一种液压支架销轴传感器及支护状态监测系统的制作方法

1.本发明涉及煤矿综采工作面液压支架监测与控制技术领域，尤其涉及一种液压支架用销轴传感器及基于该销轴传感器的液压支架支护状态监测系统。


背景技术：

2.液压支架承载工作面围岩，推进刮板输送机、采煤机等设备，为工作面正常生产提供安全作业空间，是综采工作面主体装备之一。液压支架支护状态包括其工作姿态与受力状态。实现液压支架支护状态全面监测，对于确保采煤工作面正常运行及安全高效生产具有十分重要的意义。现有液压支架支护状态监测系统主要以倾角传感器、压力传感器等进行组合，通过支架几何结构进行反解算，得到支架的姿态及承载状态。由于压力传感器仅能够采集立柱及平衡千斤顶等承力部件液压回路压力，对于液压支架整体来说属于内力，在进行反解算时需要对条件进行简化，难以求得较为准确的支架合力和其合力作用点的位置。利用销轴测力传感器可以根据受力方程直接求取较为准确的支架合力和其合力作用点的位置。现有销轴测力传感器主要在销轴表面开设凹槽或沿销轴轴线开设通孔，将应变片粘贴于凹槽或通孔内，通过电桥电路获取应变信号，从而计算销轴所受径向力的大小和作用方位。对于液压支架，由于相互之间经常错动，极易将销轴传感器接线扯断。因此，急需要研发无线无源的销轴测力传感器，以实现在井下真实工况下进行测量，从而实现对液压支架支护状态的有效监测，进而实现对液压支架的智能控制。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于，提供一种可应用于综采工作面液压支架的销轴测力传感器，可满足实际工况对于液压支架受力尤其是顶梁外载的监测需求，从而准确检测液压支架的合力及合力作用点的位置
4.进一步的，本发明的目的还在于，提供一种基于本发明销轴测力传感器的液压支架支护状态监测系统，实时监测支架工作过程中支架的工作姿态以及受力状态，以指导支架进行调整及控制。
5.本发明的主要目的采取以下技术方案：一种综采工作面液压支架销轴测力传感器，包括销轴弹性元件和声表面波应变传感器及收发天线组成。所述的销轴弹性元件设有两个凹槽，所述的声表面波应变传感器粘贴于凹槽内，检测销轴受力时应变。
6.进一步的，所述两个销轴凹槽对称布置于销轴弹性元件两侧，所述销轴凹槽沿销轴圆周方向均匀分为四个方位，四个声表面波应变传感器均匀布置在销轴凹槽的同一圆周方向上。所述的声表面波应变传感器安装时测量方向应与销轴轴向方向相同。
7.优选的，所述的声表面波应变传感器，由压电晶体、叉指换能器、反射栅及温度补偿电路组成。
8.进一步的，所述的声表面波应变传感器与收发天线相连，收发天线采用饼状天线，布置于销轴两端；沿销轴的轴线开设通孔，声表面波应变传感器相互与收发天线连接线在
通孔内走线，通孔内部填充惰性气体，进行密封。
9.另一方面，本发明的次要目的采取以下技术方案：一种基于本发明销轴测力传感器的液压支架支护状态监测系统，由无线销轴传感器，无线倾角传感器，无线压力传感器，接收控制器，显示终端组成。
10.所述的无线倾角传感器采用双轴倾角传感器，通过磁吸方式固定于液压支架顶梁、前连杆及底座。
11.所述的无线压力传感器安装于立柱油缸下腔液压回路与平衡千斤顶上下腔液压回路，检测立柱与平衡千斤顶油压。
12.所述的销轴测力传感器代替液压支架顶梁与掩护梁之间销轴，检测顶梁与掩护梁之间相互作用力。
13.优选的无线倾角传感器，无线压力传感器均采用lora或zigbee等无线通信技术进行无线数据传输，以实现低功耗远距离传输。
14.所述的接收控制器由声表面波多频收发天线，无线收发网关组成，一方面通过声表面波多频收发天线进行频率扫描，获取销轴测力传感器内部各声表面波应变传感器数据；另一方面通过无线收发网关与无线压力传感器及无线倾角传感器通信，获取相关数据。
15.所述的显示终端与接收控制器相连，对所接收的销轴测力传感器内部各声表面波应变传感器数据进行计算，得到销轴受力大小及方向；在此基础上，与所接收得支架关键结构件倾角、压力信号联立进行综合计算，得到液压支架的采高，各结构件倾角，合力作用点位置及合力大小，从而得到液压支架的工作姿态与受力状态，进行综合显示。
16.进一步的，所述的显示终端同时分析支架姿态与前后立柱压力调整控制策略，发出支架控制指令。
17.有益效果：本发明提供一种综采工作面液压支架用销轴传感器及基于该销轴传感器的液压支架支护状态监测系统。其优点在于应用声表面波应变传感器设计无线无源的销轴测力传感器，最大限度地减少了工作面线缆使用数量，避免因支架错动造成线缆扯断，造成信号丢失；同时通过销轴测力传感器直接计算得到支架合力大小与合力作用点位置，从而全面反映支架支护状态，对液压支架控制与优化设计提供数据支撑。从而保证液压支架工作过程稳定可靠，降低事故发生率，提升生产规范安全，同时又充分体现了智能化检测和自动化控制的优势。
附图说明
18.为了更清晰的说明本发明中的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图做出简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明提供的液压支架用销轴传感器结构示意图；
20.图2是图1的a—a向示意图；
21.图3是本发明液压支架用销轴传感器中所用声表面波应变传感器结构示意图；
22.图4是本发明提供的基于销轴传感器的液压支架支护状态监测系统示意图；
23.图5是基于本发明提供的液压支架支护状态监测系统的液压支架合力作用点计算方法示意图；
24.其中：
25.1销轴弹性元件；2销轴凹槽；3声表面波应变传感器；4收发天线；110显示终端；120接收控制器；130无线销轴传感器；140无线倾角传感器；150无线压力传感器；121 声表面波多频收发天线；122无线收发网关；131压电晶体；132叉指换能器；133反射栅；134温度补偿电路。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明提供了如图1所示的一种综采工作面液压支架的销轴测力传感器，包括销轴弹性元件1，销轴凹槽2，声表面波应变传感器3及收发天线4组成。所述销轴凹槽2 对称布置在所述的销轴弹性元件1中心两侧，所述的声表面波应变传感器3粘贴于销轴凹槽2内，并与收发天线4相连，通过所述的声表面波应变传感器3检测检测销轴受力时应变，计算销轴受力大小与方向。
28.如图2所示，所述销轴凹槽2沿销轴圆周方向均匀分为四个方位，四个声表面波应变传感器3a、3b、3c、3d通过粘贴工艺均匀布置在销轴凹槽的同一圆周方向上。所述销轴凹槽2为四方形，两端采用半圆形过度结构，防止销轴弹性元件1弹性变形时，在凹槽2处盈利集中，造成检测销轴1所承受径向力测量不准。
29.所述销轴弹性元件1沿销轴的轴线开设通孔，所述声表面波应变传感器3与收发天线4连接线在通孔内走线，通孔内部填充惰性气体，进行密封。
30.所述的声表面波应变传感器3，由压电晶体131、叉指换能器132、反射栅133及温度补偿电路134组成。
31.具体的，所述的声表面波应变传感器3，其典型结构可参见图3。叉指换能器132 与反射栅133利用半导体光刻工艺制作于压电晶体131上，叉指换能器132与反射栅133 构成谐振器，根据设计设置谐振中心频率。当压电晶体131发生形变，声表面谐振器同时发生形变，其谐振腔的长度、叉指宽度等参数随之发生变化，其谐振频率的变化量δf0可表示为
[0032][0033]
谐振频率的变化量与应变之间的关系可简化为如下所示：
[0034][0035]
因此获取形变后谐振频率变化量与初始谐振频率之比即可得到应变。
[0036]
另外由于声表面波应变传感器受到温度变化时，谐振频率也会产生变化，因此设计温度补偿电路134对对误差进行补偿。
[0037]
基于本发明销轴测力传感器，本发明还提供了一种液压支架支护状态监测系统，由显示终端110，接收控制器120，无线销轴传感器130，无线倾角传感器140，无线压力传感器150组成。其中显示终端110与接收控制器120相连，无线销轴传感器130、无线倾角传感器
140及无线压力传感器150与接收控制器120之间无线连接。各传感器的部署方式如图4所示。
[0038]
所述的无线销轴传感器130采用本发明所提供的销轴传感器，代替液压支架顶梁与掩护梁之间销轴，检测顶梁与掩护梁之间相互作用力。本发明所提供的销轴传感器可实现对销轴受力的无线无源监测，避免因支架错动造成传感器线缆折断，使传感数据丢失。优选的，收发天线采用饼状天线，粘贴于侧护板内侧，保证收发天线不被扯坏。
[0039]
所述的无线倾角传感器140采用双轴倾角传感器，通过磁吸方式固定于液压支架顶梁、前连杆及底座。
[0040]
所述的无线压力传感器150安装于立柱油缸下腔液压回路与平衡千斤顶上下腔液压回路，检测立柱与平衡千斤顶油压。
[0041]
所述的接收控制器120由声表面波多频收发天线121，无线收发网关122组成，一方面通过声表面波多频收发天线121进行频率扫描，获取销轴测力传感器内部各声表面波应变传感器数据；另一方面通过无线收发网关与无线压力传感器及无线倾角传感器通信，获取相关数据。
[0042]
所述的显示终端110与接收控制器120相连，对所接收的无线销轴传感器130内部各声表面波应变传感器数据进行计算，得到销轴受力大小及方向；在此基础上，与所接收得支架关键结构件倾角、压力信号联立进行综合计算，得到液压支架的采高，各结构件倾角，合力作用点位置及合力大小，从而得到液压支架的工作姿态与受力状态，进行综合显示。
[0043]
优选的，所述的声表面波多频收发天线121的中心工作频率可设置在433mhz附近。无线销轴传感器内部布置的各声表面波应变传感器的接收频率应设置各不相同，以避免其接收频率重叠，信号之间相互干扰。
[0044]
所述的无线收发网关122的通信方式包括基于lora或zigbee的无线通信技术。
[0045]
具体的，基于本发明所提供的液压支架支护状态监测系统，液压支架的合力作用点位置及合力大小可如图5所示进行计算。由于液压支架是对称结构，可将其抽象为杆系结构，将各力分解到沿顶梁方向及垂直于顶梁的方向上，根据力平衡关系和关于o1点力矩平衡关系，可得
[0046]
q＝p
1 cosα1 p
2 cosα
2-f
1y
[0047]
fq＝p
1 sinα1 p
2 sinα
2-f
1x
[0048]
x＝(p
1 sinα1·
h4 p
1 cosα1(l8 l9) p
2 sinα2·
h7 p
2 cosα2·
l
8-f
1x
·
h5)/q
[0049]
其中，f
1x
、f
1y
为顶梁与掩护梁铰接点上受力；p1、p2分别是立柱千斤顶和平衡千斤顶的工作阻力(p1＝p
11
a1，p2＝p
21
a2)；q是顶梁载荷的集中力即支架顶梁所受合力；x是支架顶梁所受合力位置距支架销轴的距离；fq是顶梁所受的摩擦力；α1、α2分别是立柱千斤顶与rs直线的夹角、平衡千斤顶与kp直线的夹角，分别通过支架几何关系求得。
[0050]
在本技术实施例中，相关工作人员可根据液压支架组结构、工作面超前巷道顶、底板条件和矿压条件等，融合分析支架工作姿态及受力状况，进一步分析支架调整控制策略，发出支架控制指令。同时根据相关数据预测支架使用寿命，指导支架进行优化设计等。
[0051]
以上所述仅为本发明较佳具体实施，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。