PL 215199 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 215199 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 385713 (51) Int.Cl. E21C 27/32 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 22.07.2008 (54) Sposób i urządzenie do kontroli położenia kombajnu chodnikowego (43) Zgłoszenie ogłoszono: 01.02.2010 BUP 03/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.11.2013 WUP 11/13 (73) Uprawniony z patentu: JAWORSKA DANIELA ZAKŁAD MONTAŻU URZĄDZEŃ ELEKTRONICZNYCH, Tychy, PL (72) Twórca(y) wynalazku: WALDEMAR JAWORSKI, Tychy, PL JAN ŁUBKO, Gliwice, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Marian Małachowski
2 PL 215 199 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie przeznaczone do lokalnej lub zdalnej kontroli położenia kombajnu, wykorzystywane szczególnie przy sterowaniu pracą kombajnu w trakcie drążenia wyrobisk korytarzowych w warunkach ograniczonej widoczności lub przy zdalnym sterowaniu pracą kombajnu w warunkach zagrożenia metanowego, wodnego i/lub występowania zagrożeń tąpaniami. Znane i stosowane są urządzenia wspomagające drążenie wyrobisk przez kombajn żądanego kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego np. urządzenie typu MINOS-1, w którym za punkt odniesienia przyjęty jest korpus kombajnu chodnikowego. Urządzenia tego typu dobrze wskazują, gdy kombajn ustawiony jest w osi podłużnej drążonego chodnika. Zasada działania tego urządzenia polega na pomiarze kątów odchylenia organu urabiającego w pionie i w poziomie względem korpusu kombajnu i ich porównaniu z wzorcami przekrojów chodnika zapisanymi w pamięci mikroprocesora. Na module wyświetlacza wizualizowane jest położenie głowicy urabiającej kombajnu wraz z zaznaczonym przekrojem poprzecznym drążonego chodnika. Wyniki o przekroczeniu lub zbliżaniu się do wprowadzonego do mikroprocesora przekroju wyrobiska wyświetlane są operatorowi kombajnu na ekranie - module wyświetlacza. Moduł wyświetlacza składa się z trzech rzędów diod LED w kolorach zielonym, żółtym i czerwonym, układających się w łuk, obrazujący przekrój drążonego chodnika łukowego. W module jest zabudowany również wyświetlacz LCD, na którym wyświetlane są współrzędne głowicy urabiającej względem kombajnu oraz menu konfiguracyjne urządzenia. System MINOS-1 składa się z czujnika położenia kątowego w płaszczyźnie pionowej, umieszczonego w osi obrotu organu oraz z czujnika położenia kątowego w osi poziomej, umieszczonego w osi obrotu obrotnicy kombajnu. Każdy z czujników położenia kątowego składa się z obudowy, przetwornika kąta oraz modułu transmitera przetwarzającego sygnał przetwornika kąta na sygnał elektryczny w postaci szeregowej i modułu dostosowującego wyjście sygnału do wymagań iskrobezpieczeństwa. Zasada działania tego urządzenia polega na pomiarze kątów odchylenia organu urabiającego w pionie i w poziomie (w płaszczyźnie przekroju poprzecznego wyrobiska) względem korpusu kombajnu i ich porównaniu z wzorcami przekrojów chodnika zapisanymi w pamięci mikroprocesora. Na module wyświetlacza wizualizowane jest położenie głowicy urabiającej kombajnu wraz z zaznaczonym przekrojem poprzecznym drążonego chodnika. Wyniki o przekroczeniu lub zbliżaniu się do teoretycznego - założonego przekroju wyświetlane są operatorowi kombajnu na ekranie - module wyświetlacza. Urządzenie to wspomaga drążenie wyrobisk kombajnem chodnikowym w zakresie żądanego kształtu przekroju poprzecznego wyrobiska korytarzowego. Urządzenie MINOS-1 działa poprawnie tylko wtedy, gdy korpus kombajnu usytuowany jest w podłużnej płaszczyźnie symetrii drążonego chodnika - praktycznie służby miernictwa górniczego muszą często (w zależności od postępu urabiania wyrobiska) wytyczać planowaną oś OX wyrobiska według, której kombajnista ustawia kombajn. Ponadto wada ta powoduje powstawanie błędów, które są szczególnie widoczne przy drążeniu wyrobisk o dużym przekroju małym kombajnem chodnikowym. Błędy te powodują, że drążenie wyrobiska może się odbywać niezgodnie z zadanym kierunkiem, narażając wykonawcę wyrobiska na duże straty ekonomiczne oraz niebezpieczeństwo naruszenia strefy zbiorników wodnych lub stref pożarowych. Znany jest także z zgłoszenia wynalazku PL 383244 sposób zabezpieczenia przed kolizją wysięgnika i stołu załadowczego ładowarki kombajnu chodnikowego i układ sterowania wysięgnika i stołu załadowczego ładowarki kombajnu chodnikowego, który dotyczy rozwiązania zabezpieczenia ruchomych elementów wysięgnika kombajnu i stołu załadowczego przed mechaniczną kolizją w czasie pracy w przodku chodnikowym. Sposób polega na tym, że wyznacza się dla kolejnych płaszczyzn przechodzących przez oś obrotu obrotnicy i oś wzdłużną wysięgnika, objętych zakresem ruchów bocznych, wartości graniczne kąta (α) nachylenia osi wzdłużnej wysięgnika do stołu załadowczego ładowarki, zwiększenie wartości, którego powoduje wejście wysięgnika i stołu załadowczego w obszar potencjalnej kolizji. Po czym blokuje się ruchy wysięgnika oraz stołu załadowczego ukierunkowane na zwiększenie wartości tego granicznego kąta (α). Układ sterowania ma sterownik, połączony z czujnikami nachylenia wysięgnika i stołu załadowczego, oddziaływujący poprzez odpowiednie rozdzielacze hydrauliczne na siłowniki wykonawcze. W rozwiązaniu tym zastosowano środki techniczne w postaci czujnika nachylenia osi wzdłużnej wysięgnika oraz sterownika do realizacji zupełnie innych zadań w stosunku do istoty przedmiotowego wynalazku. Sterownik ma w swej pamięci określony graniczny kąt (α) nachylenia wysięgnika w stosunku do stołu załadowczego, przekroczenie, którego w kierunku zbliżania się tych elementów powoduje samoczynne zadziałanie sterownika, przerywające dalszy ruch elementów wykonawczych. W przypadku zbliżenia się do niebezpiecznej pozycji wysięgnika kombajnu do stołu załadowczego
PL 215 199 B1 3 następuje dalsze zablokowanie układu sterowania siłowników hydraulicznych wysięgnika oraz stołu załadowczego. Rozwiązanie dotyczy ograniczenia ruchu wysięgnika. Rozwiązanie to jest jednym z wielu tego typu rozwiązań stosowanych w kombajnach chodnikowych. Celem wynalazku jest wyeliminowanie dotychczasowych niedogodności urządzenia typu MINOS-1 poprzez zaprojektowanie urządzenia i sposobu umożliwiającego drążenie wyrobiska korytarzowego względem zaprojektowanej osi drążonego wyrobiska korytarzowego tj. zastosowanie bieżącego pomiaru pozycji kombajnu w trzecim wymiarze w osi OX drążonego wyrobiska w celu realizacji zdalnego sterowaniu pracą kombajnu. Urządzenie do kontroli położenia kombajnu chodnikowego według wynalazku ma na obudowie kombajnu chodnikowego usytuowany czujnik położenia kombajnu, który połączony jest z mikroprocesorem i z modułem wyświetlacza ciekłokrystalicznego. Z kolei mikroprocesor wraz z modułem wyświetlacza ciekłokrystalicznego umieszczony jest poza obudową kombajnu. Natomiast czujnik położenia kombajnu składa się z ruchomej podstawy, na której usytuowany jest precyzyjny silnik krokowy z przekładnią z dekoderem kąta, a na nim obrotowo dalmierz, przy czym wszystkie elementy czujnika położenia kombajnu umieszczone są w obudowie wyposażonej w wizjer, a w górnej części obudowy usytuowany jest system dysz ciśnieniowych czyszczących cyklicznie powierzchnię wizjera. Sposób kontroli położenia kombajnu chodnikowego polega na określaniu położenia kombajnu chodnikowego w stosunku do osi wyrobiska korytarzowego wyznaczającej kierunek drążonego wyrobiska poprzez ustalenie odległości od linii prostej wyznaczonej przez co najmniej dwa punkty odniesienia, następnie tak obliczone dane przesyłane są do mikroprocesora i do modułu wyświetlacza ciekłokrystalicznego, gdzie uwzględniane są w formie poprawki do współrzędnych zapisanych w pamięci mikroprocesora, odzwierciedlających teoretyczne przekroje poprzeczne wyrobisk korytarzowych i zgodnie z odpowiednim oprogramowaniem sygnały pomiarowe są przetwarzane i wyświetlane w formie graficznej na ekranie modułu wyświetlacza ciekłokrystalicznego. Sposób i urządzenie według wynalazku umożliwiają zdalną kontrolę położenia kombajnu chodnikowego i poprzez to sterowanie pracą kombajnu z miejsca bezpiecznego oddalonego od zagrożonej strefy. W rozwiązaniu według wynalazku udoskonalono znane urządzenie MINOS-1 poprzez zdalne sterowanie głowicą kombajnu względem zaprojektowanej osi OX drążonego wyrobiska korytarzowego 6, czyli wprowadzenie urządzenia umożliwiającego bieżący pomiar pozycji kombajnu (w trakcie drążenia wyrobiska) w trzecim wymiarze tj. w osi OX drążonego wyrobiska. Dotychczasowe rozwiązanie umożliwiało jedynie kontrolę położenia kombajnu oraz wizualizację w płaszczyźnie przekroju poprzecznego wyrobiska. Nowy nieoczekiwany efekt techniczny uzyskano poprzez zastosowanie w urządzeniu według zgłoszenia nowego środka technicznego w postaci czujnika położenia kombajnu 7, który dokonuje bieżącego pomiaru położenia kombajnu dalmierzem optycznym 7d poprzez bieżący pomiaru odległości kombajnu od punktów odniesienia A i B i kolejnych w postaci wiszących prętów zawieszanych sukcesywnie przez służby mierniczo - geodezyjne na odrzwiach obudowy wyrobiska korytarzowego 6 za postępem kombajnu chodnikowego 2. Przedmiot wynalazku jest pokazany na rysunku, na którym: fig. 1 - przedstawia schemat kombajnu chodnikowego usytuowanego w wyrobisku korytarzowym w widoku z góry, z urządzeniem i w układzie przeznaczonym do kontroli położenia z kombajnu chodnikowego wraz ze schematem poglądowym przedstawiającym sposób kontroli położenia kombajnu z przykładu wykonania nr IV, fig. 2 - schemat kombajnu chodnikowego usytuowanego w wyrobisku korytarzowym w widoku z góry, z urządzeniem i w układzie przeznaczonym do kontroli położenia kombajnu chodnikowego z miejsca oddalonego od przodka wraz ze schematem poglądowym przedstawiającym sposób kontroli położenia kombajnu z przykładu wykonania nr V, fig. 3 - budowę czujnika położenia kombajnu w ujęciu schematycznym z dalmierzem optycznym lub ultradźwiękowym w widoku bocznym (przykład wykonania I, II i III), fig. 4 - budowę czujnika położenia kombajnu z fig. 3 w widoku z góry (przykład wykonania I, II i III), fig. 5 - schemat przykładowej wizualizacji położenia organu urabiającego w przekroju wyrobiska na ekranie modułu ciekłokrystalicznego w czterech sytuacjach, gdzie w pozycji: a - organ urabiający przedstawiony w postaci kuli znajduje się w dużej odległości od założonej granicy urabiania wyrobiska korytarzowego, b - organ urabiający znajduje się w strefie, w której zbliża się do założonej granicy urabiania, c - organ urabiający styka się ze strefą, która znajduje się na założonej granicy urabiania, d - organ urabiający po wejściu w strefę z poz. c ulega powiększeniu.
4 PL 215 199 B1 P r z y k ł a d I Urządzenie do kontroli położenia kombajnu chodnikowego składa się z czujnika położenia kątowego w płaszczyźnie pionowej 1, umieszczonego w osi obrotu organu urabiającego 2a kombajnu chodnikowego 2 oraz z czujnika położenia kątowego w płaszczyźnie poziomej 3, umieszczonego w osi obrotu obrotnicy kombajnu chodnikowego 2. Z kolei na tylnej części korpusu obudowy kombajnu chodnikowego 2 usytuowany jest czujnik położenia kombajnu 7, który połączony jest z mikroprocesorem 4 i z modułem wyświetlacza ciekłokrystalicznego 5, do którego przesyła sygnał położenia kombajnu względem wytyczonej osi OX wyrobiska korytarzowego 6 zgodnie z projektem drążenia wyrobiska korytarzowego 6. Czujnik położenia kombajnu 7 (fig. 3 i 4) składa się z ruchomej podstawy 7a, na której usytuowany jest precyzyjny silnik krokowy z przekładnią 7b z dekoderem kąta 7c, a na nim obrotowo dalmierz optyczny 7d. Silnik krokowy z przekładnią 7b wprowadza dalmierz optyczny 7d w ruch obrotowy kontrolowany dekoderem kąta 7c i umożliwia pomiar odległości przykładowo L1 i L2 (praktycznie punktów pomiarowych jest więcej) oraz pomiar kąta β. Wszystkie elementy czujnika położenia kombajnu 7 umieszczone są w ognioszczelnej obudowie 7e wyposażonej w przeźroczysty wizjer 7f umożliwiający zdalny pomiar przez dalmierz optyczny 7d odległości kombajnu od punktów odniesienia A i B w postaci wiszących prętów zawieszanych sukcesywnie przez służby mierniczo - geodezyjne na obudowie wyrobiska korytarzowego 6 za postępem kombajnu chodnikowego 2. W górnej części obudowy 7e usytuowany jest system dysz ciśnieniowych 7g czyszczących cyklicznie powierzchnię przeźroczystego wizjera 7f w celu zapewnienia dokładnej pracy dalmierza laserowego. Ponadto ruchoma podstawa 7a utrzymuje dalmierz pod kątem β określanym przez służby geodezyjne za pomocą układu elektromechanicznego. P r z y k ł a d Il Kolejny przykład wykonania urządzenia do kontroli położenia kombajnu chodnikowego 2 jest zbudowany tak samo jak w pierwszym przykładzie z tym, że w czujniku położenia kombajnu 7 zastosowano obrotowy dalmierz ultradźwiękowy 7c. P r z y k ł a d III Następny przykład wykonania urządzenia do kontroli położenia kombajnu chodnikowego 2 jest zbudowany tak samo jak w pierwszym lub w drugim przykładzie z tym, że mikroprocesor 4 wraz z modułem wyświetlacza ciekłokrystalicznego 5 usytuowane są w oddalonej od drążonego przodka wyrobiska korytarzowego 6 bezpiecznej strefie np. w innym wyrobisku albo w dyspozytorni usytuowanej w podziemiach lub na powierzchni kopalni. P r z y k ł a d IV Sposób kontroli położenia kombajnu chodnikowego 2 (fig. 1) polega na ciągłym pomiarze położenia organu urabiającego 2a w płaszczyźnie pionowej wyrobiska korytarzowego 6 czujnikiem położenia kątowego w płaszczyźnie pionowej 1 oraz na pomiarze w płaszczyźnie poziomej czujnikiem położenia kątowego w płaszczyźnie poziomej 3. Czujnik położenia kątowego w płaszczyźnie pionowej 1 oraz czujnik położenia kątowego w płaszczyźnie poziomej 3 połączone są z mikroprocesorem 4. W celu określenia położenia kombajnu chodnikowego 2 w stosunku do osi OX wyrobiska korytarzowego 6 wyznaczającej kierunek drążonego wyrobiska, mierzy się na bieżąco pomiar kąta α między wzorcowymi punktami odniesienia A i B oraz odległości L1 i L2, wyznaczanej na podstawie równań trygonometrycznych odległość X od linii prostej wyznaczonej przez punkty odniesienia A i B, według których kombajn ma drążyć wyrobisko. Pomiar odległości L1 i L2 odbywa się za pomocą dalmierza optycznego 7d, a kąt α wyznacza się pośrednio z poniższych równań za pomocą pomiaru kąta β zmierzonego przez dekoder kąta 7c lub poprzez ilość kroków wyznaczaną precyzyjnym silnikiem krokowym z przekładnią 7b z wzoru obliczamy L3: L3 2 = L2 2 + L1 2-2 x L1 x L2 x cos β mając L1, L2, L3 obliczamy kąt mając kąt i L2 obliczamy szukaną wartość X z wzoru: X = L2 x sin gdzie: X - odległość od linii wzorcowych punktów odniesienia, wyznaczających wyrobisko, α - kąt odchylenia korpusu kombajnu od osi wyrobiska. Kąt α obliczamy z równania: α = + - 90, gdzie: ω - jest kątem zmierzonym bezpośrednio za pomocą precyzyjnego silnika krokowego z przekładnią 7b lub dekodera kąta 7c.
PL 215 199 B1 5 Tak obliczone dane X oraz α wraz z pomiarami są przesyłane w formie cyfrowej do mikroprocesora 4 i modułu wyświetlacza ciekłokrystalicznego 5, gdzie są uwzględniane w formie poprawki do współrzędnych zapisanych w pamięci mikroprocesora 4, odzwierciedlających teoretyczne przekroje poprzeczne wszystkich dostępnych typów wyrobisk korytarzowych. Zgodnie z odpowiednim oprogramowaniem sygnały pomiarowe są przetwarzane i wyświetlane w formie graficznej na ekranie modułu wyświetlacza ciekłokrystalicznego 5. Przykładowa wizualizacja położenia organu urabiającego 2a w przekroju wyrobiska korytarzowego 6 na ekranie modułu ciekłokrystalicznego 5 przedstawiona jest w czterech sytuacjach na fig. 5. Na fig. 5a organ urabiający 2a przedstawiony w postaci kuli znajduje się w dużej odległości od założonej granicy urabiania tj. w strefie 2b wyrobiska korytarzowego 6. Z kolei na fig. 5b organ urabiający 2a znajduje się w strefie 2c, w której zbliża się do założonej granicy urabiania. Strefa 2c rozszerza się, aby precyzyjniej określać położenie organu urabiającego 2a. Natomiast na fig. 5c organ urabiający 2a styka się ze strefą 2d tj. znajduje się na założonej granicy urabiania. Po czym, po wejściu w strefę założonej granicy urabiania ulega ona powiększeniu, aby precyzyjniej określać położenie organu urabiającego 2a. Przy czym, dalmierz laserowy 7d emituje skupiony laserowy promień świetlny zmodulowany odpowiednią sekwencją, następnie porównuje go z sygnałem odbitym od punktów odniesienia A i B (praktycznie tych punktów jest więcej). Dalmierz porównując sygnał odbity do wysyłanego mierzy zarówno odległość porównując przesunięcie fazowe sygnałów jak i siłę promienia świetlnego porównując amplitudy sygnałów. Zastosowany dalmierz laserowy 7d wyposażony w interfejs komunikacyjny za pomocą, którego wymienia informacje z mikroprocesorem 4. Dalmierz laserowy 7d oprócz pomiaru odległości mierzy również współczynnik odbicia laserowego promienia świetlnego materiału, na który pada promień. Mikroprocesor 4 zarządza pracą dalmierza laserowego 7d, przy czym jego komendy zależne są od wyników przekazywanych przez dalmierz laserowy 7d. Emitowany z dalmierza laserowego 7d laserowy promień świetlny (bezpośrednio lub przez układ luster) skanuje ocios wyrobiska według zainstalowanych punktów odniesienia A i B w postaci wiszących prętów sprawdzając poziom rozbłysku. Przy czym, pręty zawieszane na odrzwiach ociosu wyrobiska pokryte są specjalną substancją odblaskową, co umożliwia w przypadku zastosowania dalmierza laserowego wielokrotne wzmocnienie sygnału pomiarowego powodując zwiększenie dokładności pomiaru odległości L1 i L2 oraz pomiar kąta β. Ponieważ punkty odniesienia A i B są pokryte substancją odbijającą bardzo dobrze światło układ może jednoznacznie określić ich położenie. Po wykryciu punktu odniesienia układ mierzy odległości L1 i L2 oraz kąt β. Procedura ta powtarza się do wykrycia co najmniej dwóch punktów odniesienia A i B, następnie mikroprocesor 4 dokonuje obliczeń i wynik zapamiętuje w pamięci, z której jest wysyłany moduł wyświetlacza ciekłokrystalicznego 5. Cykl powtarzany jest po każdorazowym wykonaniu obliczeń, natomiast wyniki są uśredniane w celu minimalizacji błędu. P r z y k ł a d V Kolejny sposób kontroli położenia kombajnu chodnikowego 2 tj. kierunek chodnika OX wyznacza się obliczając średnią odległość kombajnu od ociosu kierunkowego za pomocą dalmierzy. Metoda pomiaru jest identyczna z przedstawioną w przykładzie IV. Do wyznaczenia średniej wartości X oraz α przyjmuje się większą ilość par pomiarów, co zmniejsza błąd całkowity. Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do kontroli położenia kombajnu chodnikowego składające się z czujnika położenia kątowego organu urabiającego w płaszczyźnie pionowej oraz z czujnika położenia kątowego organu urabiającego w płaszczyźnie poziomej, które połączone są z mikroprocesorem i z modułem wyświetlacza ciekłokrystalicznego, znamienne tym, że na obudowie kombajnu chodnikowego (2) usytuowany jest czujnik położenia kombajnu (7), który połączony jest z mikroprocesorem (4) i z modułem wyświetlacza ciekłokrystalicznego (5). 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że mikroprocesor (4) wraz z modułem wyświetlacza ciekłokrystalicznego (5) umieszczony jest poza obudową kombajnu (2). 3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że czujnik położenia kombajnu (7) składa się z ruchomej podstawy (7a), na której usytuowany jest precyzyjny silnik krokowy z przekładnią (7b) z dekoderem kąta (7c), a na nim obrotowo dalmierz, przy czym wszystkie elementy czujnika położenia kombajnu (7) umieszczone są w obudowie (7e) wyposażonej w wizjer (7f).
6 PL 215 199 B1 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że w górnej części obudowy (7e) usytuowany jest system dysz ciśnieniowych (7g) czyszczących cyklicznie powierzchnię wizjera (7f). 5. Sposób kontroli położenia kombajnu chodnikowego polegający na ciągłym pomiarze położenia organu urabiającego w płaszczyźnie pionowej chodnika oraz w płaszczyźnie poziomej, znamienny tym, że określa się położenie kombajnu chodnikowego (2) w stosunku do osi (OX) wyrobiska korytarzowego (6) wyznaczającej kierunek drążonego wyrobiska poprzez ustalenie odległości (X) od linii prostej wyznaczonej przez co najmniej dwa punkty odniesienia (A) i (B), następnie tak obliczone dane przesyłane są do mikroprocesora (4) i do modułu wyświetlacza ciekłokrystalicznego (5), gdzie uwzględniane są w formie poprawki do współrzędnych zapisanych w pamięci mikroprocesora (4), odzwierciedlających teoretyczne przekroje poprzeczne wyrobisk korytarzowych i zgodnie z odpowiednim oprogramowaniem sygnały pomiarowe są przetwarzane i wyświetlane w formie graficznej na ekranie modułu wyświetlacza ciekłokrystalicznego (5). Rysunki
PL 215 199 B1 7
8 PL 215 199 B1
PL 215 199 B1 9
10 PL 215 199 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)