刮板输送机中部槽轨迹检测方法

257 编辑：中冶有色技术网来源：山东科技大学

2023-11-09 15:43:29

权利要求书： 1.一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，刮板输送机中部槽（2）朝向液压支架（1）一侧设置超声波发射器（4），液压支架（1）底板上固定设置接收器支架（3），接收器支架（3）朝向中部槽（2）一侧设置超声波接收器（5），所述超声波接收器（5）与超声波发射器（4）对应设置且数量分别不少于3个，每个中部槽（2）上的超声波发射器（4）不在同一条直线上；

刮板输送机中部槽轨迹检测方法包括以下步骤：

S1.超声波接收器（5）依次接收对应的超声波发射器（4）发出的超声波信号，根据超声波信号传递时间计算超声波接收器（5）与对应的超声波发射器（4）之间的距离；

S2.根据超声波接收器（5）的空间坐标，及超声波接收器（5）与对应的超声波发射器（4）之间的距离，计算超声波发射器（4）的空间坐标；

S3.计算得到中部槽（2）侧平面的空间平面方程；

S4.计算中部槽（2）侧平面法向量在XOY、XOZ及YOZ平面内的投影向量；

S5.设定相邻中部槽（2）的角度差的预设范围，比较相邻中部槽（2）的投影向量夹角，判断其在水平方向和竖直方向内的弯曲状态。

2.根据权利要求1所述的一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，每个中部槽（2）上设置3个超声波发射器（4），且分别设置在中部槽（2）的左部、中部及右部。

3.根据权利要求1所述的一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，每个中部槽（2）上的超声波发射器（4）依次发射超声波信号，每个超声波发射器（4）连续发射2种频率不同的脉冲信号，超声波接收器（5）根据接收到的信号频率识别信号的传递时间。

4.根据权利要求3所述的一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，若超声波接收器（5）未接到超声波信号，认定超声波接收器（5）损坏或中部槽（2）空间位置明显不正常，由上位机向工作人员发出警报。

5.根据权利要求1所述的一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，超声波接收器（5）的数量为3个，且呈直角三角形分布，设3个超声波接收器（5）的空间坐标分别为A(x,0,0)、B(0,y,0)、C(0,0,0)，对应的中部槽（2）的其中1个超声波发射器（4）的坐标为D1(x1,y1,z1)，3个超声波接收器（5）与D1点的距离分别为l1、l2及l3，根据式（1）及式（2）计算获得该超声波发射器（4）D1的空间坐标，

（1）

（2）

同理计算得到对应的中部槽（2）的另外2个超声波发射器（4）的坐标D2(x2,y2,z2)及D3(x3,y3,z3)。

6.根据权利要求1所述的一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，判定中部槽（2）在水平方向上的弯曲状态时，包括以下步骤：

S5-1-1.设定相邻中部槽（2）的角度差阈值为ɑ；

S5-1-2.若相邻中部槽（2）侧平面法向量在XOY及XOZ平面内的投影向量分别平行或夹角小于等于ɑ，则认定2个中部槽（2）在水平方向上的弯曲程度可接受，继续分析后续相邻中部槽（2）的投影向量的夹角；

S5-1-3.若相邻中部槽（2）侧平面法向量在XOY和/或XOZ平面内的投影向量大于ɑ，认定相邻中部槽（2）在水平方向上呈明显弯曲状态，则上位机提醒工作人员对中部槽（2）进行人工复位。

7.根据权利要求6所述的一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，判定中部槽（2）在水平方向上的弯曲状态时，还包括以下步骤：

S5-1-4.设定累积中部槽（2）角度差阈值为?，在相邻中部槽（2）侧平面法向量的投影向量夹角满足小于等于ɑ的情况下，计算自基准中部槽的多个中部槽（2）的投影向量的累积角度差，若累积角度差小于等于?，则判定中部槽（2）的累积弯曲程度可接受；若累积角度差大于?，则判定中部槽（2）在水平方向上的弯曲程度超出预设范围，上位机提醒工作人员对中部槽（2）进行人工复位。

8.根据权利要求1所述的一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，判定中部槽（2）在竖直方向上的弯曲状态时，包括以下步骤：

S5-2-1.设定相邻中部槽（2）的角度差阈值为ɑ；

S5-2-2.若相邻中部槽（2）侧平面法向量在XOZ及YOZ平面内的投影向量分别平行或夹角小于等于ɑ，则认定2个中部槽（2）在竖直方向上的弯曲程度可接受，继续分析后续相邻中部槽（2）的投影向量的夹角；

S5-2-3.若相邻中部槽（2）侧平面法向量在XOZ和/或YOZ平面内的投影向量大于ɑ，认定相邻中部槽（2）在竖直方向上呈明显弯曲状态，则上位机提醒工作人员对中部槽（2）进行人工复位。

9.根据权利要求8所述的一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其特征在于，判定中部槽（2）在竖直方向上的弯曲状态时，还包括以下步骤：

S5-2-4.设定累积中部槽（2）角度差阈值为ω，在相邻中部槽（2）侧平面法向量的投影向量夹角满足小于等于ɑ的情况下，计算自基准中部槽的多个中部槽（2）的投影向量的累积角度差，若累积角度差小于等于ω，则判定中部槽（2）的累积弯曲程度可接受；若累积角度差大于ω，则判定中部槽（2）在竖直方向上的弯曲程度超出预设范围，上位机提醒工作人员对中部槽（2）进行人工复位。

说明书：一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法技术领域

本发明涉及刮板输送机位置检测技术领域，尤其是一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法。

背景技术

刮板输送机作为综采工作面所使用的关键设备之一，主要由机头、链轮、刮板等构件组成，承担采煤机轨道行走和煤炭运输的作用。其中中部槽作为严格对称的结构，依靠与之相连的液压缸提供运移动力，若干中部槽依靠哑铃销结构保持连接，所以刮板输送机在液压支架推移千斤顶的作用下，容易在水平方向上产生不同程度的弯曲，受到不平整底板的影响后，中部槽在高度方向上也会存在偏差，同时还要考虑液压支架与刮板输送机连接销耳之间的间隙，所以在保证液压支架工作面直线度的前提下，经过推移之后的刮板输送机直线度仍然是无法保证，严重影响煤炭资源的开采效率，也无法保证工人安全。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，其采用的技术方案如下：

一种刮板输送机中部槽轨迹检测方法，刮板输送机中部槽朝向液压支架一侧设置超声波发射器，液压支架底板上固定设置接收器支架，接收器支架朝向中部槽一侧设置超声波接收器，所述超声波接收器与超声波发射器对应设置且数量分别不少于3个，每个中部槽上的超声波发射器不在同一条直线上；

刮板输送机中部槽轨迹检测方法包括以下步骤：

S1.超声波接收器依次接收对应的超声波发射器发出的超声波信号，根据超声波信号传递时间计算超声波接收器与对应的超声波发射器之间的距离；

S2.根据超声波接收器的空间坐标，及超声波接收器与对应的超声波发射器之间的距离，计算超声波发射器的空间坐标；

S3.计算得到中部槽侧平面的空间平面方程；

S4.计算中部槽侧平面法向量在XOY、XOZ及YOZ平面内的投影向量；

S5.设定相邻中部槽的角度差的预设范围，比较相邻中部槽的投影向量夹角，判断其在水平方向和竖直方向内的弯曲状态。

在上述方案的基础上，每个中部槽上设置3个超声波发射器，且分别设置在中部槽的左部、中部及右部。

优选地，每个中部槽上的超声波发射器依次发射超声波信号，每个超声波发射器连续发射2种频率不同的脉冲信号，超声波接收器根据接收到的信号频率识别信号的传递时间。

在上述方案的基础上，若超声波接收器未接到超声波信号，认定超声波接收器损坏或中部槽空间位置明显不正常，由上位机向工作人员发出警报。

优选地，超声波接收器的数量为3个，且呈直角三角形分布，设3个超声波接收器的空间坐标分别为A(x,0,0)、B(0,y,0)、C(0,0,0)，对应的中部槽的其中1个超声波发射器的坐标为D1(x1,y1,z1)，3个超声波接收器与D1点的距离分别为l1、l2及l3，根据式（1）及式（2）计算获得该超声波发射器D1的空间坐标，

（1）

（2）

同理计算得到对应的中部槽的另外2个超声波发射器的坐标D2(x2,y2,z2)及D3(x3,y3,z3)。

优选地，判定中部槽在水平方向上的弯曲状态时，包括以下步骤：

S5-1-1.设定相邻中部槽的角度差阈值为ɑ；

S5-1-2.若相邻中部槽侧平面法向量在XOY及XOZ平面内的投影向量分别平行或夹角小于等于ɑ，则认定2个中部槽在水平方向上的弯曲程度可接受，继续分析后续相邻中部槽的投影向量的夹角；

S5-1-3.若相邻中部槽侧平面法向量在XOY和/或XOZ平面内的投影向量大于ɑ，认定相邻中部槽在水平方向上呈明显弯曲状态，则上位机提醒工作人员对中部槽进行人工复位。

在上述方案的基础上，判定中部槽在水平方向上的弯曲状态时，还包括以下步骤：

S5-1-4.设定累积中部槽角度差阈值为?，在相邻中部槽侧平面法向量的投影向量夹角满足小于等于ɑ的情况下，计算自基准中部槽的多个中部槽的投影向量的累积角度差，若累积角度差小于等于?，则判定中部槽的累积弯曲程度可接受；若累积角度差大于?，则判定中部槽在水平方向上的弯曲程度超出预设范围，上位机提醒工作人员对中部槽进行人工复位。

优选地，判定中部槽在竖直方向上的弯曲状态时，包括以下步骤：

S5-2-1.设定相邻中部槽的角度差阈值为ɑ；

S5-2-2.若相邻中部槽侧平面法向量在XOZ及YOZ平面内的投影向量分别平行或夹角小于等于ɑ，则认定2个中部槽在竖直方向上的弯曲程度可接受，继续分析后续相邻中部槽的投影向量的夹角；

S5-2-3.若相邻中部槽侧平面法向量在XOZ和/或YOZ平面内的投影向量大于ɑ，认定相邻中部槽在竖直方向上呈明显弯曲状态，则上位机提醒工作人员对中部槽进行人工复位。

在上述方案的基础上，判定中部槽在竖直方向上的弯曲状态时，还包括以下步骤：

S5-2-4.设定累积中部槽角度差阈值为ω，在相邻中部槽侧平面法向量的投影向量夹角满足小于等于ɑ的情况下，计算自基准中部槽的多个中部槽的投影向量的累积角度差，若累积角度差小于等于ω，则判定中部槽的累积弯曲程度可接受；若累积角度差大于ω，则判定中部槽在竖直方向上的弯曲程度超出预设范围，上位机提醒工作人员对中部槽进行人工复位。

本发明的有益效果为：基于超声波测距理论，利用超声波换能器对刮板输送机中部槽的位置和轨迹进行检测，进而计算中部槽在水平方向及竖直方向上的动态弯曲变化情况，从而准确判定中部槽的运行轨迹，保证刮板输送机的直线度。

附图说明

图1：本发明检测方法流程图；

图2：本发明超声波接收器安装示意图；

图3：本发明超声波发射器安装示意图；

图4：本发明超声波三维定位原理图；

图5：本发明刮板输送机中部槽在水平方向上的弯曲形态示意图；

图6：前两台中部槽在水平方向上无弯曲的状态示意图；

图7：前两台中部槽在水平方向上可接受的弯曲状态示意图；

图8：前两台中部槽在水平方向上超出预设范围的弯曲状态示意图；

图9：前三台中部槽在水平方向上可接受的弯曲状态示意图；

图10：前三台中部槽在水平方向上超出预设范围的弯曲状态示意图；

图11：本发明刮板输送机中部槽在竖直方向上的倾斜形态示意图；

图12：本发明刮板输送机中部槽在竖直方向上的弯曲形态示意图；

图13：前两台中部槽在竖直方向上无弯曲的状态示意图；

图14：前两台中部槽在竖直方向上可接受的弯曲状态示意图；

图15：前两台中部槽在竖直方向上超出预设范围的弯曲状态示意图；

图16：前三台中部槽在竖直方向上可接受的弯曲状态示意图；

图17：前三台中部槽在竖直方向上超出预设范围的弯曲状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图2及图3所示，刮板输送机中部槽2朝向液压支架1一侧设置超声波发射器4，液压支架1底板上固定设置接收器支架3，接收器支架3朝向中部槽2一侧设置超声波接收器5，所述超声波接收器5与超声波发射器4对应设置且数量分别不少于3个，每个中部槽2上的超声波发射器4不在同一条直线上。

如图1所示，刮板输送机中部槽轨迹检测方法包括以下步骤：

S1.超声波接收器5依次接收对应的超声波发射器4发出的超声波信号，根据超声波信号传递时间计算超声波接收器5与对应的超声波发射器4之间的距离；

（3）

式（3）中c为声音的传播速度，t为传播介质的温度，所以在通过超声波测量距离的时候需要加上温度传感器对传播介质的温度进行测量，随后在计算过程中对数值进行温度补偿处理，尽量减小温度对声波速度的影响，假定传播介质温度不同时，所对应的声音传播速度已知。进而超声波发射器4与超声波接收器5在空间中的距离可以由式（4）得出：

（4）

式（4）中c为声音的传播速度，e为超声波信号的传递时间。超声波在传播过程中，声波的强度因为传播介质摩擦的影响而逐渐衰减，导致声波接受装置所接受到的声波信号可能会被淹没，式（5）可以表示衰减指数和声波频率之间的关系，

（5）

其中M为空气的摩尔质量，T为空气的绝对温度，ρ为空气的密度，R为空气的普适常数，

为衰减指数，/>

为声波频率，/>

为定容比热与定压比热的比值，/>

为声波波长。可以看出，声波的衰减指数与频率的平方成正比，且声波衰减越厉害，其传播的距离越近。在实际工作过程中，液压支架单次推移步距约为800mm，以现有的传感器为例，选择超声波的频率为40kHZ或者75kHZ，可以兼顾声波的远距离传输和降低声波衰减。

S2.根据超声波接收器5的空间坐标，及超声波接收器5与对应的超声波发射器4之间的距离，计算超声波发射器4的空间坐标。

每个中部槽2上设置3个超声波发射器4，且分别设置在中部槽2的左部、中部及右部，从而更为准确的测定中部槽2的位置和空间平面方程。

因为超声波发射器4及超声波接收器5的数量均为多个，为避免超声波信号接收过程中发生相互干扰的情况，每个中部槽2上的超声波发射器4依次发射超声波信号，当对应的液压支架1上的超声波接收器5接收某个超声波发射器4的信号后，再由下一个超声波发射器4发出信号。每个超声波发射器4连续发射2种频率不同的脉冲信号，超声波接收器5根据接收到的信号频率识别信号的传递时间。具体地，每个超声波发射器4分别连续发射40kHZ和75kHZ的超声波信号，并记录2种信号的发射时间，超声波接收器5记录接收到的信号频率及接受时间，根据对应频率的信号的发射时间，计算超声波接收器5与该超声波发射器4之间的距离。

若超声波接收器5未接到超声波信号，认定超声波接收器5损坏或中部槽2空间位置明显不正常，由上位机向工作人员发出警报。

具体地，如图4所示，超声波接收器5的数量为3个，且呈直角三角形分布，设3个超声波接收器5的空间坐标分别为A(x,0,0)、B(0,y,0)、C(0,0,0)，对应的中部槽2的其中1个超声波发射器4的坐标为D1(x1,y1,z1)，3个超声波接收器5与D1点的距离分别为l1、l2及l3，根据式（1）及式（2）计算获得该超声波发射器4D1的空间坐标，

（1）

（2）

同理计算得到对应的中部槽2的另外2个超声波发射器4的坐标D2(x2,y2,z2)及D3(x3,y3,z3)，以及3个超声波接收器5与另外2个超声波发射器4D2点的距离l1’、l2’及l3’和D3点的距离l1’’、l2’’及l3’’。

S3.计算得到中部槽2侧平面的空间平面方程；

S4.计算中部槽2侧平面法向量在XOY、XOZ及YOZ平面内的投影向量；

S5.设定相邻中部槽2的角度差的预设范围，比较相邻中部槽2的投影向量夹角，判断其在水平方向和竖直方向内的弯曲状态，如图5、图11及图12所示。

在中部槽推溜到位后，受哑铃销或连接销耳间隙等因素的影响，相邻中部槽会发生不同程度的偏转，刮板输送机整体姿态会出现水平方向的横向弯曲。判定中部槽2在水平方向上的弯曲状态时，包括以下步骤：

S5-1-1.设定相邻中部槽2的角度差阈值为ɑ；

S5-1-2.若相邻中部槽2侧平面法向量在XOY及XOZ平面内的投影向量分别平行或夹角小于等于ɑ，如图6、图7及图9所示，则认定2个中部槽2在水平方向上的弯曲程度可接受，继续分析后续相邻中部槽2的投影向量的夹角；

S5-1-3.若相邻中部槽2侧平面法向量在XOY和/或XOZ平面内的投影向量大于ɑ，如图8及图10所示，图中β>ɑ，认定相邻中部槽2在水平方向上呈明显弯曲状态，则上位机提醒工作人员对中部槽2进行人工复位。

S5-1-4.设定累积中部槽2角度差阈值为?，在相邻中部槽2侧平面法向量的投影向量夹角满足小于等于ɑ的情况下，计算自基准中部槽的多个中部槽2的投影向量的累积角度差，若累积角度差小于等于?，则判定中部槽2的累积弯曲程度可接受；若累积角度差大于?，则判定中部槽2在水平方向上的弯曲程度超出预设范围，上位机提醒工作人员对中部槽2进行人工复位。

在中部槽推溜到位后，底板不同位置的平整度严重影响到中部槽在推移到位后的俯仰角度，使得相邻中部槽之间发生不同程度的旋转变化，刮板输送机整体姿态会出现竖直方向的俯仰弯曲。判定中部槽2在竖直方向上的弯曲状态时，包括以下步骤：

S5-2-1.设定相邻中部槽2的角度差阈值为ɑ；

S5-2-2.若相邻中部槽2侧平面法向量在XOZ及YOZ平面内的投影向量分别平行或夹角小于等于ɑ，如图13、图14及图16所示，则认定2个中部槽2在竖直方向上的弯曲程度可接受，继续分析后续相邻中部槽2的投影向量的夹角；

S5-2-3.若相邻中部槽2侧平面法向量在XOZ和/或YOZ平面内的投影向量大于ɑ，如图15及图17所示，认定相邻中部槽2在竖直方向上呈明显弯曲状态，则上位机提醒工作人员对中部槽2进行人工复位。

S5-2-4.设定累积中部槽2角度差阈值为ω，在相邻中部槽2侧平面法向量的投影向量夹角满足小于等于ɑ的情况下，计算自基准中部槽的多个中部槽2的投影向量的累积角度差，若累积角度差小于等于ω，则判定中部槽2的累积弯曲程度可接受；若累积角度差大于ω，则判定中部槽2在竖直方向上的弯曲程度超出预设范围，上位机提醒工作人员对中部槽2进行人工复位。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。