于精确测量。控制模块选取TI公司生产的MSP430系列单片机，该系列单片机具有高效、低功耗的特点。压力传感器选取深圳瑞德龙公司出品的ccps32型号压力传感器。无线发送模块选取CC1101无线模块，CC1101无线模块工作在433M频道进行无线通信。 

具体的，查知液体工作环境温度T=5-15℃下的密度（水的密度为1000kg/m³），压力传感器测量出液压软管底部受到的水的压力P，并将测量出的压力值传送给控制模块，控制模块处理数据后经无线发送模块发送给指定基站，用户可从基站处读取液压软管底部压力值数据，根据公式:压力P=ρgh可以计算出压力测量点至液面的垂直高度h。ρ为液体密度（水的密度为1000kg/m³），g为重力加速度，值取9.80N/kg，h为压力传感器测量点至液面的垂直高度，单位米。 

虽然已在具体实施方案中描述了本实用新型的实施方案及其各种功能组件，但是应当理解，可以用硬件、软件、固件、中间件或它们的组合来实现本实用新型的实施方案，并且本实用新型的实施方案可以用在多种系统、子系统、组件或其子组件中。本实用新型的每个实施例都可以与其它的实施例中的器件相互进行组合，而不是孤立的、单一的实施例，所有实施例之间都可以相互融合而形成新的实施例或者不同的解决方案。 

虽然本实用新型已经详细的示出并描述了一个相关且特定的实施范例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本实用新型的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本实用新型的权利要求所要求保护的范围。 

Claims (7)

1.压力式液压支架高度检测系统，用于测量液压支架顶梁的高度，其特征在于：

包括压力传感器、控制模块、无线发送模块、电源模块和液压软管，液压软管一端密闭连接压力传感器，另一端开口，且固定于液压支架顶梁顶端，液压软管内盛装一定容量液体；控制模块连接压力传感器、无线发送模块和电源模块。

2.如权利要求1所述的压力式液压支架高度检测系统，其特征在于：液压软管中的液体可以选用常见无毒便于携带液体。

3.如权利要求1或2所述的压力式液压支架高度检测系统，其特征在于：控制模块可选取MSP430系列单片机；压力传感器选取ccps32型号压力传感器；无线发送模块选取CC1101无线模块。

4.如权利要求1所述的压力式液压支架高度检测系统，其特征在于：所述液压支架，包括护帮、伸缩梁、顶梁、立柱、千斤顶、上连杆、底座、后探梁、前连杆、后连杆以及隔离机构。

5.如权利要求1所述的压力式液压支架高度检测系统，其特征在于：液压支架由前架和后架构成，前架包括一级护帮、二级护帮、顶梁、前立柱、后立柱，上连杆、前连杆、后连杆和底座。

6.如权利要求1所述的压力式液压支架高度检测系统，其特征在于：液压软管用套环和固定块固定于液压支架上，跟随液压支架移动。

7.如权利要求2所述的压力式液压支架高度检测系统，其特征在于：液压软管中的液体选用水。 

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