一種采煤機(jī)機(jī)械狀態(tài)光纖傳感裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采煤機(jī)機(jī)械監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)方法，具體是一種采煤機(jī)機(jī)械狀態(tài)光纖傳感裝置及方法，屬于綜采設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是我國(guó)的主要消費(fèi)能源和原料，我國(guó)是目前世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，鑒于我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源現(xiàn)狀，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，煤炭的主體能源地位不會(huì)發(fā)生改變，煤炭工業(yè)能否穩(wěn)健發(fā)展與我國(guó)能源安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。
[0003]采煤機(jī)是重要的煤礦大型生產(chǎn)設(shè)備，是煤炭生產(chǎn)數(shù)字化、自動(dòng)化和機(jī)械化的重要表征，采煤機(jī)能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)，由于采煤機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，容易受到粉塵、煤層結(jié)構(gòu)、高溫和潮濕等復(fù)雜因素的影響，因此，需要對(duì)采煤機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。
[0004]采煤機(jī)的滾筒承擔(dān)割煤和落煤的工作任務(wù)，具體表現(xiàn)為:當(dāng)滾筒以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，采煤機(jī)以一定的牽引速度運(yùn)行時(shí)，滾筒旋轉(zhuǎn)并切入煤壁，滾筒上的截齒從煤壁上截割下煤體，破落下的煤在螺旋葉片的作用下被推入工作面的刮板輸送機(jī)中。由于煤層物理、力學(xué)性能無(wú)規(guī)則變化和截割的截齒數(shù)量的變化，采煤機(jī)滾筒在工作中所承受的外載荷將發(fā)生隨機(jī)變化，為了保障采煤機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要探尋采煤機(jī)滾筒機(jī)械狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)方法。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)⑴(參見(jiàn)“基于采煤機(jī)滾筒截割振動(dòng)特性的煤巖識(shí)別方法”，劉俊利等，《煤炭科學(xué)技術(shù)》，第41卷第10期)將振動(dòng)傳感器安裝在滾筒轉(zhuǎn)軸附近的搖臂下方，據(jù)此對(duì)采煤機(jī)滾筒的截割信號(hào)進(jìn)行采集。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)(2)(參見(jiàn)“無(wú)人工作面智能化采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)”，馬洪禮等，《煤炭科學(xué)技術(shù)》，第42卷第9期)描述了一種基于滾筒永磁電機(jī)(即截割電動(dòng)機(jī))工作電流和滾筒調(diào)高油缸壓力的滾筒機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。
[0007]從現(xiàn)有技術(shù)(1)、(2)中不難發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)滾筒機(jī)械狀態(tài)的現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是測(cè)量與滾筒相關(guān)聯(lián)的機(jī)械結(jié)構(gòu)或動(dòng)力裝置的工作狀態(tài)，以此來(lái)間接表征采煤機(jī)滾筒的機(jī)械狀態(tài)；這種間接表征方法存在力傳遞信號(hào)延時(shí)或缺失等缺點(diǎn)，并不能實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒機(jī)械狀態(tài)的準(zhǔn)確可靠測(cè)量。
[0008]通過(guò)檢索公開(kāi)的技術(shù)報(bào)告、學(xué)術(shù)論文及發(fā)明專利等文獻(xiàn)，并未發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒機(jī)械狀態(tài)的直接監(jiān)測(cè)方法，主要原因分析如下:1)用于監(jiān)測(cè)的傳感器不能破壞采煤機(jī)滾筒的正常工作狀態(tài)，并且采煤機(jī)工作在煤礦綜采面這種瓦斯等危險(xiǎn)氣體富集的環(huán)境，對(duì)傳感器的質(zhì)量、體積、安裝方式和傳感類型提出嚴(yán)格要求；
[0009]2)采煤機(jī)滾筒是旋轉(zhuǎn)體，滾筒上的傳感器與傳感信號(hào)處理模塊之間不能是有線連接，對(duì)傳感信號(hào)的傳輸方式有嚴(yán)格要求；
[0010]3)采煤機(jī)滾筒的機(jī)械狀態(tài)通過(guò)應(yīng)變及溫度等多參量共同表征，因此只有對(duì)滾筒應(yīng)變及溫度等多參量進(jìn)行多點(diǎn)同步測(cè)量，才能準(zhǔn)確表征采煤機(jī)滾筒的機(jī)械狀態(tài)。
[0011]同時(shí)，中國(guó)專利(公開(kāi)號(hào):CN101373558B)描述了一種高速轉(zhuǎn)軸傳感數(shù)據(jù)的無(wú)線光傳輸及拾取方法，該專利中:轉(zhuǎn)軸模塊包含光信號(hào)發(fā)射MCU、觸發(fā)信號(hào)接收器、光信號(hào)發(fā)射器、傳感器、電源和A/D轉(zhuǎn)換等組成單元；固定模塊包含光信號(hào)接收MCU、觸發(fā)激光器、光信號(hào)接收器、電源和通信接口等組成單元；當(dāng)固定模塊的觸發(fā)激光器發(fā)出的激光信號(hào)被轉(zhuǎn)軸模塊的觸發(fā)信號(hào)接收器感應(yīng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸模塊將緩存數(shù)據(jù)通過(guò)光信號(hào)發(fā)射器發(fā)送至固定模塊的光信號(hào)接收器，完成傳感信號(hào)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳輸，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周完成一次“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”信號(hào)傳輸。
[0012]如果將現(xiàn)有技術(shù)(3)用于采煤機(jī)滾筒的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)，將會(huì)出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題主要有:
[0013]1)在現(xiàn)有技術(shù)(3)中，轉(zhuǎn)軸模塊屬于有源傳感器，用于采煤機(jī)滾筒機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)之前，需要進(jìn)行嚴(yán)格的防爆設(shè)計(jì)，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸模塊的體積和質(zhì)量顯著增加，如果將其安裝在采煤機(jī)滾筒上，會(huì)對(duì)采煤機(jī)滾筒的正常工作狀態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響；
[0014]2)煤礦井下綜采工作面屬于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，在現(xiàn)有技術(shù)(3)中，轉(zhuǎn)軸模塊的光信號(hào)發(fā)射MCU和A/D轉(zhuǎn)換單元難以直接在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中正常工作；
[0015]3)在現(xiàn)有技術(shù)(3)中，轉(zhuǎn)軸模塊與固定模塊之間的傳感信號(hào)傳輸方式為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳輸，限制了傳感數(shù)據(jù)的傳輸容量，不可能實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的多點(diǎn)多參量同步監(jiān)測(cè)，此外，對(duì)轉(zhuǎn)軸模塊及固定模塊的響應(yīng)能力及數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中環(huán)境穩(wěn)定性也提出了極高要求；
[0016]綜上分析，現(xiàn)有技術(shù)(3)無(wú)法與采煤機(jī)技術(shù)領(lǐng)域結(jié)合，進(jìn)而不適用于采煤機(jī)滾筒機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種采煤機(jī)機(jī)械狀態(tài)光纖傳感裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采煤機(jī)滾筒機(jī)械狀態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)量，從而保障采煤機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
[0018]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種采煤機(jī)滾筒機(jī)械狀態(tài)光纖傳感裝置，它包括:
[0019]寬帶光源、2X 1光纖親合器、光纖光柵解調(diào)模塊、1 X4光開(kāi)關(guān)、光纖親合器集群
1、光纖耦合器集群I1、光纖耦合器集群II1、光纖耦合器集群IV、準(zhǔn)直透鏡集群1、準(zhǔn)直透鏡集群I1、準(zhǔn)直透鏡集群II1、準(zhǔn)直透鏡集群IV、環(huán)形孔盤(pán)、磁性接近開(kāi)關(guān)1、磁性接近開(kāi)關(guān)I1、磁性接近開(kāi)關(guān)II1、磁性接近開(kāi)關(guān)IV、觸發(fā)信號(hào)調(diào)理模塊、工控機(jī)、滾筒轉(zhuǎn)軸、滾筒、光纖光柵傳感器、永磁鐵、光纖光柵傳感器的準(zhǔn)直透鏡；
[0020]所述寬帶光源的輸出尾纖與2X1光纖耦合器的輸入尾纖I熔接，光纖光柵解調(diào)模塊的輸入尾纖與2X1光纖耦合器的輸入尾纖II熔接，2X1光纖耦合器的輸出尾纖與1X4光開(kāi)關(guān)的輸入尾纖熔接；
[0021]所述1X4光開(kāi)關(guān)的輸出尾纖1、輸出尾纖I1、輸出尾纖II1、輸出尾纖IV依次分別與光纖耦合器集群1、光纖耦合器集群I1、光纖耦合器集群II1、光纖耦合器集群IV的輸入尾纖熔接；
[0022]所述光纖耦合器集群I的輸出尾纖與準(zhǔn)直透鏡集群I的尾纖熔接，光纖耦合器集群II的輸出尾纖與準(zhǔn)直透鏡集群II的尾纖熔接，光纖耦合器集群III的輸出尾纖與準(zhǔn)直透鏡集群III的尾纖熔接，光纖耦合器集群IV的輸出尾纖與準(zhǔn)直透鏡集群IV的尾纖熔接，準(zhǔn)直透鏡集群1、準(zhǔn)直透鏡集群I1、準(zhǔn)直透鏡集群III和準(zhǔn)直透鏡集群IV沿著環(huán)形孔盤(pán)均勻分布，磁性接近開(kāi)關(guān)1、磁性接近開(kāi)關(guān)I1、磁性接近開(kāi)關(guān)III和磁性接近開(kāi)關(guān)IV全部通過(guò)螺釘緊固在環(huán)形孔盤(pán)，并且通過(guò)礦用通信電纜與觸發(fā)信號(hào)調(diào)理模塊連接；
[0023]觸發(fā)信號(hào)調(diào)理模塊與工控機(jī)通過(guò)GPIB數(shù)據(jù)線連接，1 X4光開(kāi)關(guān)與工控機(jī)通過(guò)RS232數(shù)據(jù)線連接，光纖光柵解調(diào)模塊與工控機(jī)通過(guò)RS232數(shù)據(jù)線連接；
[0024]其中，滾筒與滾筒轉(zhuǎn)軸連接，光纖光柵傳感器采用光纖油膏固定于滾筒，光纖光柵傳感器的準(zhǔn)直透鏡鑲嵌于滾筒，永磁鐵吸附于滾筒；
[0025]所述的寬帶光源為ASE寬帶光源，工作波長(zhǎng)范圍為1525nm至1565nm，8小時(shí)的輸出功率穩(wěn)定度< ±0.0ldB，輸出光波的偏振度< 0.01，輸出光波的光譜平坦度< 0.5dB，輸出光功率彡20mff ；
[0026]所述的2X1光纖親合器的親合比為50:50，輸入尾纖1、輸入尾纖II和輸出尾纖均采用單模光纖SMF-28 ;
[0027]所述的光纖光柵解調(diào)模塊的輸入功率范圍為_(kāi)70dBm至_30dBm，波長(zhǎng)范圍為1525nm至1565nm，波長(zhǎng)分辨率為1pm，波長(zhǎng)精度為±40pm，功率分辨率為0.ldBm，具有RS232通信接口，輸入尾纖采用單模光纖SMF-28 ；
[0028]所述的1 X 4光開(kāi)關(guān)的波長(zhǎng)范圍為1260nm至1650nm，相鄰光通道的切換時(shí)間(1ms，插入損耗<0.5dBm，具有RS232通信接口，輸入尾纖、輸出尾纖1、輸出尾纖I1、輸出尾纖III和輸出尾纖IV全部采用單模光纖SMF-28。
[0029]所述的光纖親合器集群I由五個(gè)親合比均為25:25:25:25的1X4光纖親合器構(gòu)成，1X4光纖耦合器I的輸入尾纖作為光纖耦合器集群I的輸入尾纖，1X4光纖耦合器I的四根輸出尾纖分別與IX4光纖親合器I1、1X4光纖親合器II1、1X4光纖親合器IV和1X4光纖親合器V的輸入尾纖恪接，1X4光纖親合器I1、1X4光纖親合器II1、1X4光纖親合器
IV和1X4光纖耦合器V的輸出尾纖作為光纖耦合器集群I的輸出尾纖，光纖耦合器集群I的輸出尾纖數(shù)目為16