基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究

引言

煤礦井下液壓鉆機(jī)是一種常見的采探裝置,可以進(jìn)行高速動(dòng)力輸出[1],鉆采效率較高。煤礦井下液壓機(jī)具有重量較小、鉆孔精度較高的優(yōu)點(diǎn),且可以根據(jù)鉆采要求進(jìn)行調(diào)整[2],因此,常被用在煤層鉆孔、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。在液壓鉆機(jī)工作過(guò)程中,首先需要確定工作位置,調(diào)整相關(guān)參數(shù)[3];其次是按照要求安裝鉆頭、鉆桿,開始鉆孔,在鉆孔過(guò)程中,需要根據(jù)鉆孔進(jìn)給狀態(tài)不斷進(jìn)行調(diào)整;最后,待鉆孔完成后拆卸鉆頭,進(jìn)行清洗與維護(hù)處理。

受復(fù)雜的鉆采條件影響,井下液壓鉆機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生不同的故障[4],影響運(yùn)行安全性,對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以及時(shí)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù),進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。但現(xiàn)有液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法難以準(zhǔn)確對(duì)鉆機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),無(wú)法起到預(yù)防性檢測(cè)的作用。為解決這一問(wèn)題,本文提出了一種全新的液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

1煤礦井下液壓鉆機(jī)光纖通信運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1構(gòu)建液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型

光纖通信是一種特殊的信息傳輸方式,可以根據(jù)光的調(diào)制關(guān)系完成通信,降低外界干擾對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成的影響[5—6],因此,本文基于光纖通信完成有效監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建。

首先可根據(jù)光纖鏈路信號(hào)計(jì)算監(jiān)測(cè)通信峭度CKM(M)[7],如式(1)所示:

此時(shí)采集的監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)信號(hào)y(n)如式(2)所示:

若監(jiān)測(cè)外界噪聲過(guò)高,很容易造成狀態(tài)信號(hào)掩蓋,影響最終的監(jiān)測(cè)效果[9],因此,本文根據(jù)輸入、輸出的監(jiān)測(cè)序列設(shè)定了監(jiān)測(cè)噪聲處理目標(biāo)函數(shù)MCKD(T),具體如式(3)所示:

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)噪聲處理目標(biāo)函數(shù)可以獲取運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)值,提取光纖鏈路信號(hào)監(jiān)測(cè)特征,構(gòu)建有效的液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型f(c),如式(4)所示:

使用上述運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型,可快速確定液壓鉆機(jī)的參數(shù)變化狀態(tài)。

1.2設(shè)計(jì)煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心

在煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,需要實(shí)時(shí)將采集的信號(hào)傳輸至終端,并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此,本文設(shè)計(jì)了一種煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心,該監(jiān)測(cè)中心的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知,該監(jiān)測(cè)中心主要由信號(hào)采集部分、電源部分、監(jiān)測(cè)顯示部分組成,信號(hào)采集部分主要將傳感器采集到的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)傳輸至終端進(jìn)行分析,由CAN總線進(jìn)行通信,其主要由MCU核心控制單元組成;電源部分主要為其他部分提供供電保證,輸出多種類型的直流電壓電源,滿足各個(gè)監(jiān)測(cè)元件的基礎(chǔ)要求;終端顯示部分完成監(jiān)測(cè)交互,可以查看相關(guān)的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。使用該液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)識(shí)別,最大程度上提高了液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果,本文選取了可靠的實(shí)驗(yàn)鉆機(jī),并將其與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]中兩種常規(guī)的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法對(duì)比,對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下。

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)要求,本文選取ZDY4000LR硬件平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。已知該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由空氣套管與履帶鉆機(jī)組成,利用敏感負(fù)載原理進(jìn)行恒壓控制,其符合實(shí)驗(yàn)的靈活操縱要求,能耗偏低。ZDY4000LR硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成示意圖如圖2所示。

該硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置的回轉(zhuǎn)器額定轉(zhuǎn)速為65~190 r/min,額定壓力為26 Mpa,額定流量為135 L/min;進(jìn)給裝置的初始?jí)毫?1/26 Mpa,最大起拔力為120 KN,進(jìn)給/起拔行程為1 450 mm;實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了兩個(gè)排量不同的泵站。

本文使用上下位機(jī)采集傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息,利用LabvIEW完成監(jiān)測(cè),轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體監(jiān)測(cè)架構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知,待監(jiān)測(cè)架構(gòu)設(shè)置完畢后,可以根據(jù)CAN總線格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,從而實(shí)時(shí)輸出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備,選取進(jìn)給壓力/流量作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo),優(yōu)選實(shí)驗(yàn)測(cè)量參量,布置滿足監(jiān)測(cè)傳感要求的實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn),此時(shí),分別使用本文設(shè)計(jì)的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法、文獻(xiàn)[4]的基于遠(yuǎn)程智能的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法以及文獻(xiàn)[5]的考慮LabvIEW的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè),將三種方法監(jiān)測(cè)的數(shù)值指標(biāo)與實(shí)際數(shù)值指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知,在不同的監(jiān)測(cè)次數(shù)下,本文設(shè)計(jì)的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)的液壓鉆機(jī)進(jìn)給壓力/流量與實(shí)際液壓鉆機(jī)運(yùn)行進(jìn)給壓力/流量相差較小,文獻(xiàn)[4]的基于遠(yuǎn)程智能的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法以及文獻(xiàn)[5]的考慮LabvIEW的煤礦井下液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)的液壓鉆機(jī)進(jìn)給壓力/流量與實(shí)際液壓鉆機(jī)運(yùn)行進(jìn)給壓力/流量相差較大。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,本文設(shè)計(jì)方法的監(jiān)測(cè)效果較好,可靠性高,有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,在工業(yè)化背景下,我國(guó)的能源資源越來(lái)越匱乏,面對(duì)的探采環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜。煤礦井下液壓鉆機(jī)可以快速鉆孔,抽取煤礦中的瓦斯,降低開采壓力,實(shí)現(xiàn)高效開采,但其受復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境影響,容易發(fā)生運(yùn)行安全事故。在液壓鉆機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,進(jìn)給壓力/流量等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化,需要實(shí)時(shí)整,保證其在安全范圍內(nèi)。因此,本文基于光纖通信設(shè)計(jì)了一種全新的液壓鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法監(jiān)測(cè)效果較好,具有可靠性,有一定的應(yīng)用價(jià)值,可為降低液壓鉆機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)做出一定貢獻(xiàn)。