基于光纤通信的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法研究

引言

煤矿井下液压钻机是一种常见的采探装置,可以进行高速动力输出[1],钻采效率较高。煤矿井下液压机具有重量较小、钻孔精度较高的优点,且可以根据钻采要求进行调整[2],因此,常被用在煤层钻孔、地质勘探等领域。在液压钻机工作过程中,首先需要确定工作位置,调整相关参数[3];其次是按照要求安装钻头、钻杆,开始钻孔,在钻孔过程中,需要根据钻孔进给状态不断进行调整;最后,待钻孔完成后拆卸钻头,进行清洗与维护处理。

受复杂的钻采条件影响,井下液压钻机在运行过程中容易发生不同的故障[4],影响运行安全性,对其运行状态进行监测,可以及时优化运行参数,进行预防性维护。但现有液压钻机运行状态监测方法难以准确对钻机状态进行监测,无法起到预防性检测的作用。为解决这一问题,本文提出了一种全新的液压钻机运行状态监测方法。

1煤矿井下液压钻机光纤通信运行状态监测方法设计

1.1构建液压钻机运行状态监测模型

光纤通信是一种特殊的信息传输方式,可以根据光的调制关系完成通信,降低外界干扰对监测结果造成的影响[5—6],因此,本文基于光纤通信完成有效监测模型的构建。

首先可根据光纤链路信号计算监测通信峭度CKM(M)[7],如式(1)所示:

此时采集的监测链路状态信号y(n)如式(2)所示:

若监测外界噪声过高,很容易造成状态信号掩盖,影响最终的监测效果[9],因此,本文根据输入、输出的监测序列设定了监测噪声处理目标函数MCKD(T),具体如式(3)所示:

根据上述监测噪声处理目标函数可以获取运行状态监测参数值,提取光纤链路信号监测特征,构建有效的液压钻机运行状态监测模型f(c),如式(4)所示:

使用上述运行状态监测模型,可快速确定液压钻机的参数变化状态。

1.2设计煤矿井下液压钻机运行状态监测中心

在煤矿井下液压钻机运行状态监测过程中,需要实时将采集的信号传输至终端,并对其数据进行智能分析,以实现钻机运行状态的实时监测。因此,本文设计了一种煤矿井下液压钻机运行状态监测中心,该监测中心的组成结构如图1所示。

由图1可知,该监测中心主要由信号采集部分、电源部分、监测显示部分组成,信号采集部分主要将传感器采集到的运行状态参数传输至终端进行分析,由CAN总线进行通信,其主要由MCU核心控制单元组成;电源部分主要为其他部分提供供电保证,输出多种类型的直流电压电源,满足各个监测元件的基础要求;终端显示部分完成监测交互,可以查看相关的监测实验数据。使用该液压钻机运行状态监测中心可以实现实时智能监测识别,最大程度上提高了液压钻机运行状态监测的准确性。

2实验

为验证设计的基于光纤通信的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法的监测效果,本文选取了可靠的实验钻机,并将其与文献[4]、文献[5]中两种常规的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法对比,对比实验设置如下。

2.1实验准备

结合井下液压钻机运行状态监测实验要求,本文选取ZDY4000LR硬件平台作为实验平台。已知该实验平台由空气套管与履带钻机组成,利用敏感负载原理进行恒压控制,其符合实验的灵活操纵要求,能耗偏低。ZDY4000LR硬件实验平台的组成示意图如图2所示。

该硬件实验平台设置的回转器额定转速为65~190 r/min,额定压力为26 Mpa,额定流量为135 L/min;进给装置的初始压力为21/26 Mpa,最大起拔力为120 KN,进给/起拔行程为1 450 mm;实验共设置了两个排量不同的泵站。

本文使用上下位机采集传输实验数据信息,利用LabvIEW完成监测,转换存储实验数据。实验平台的整体监测架构如图3所示。

由图3可知,待监测架构设置完毕后,可以根据CAN总线格式进行数据转换,从而实时输出准确的实验结果。

2.2实验结果与讨论

根据上述实验准备,选取进给压力/流量作为实验指标,优选实验测量参量,布置满足监测传感要求的实验测点,此时,分别使用本文设计的基于光纤通信的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法、文献[4]的基于远程智能的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法以及文献[5]的考虑LabvIEW的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法进行监测,将三种方法监测的数值指标与实际数值指标进行对比,实验结果如表1所示。

由表1可知,在不同的监测次数下,本文设计的基于光纤通信的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法监测的液压钻机进给压力/流量与实际液压钻机运行进给压力/流量相差较小,文献[4]的基于远程智能的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法以及文献[5]的考虑LabvIEW的煤矿井下液压钻机运行状态监测方法监测的液压钻机进给压力/流量与实际液压钻机运行进给压力/流量相差较大。上述实验结果证明,本文设计方法的监测效果较好,可靠性高,有一定的应用价值。

3结束语

综上所述,在工业化背景下,我国的能源资源越来越匮乏,面对的探采环境也越来越复杂。煤矿井下液压钻机可以快速钻孔,抽取煤矿中的瓦斯,降低开采压力,实现高效开采,但其受复杂的运行环境影响,容易发生运行安全事故。在液压钻机运行过程中,进给压力/流量等参数会发生变化,需要实时整,保证其在安全范围内。因此,本文基于光纤通信设计了一种全新的液压钻机运行状态监测方法。实验结果表明,该方法监测效果较好,具有可靠性,有一定的应用价值,可为降低液压钻机运行风险做出一定贡献。