張洪偉萬(wàn)志軍程敬義裴 松張 源

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

新型液壓支架活柱位移監(jiān)測(cè)儀的研制*

張洪偉1，2萬(wàn)志軍1，2程敬義1，2裴 松1，2張 源1，2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

為了實(shí)現(xiàn)液壓支架活柱下縮量的電測(cè)，準(zhǔn)確地判別綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研制了支架活柱位移監(jiān)測(cè)儀，介紹了其工作原理并進(jìn)行了精度分析。通過(guò)精度校核結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)儀穩(wěn)定性高且量程大，測(cè)量精度范圍為-0.8～2.7 mm，精確度等級(jí)為0.3，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度需要。

液壓支架 活柱位移 監(jiān)測(cè)儀 傳感器

目前，活柱下縮量主要有兩種常用觀測(cè)方式:一種是人工采用鋼直尺或鋼卷尺進(jìn)行測(cè)量記錄；另一種是安裝自記儀自動(dòng)記錄。其中，人工測(cè)量存在耗費(fèi)大量的人力、觀測(cè)精度不高以及數(shù)據(jù)處理繁瑣等問(wèn)題；而自記儀測(cè)量存在量程小、動(dòng)尺易折、安裝復(fù)雜、安裝跨度較大以及穩(wěn)定性較差等問(wèn)題?；诖?，利用現(xiàn)代傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一套成本低、穩(wěn)定性高、功耗低和占用空間少的活柱位移動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀，對(duì)綜采工作面尤其是薄煤層綜采工作面的無(wú)人化和智能化具有重要意義。

1　現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方式分析

1.1直線(xiàn)位移式監(jiān)測(cè)

直線(xiàn)位移式監(jiān)測(cè)通過(guò)測(cè)定活柱直線(xiàn)之間的距離確定伸縮量的大小，該監(jiān)測(cè)方式采用的位移傳感器種類(lèi)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(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高，容易受到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)微小的粉塵、油污和水氣的污染，抗干擾能力難以保證。直線(xiàn)位移式監(jiān)測(cè)方案示意圖如圖1所示。

在安裝上，直線(xiàn)位移式監(jiān)測(cè)需要將傳感器安設(shè)在支架的頂梁下，并有拉線(xiàn)或型號(hào)接受裝置連結(jié)底柱頂端，存在安裝跨度大、穩(wěn)定性較差以及拉桿易受工人觸碰影響等問(wèn)題，造成磨損的同時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效。

圖1　直線(xiàn)位移式監(jiān)測(cè)方案示意圖

1.2紅外或激光位移式監(jiān)測(cè)

紅外或激光位移式監(jiān)測(cè)通過(guò)發(fā)射與接受反射紅外線(xiàn)或激光的時(shí)間差測(cè)算距離，該監(jiān)測(cè)方式響應(yīng)時(shí)間短且精度高，能夠?qū)斄哼M(jìn)行無(wú)接觸式測(cè)量。紅外或激光位移式監(jiān)測(cè)方案示意圖如圖2所示。

圖2　紅外或激光位移式監(jiān)測(cè)方案示意圖

在安裝上，紅外或激光位移式監(jiān)測(cè)設(shè)備占用空間較小，只需將傳感器安設(shè)在支架的固定柱底端。但對(duì)于這類(lèi)非接觸式測(cè)量方式，光路極易受采煤工作面煤塵及工人遮擋影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重失效，同時(shí)紅外或激光位移式監(jiān)測(cè)方式單架設(shè)備成本較高，不適合綜采工作面全部液壓支架都裝配。

2　監(jiān)測(cè)儀組成、工作原理及安裝結(jié)構(gòu)

2.1監(jiān)測(cè)儀組成及工作原理

新型液壓支架活柱位移監(jiān)測(cè)儀主要由電源、傳感器模塊、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、顯示屏及數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)器組成?；驹硎且越嵌葌鞲衅鳛檗D(zhuǎn)換裝置，活柱的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將活柱的位移量轉(zhuǎn)化為角度量，傳感器將角度量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)活柱位移的電測(cè)。液壓支架活柱位移監(jiān)測(cè)儀工作原理如圖3所示。

圖3　液壓支架活柱位移監(jiān)測(cè)儀工作原理

綜采工作面在作業(yè)過(guò)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(dòng)輪按照設(shè)定的預(yù)緊力緊靠活柱，并隨活柱移動(dòng)定軸（傳感器中軸）按照式（1）的轉(zhuǎn)換規(guī)則轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)角度β。角度傳感器檢測(cè)角度信號(hào)（數(shù)字信號(hào)），并通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)按照自定義規(guī)則將數(shù)據(jù)按時(shí)序連續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)器，同時(shí)通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)串口傳送至PC終端。監(jiān)測(cè)儀可通過(guò)軟件編程自定義信號(hào)采集時(shí)間間隔、存儲(chǔ)間隔以及信號(hào)存儲(chǔ)方式等詳細(xì)參數(shù)。

式中:H——活柱升降距離，mm；

β——滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度，（°）；

d——滾輪外徑，mm。

本檢測(cè)儀為連續(xù)信號(hào)監(jiān)測(cè)，具有體積小、防水和防塵效果好、單架成本低、穩(wěn)定性好、分辨率高以及功耗小等優(yōu)點(diǎn)。安裝時(shí)只需將相關(guān)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(huán)境影響。

2.2新型監(jiān)測(cè)儀的安裝結(jié)構(gòu)

（1）單伸縮液壓支架通過(guò)固定裝置及搖臂將儀器固定，并通過(guò)相關(guān)連接件向活柱方向提供一定的預(yù)緊力，從而使?jié)L輪緊貼活柱，不產(chǎn)生滑動(dòng)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(jí)活柱底端，底端固定于固定柱頂端，中間通過(guò)剛性連桿相連，連桿需平行于固定柱中心線(xiàn)布置。為了維持儀器穩(wěn)定及安全性，在一級(jí)活柱上端設(shè)置導(dǎo)桿架，并在固定端設(shè)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(cè)量精度分析

3.1測(cè)量方式及測(cè)量真值選取

（1）測(cè)量方式。滾輪外徑做包膠處理，通過(guò)千分尺多次測(cè)量取平均值，直徑為63.83 mm。液壓支架活柱在固定點(diǎn)A和B之間做往返運(yùn)動(dòng)，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(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。監(jiān)測(cè)儀精度測(cè)量方式示意圖如圖6所示。

圖6　監(jiān)測(cè)儀精度測(cè)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(jì)。就給定目的而言，確定高精度光柵尺測(cè)量值為約定真值，因此絕對(duì)誤差可定義為:

式中:Δu——絕對(duì)誤差；

u——測(cè)量值；

U——被測(cè)量的真值。

3.2最佳預(yù)緊力

傳動(dòng)輪通過(guò)彈簧提供的預(yù)緊力依附于液壓支架活柱表面，使得輪子與活柱產(chǎn)生正壓力Fn。正壓力大小對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生重要影響，因此必須確定合理壓力范圍，以滿(mǎn)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(dòng)過(guò)程中，在正壓力Fn的作用下產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦f，對(duì)輪心取矩得滾動(dòng)摩擦力矩為Mf=δFn。其中δ為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，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(zhì)等因素影響；基于傳感器的自身結(jié)構(gòu)，軸部自由轉(zhuǎn)動(dòng)所需力矩為M0；在輪子受正壓力作用的過(guò)程中，在軸與殼體接觸部位由于存在滑動(dòng)摩擦，將會(huì)產(chǎn)生與正壓力正相關(guān)的結(jié)構(gòu)阻力矩M（Fn），因此使軸部轉(zhuǎn)動(dòng)需要滿(mǎn)足δFn≥M（Fn）+ M0。在試驗(yàn)過(guò)程中，正壓力Fn通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)勾住傳動(dòng)輪軸部，垂直于軸拉離傳動(dòng)輪，使之與活柱產(chǎn)生1～2 mm位移測(cè)取。其中Fn在1.07～16.27 N之間變化，測(cè)取12次，每次測(cè)取往返兩次，統(tǒng)計(jì)絕對(duì)誤差。預(yù)緊力與絕對(duì)誤差關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8　預(yù)緊力與絕對(duì)誤差關(guān)系曲線(xiàn)

（1）滑動(dòng)摩擦+滾動(dòng)摩擦階段:當(dāng)Fn＜4.72 N時(shí)，滾動(dòng)摩擦系數(shù)δ為影響滾動(dòng)摩擦力矩Mf的主要因素，結(jié)構(gòu)阻力矩M（Fn）影響較小。當(dāng)活柱表面濕度低且微塵少時(shí)，滾動(dòng)摩擦系數(shù)δ較大，Mf滿(mǎn)足軸部轉(zhuǎn)動(dòng)條件，滾輪隨著活柱滾動(dòng)；當(dāng)活柱表面濕度大且微塵多時(shí)，滾動(dòng)摩擦系數(shù)δ較小，Mf不滿(mǎn)足軸部轉(zhuǎn)動(dòng)條件，滾輪與活柱產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦造成誤差。在產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦的區(qū)域，逐漸增加正壓力，Mf在區(qū)域內(nèi)又逐漸滿(mǎn)足轉(zhuǎn)動(dòng)條件，所以其絕對(duì)誤差逐漸減小。

（2）滾動(dòng)摩擦階段:在4.72 N≤Fn≤9.4 N時(shí)，在活柱表面狀況不相同和滾動(dòng)摩擦系數(shù)δ變化的情況下，Mf始終滿(mǎn)足軸部轉(zhuǎn)動(dòng)條件，并產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。實(shí)驗(yàn)測(cè)得此范圍之間絕對(duì)誤差在0.005～0.014 mm之間，F(xiàn)n在6.35 N處絕對(duì)誤差取得最小值。

（3）滾動(dòng)摩擦+滑動(dòng)摩擦:在9.4 N＜Fn≤15 N時(shí)，Mf在增大的同時(shí)，結(jié)構(gòu)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(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著正壓力的逐漸增加其誤差逐漸增大。鑒于系統(tǒng)傳感器受允許軸端垂直載荷15 N限制，因此合適的壓力區(qū)間為4.72～9.40 N，以6.35 N為宜。

3.3位移標(biāo)定

選取高精度光柵尺為約定真值，并對(duì)A和B兩點(diǎn)16次周期性往返進(jìn)行標(biāo)定，每次標(biāo)定的結(jié)果如圖9所示。

圖9　高精度光柵尺定距測(cè)量散點(diǎn)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(shù)值平均值確定U（AB）取值為259.671 mm。

3.4測(cè)量精度分析

為了消除傳感器的安裝誤差，監(jiān)測(cè)過(guò)程中采用2個(gè)監(jiān)測(cè)儀，即對(duì)監(jiān)測(cè)儀1和監(jiān)測(cè)儀2分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)儀1和監(jiān)測(cè)儀2分別在A和B之間往返的8次監(jiān)測(cè)（每次時(shí)間約為20 min，預(yù)緊力為6.35 N），測(cè)得A、B之間的往返平均距離U（AB）見(jiàn)表1。

表1　監(jiān)測(cè)儀1和監(jiān)測(cè)儀2檢測(cè)量絕對(duì)誤差表/mm

由表1可以看出，在測(cè)量數(shù)值上，監(jiān)測(cè)儀1測(cè)得A和B之間的平均位移U1（AB）為259.660 mm；監(jiān)測(cè)儀2測(cè)得A和B之間的平均位移U2（AB）為259.723 mm；在測(cè)量精度上，監(jiān)測(cè)儀1和監(jiān)測(cè)儀2平均絕對(duì)誤差相差較小，說(shuō)明監(jiān)測(cè)儀安裝機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較好，監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)量及絕對(duì)誤差曲線(xiàn)如圖10所示。

由圖10可知:

圖10　監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)量及絕對(duì)誤差曲線(xiàn)圖

（1）位移U（AB）為259.671 mm時(shí)，往返8次，絕對(duì)誤差在-0.218～0.699 mm之間，通過(guò)絕對(duì)誤差確定本監(jiān)測(cè)儀測(cè)量位移為1000 mm時(shí)，精度范圍為-0.8～2.7 mm。

（2）本系統(tǒng)相對(duì)誤差為-0.084%～0.27%。根據(jù)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制用儀表和顯示儀表精度等級(jí)（GB/T-13283-91）規(guī)定可知，由相對(duì)誤差表示儀器精度，其精確度等級(jí)為0.3。

（3）根據(jù)精確度等級(jí)分析可知，本系統(tǒng)完全符合液壓支架活柱下縮量監(jiān)測(cè)需求，能為礦山規(guī)律提供判別規(guī)律，同時(shí)為綜采工作面圍巖控制智能決策支持系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)支撐。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）基于角度檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?hào)原理研制的液壓支架活柱位移監(jiān)測(cè)儀突破了常規(guī)直接監(jiān)測(cè)位移的方式，成功地實(shí)現(xiàn)了液壓支架活柱位移的長(zhǎng)期穩(wěn)定電測(cè)。

（2）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)傳感器最佳預(yù)緊力的測(cè)量分析，得出傳感器依附于活柱合適的壓力區(qū)間為4.72～9.40 N。結(jié)合高精度光柵尺對(duì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行的精度校核結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)儀具有穩(wěn)定性高和量程大等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量精度范圍為-3～1 mm，根據(jù)《GBT 13283-2008工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制用檢測(cè)儀表和顯示儀表精確度等級(jí)》確定其精確度等級(jí)為0.3，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)精確度的需求。

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（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）

新疆伊犁發(fā)現(xiàn)中國(guó)最早用煤遺跡

近日，新疆考古人員在尼勒克縣的吉仁臺(tái)溝口遺址發(fā)掘中，發(fā)現(xiàn)了大量的煤灰、煤粒、沒(méi)有燃盡的煤塊，以及古人類(lèi)做飯取暖用的灶址和灰坑，考古人員結(jié)合遺址出土的文物和墓葬形制初步推測(cè)，遺址年代約在青銅時(shí)代，距今3500年左右。據(jù)悉，這一發(fā)現(xiàn)將國(guó)內(nèi)用煤歷史至少推前了1000多年。

據(jù)了解，從今年6月中旬開(kāi)始，新疆文物考古研究所就開(kāi)始對(duì)吉仁臺(tái)溝口遺址和墓地進(jìn)行搶救性考古發(fā)掘，截至日前，考古人員在遺址中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了4處房址。考古人員在4處房址中發(fā)現(xiàn)了大量煤灰、煤粒、沒(méi)有燃盡的煤塊，此外，還在房屋地面上發(fā)現(xiàn)了多處燒火用的灰坑，兩處用石頭砌成的灶址，灶壁內(nèi)側(cè)能清晰地看見(jiàn)燒結(jié)的痕跡和燒紅的土層。

據(jù)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(guó)目前據(jù)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(shí)代，春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的墓葬中已較為多見(jiàn)。煤炭被大量用于生產(chǎn)、生活的記載則是在漢代。成書(shū)于漢（公元1～2世紀(jì)）的 《史記·西域傳》中曾描述有天山南的今庫(kù)車(chē)縣一帶用煤冶煉生產(chǎn)的場(chǎng)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2012AA062100），教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助課題（NCET-10-0770）