新型液压支架活柱位移监测仪的研制*

张洪伟万志军程敬义裴 松张 源

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116）

新型液压支架活柱位移监测仪的研制*

张洪伟1，2万志军1，2程敬义1，2裴 松1，2张 源1，2

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116）

为了实现液压支架活柱下缩量的电测，准确地判别综采工作面矿压显现规律，研制了支架活柱位移监测仪，介绍了其工作原理并进行了精度分析。通过精度校核结果表明，该监测仪稳定性高且量程大，测量精度范围为-0.8～2.7 mm，精确度等级为0.3，满足现场测量精度需要。

液压支架 活柱位移 监测仪 传感器

目前，活柱下缩量主要有两种常用观测方式:一种是人工采用钢直尺或钢卷尺进行测量记录；另一种是安装自记仪自动记录。其中，人工测量存在耗费大量的人力、观测精度不高以及数据处理繁琐等问题；而自记仪测量存在量程小、动尺易折、安装复杂、安装跨度较大以及稳定性较差等问题。基于此，利用现代传感技术设计了一套成本低、稳定性高、功耗低和占用空间少的活柱位移动态监测仪，对综采工作面尤其是薄煤层综采工作面的无人化和智能化具有重要意义。

1　现有监测方式分析

1.1直线位移式监测

直线位移式监测通过测定活柱直线之间的距离确定伸缩量的大小，该监测方式采用的位移传感器种类较多，传感器的精度较高，能够精确到1μm甚至更小，但其中部分传感器结构复杂且成本高，容易受到生产现场微小的粉尘、油污和水气的污染，抗干扰能力难以保证。直线位移式监测方案示意图如图1所示。

在安装上，直线位移式监测需要将传感器安设在支架的顶梁下，并有拉线或型号接受装置连结底柱顶端，存在安装跨度大、稳定性较差以及拉杆易受工人触碰影响等问题，造成磨损的同时导致数据失效。

图1　直线位移式监测方案示意图

1.2红外或激光位移式监测

红外或激光位移式监测通过发射与接受反射红外线或激光的时间差测算距离，该监测方式响应时间短且精度高，能够对顶梁进行无接触式测量。红外或激光位移式监测方案示意图如图2所示。

图2　红外或激光位移式监测方案示意图

在安装上，红外或激光位移式监测设备占用空间较小，只需将传感器安设在支架的固定柱底端。但对于这类非接触式测量方式，光路极易受采煤工作面煤尘及工人遮挡影响，导致数据严重失效，同时红外或激光位移式监测方式单架设备成本较高，不适合综采工作面全部液压支架都装配。

2　监测仪组成、工作原理及安装结构

2.1监测仪组成及工作原理

新型液压支架活柱位移监测仪主要由电源、传感器模块、传动机构、显示屏及数据采集存储器组成。基本原理是以角度传感器为转换装置，活柱的运动带动滚轮转动，将活柱的位移量转化为角度量，传感器将角度量转化为电信号，从而实现活柱位移的电测。液压支架活柱位移监测仪工作原理如图3所示。

图3　液压支架活柱位移监测仪工作原理

综采工作面在作业过程中，液压支架受顶板压力和移架影响，活柱下缩短一定的行程H，传动轮按照设定的预紧力紧靠活柱，并随活柱移动定轴（传感器中轴）按照式（1）的转换规则转动对应角度β。角度传感器检测角度信号（数字信号），并通过数据线按照自定义规则将数据按时序连续写入数据采集存储器，同时通过显示屏实时显示数据，采集的数据通过数据串口传送至PC终端。监测仪可通过软件编程自定义信号采集时间间隔、存储间隔以及信号存储方式等详细参数。

式中:H——活柱升降距离，mm；

β——滚轮转动角度，（°）；

d——滚轮外径，mm。

本检测仪为连续信号监测，具有体积小、防水和防尘效果好、单架成本低、稳定性好、分辨率高以及功耗小等优点。安装时只需将相关装置安装在固定柱上部，占用空间小且不易受工人及工作环境影响。

2.2新型监测仪的安装结构

（1）单伸缩液压支架通过固定装置及摇臂将仪器固定，并通过相关连接件向活柱方向提供一定的预紧力，从而使滚轮紧贴活柱，不产生滑动摩擦。单伸缩液压支架装配方式示意图如图4所示。

图4　单伸缩液压支架装配方式示意图

（2）双伸缩液压支架滚轮紧贴二级活柱底端，底端固定于固定柱顶端，中间通过刚性连杆相连，连杆需平行于固定柱中心线布置。为了维持仪器稳定及安全性，在一级活柱上端设置导杆架，并在固定端设置安全轴。双伸缩液压支架装配方式示意图如图5所示。

图5　双伸缩液压支架装配方式示意图

3　仪器测量精度分析

3.1测量方式及测量真值选取

（1）测量方式。滚轮外径做包胶处理，通过千分尺多次测量取平均值，直径为63.83 mm。液压支架活柱在固定点A和B之间做往返运动，A和B之间的距离U（AB）约为260 mm。采用SGC系列高精度光栅尺（分辨率为1μm，精度为±0.005 mm）与监测系统进行对比分析。监测仪精度测量方式示意图如图6所示。

图6　监测仪精度测量方式示意图

（2）真值选取。真值分为理论真值与约定真值，约定真值的不确定度（或误差）可以忽略不计。就给定目的而言，确定高精度光栅尺测量值为约定真值，因此绝对误差可定义为:

式中:Δu——绝对误差；

u——测量值；

U——被测量的真值。

3.2最佳预紧力

传动轮通过弹簧提供的预紧力依附于液压支架活柱表面，使得轮子与活柱产生正压力Fn。正压力大小对系统精度产生重要影响，因此必须确定合理压力范围，以满足精度需求。传感器受力作用示意图如图7所示。

图7　传感器受力作用示意图

活柱在以速度v移动过程中，在正压力Fn的作用下产生滚动摩擦f，对轮心取矩得滚动摩擦力矩为Mf=δFn。其中δ为滚动摩擦系数，不是常量，大小受接触面状况（硬度、光洁度、湿度等）以及材料性质等因素影响；基于传感器的自身结构，轴部自由转动所需力矩为M0；在轮子受正压力作用的过程中，在轴与壳体接触部位由于存在滑动摩擦，将会产生与正压力正相关的结构阻力矩M（Fn），因此使轴部转动需要满足δFn≥M（Fn）+ M0。在试验过程中，正压力Fn通过弹簧测力计勾住传动轮轴部，垂直于轴拉离传动轮，使之与活柱产生1～2 mm位移测取。其中Fn在1.07～16.27 N之间变化，测取12次，每次测取往返两次，统计绝对误差。预紧力与绝对误差关系曲线如图8所示。

图8　预紧力与绝对误差关系曲线

（1）滑动摩擦+滚动摩擦阶段:当Fn＜4.72 N时，滚动摩擦系数δ为影响滚动摩擦力矩Mf的主要因素，结构阻力矩M（Fn）影响较小。当活柱表面湿度低且微尘少时，滚动摩擦系数δ较大，Mf满足轴部转动条件，滚轮随着活柱滚动；当活柱表面湿度大且微尘多时，滚动摩擦系数δ较小，Mf不满足轴部转动条件，滚轮与活柱产生滑动摩擦造成误差。在产生滑动摩擦的区域，逐渐增加正压力，Mf在区域内又逐渐满足转动条件，所以其绝对误差逐渐减小。

（2）滚动摩擦阶段:在4.72 N≤Fn≤9.4 N时，在活柱表面状况不相同和滚动摩擦系数δ变化的情况下，Mf始终满足轴部转动条件，并产生滚动摩擦。实验测得此范围之间绝对误差在0.005～0.014 mm之间，Fn在6.35 N处绝对误差取得最小值。

（3）滚动摩擦+滑动摩擦:在9.4 N＜Fn≤15 N时，Mf在增大的同时，结构阻力矩M（Fn）也逐渐增大，在δ随活柱表面状况变化的情况下，也会产生滚动摩擦和滑动摩擦。实验结果显示，随着正压力的逐渐增加其误差逐渐增大。鉴于系统传感器受允许轴端垂直载荷15 N限制，因此合适的压力区间为4.72～9.40 N，以6.35 N为宜。

3.3位移标定

选取高精度光栅尺为约定真值，并对A和B两点16次周期性往返进行标定，每次标定的结果如图9所示。

图9　高精度光栅尺定距测量散点图

由图9可知，A和B之间的距离U（AB）在259.581～259.906 mm之间，因此取所有数值平均值确定U（AB）取值为259.671 mm。

3.4测量精度分析

为了消除传感器的安装误差，监测过程中采用2个监测仪，即对监测仪1和监测仪2分别进行监测。

通过监测仪1和监测仪2分别在A和B之间往返的8次监测（每次时间约为20 min，预紧力为6.35 N），测得A、B之间的往返平均距离U（AB）见表1。

表1　监测仪1和监测仪2检测量绝对误差表/mm

由表1可以看出，在测量数值上，监测仪1测得A和B之间的平均位移U1（AB）为259.660 mm；监测仪2测得A和B之间的平均位移U2（AB）为259.723 mm；在测量精度上，监测仪1和监测仪2平均绝对误差相差较小，说明监测仪安装机构稳定性较好，监测仪检测量及绝对误差曲线如图10所示。

由图10可知:

图10　监测仪检测量及绝对误差曲线图

（1）位移U（AB）为259.671 mm时，往返8次，绝对误差在-0.218～0.699 mm之间，通过绝对误差确定本监测仪测量位移为1000 mm时，精度范围为-0.8～2.7 mm。

（2）本系统相对误差为-0.084%～0.27%。根据工业过程测量和控制用仪表和显示仪表精度等级（GB/T-13283-91）规定可知，由相对误差表示仪器精度，其精确度等级为0.3。

（3）根据精确度等级分析可知，本系统完全符合液压支架活柱下缩量监测需求，能为矿山规律提供判别规律，同时为综采工作面围岩控制智能决策支持系统提供精确的数据支撑。

4　结语

（1）基于角度检测信号转变为位移信号原理研制的液压支架活柱位移监测仪突破了常规直接监测位移的方式，成功地实现了液压支架活柱位移的长期稳定电测。

（2）实验室内通过传感器最佳预紧力的测量分析，得出传感器依附于活柱合适的压力区间为4.72～9.40 N。结合高精度光栅尺对监测仪进行的精度校核结果表明，该监测仪具有稳定性高和量程大等优点，测量精度范围为-3～1 mm，根据《GBT 13283-2008工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级》确定其精确度等级为0.3，满足现场精确度的需求。

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（责任编辑 路 强）

新疆伊犁发现中国最早用煤遗迹

近日，新疆考古人员在尼勒克县的吉仁台沟口遗址发掘中，发现了大量的煤灰、煤粒、没有燃尽的煤块，以及古人类做饭取暖用的灶址和灰坑，考古人员结合遗址出土的文物和墓葬形制初步推测，遗址年代约在青铜时代，距今3500年左右。据悉，这一发现将国内用煤历史至少推前了1000多年。

据了解，从今年6月中旬开始，新疆文物考古研究所就开始对吉仁台沟口遗址和墓地进行抢救性考古发掘，截至日前，考古人员在遗址中陆续发现了4处房址。考古人员在4处房址中发现了大量煤灰、煤粒、没有燃尽的煤块，此外，还在房屋地面上发现了多处烧火用的灰坑，两处用石头砌成的灶址，灶壁内侧能清晰地看见烧结的痕迹和烧红的土层。

据新疆文物考古研究所史前考古部主任阮秋荣研究员介绍，中国目前据考古出土文物最早用煤是将煤晶、炭晶做成装饰品戴在身上，这始于六七千年前的新石器时代，春秋战国时期的墓葬中已较为多见。煤炭被大量用于生产、生活的记载则是在汉代。成书于汉（公元1～2世纪）的 《史记·西域传》中曾描述有天山南的今库车县一带用煤冶炼生产的场面。

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

张洪伟（1990-），男，山东邹城人，博士研究生，主要从事采矿工程方面的研究。

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA062100），教育部新世纪优秀人才支持计划资助课题（NCET-10-0770）