双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机采高检测装置及检测方法与流程

1.本发明涉及一种设有双级摇臂的采煤机的采高检测装置及检测方法。


背景技术：

2.现在的短壁工作面煤层开采越来越朝着大采高、智能化方向发展。为适应短壁工作面超大采高的需要，我们基于传统的单滚筒采煤机结构，研制了全新的双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机。传统的单滚筒或双滚筒采煤机摇臂均为单级独立式摇臂，其采高检测装置和检测方法均无法直接应用于该双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机。因此有必要研究新的适用于该双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高检测方案。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机采高检测装置及检测方法，满足双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高智能检测需要。
4.本发明的主要技术方案有：
5.一种双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机采高检测装置，包括用于检测第一级摇臂相对过渡架的摆角的摆角传感器安装套件和用于检测第二级摇臂相对第一级摇臂的摆角的多圈绝对值编码器安装套件，所述摆角传感器安装套件设置在双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的第一级摇臂与过渡架的铰接处的采空侧，所述多圈绝对值编码器安装套件设置在第一级摇臂壳体内、第一级摇臂的传动机构中的一个传动齿轮上。
6.所述摆角传感器安装套件包括摆角传感器组件、底座、旋转压盖组件、连杆组件和摇臂连接座组件，所述底座固定在过渡架上，所述摆角传感器组件中的摆角传感器安装在底座内，且摆角传感器的转子与第一级摇臂和过渡架的铰接轴线同轴，所述旋转压盖组件的主体嵌入底座中并与底座转动配合连接，旋转压盖组件的主体与底座之间设有轴向限位结构，旋转压盖组件的主体与摆角传感器的转子同轴连接，所述摇臂连接座组件固定在第一级摇臂上，所述连杆组件安装在摇臂连接座组件上，所述连杆组件的连杆沿所述旋转压盖组件的主体的径向嵌入旋转压盖组件中。
7.所述旋转压盖组件的主体与底座转动配合连接的外圆柱面上设有环形槽，所述底座的侧壁上间隔安装有多个紧定销，紧定销通过其螺纹段螺纹连接在底座上，紧定销的销轴段插入所述环形槽中，环形槽与紧定销形成旋转压盖组件的主体与底座之间的所述轴向限位结构。
8.所述连杆组件还包括长销轴和固定座，所述固定座固定连接在摇臂连接座组件上，所述长销轴的两端分别穿过固定座上的两个同轴孔，且长销轴的两个末端上均安装有限位销，长销轴的延伸方向与第一级摇臂和过渡架的铰接轴线平行，所述连杆的一端设有腰形孔，连杆通过所述腰形孔套在所述长销轴的中部，所述连杆的另一端为光轴段，所述光轴段径向嵌入旋转压盖组件中的滑槽内，用于容纳光轴段的所述滑槽的深度大于所述光轴段的长度。
9.所述摇臂连接座组件中的摇臂座可以通过平面加止口结构精确定位到第一级摇臂的采空侧端面上，并通过螺钉进行紧固，固定座则可以通过其上的圆形凸台与摇臂座上的圆形凹槽的配合进行精准定位，再通过螺钉固定在摇臂座上。
10.所述摆角传感器组件还可以包括传感器座和转动块，传感器座的一端固定在底座上，另一端嵌入旋转压盖组件的主体并与其转动配合，转动块位于传感器座和旋转压盖组件的主体之间，转动块的一端嵌入传感器座内并与传感器座转动配合，转动块的另一端上设有长方形凸台，该长方形凸台嵌入旋转压盖组件的主体一端的长条孔中，且较大的一对侧面相互间隙配合，摆角传感器的定子固定安装在传感器座内，摆角传感器的长圆形转子穿过传感器座后与转动块的一端的长圆形孔槽随形间隙配合。
11.所述多圈绝对值编码器安装套件包括多圈绝对值编码器组件、大端盖、连接轴和小端盖，小端盖固定在第一级摇臂的传动机构中大齿轮的煤壁侧的端部，大齿轮通过惰轮与回转轴传动连接，连接轴一端与小端盖固定连接，另一端与多圈绝对值编码器组件中多圈编码器的转子固定连接，多圈编码器的转子与大齿轮同轴。
12.一种双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机采高检测方法，所述双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机采高检测装置，分别检测第一级摇臂相对过渡架的摆角β1和第二级摇臂相对第一级摇臂的摆角β2，然后分别计算出第一级摇臂和第二级摇臂的高度，最后通过将两者叠加再加上滚筒的半径值得到双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高。
13.第一级摇臂相对过渡架的摆角β1和第二级摇臂相对第一级摇臂的摆角β2分别是第一级摇臂和第二级摇臂相对于二者均处于初始位置时相对位置关系下的摆角变化量，第一级摇臂和第二级摇臂的初始位置是指二者均处于水平状态时的位置。
14.利用如下公式：
15.hl＝h0 l1
×
sin(β1-θ1-θ2) l2
×
sin(β1
±
β2) r
16.计算双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高，
17.当第二级摇臂相对第一级摇臂的摆动方向与第一级摇臂相对过渡架的摆动方向相同时，上式中的
±
取 号，相反时取-号；
18.其中h0是初始位置时a点到底板的距离；
19.l1是第一级摇臂的长度，即直线段ab的长度；l2是第二级摇臂的长度，即直线段bc的长度；
20.θ1为初始位置时ac段和ab段的夹角；
21.θ2为初始位置时ac段与水平线的夹角；
22.a、b、c点分别对应初始位置时第一级摇臂与过渡架的铰接轴线、第二级摇臂与第一级摇臂的回转轴轴线、第二级摇臂上滚筒的旋转中心线；
23.r为第二级摇臂上滚筒的半径。
24.本发明的有益效果是：
25.本发明对双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高检测采用每级独立检测计算再累加的方法，由于单级独立检测的方法和结构都比较简单，而且成熟可靠，因此整个采煤机的采高检测具有很高的可靠性和可信度。
26.第一级摇臂采高检测基于摆角传感器方式，随着摇臂摆动而动态检测摇臂转动角度，可实现0-90
°
摆动范围内的检测。通过设置连杆并拨动旋转压盖组件实现摆角传感器跟
随第一级摇臂的同轴同步转动，通过将旋转压盖组件上用于容纳连杆的光轴段的所述滑槽的深度设置成大于所述光轴段的长度，实现对第一级摇臂和过渡架的加工误差以及二者间的装配误差进行矢量补偿。
27.所述摆角传感器安装套件中电缆、保护套之外的各结构件均采用不锈钢材质，因此增强了摆角传感器安装套件的整体的耐锈防腐功能。
28.第二级摇臂采高检测基于多圈绝对值编码器方式，可实现0-n360
°
(n为旋转圈数)范围内的角度检测。该种方式结构简单，计算精度高。且相应的检测装置固定安装在第一级摇臂壳体内，可使检测装置免遭淋雨侵蚀和煤块、矸石的砸毁，而且安装维护可靠，使用寿命长。
附图说明
29.图1是安装有本发明的所述采高检测装置的双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的摇臂部分俯视图；
30.图2是安装有本发明的所述采高检测装置的双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的摇臂部分的主视图；
31.图3是图1的i局部放大图；
32.图4是图1的ⅱ局部放大图；
33.图5是摆角传感器组件的一个实施例的结构组成示意图；
34.图6(a)是所述转动块的一个实施例的结构示意图；
35.图6(b)是图6(a)a-a剖视图；
36.图7是安装有本发明的所述采高检测装置的双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的摇臂处于初始位置时的主视方向示意图；
37.图8是图7所示状态下各级摇臂的几何关系示意图；
38.图9是安装有本发明的所述采高检测装置的双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的摇臂摆动某角度后的主视方向示意图；
39.图10是图9所示状态下各级摇臂的几何关系示意图。
40.附图说明：
41.1.过渡架；
42.2.第一级摇臂；21.大齿轮；22.惰轮；23.回转轴；
43.3.第二级摇臂；
44.41.摆角传感器组件；411.摆角传感器；412.传感器座；413.转动块；414.电缆固定座；415.电缆连接器；416.线路板；42.底座；43.旋转压盖组件；44.连杆组件；441.长销轴；442.连杆；443.固定座；45.摇臂连接座组件；
45.51.多圈绝对值编码器组件；52.大端盖；53.连接轴；54.小端盖；
46.6.滚筒。
具体实施方式
47.如图1-7和9所示，本发明公开了一种双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机采高检测装置(可简称为采高检测装置)，包括用于检测第一级摇臂2相对过渡架1的摆角的摆角传感
器安装套件和用于检测第二级摇臂3相对第一级摇臂的摆角的多圈绝对值编码器安装套件，所述摆角传感器安装套件设置在双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的第一级摇臂与过渡架的铰接处的采空侧，所述多圈绝对值编码器安装套件设置在第一级摇臂壳体内、第一级摇臂的传动机构中的一个传动齿轮的端部。
48.所述摆角传感器安装套件包括摆角传感器组件41、底座42、旋转压盖组件43、连杆组件44和摇臂连接座组件45。所述底座固定在过渡架的采空侧端面上，底座呈筒形结构。所述摆角传感器组件41中的摆角传感器411安装在底座内，且摆角传感器的转子与第一级摇臂和过渡架的铰接轴线a同轴。所述旋转压盖组件的主体从底座的端部嵌入底座中并与底座转动配合连接，旋转压盖组件的主体与底座之间设有轴向限位结构，防止旋转压盖从轴向与底座脱开。旋转压盖组件的主体与摆角传感器的转子同轴连接。所述摇臂连接座组件固定在第一级摇臂上，所述连杆组件安装在摇臂连接座组件上，所述连杆组件的连杆442沿所述旋转压盖组件的主体的径向嵌入旋转压盖组件中。第一级摇臂摆动时，通过摇臂连接座组件带动连杆组件进而带动连杆组件的连杆相对过渡架1同步摆动，连杆拨动旋转压盖组件的主体转动，旋转压盖组件的主体再带动摆角传感器的转子同步转动，因此摆角传感器所检测到的摆角等于第一级摇臂相对过渡架的摆角。
49.所述摆角传感器组件41还可以包括传感器座412、转动块413、线路板416、电缆连接器415和电缆固定座414。传感器座412的一端固定在底座上，另一端嵌入旋转压盖组件的主体并与其转动配合。转动块位于传感器座和旋转压盖组件的主体之间，转动块的一端嵌入传感器座内并与传感器座转动配合，转动块的另一端上设有长方形凸台，该长方形凸台嵌入旋转压盖组件的主体一端的长条孔中，且较大的一对侧面相互间隙配合，旋转压盖组件的主体带动转动块转。摆角传感器411的定子固定安装在传感器座内，摆角传感器的长圆形转子穿过传感器座后与转动块413一端的长圆形孔槽随形间隙配合，转动块带动摆角传感器的转子旋转。进一步地，传感器座与底座、旋转压盖组件的主体以及转动块之间各自设置有密封件(如o形圈)进行密封，因此可以有效防止外界粉尘及淋水接触和损坏摆角传感器。
50.附图所示实施例中，所述旋转压盖组件的主体与底座转动配合连接的外圆柱面上设有环形槽，所述底座的侧壁上间隔安装有多个紧定销，紧定销通过其螺纹段螺纹连接在底座上，紧定销的销轴段则插入所述环形槽中，环形槽与紧定销的销轴段共同形成了旋转压盖组件的主体与底座之间的所述轴向限位结构。
51.所述连杆组件中除了所述连杆442外还包括长销轴441和固定座443，所述固定座固定连接在摇臂连接座组件上，所述长销轴的两端分别穿过固定座上的两个同轴孔，且长销轴的两个末端上均安装有限位销以防止长销轴从其任何一端窜出摇臂连接座。长销轴的延伸方向与第一级摇臂和过渡架的铰接轴线平行。所述连杆的一端设有腰形孔，连杆通过所述腰形孔套在所述长销轴的中部，所述连杆的另一端为光轴段，所述光轴段径向嵌入旋转压盖组件中的滑槽内，连杆拨动旋转压盖组件绕自身轴线转动。用于容纳光轴段的所述滑槽的深度优选大于所述光轴段的长度，以便对第一级摇臂和过渡架的加工误差以及二者间的装配误差进行矢量补偿。
52.附图中，所述连杆包括粗细不等的两段，较细的一段为光轴段，腰形孔开设在较粗的一段上。摇臂连接座组件45中的摇臂座通过平面加止口结构精确定位到第一级摇臂的采
空侧端面上，并通过螺钉进行紧固。固定座则通过其上的圆形凸台与摇臂座上的圆形凹槽的配合进行精准定位，再通过螺钉固定在摇臂座上。
53.在第一级摇臂和过渡架的尺寸结构已知的情况下，只要通过所述摆角传感器安装套件检测出了第一级摇臂相对过渡架的摆动角度，就可以根据几何关系计算出第一级摇臂上任意点的高度，包括作为第二级摇臂旋转中心的回转轴到底板的高度。
54.所述多圈绝对值编码器安装套件包括多圈绝对值编码器组件51、大端盖52、连接轴53和小端盖54。小端盖通过螺钉固定在第一级摇臂的传动机构中大齿轮21的煤壁侧的端部。大齿轮通过惰轮22与回转轴23传动连接，连接轴一端与小端盖固定连接，另一端与多圈绝对值编码器组件中多圈编码器的转子固定连接，多圈编码器的定子安装在大端盖上，大端盖安装在一轴承座上，大端盖与该轴承座之间设有径向密封。该轴承座固定在第一级摇臂壳体内，大齿轮21的一端通过轴承旋转支撑在该轴承座上。多圈编码器的转子与大齿轮同轴，大齿轮即所述传动齿轮。所述回转轴是第二级摇臂相对第一级摇臂摆动的回转轴。大齿轮转动时依次带动小端盖、连接轴和多圈编码器的转子同步转动，因此通过多圈编码器测到的转角等于大齿轮的摆动角度。由于大齿轮、惰轮、回转轴参数确定的情况下，大齿轮与回转轴的转速有着确定的比例关系，因此可以根据该比例关系换算出所述回转轴的转角，也即第二级摇臂相对第一级摇臂的转角，进而可以计算出第二级摇臂的摆动高度数据，包括第二级摇臂上滚筒旋转中心轴线到回转轴的高度数据。
55.附图中连接轴的一端通过卡在小端盖外端凸台的凹槽内实现与小端盖的固定连接。小端盖外端凸台插入到所述大端盖内，且该外端凸台与大端盖之间设置有径向密封结构，小端盖通过止口结构定位在大齿轮的端部，小端盖与大齿轮之间在大齿轮的内孔处也设置有径向密封结构。大端盖、小端盖和大齿轮围成的空腔通过所述轴承与第一级摇臂壳体内、大齿轮径向外侧之间的油池相通。大端盖与小端盖和轴承座之间的密封结构以及小端盖与大齿轮之间的密封结构可以防止齿轮油从该空腔泄漏到大端盖的外端和大齿轮的内孔中。
56.第二级摇臂上滚筒旋转中心轴线到回转轴的高度与作为第二级摇臂旋转中心的回转轴到底板的高度之和再加上滚筒的半径即可得出双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高。当第一、二级摇臂的角度不断调整时，摆角传感器安装套件和多圈绝对值编码器安装套件实时测量各级摇臂的摆动角度，进而得出复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的实时采高数据。
57.如图7-10所示，本发明还公开了一种双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机采高检测方法(可简称为采高检测方法)，采用上述双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机采高检测装置，分别检测第一级摇臂相对过渡架的摆角β1和第二级摇臂相对第一级摇臂的摆角β2，然后分别计算出第一级摇臂和第二级摇臂的高度，最后通过将两者叠加再加上滚筒6的半径值得到双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高。
58.第一级摇臂相对过渡架的摆角β1和第二级摇臂相对第一级摇臂的摆角β2分别是第一级摇臂和第二级摇臂相对于二者均处于初始位置时相对位置关系下的摆角变化量(如图9、10所示)。第一级摇臂和第二级摇臂的初始位置是指二者均处于水平状态时的位置(如图7、8所示)。由于水平状态时的位置对于第一级摇臂来说也是它的最低位置，因此第一级摇臂相对过渡架的摆动方向始终是图7-10中的顺时针方向。
59.双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高计算公式如下：
60.h1＝h0 l1
×
sin(β1-θ1-θ2) l2
×
sin(β1
±
β2) r；
61.当第二级摇臂相对第一级摇臂的摆动方向与第一级摇臂相对过渡架的摆动方向相同时，上式中的
“±”
取“ ”号，相反时取
“‑”
号。
62.其中h0是初始位置时a点到底板的距离；
63.l1是第一级摇臂的长度，即直线段ab的长度；l2是第二级摇臂的长度，即直线段bc的长度；
64.θ1为初始位置时ac段和ab段的夹角；
65.θ2为初始位置时ac段与水平线的夹角；
66.θ3为初始位置时ab段和bc段的夹角，θ3＝θ1 θ2；
67.a、b、c点分别代表初始位置时第一级摇臂与过渡架的铰接轴线、第二级摇臂相对第一级摇臂的回转轴轴线、第二级摇臂上滚筒的旋转中心线；
68.r为第二级摇臂上滚筒的半径。
69.对于既定的所述采煤机，h0、l1、l2、θ1、θ2、r均为已知参量，β1由摆角传感器安装套件测得，β2由多圈绝对值编码器安装套件测得的数据经确定的速度比变换得到。
70.下面具体说明上述采高计算公式的推导过程：
71.如图7、8所示，第一级摇臂和第二级摇臂均处于初始位置时，第一级摇臂的b点和第二级摇臂的c点等高，相应高度均为：
72.h0-l1
×
sin(θ1 θ2)，
73.双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高h0为：
74.h0＝h0-l1
×
sin(θ1 θ2) r。
75.第一级摇臂和第二级摇臂摆动后的某个时刻，第一级摇臂和第二级摇臂处于如图9、10所示的状态时，第一级摇臂相对初始位置时的摆角为β1，第一级摇臂的b点的高度h1为：
76.h1＝h0 l1
×
sin(β1-θ1-θ2)；
77.假设第二级摇臂与第一级摇臂的相对位置关系保持初始位置时的关系不变，即相当于第一级摇臂带着第二级摇臂刚性摆动β1角度后，第二级摇臂的c点到b点的高度为m1。而事实上第一级摇臂摆动的同时第二级摇臂自身也在相对第一级摇臂摆动，且摆角为β2，因此第二级摇臂的c点的实际位置到b点的高度为m2，
78.m2＝l2
×
sin(β1
±
β2)；
79.当第二级摇臂相对第一级摇臂的摆动方向与第一级摇臂相对过渡架的摆动方向相同时，上式中的
“±”
取“ ”号，相反时取
“‑”
号。
80.因此，双级复合式摇臂单滚筒短壁采煤机的采高h1为：
81.h1＝h1 m2 r
82.＝h0 l1
×
sin(β1-θ1-θ2) l2
×
sin(β1
±
β2) r。