主页 > 案例大全 > 论文技巧大全-基于光纤光栅曲率调直的刮板输送机技术分析

论文技巧大全-基于光纤光栅曲率调直的刮板输送机技术分析

2021-03-25 05:56:21

  中国矿业大学方新秋教授团队研发的基于光纤光栅三维曲率传感拟合的刮板输送机空间弯曲曲线解决了综采工作面感知“三直两平”中刮板输送机直线度的关键问题。对于煤矿综采工作面实现智能化有着重要意义。本文对这种方法进行了深入的思考,对比之前出现的各种刮板输送机直线度感知技术,对光纤光栅曲率感知直线度技术的优势以及当前存在的问题进行了探讨。针对该方法无法拟合刮板输送机绝对空间弯曲曲线,笔者还提出了一种将相对空间弯曲曲线修正到绝对空间弯曲曲线的方法,针对曲线拟合过程中误差累积的问题,提出了一种误差修正的设想。

  1当下刮板输送机调直技术

  在采煤工作面,三机——采煤机、刮板输送机、液压支架之间是相互关联的、相互影响的。经过多年的研究,关于刮板机的调直方面逐步形成了基于液压支架调直的刮板机直线度感知技术和基于采煤机自主定位的刮板机直线度感知技术两大技术体系。

  基于液压支架调直的刮板机直线度感知技术是一个间接调直方法,多数是利用在支架上安装传感器,如顶梁上安装测距仪和行程传感器、推移千斤顶上安装行程传感器等来感知液压支架之间的相对位置,再通过推移千斤顶来控制刮板输送机的直线度。这种方法精度低、而且多次推移后误差逐渐加大,因此在实际应用中存在很大问题。

  基于采煤机自主定位的刮板机直线度感知技术也是一种间接的方法,以采煤机自主定位为主,来反演刮板输送机的直线度,进而通过液压支架进行直线度控制。如利用惯性导航技术和在采煤机机身安装陀螺仪与加速度计,首先实现采煤机的精确定位和位姿检测,再反演出刮板机形状的数学模型,最后通过液压支架推移千斤顶进行直线度控制。在这种技术里采用的是高精度陀螺仪,在采煤机割煤过程中产生的振动会干扰陀螺仪定位精度,而且采煤机的定位需要二次积分,各种情况下,实际运用成果差强人意[1-2]。

  此外还有利用人工调直的方法,是指利用人眼观测刮板输送机的直线度或者利用安装在刮板输送机中部槽槽体的钢丝绳长度传感器,获取刮板机位移数据后进行分析,得出结果后人为的控制液压支架来调整推移千斤顶,进而控制刮板机的直线度。

  2存在的的问题

  综上分析可知,目前用于刮板输送机直线度感知多种技术的缺陷主要是:①自动化程度低,难以和系统形成实现刮板输送机自动调直;②环境适应度低,抗干扰能力弱;③直线度测量精度低;④无法实现实时动态感知。

  3光纤光栅曲率调直技术

  已知的光纤光栅曲率感知大致分为三种,一是光强调制类型的光纤曲率传感器,原理是利用光纤在曲率突然变化时光强突然有较大损耗制成。二是相位调制类型的光纤曲率传感器,测量原理是采用多芯光纤通白光后产生的干涉信息,从干涉光相位变化中可以得到光纤弯曲曲率的结果。三是频率调制类型的光纤曲率传感器[3]。主要有Bragg光栅和长周期光纤光栅两种。本文采用的光纤光栅测曲率的方法是第三种,利用光纤Bragg光栅温度-应变交叉敏感特性得到光纤光栅波长变化值与被测点处曲率半径的关系。

  (1)

  其中,定义为温度恒定条件下光栅波长变化值,为测量点处曲率半径,为光

  纤光栅的曲率灵敏度系数[4-5]。

  采用光纤光栅串作为传感元件,利用解调仪解调光纤波长信号,得到光纤光栅波长变化值,利用公式(1)可以得到被测点曲率,最终用于实践的是一种能测三维曲率的传感器,此传感器可以感知光纤正交方向上若干离散点的曲率信息。依据上海大学陈建军的“已知离散点曲率的曲线拟合递推方法”,通过正交方向上的曲率信息可以推算出通过相邻两两离散点之间的向量关系。若已知第一个点的坐标信息便能反演出刮板输送机空间形态[6]。

  4光纤光栅曲率调直技术分析

  本文讲述的刮板输送机直线度感知的方法主要依据光波在光纤中的传感特性,从根本上保证了直线度测量的安全性。这对于高瓦斯矿井刮板输送机直线度感知具有重要意义。光纤光栅具有不受电磁干扰的特点,因此依靠三维曲率传感器感知刮板输送机空间形态相对传统手段具有感知可靠,测量精度高和整套设备造价低的优势。但这种方法也具有一定的局限性:①由于刮板输送机移动频繁,移动幅度大,光纤光栅的使用寿命与服务可靠性需要专门研究提升;②基于曲率测刮板输送机直线度与其他方法一样具有误差不断累积的缺陷③只基于初始点坐标递推的刮板输送机空间曲线形态是相对于初始点测量的,没办法解决刮板输送机绝对空间形态测量问题。

  所谓绝对空间曲线即刮板输送机在以重力竖直向下方向为Z方向的地理信息系统中的空间位置坐标。三维地理信息系统是井底采场物体空间坐标的有序逻辑组合,通过多种探测感知手段收集生产现场的海量数据,建立三维地理信息系统,为精准开采建立数字化透明工作面[7-8]。通过监测刮板输送机在地理信息系统的坐标,实现采场刮板输送机的智能化监测和运行。笔者认为可以从以下角度解决刮板输送机绝对空间形态感知的问题:首先需要对刮板输送机起始空间位置的绝对曲线进行精密测量,在此基础上将本文介绍测得的刮板输送机相对空间曲线进行迭加,为了提高精度,改善累计误差,设计一种专门的算法。

  5刮板输送机绝对空间曲线测量,误差处理

  方新秋团队研究的三维曲率测量的刮板输送机空间曲线是以起始点坐标为为基础的,该坐标曲线只能作为相对坐标曲线使用。而要想从相对坐标曲线过渡到绝对坐标曲线中需要解决两个问题,

  一、将测量中选取的刮板输送机的起始点坐标拟合到三维地理信息系统中,即

  其中是刮板输送机在三维地理信息系统中的坐标,是对相对坐标的修正量,实验中通过实地测量得到。

  二、测量刮板输送机在空间的延伸方向,即刮板输送机在三维空间中与x轴,y轴,z轴的夹角。将刮板输送机绝对空间曲线均用离散点与连线表示,利用CAD三维建模作图如图1所示,是弯曲形状完全相同的三条曲线,表示即使曲线弯曲的形状确定但是刮板输送机绝对空间曲线仍然不能确定。

  图1

  刮板输送机在已知相对空间曲线的情况下仍然存在三个方向上的旋转自由度,原因是还没有将相对空间曲线拟合到绝对空间直角坐标系下。当确定好三个方向的自由度后,可以使刮板输送机在空间中的延伸状态只剩下一种,即刮板输送机的绝对空间曲线。相对空间曲线所处的坐标系是以刮板输送机处于水平地面且不产生弯曲为参考的,相对空间曲线所处的坐标系与绝对空间曲线所处的坐标系之间相差刮板输送机以同样的不产生任何弯曲的状态处于假想平坦工作面与绝对空间坐标系之间的三个夹角,即,简称夹角修S正量。如图2所示

  图2

  为了得到刮板输送机绝对空间曲线,需要测量的参数有坐标系的夹角修正量,和刮板输送机初始点在三维地理信息系统中坐标。需要先假设相对坐标系与绝对坐标系重合,然后将相对坐标系中的刮板输送机弯曲曲线旋转、平移到绝对空间坐标系中。设相对坐标系中刮板输送机上离散点的坐标分别为,,......,各个离散点距离相对坐标系原点的距离分别为......

  其中(......)

  那么旋转修正量分别为,,

  则绝对坐标系中刮板输送机上离散点坐标为,,,其中

  最后通过matlab将离散点在绝对空间直角坐标系中拟合成刮板输送机的绝对空间弯曲曲线。

  由于曲线上的离散点坐标是通过第一点坐标以及两两离散点之间的空间向量递推出来的,而且刮板输送机始终处于移动过程中,误差会在递推和光纤移动的过程中不断积累,因此需要对曲线空间坐标进行修正。具体操作是,在工作面向前推进的同时,每隔一天或者两天,或者遇到大的地质构造,例如由水平开采变为俯仰采以及那些能够使刮板输送机空间曲线发生突变的情况,需要对刮板输送机的初始点和刮板输送机末尾的离散点进行重新测量,用两个点的坐标对现有弯曲曲线进行修正。