宋鑫，宋建成，田慕琴，陳惠英，李新勝

（太原理工大學(xué)煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030024）

基于無線跳頻通訊的液壓支架工作狀態(tài)無線采集和監(jiān)測系統(tǒng)的研究*

宋鑫，宋建成*，田慕琴，陳惠英，李新勝

（太原理工大學(xué)煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030024）

針對(duì)煤礦井下綜采工作面液壓支架機(jī)械狀態(tài)信息獲取困難，無法監(jiān)測其工作狀態(tài)的問題，提出了一種基于無線跳頻通訊感知液壓支架工作狀態(tài)的方法，設(shè)計(jì)了無線感知傳感器，它利用電阻式應(yīng)變片將壓力、應(yīng)力等力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過無線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。開發(fā)了基于C8051F020和nRF905射頻電路的無線收發(fā)模塊，模塊之間通過無線跳頻的方式通訊，在多個(gè)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可避免同頻信號(hào)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的干擾?；贗EEE 802.11相關(guān)協(xié)議，采用CSMA/CA、RTS/CTS/ DATA/ACK握手機(jī)制和CRC差錯(cuò)校驗(yàn)機(jī)制，可確保無線通信的可靠性。考慮液壓支架的支護(hù)狀態(tài)和安全強(qiáng)度，提出了液壓支架安全程度分級(jí)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架機(jī)械故障的預(yù)警，進(jìn)而為液壓支架的壽命管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

液壓支架；無線跳頻通訊；安全分級(jí)；狀態(tài)監(jiān)測

EEACC：6150；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.027

液壓支架作為煤礦井下綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，由于其所處工況環(huán)境復(fù)雜，長時(shí)間在高強(qiáng)度載荷作用下，會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件形變、磨損、斷裂等機(jī)械故障［1］，從而引發(fā)大面積的壓架事故，直接影響整個(gè)綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全。目前，國內(nèi)對(duì)于液壓支架的故障檢測主要是通過人員識(shí)別和非接觸式探傷儀探傷的方法［2-3］，效率低、可靠性和實(shí)時(shí)性差，無法獲取液壓支架工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化過程。

為了能夠監(jiān)測井下綜采工作面液壓支架的實(shí)時(shí)安全支護(hù)狀態(tài)，對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)件的受力情況踐行全面感知非常重要。對(duì)于大型機(jī)械設(shè)備，目前已廣泛采用狀態(tài)檢測技術(shù)，并通過無線通訊方式來采集狀態(tài)數(shù)據(jù)，分析其運(yùn)行狀態(tài)［4］。但對(duì)于液壓支架，因?yàn)楣ぷ髅婵臻g狹窄，工況環(huán)境惡劣，煤塵濃度高，若采用簡單的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)液壓支架遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，傳輸可靠性難以得到保證。雖然國內(nèi)有許多礦井采用了液壓支架電液控制系統(tǒng)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的自動(dòng)化作業(yè)，同時(shí)對(duì)液壓支架的立柱液壓腔壓力進(jìn)行在線監(jiān)測［5-6］。但監(jiān)測數(shù)據(jù)不足以全面反映液壓支架的狀態(tài)數(shù)據(jù)，無法完成對(duì)液壓支架的安全支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測。

本文就上述問題，在融合多種無線傳感器［7］的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無線跳頻通訊感知液壓支架工作狀態(tài)的方法，最終通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)液壓支架工作狀態(tài)的評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的安全預(yù)警。

1　液壓支架狀態(tài)的物理感知

1.1液壓支架工作狀態(tài)

以井下最常用的掩護(hù)式液壓支架［8］為例，如圖1所示。掩護(hù)式液壓支架主體是由底座、前后連桿、立柱、掩護(hù)梁和頂梁板等鋼結(jié)構(gòu)件組成。而其在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中受頂板、煤矸石和刮板機(jī)等不對(duì)稱作用力的影響，各主結(jié)構(gòu)件尤其像銷軸連接耳、焊縫等處會(huì)因集中受力出現(xiàn)形變甚至斷裂的機(jī)械損傷，進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度。

圖1　掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)綜合分析，選取液壓支架主體結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中處作為監(jiān)測點(diǎn)，如反映立柱下腔壓力的立柱初撐力和反映立柱安全閥壓力的支護(hù)強(qiáng)度，這兩個(gè)參數(shù)是液壓支架的重要技術(shù)指標(biāo)，均可以反映液壓支架的工作狀態(tài)。

1.2工作狀態(tài)的無線感知

由于主結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力檢測點(diǎn)較多，傳統(tǒng)的有線檢測方式會(huì)受到空間、環(huán)境和接口等諸多因素限制，因此本文對(duì)液壓支架工作狀態(tài)的感知采用無線通訊方式來實(shí)現(xiàn)。

主要無線感知元件包括檢測應(yīng)力的無線應(yīng)變傳感器，檢測立柱下腔壓力和安全閥壓力的無線壓力傳感器。上述兩種無線傳感元件的核心是由低功耗nRF905無線數(shù)傳芯片和混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片C8051f020構(gòu)成的無線收發(fā)模塊。無線感知傳感器和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的工作方式如圖2所示。

圖2　無線感知傳感器的工作示意圖

應(yīng)力和壓力的檢測是通過電阻式應(yīng)變片將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過放大和濾波電路構(gòu)成的調(diào)理電路，將可識(shí)別的模擬量信號(hào)通過由nRF905和C8051f020構(gòu)成的無線發(fā)射模塊，以無線跳頻的方式與接收模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

無線發(fā)射模塊i（i≤m）表示m個(gè)無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)，該模塊位于液壓支架的各個(gè)檢測點(diǎn)處，均為鋰電池供電；而無線接收模塊j（j≤n）表示整個(gè)工作面n個(gè)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的一個(gè)，每架液壓支架上設(shè)有一個(gè)。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)用于接收液壓支架上m個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和壓力數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于外部RAM實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心會(huì)定時(shí)通過RS485總線巡檢整個(gè)工作面n個(gè)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)接口將所有數(shù)據(jù)上傳至地面數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)井下液壓支架機(jī)械狀態(tài)的上傳。

由于地面數(shù)據(jù)監(jiān)控中心監(jiān)測管理的數(shù)據(jù)直接來源于工作面數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)，因此壓力和應(yīng)力數(shù)據(jù)無線采集的可靠性至關(guān)重要，這需要穩(wěn)定的通訊方式來保障。

2　無線跳頻通訊方式

井下工作面環(huán)境復(fù)雜，干擾較多，為了能夠有效降低干擾信號(hào)對(duì)無線通訊數(shù)據(jù)的干擾，需要設(shè)計(jì)傳輸性能可靠的無線通訊協(xié)議確保無線通訊的可靠傳輸。本文基于nRF905無線數(shù)傳芯片，以無線跳頻的通訊方式，通過合理的通訊協(xié)調(diào)機(jī)制和數(shù)據(jù)差錯(cuò)校驗(yàn)方式，實(shí)現(xiàn)無線感知節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)）和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.1通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

安裝于液壓支架上的無線感知節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的無線通訊，如圖3所示。與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑿?網(wǎng)混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎啾?，星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，功耗最低［9］。

圖3　星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2無線跳頻通訊的實(shí)現(xiàn)

無線跳頻通訊的核心是單片射頻芯片nRF905，它可工作于433/868/915 MHz的ISM頻段，最高工作速率50 kbit/s，通過SPI接口與微處理器通訊。它具有高效的GFSK調(diào)制能力，抗干擾能力強(qiáng)，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多通訊地址控制，特別適合工業(yè)控制場合。該芯片實(shí)際使用引腳如圖3所示。

圖4　nRF905引腳示意圖

它可工作于四種模式，如表1所示。具體工作模式是由芯片引腳CE、TxEN、PWR電平?jīng)Q定，而且各工作模式切換時(shí)間極短，不超過650 μs。

表1　nRF905的工作模式

其正常的工作模式為ShockBurst RX和Shock?Burst TX。最大發(fā)射功率10 dBm下的發(fā)送和接收模式的工作電流分別為9 mA和12.5 mA，而且節(jié)電模式下工作電流僅為2.5 μA。

2.2.1通訊協(xié)議

在無線通訊過程中傳輸?shù)膬?nèi)容是應(yīng)力、壓力和控制命令，它門按照一定的順序和格式排列后依次傳送。這里使用了控制命令幀和數(shù)據(jù)幀，其中控制命令幀包括RTS、CTS、ACK幀，數(shù)據(jù)幀為DATA幀，協(xié)議幀內(nèi)容借鑒了IEEE802.11協(xié)議［10］。

①數(shù)據(jù)幀DATA

目的地址+源地址+66H+0/1+DATA+len

目的地址為數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的地址號(hào)，源地址為無線感知節(jié)點(diǎn)的地址號(hào)；66H為數(shù)據(jù)幀DATA標(biāo)識(shí)號(hào)；0/1表示應(yīng)力數(shù)據(jù)/壓力數(shù)據(jù)；DATA為有效數(shù)據(jù)值占兩個(gè)字節(jié)；len為有效數(shù)據(jù)長度。DATA幀共7個(gè)字節(jié)。

②請(qǐng)求發(fā)送幀RTS

目的地址+源地址+77H+len_data+CH_index

77H為控制命令幀標(biāo)識(shí)號(hào)；len_data為DATA幀總的字節(jié)數(shù)；CH_index為跳頻通訊各頻道的索引號(hào)。RTS幀共5個(gè)字節(jié)。

③取消發(fā)送幀CTS

目的地址+源地址+77H+Time

Time為數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)接收DATA幀所需時(shí)間，由nRF905通訊速率和DATA幀字節(jié)數(shù)估算得出。CTS幀共4個(gè)字節(jié)。

④數(shù)據(jù)確認(rèn)幀ACK

目的地址+源地址+77H

ACK幀共3個(gè)字節(jié)。

2.2.2可靠傳輸策略

基于IEEE802.11協(xié)議中的RTS/CTS/DATA/ ACK模式，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

①CSMA/CA（載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突避免）

當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)要與接收節(jié)點(diǎn)建立通訊連接，首先需要通過爭取到空閑總線，然后在相應(yīng)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而當(dāng)多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)同時(shí)偵聽到空閑總線時(shí)會(huì)造成信道擁堵而引起通訊崩潰。本文采用CSMA/CA的方式，設(shè)置退避時(shí)間來避免沖突，即當(dāng)信號(hào)發(fā)射端檢測到信道空閑時(shí)不能立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是要在一段退避時(shí)間后再發(fā)送數(shù)據(jù)，使多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)按次序征用總線，以此來避免沖突。

nRF905內(nèi)部硬件則提供了實(shí)現(xiàn)載波偵聽的功能，當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)的載波檢測引腳CD發(fā)現(xiàn)與設(shè)定接收頻率相同的載波時(shí)會(huì)被置高，最終根據(jù)軟件編程設(shè)置延時(shí)確定的退避時(shí)間實(shí)現(xiàn)總線信道的有效利用。

②RTS/CTS/DATA/ACK的握手機(jī)制

隱藏節(jié)點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)需考慮的關(guān)鍵問題，直接決定著無線網(wǎng)絡(luò)性能。如圖5所示，A和C同時(shí)向B傳輸數(shù)據(jù)，由于A在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)無法檢測到C也在向B發(fā)數(shù)據(jù)，B節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。對(duì)于A來說，C就是隱藏節(jié)點(diǎn)，即由于距離限制而導(dǎo)致某節(jié)點(diǎn)無法檢測到介質(zhì)競爭對(duì)手的存在［11-12］。

圖5　隱藏節(jié)點(diǎn)問題示意圖

RTS/CTS/DATA/ACK的握手機(jī)制即用來解決隱藏節(jié)點(diǎn)問題的。感知節(jié)點(diǎn)先向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS請(qǐng)求與接收節(jié)點(diǎn)通訊，接收節(jié)點(diǎn)收到RTS后，向感知節(jié)點(diǎn)回發(fā)CTS幀。感知節(jié)點(diǎn)接收到CTS后表明連接建立完成，開始向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)；如果感知節(jié)點(diǎn)沒有接到CTS，則重發(fā)RTS請(qǐng)求命令，直到連接成功，如果重發(fā)次數(shù)超出規(guī)定值，則轉(zhuǎn)跳通訊信道。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收完數(shù)據(jù)后回發(fā)ACK數(shù)據(jù)確認(rèn)幀，表明接收成功，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。這樣通過握手確認(rèn)的方式避免了節(jié)點(diǎn)之間的沖突，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)交換的可靠性。

③CRC差錯(cuò)校驗(yàn)

在無線傳輸過程中，數(shù)據(jù)接收端會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包或被干擾的情形，導(dǎo)致通訊差錯(cuò)。CRC差錯(cuò)校驗(yàn)即可解決上述問題，它是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯(cuò)功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，并將得到的結(jié)果加在數(shù)據(jù)幀的后面，接收端也執(zhí)行相同的算法，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。

在nRF905內(nèi)部也提供了CRC的硬件支持。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)在接收端如果因CRC校驗(yàn)出錯(cuò)會(huì)被nRF905自動(dòng)丟棄，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)無法獲得接收節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)確認(rèn)ACK幀。出現(xiàn)這種情況后，采用數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制進(jìn)行差錯(cuò)控制，即在通訊超時(shí)的間隔內(nèi)沒有收到接收節(jié)點(diǎn)的ACK則重發(fā)。重發(fā)超過3次就放棄本次通訊，轉(zhuǎn)跳通訊頻率。

2.2.3低功耗設(shè)計(jì)思路

本文中無線感知節(jié)點(diǎn)的供電采用12 V/2 600 mAh可充電鋰電池，因此低功耗的設(shè)計(jì)是保證其長久續(xù)航的關(guān)鍵。

無線感知節(jié)點(diǎn)硬件電路在采用低功耗芯片的前提下，針對(duì)其主要功耗來源于空閑偵聽和控制信號(hào)消耗的特點(diǎn)，本文采用自適應(yīng)性周期工作和睡眠機(jī)制，使空閑狀態(tài)的感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以減少空閑偵聽。同時(shí)，感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集周期設(shè)置為3 s，其中工作時(shí)間為200 ms，其余為休眠時(shí)間，工作時(shí)間遠(yuǎn)小于休眠時(shí)間。具體思路如下：

當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，在RTS幀中設(shè)置了DATA幀的字節(jié)數(shù)，接收節(jié)點(diǎn)收到RTS后，估算出完成本次通訊所需時(shí)間Time，加到CTS幀中，非握手節(jié)點(diǎn)接收到CTS幀后，根據(jù)提取的Time時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，省去了不必要的信道偵聽功耗。這樣某信道被占用后，僅有一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，信道利用率也隨之提高。感知節(jié)點(diǎn)在完成一次數(shù)據(jù)傳輸后，直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一個(gè)采樣周期才被喚醒。這樣通過控制節(jié)點(diǎn)偵聽空閑時(shí)間和工作模式，即可實(shí)現(xiàn)降低功耗和提高信道利用率。

2.2.4跳頻通訊

本文設(shè)置nRF905工作于433MHz頻段，采用5個(gè)信道進(jìn)行通訊，分別為控制信道423 MHz（0）和數(shù)據(jù)信道427 MHz（1）、431 MHz（2）、435 MHz（3）、439 MHz（4）。其中控制信道用于控制命令RTS/ CTS/ACK的傳輸，而數(shù)據(jù)信道用于應(yīng)力、壓力數(shù)據(jù)DATA的傳輸。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)受到同頻信號(hào)干擾時(shí)則轉(zhuǎn)跳至其它信道進(jìn)行通訊。本文數(shù)據(jù)幀初始工作信道為427 MHz，通訊信道頻率按1-3-2-4-1的規(guī)律跳轉(zhuǎn)，加大了轉(zhuǎn)跳頻率帶寬，降低了干擾概率。

跳頻通訊的載波頻率fop是由nRF905內(nèi)部配置寄存器中的CH_index和HFREQ_PLL字節(jié)完成設(shè)置，由式（1）計(jì)算：

其中，當(dāng)HFREQ_PLL=0時(shí)，nRF905工作于433 MHz頻段。而CH_index表示數(shù)據(jù)通訊信道數(shù)組的索引號(hào)，用于跳頻通訊，如1表示427 MHz，3表示435 MHz。

通常情況下，感知節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)都工作于控制信道423 MHz。當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)在控制信道上偵聽到信道空閑時(shí)，向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀，該幀含有該感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信道信息CH_index。接收節(jié)點(diǎn)收到RTS后提取CH_index，在向該感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS幀后，跳入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信道，等待感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。感知節(jié)點(diǎn)在收到接收節(jié)點(diǎn)的CTS后，同樣跳入該信道并發(fā)送有效數(shù)據(jù)。當(dāng)有效數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，感知節(jié)點(diǎn)收到接收節(jié)點(diǎn)的ACK幀，則感知節(jié)點(diǎn)結(jié)束本次通訊；如果沒有收到ACK幀且沒有達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)，感知節(jié)點(diǎn)就向接收節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送該有效數(shù)據(jù)；而如果連續(xù)重發(fā)次數(shù)達(dá)到規(guī)定次數(shù)，則更換通訊頻道，完成一次跳頻，等待下一次采樣周期，在另外一個(gè)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。感知節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)跳頻通訊的工作流程圖分別如圖6和圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)通訊流程圖

3　機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測管理

無線感知節(jié)點(diǎn)通過無線跳頻通訊的方式將各架液壓支架上的機(jī)械狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于各自數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的外部RAM中，位于端頭架的數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)通過485總線定時(shí)巡檢工作面所有數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)中機(jī)械狀態(tài)數(shù)據(jù)，匯集完后最終通過以太網(wǎng)接口上傳至地面監(jiān)控中心，完成數(shù)據(jù)處理和分析，最終通過壓力和應(yīng)力體現(xiàn)的液壓支架支護(hù)狀態(tài)和安全強(qiáng)度校核來實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架安全和故障狀態(tài)的監(jiān)測管理。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)框圖

3.1液壓支架支護(hù)狀態(tài)

液壓支架的支護(hù)狀態(tài)是通過支架的立柱初撐力和支護(hù)強(qiáng)度反應(yīng)的，二者是液壓支架最重要的技術(shù)指標(biāo)［13-14］。

液壓支架支護(hù)強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上反映了支架在工作中能承受頂板的載荷，由式（2）計(jì)算：

其中，支架工作阻力F1為液壓支架在恒阻承載階段的作用力，由式（3）計(jì)算：

其中，D為立柱缸體內(nèi)徑（cm），N為立柱數(shù)量，Pa為立柱安全閥的壓力（MPa），α為立柱傾角。

不同類型的液壓支架在不同類型的頂板狀態(tài)下對(duì)應(yīng)不同的支護(hù)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)支護(hù)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可描述其在井下的支護(hù)狀態(tài)和頂板圍巖的工作環(huán)境狀態(tài)［15］。

支架初撐力是立柱下腔液體壓力達(dá)到泵站壓力時(shí)，支架對(duì)頂板所產(chǎn)生的初始支護(hù)力。額定初撐力計(jì)算如式（4）所示：

其中，Pb表示泵站額定壓力（MPa），實(shí)際計(jì)算應(yīng)為支架立柱高壓腔的壓力。

結(jié)合采煤過程頂板來壓的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和監(jiān)控中心的立柱下腔壓力值，及時(shí)調(diào)節(jié)泵站供壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)支架立柱的初撐力，防止液壓支架在每個(gè)采煤循環(huán)過程中處于“低初撐力-高工作阻力”的惡性循環(huán)，避免支架受力不均衡造成壓架事故［16］。

在我國，根據(jù)綜采工作面礦壓觀測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，《煤礦支護(hù)手冊(cè)》、《采煤機(jī)械化成套設(shè)備參考手冊(cè)》等資料中有要求初撐力不小于額定工作阻力的80%。而不同頂板類型下的初撐力和額定工作阻力的關(guān)系如表2所示。

表2　不同頂板類型下的初撐力和額定工作阻力的關(guān)系

以穩(wěn)定與堅(jiān)硬頂板為例說明，ZY4000/17/37型掩護(hù)式液壓支架的工作阻力為4000 kN，立柱缸徑為200 mm。當(dāng)泵站供液壓力為31.5 MPa時(shí)，可計(jì)算出其初撐力為1 978 kN，初撐力/額定工作阻力為49.4%。根據(jù)表2要求，此時(shí)液壓支架支護(hù)狀態(tài)處于崩潰邊緣，需提高泵站壓力以提高支架初撐力，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3.2液壓支架安全強(qiáng)度校核

液壓支架的主體結(jié)構(gòu)為鋼材，而鋼材的力學(xué)特征可通過應(yīng)力應(yīng)變（σ-ε）關(guān)系反應(yīng)［17］，如圖9所示。

圖9　拉伸測試試驗(yàn)下σ-ε關(guān)系曲線

當(dāng)結(jié)構(gòu)件實(shí)際所受應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度σs，即屈服階段中應(yīng)力最大點(diǎn)處將會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生重構(gòu)，會(huì)影響其承載能力；而當(dāng)實(shí)際受力超出抗拉極限σb時(shí)，鋼材會(huì)完全喪失對(duì)形變的抵抗能力而出現(xiàn)斷裂。

而在液壓支架設(shè)計(jì)過程中，各結(jié)構(gòu)件往往需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，而強(qiáng)度校核是以屈服強(qiáng)度σs來計(jì)算安全系數(shù)N的，因此本文根據(jù)相應(yīng)結(jié)構(gòu)件的許用安全系數(shù)來反映液壓支架的安全信息［14］。強(qiáng)度條件如式（5）所示：

其中，N表示安全系數(shù)，［n］表示各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的許用安全系數(shù)。表3是相關(guān)結(jié)構(gòu)件的許用安全系數(shù)。

表3　許用安全系數(shù)表

安全系數(shù)主要取決于人們對(duì)客觀規(guī)律的理解程度和設(shè)備發(fā)生事故的危害程度，它的作用主要是為使用設(shè)備預(yù)留一定余量，以彌補(bǔ)理論漏洞和制造無法檢測的缺陷［18］。本文根據(jù)不同的許用安全系數(shù)的百分比范圍來對(duì)液壓支架各結(jié)構(gòu)件的安全狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，以此來評(píng)判其安全狀態(tài)，如表4所示。

若液壓支架的主結(jié)構(gòu)件采用15CrMo普通低合金鋼結(jié)構(gòu)，其屈服強(qiáng)度為459 MPa。以頂梁為例，若無線應(yīng)變傳感器檢測到目標(biāo)位置所受應(yīng)力為400 MPa，計(jì)算出［n］=1.15，大于其許用安全系數(shù)1.1，安全等級(jí)為安全；若其所受應(yīng)力為550 MPa，［n］= 0.83，則安全等級(jí)為極度危險(xiǎn)狀態(tài)，須立即處理。

表4　安全分級(jí)

4　結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前井下液壓支架工作狀態(tài)在線監(jiān)測困難的問題，對(duì)液壓支架工作狀態(tài)的監(jiān)測和管理進(jìn)行了深入研究，得出以下結(jié)論：

①提出了利用液壓支架支護(hù)狀態(tài)和安全強(qiáng)度校核來對(duì)液壓支架的機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行安全分級(jí)，完成液壓支架機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測管理和安全狀態(tài)的評(píng)估分析。

②提出了一種基于無線跳頻通訊的方法，通過CSMA/CA、RTS/CTS/DATA/ACK握手機(jī)制和差錯(cuò)校驗(yàn)機(jī)制，確保了無線通訊的可靠傳輸，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

③通過在傳輸協(xié)議幀中設(shè)置預(yù)估通訊時(shí)間，結(jié)合無線感知設(shè)備的工作模式合理切換，有效減少了無線通訊過程中空閑偵聽能量損失，確保了感知節(jié)點(diǎn)低功耗運(yùn)行。

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宋鑫（1992-），男，碩士研究生，現(xiàn)主要研究煤礦電氣設(shè)備和智能控制技術(shù)，372851351@qq.com；

宋建成（1957-），男，教授，博士生導(dǎo)師，太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院院長，長期致力于電氣工程學(xué)科礦用智能電器、電力設(shè)備壽命評(píng)估、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控等領(lǐng)域的科學(xué)研究，sjc6018@163.com。

Research on Condition Collecting and Monitoring System of Mining Hydraulic Support Based on Frequency Hopping Wireless Communication*

SONG Xin，SONG Jiancheng*，TIAN Muqin，CHEN Huiying，LI Xinsheng
（Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Aiming at solving the problem of accessing mine hydraulic support mechanical states，a novel method of sensing hydraulic support mechanical states based on frequency hopping wireless communication has been pro?posed，and a new kind of wireless sensing device has been designed.Wireless sensors adopted resistance strain gauges to change mechanical signal to electric signal，so as it can be identified by MCU.The wireless transceiver communication models based on C8051F020 and nRF905 were developed，so that data can be transferred through several channels to avoid the same frequency signal interference.Besides，based on the protocol of IEEE802.11，CS?MA/CA，three-handshake scheduling and the CRC error checking mechanism were adopted to ensure reliability of the wireless communication.According to the hydraulic support states and security strength，the author put forward a safety level method for its mechanical states，which can give prior warning for hydraulic support accidents and pro?vide reliable data to the life management of the hydraulic supports.

hydraulic support；frequency hopping wireless communication；security classification；state monitoring

TD65+5.3；TD67；TP212.9

A

1004-1699（2016）09-1457-07

項(xiàng)目來源：國際科技合作與交流專項(xiàng)項(xiàng)目（0S2013ZR0493）；山西省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（20131101029）

2016-03-05修改日期：2016-04-03