新型液壓支架活柱位移監測儀的研制*

張洪偉萬志軍程敬義裴 松張 源

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

新型液壓支架活柱位移監測儀的研制*

張洪偉1，2萬志軍1，2程敬義1，2裴 松1，2張 源1，2

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

為了實現液壓支架活柱下縮量的電測，準確地判別綜采工作面礦壓顯現規律，研制了支架活柱位移監測儀，介紹了其工作原理并進行了精度分析。通過精度校核結果表明，該監測儀穩定性高且量程大，測量精度范圍為-0.8～2.7 mm，精確度等級為0.3，滿足現場測量精度需要。

液壓支架 活柱位移 監測儀 傳感器

目前，活柱下縮量主要有兩種常用觀測方式:一種是人工采用鋼直尺或鋼卷尺進行測量記錄；另一種是安裝自記儀自動記錄。其中，人工測量存在耗費大量的人力、觀測精度不高以及數據處理繁瑣等問題；而自記儀測量存在量程小、動尺易折、安裝復雜、安裝跨度較大以及穩定性較差等問題?；诖耍矛F代傳感技術設計了一套成本低、穩定性高、功耗低和占用空間少的活柱位移動態監測儀，對綜采工作面尤其是薄煤層綜采工作面的無人化和智能化具有重要意義。

1　現有監測方式分析

1.1直線位移式監測

直線位移式監測通過測定活柱直線之間的距離確定伸縮量的大小，該監測方式采用的位移傳感器種類較多，傳感器的精度較高，能夠精確到1μm甚至更小，但其中部分傳感器結構復雜且成本高，容易受到生產現場微小的粉塵、油污和水氣的污染，抗干擾能力難以保證。直線位移式監測方案示意圖如圖1所示。

在安裝上，直線位移式監測需要將傳感器安設在支架的頂梁下，并有拉線或型號接受裝置連結底柱頂端，存在安裝跨度大、穩定性較差以及拉桿易受工人觸碰影響等問題，造成磨損的同時導致數據失效。

圖1　直線位移式監測方案示意圖

1.2紅外或激光位移式監測

紅外或激光位移式監測通過發射與接受反射紅外線或激光的時間差測算距離，該監測方式響應時間短且精度高，能夠對頂梁進行無接觸式測量。紅外或激光位移式監測方案示意圖如圖2所示。

圖2　紅外或激光位移式監測方案示意圖

在安裝上，紅外或激光位移式監測設備占用空間較小，只需將傳感器安設在支架的固定柱底端。但對于這類非接觸式測量方式，光路極易受采煤工作面煤塵及工人遮擋影響，導致數據嚴重失效，同時紅外或激光位移式監測方式單架設備成本較高，不適合綜采工作面全部液壓支架都裝配。

2　監測儀組成、工作原理及安裝結構

2.1監測儀組成及工作原理

新型液壓支架活柱位移監測儀主要由電源、傳感器模塊、傳動機構、顯示屏及數據采集存儲器組成?；驹硎且越嵌葌鞲衅鳛檗D換裝置，活柱的運動帶動滾輪轉動，將活柱的位移量轉化為角度量，傳感器將角度量轉化為電信號，從而實現活柱位移的電測。液壓支架活柱位移監測儀工作原理如圖3所示。

圖3　液壓支架活柱位移監測儀工作原理

綜采工作面在作業過程中，液壓支架受頂板壓力和移架影響，活柱下縮短一定的行程H，傳動輪按照設定的預緊力緊靠活柱，并隨活柱移動定軸（傳感器中軸）按照式（1）的轉換規則轉動對應角度β。角度傳感器檢測角度信號（數字信號），并通過數據線按照自定義規則將數據按時序連續寫入數據采集存儲器，同時通過顯示屏實時顯示數據，采集的數據通過數據串口傳送至PC終端。監測儀可通過軟件編程自定義信號采集時間間隔、存儲間隔以及信號存儲方式等詳細參數。

式中:H——活柱升降距離，mm；

β——滾輪轉動角度，（°）；

d——滾輪外徑，mm。

本檢測儀為連續信號監測，具有體積小、防水和防塵效果好、單架成本低、穩定性好、分辨率高以及功耗小等優點。安裝時只需將相關裝置安裝在固定柱上部，占用空間小且不易受工人及工作環境影響。

2.2新型監測儀的安裝結構

（1）單伸縮液壓支架通過固定裝置及搖臂將儀器固定，并通過相關連接件向活柱方向提供一定的預緊力，從而使滾輪緊貼活柱，不產生滑動摩擦。單伸縮液壓支架裝配方式示意圖如圖4所示。

圖4　單伸縮液壓支架裝配方式示意圖

（2）雙伸縮液壓支架滾輪緊貼二級活柱底端，底端固定于固定柱頂端，中間通過剛性連桿相連，連桿需平行于固定柱中心線布置。為了維持儀器穩定及安全性，在一級活柱上端設置導桿架，并在固定端設置安全軸。雙伸縮液壓支架裝配方式示意圖如圖5所示。

圖5　雙伸縮液壓支架裝配方式示意圖

3　儀器測量精度分析

3.1測量方式及測量真值選取

（1）測量方式。滾輪外徑做包膠處理，通過千分尺多次測量取平均值，直徑為63.83 mm。液壓支架活柱在固定點A和B之間做往返運動，A和B之間的距離U（AB）約為260 mm。采用SGC系列高精度光柵尺（分辨率為1μm，精度為±0.005 mm）與監測系統進行對比分析。監測儀精度測量方式示意圖如圖6所示。

圖6　監測儀精度測量方式示意圖

（2）真值選取。真值分為理論真值與約定真值，約定真值的不確定度（或誤差）可以忽略不計。就給定目的而言，確定高精度光柵尺測量值為約定真值，因此絕對誤差可定義為:

式中:Δu——絕對誤差；

u——測量值；

U——被測量的真值。

3.2最佳預緊力

傳動輪通過彈簧提供的預緊力依附于液壓支架活柱表面，使得輪子與活柱產生正壓力Fn。正壓力大小對系統精度產生重要影響，因此必須確定合理壓力范圍，以滿足精度需求。傳感器受力作用示意圖如圖7所示。

圖7　傳感器受力作用示意圖

活柱在以速度v移動過程中，在正壓力Fn的作用下產生滾動摩擦f，對輪心取矩得滾動摩擦力矩為Mf=δFn。其中δ為滾動摩擦系數，不是常量，大小受接觸面狀況（硬度、光潔度、濕度等）以及材料性質等因素影響；基于傳感器的自身結構，軸部自由轉動所需力矩為M0；在輪子受正壓力作用的過程中，在軸與殼體接觸部位由于存在滑動摩擦，將會產生與正壓力正相關的結構阻力矩M（Fn），因此使軸部轉動需要滿足δFn≥M（Fn）+ M0。在試驗過程中，正壓力Fn通過彈簧測力計勾住傳動輪軸部，垂直于軸拉離傳動輪，使之與活柱產生1～2 mm位移測取。其中Fn在1.07～16.27 N之間變化，測取12次，每次測取往返兩次，統計絕對誤差。預緊力與絕對誤差關系曲線如圖8所示。

圖8　預緊力與絕對誤差關系曲線

（1）滑動摩擦+滾動摩擦階段:當Fn＜4.72 N時，滾動摩擦系數δ為影響滾動摩擦力矩Mf的主要因素，結構阻力矩M（Fn）影響較小。當活柱表面濕度低且微塵少時，滾動摩擦系數δ較大，Mf滿足軸部轉動條件，滾輪隨著活柱滾動；當活柱表面濕度大且微塵多時，滾動摩擦系數δ較小，Mf不滿足軸部轉動條件，滾輪與活柱產生滑動摩擦造成誤差。在產生滑動摩擦的區域，逐漸增加正壓力，Mf在區域內又逐漸滿足轉動條件，所以其絕對誤差逐漸減小。

（2）滾動摩擦階段:在4.72 N≤Fn≤9.4 N時，在活柱表面狀況不相同和滾動摩擦系數δ變化的情況下，Mf始終滿足軸部轉動條件，并產生滾動摩擦。實驗測得此范圍之間絕對誤差在0.005～0.014 mm之間，Fn在6.35 N處絕對誤差取得最小值。

（3）滾動摩擦+滑動摩擦:在9.4 N＜Fn≤15 N時，Mf在增大的同時，結構阻力矩M（Fn）也逐漸增大，在δ隨活柱表面狀況變化的情況下，也會產生滾動摩擦和滑動摩擦。實驗結果顯示，隨著正壓力的逐漸增加其誤差逐漸增大。鑒于系統傳感器受允許軸端垂直載荷15 N限制，因此合適的壓力區間為4.72～9.40 N，以6.35 N為宜。

3.3位移標定

選取高精度光柵尺為約定真值，并對A和B兩點16次周期性往返進行標定，每次標定的結果如圖9所示。

圖9　高精度光柵尺定距測量散點圖

由圖9可知，A和B之間的距離U（AB）在259.581～259.906 mm之間，因此取所有數值平均值確定U（AB）取值為259.671 mm。

3.4測量精度分析

為了消除傳感器的安裝誤差，監測過程中采用2個監測儀，即對監測儀1和監測儀2分別進行監測。

通過監測儀1和監測儀2分別在A和B之間往返的8次監測（每次時間約為20 min，預緊力為6.35 N），測得A、B之間的往返平均距離U（AB）見表1。

表1　監測儀1和監測儀2檢測量絕對誤差表/mm

由表1可以看出，在測量數值上，監測儀1測得A和B之間的平均位移U1（AB）為259.660 mm；監測儀2測得A和B之間的平均位移U2（AB）為259.723 mm；在測量精度上，監測儀1和監測儀2平均絕對誤差相差較小，說明監測儀安裝機構穩定性較好，監測儀檢測量及絕對誤差曲線如圖10所示。

由圖10可知:

圖10　監測儀檢測量及絕對誤差曲線圖

（1）位移U（AB）為259.671 mm時，往返8次，絕對誤差在-0.218～0.699 mm之間，通過絕對誤差確定本監測儀測量位移為1000 mm時，精度范圍為-0.8～2.7 mm。

（2）本系統相對誤差為-0.084%～0.27%。根據工業過程測量和控制用儀表和顯示儀表精度等級（GB/T-13283-91）規定可知，由相對誤差表示儀器精度，其精確度等級為0.3。

（3）根據精確度等級分析可知，本系統完全符合液壓支架活柱下縮量監測需求，能為礦山規律提供判別規律，同時為綜采工作面圍巖控制智能決策支持系統提供精確的數據支撐。

4　結語

（1）基于角度檢測信號轉變為位移信號原理研制的液壓支架活柱位移監測儀突破了常規直接監測位移的方式，成功地實現了液壓支架活柱位移的長期穩定電測。

（2）實驗室內通過傳感器最佳預緊力的測量分析，得出傳感器依附于活柱合適的壓力區間為4.72～9.40 N。結合高精度光柵尺對監測儀進行的精度校核結果表明，該監測儀具有穩定性高和量程大等優點，測量精度范圍為-3～1 mm，根據《GBT 13283-2008工業過程測量和控制用檢測儀表和顯示儀表精確度等級》確定其精確度等級為0.3，滿足現場精確度的需求。

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（責任編輯 路 強）

新疆伊犁發現中國最早用煤遺跡

近日，新疆考古人員在尼勒克縣的吉仁臺溝口遺址發掘中，發現了大量的煤灰、煤粒、沒有燃盡的煤塊，以及古人類做飯取暖用的灶址和灰坑，考古人員結合遺址出土的文物和墓葬形制初步推測，遺址年代約在青銅時代，距今3500年左右。據悉，這一發現將國內用煤歷史至少推前了1000多年。

據了解，從今年6月中旬開始，新疆文物考古研究所就開始對吉仁臺溝口遺址和墓地進行搶救性考古發掘，截至日前，考古人員在遺址中陸續發現了4處房址?？脊湃藛T在4處房址中發現了大量煤灰、煤粒、沒有燃盡的煤塊，此外，還在房屋地面上發現了多處燒火用的灰坑，兩處用石頭砌成的灶址，灶壁內側能清晰地看見燒結的痕跡和燒紅的土層。

據新疆文物考古研究所史前考古部主任阮秋榮研究員介紹，中國目前據考古出土文物最早用煤是將煤晶、炭晶做成裝飾品戴在身上，這始于六七千年前的新石器時代，春秋戰國時期的墓葬中已較為多見。煤炭被大量用于生產、生活的記載則是在漢代。成書于漢（公元1～2世紀）的 《史記·西域傳》中曾描述有天山南的今庫車縣一帶用煤冶煉生產的場面。

Development of a new displacement monitor of hydraulic support pillar

Zhang Hongwei1，2，Wan Zhijun1，2，Cheng Jingyi1，2，Pei Song1，2，Zhang Yuan1，2
（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

In order to achieve the electrical measurement of descending amount of hydraulic support pillar and distinguish exactly the mine pressure behaviors in fully mechanized mining face，a new displacement monitor of hydraulic support pillar was developed，then its operating principle was introduced and the accuracy analysis was conducted.The accuracy check results showed that the monitor had high stability and large measurement range，the measurement accuracy scope was from-0.8 mm to 2.7 mm and the accuracy class was 0.3，which met the requirement of field measurement accuracy.

hydraulic support，displacement of pillar，monitor，sensor

TD355.4

A

張洪偉（1990-），男，山東鄒城人，博士研究生，主要從事采礦工程方面的研究。

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2012AA062100），教育部新世紀優秀人才支持計劃資助課題（NCET-10-0770）