液壓支架應(yīng)力檢測電路設(shè)計

摘 要：分析了液壓支架的受力情況，采用電阻式應(yīng)變片作為傳感器，設(shè)計了應(yīng)力檢測電路，對應(yīng)力集中的部位進(jìn)行檢測。給出了電路的設(shè)計方案，并進(jìn)行了參數(shù)計算。該電路的輸出信號，可以接入液壓支架控制系統(tǒng)或綜采控制系統(tǒng)，能夠預(yù)防預(yù)報支架斷裂等嚴(yán)重事故，有推廣價值。

關(guān)鍵詞：液壓支架 應(yīng)力 檢測

中圖分類號：TH237 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0064-02

Hydraulic Support Stress Detection Circuit Design

Zhang Kai

（China Inner Mongolia PingZhuang Coal Group LTD FengShuiGou Coal Mine，ChiFeng Neimenggu，024081，China）

Abstract：Analyzes the stress of hydraulic support，uses resistance strain gauge as sensor，design stress detection circuit to detect the parts of stress concentration.Shows the design of the circuit，and calculates the parameters.The output of the circuit can access to hydraulic support control system or mechanized mining control system，it can forecast and prevent of stent fracture and other serious accidents，so has value to apply.

Key Words：Hydraulic Support；Stress；Detection

液壓支架是煤礦綜合機械化采煤設(shè)備的重要組成部分，也是綜采工作面裝備中數(shù)量最大的裝備。它通過支撐和控制工作面的頂板，來控制采煤工作面礦山壓力，隔離采空區(qū)，防止矸石進(jìn)入回采工作面和推進(jìn)輸送機。液壓支架與采煤機配套使用，實現(xiàn)采煤綜合機械化，可以進(jìn)一步改善和提高采煤和運輸設(shè)備的效能，減輕煤礦工人的勞動強度，最大限度保障煤礦工人的生命安全。

液壓支架按其結(jié)構(gòu)特點和與圍巖的作用關(guān)系—般分為三大類支撐式、掩護式、支撐掩護式三類[1]。采面圍巖以外載的形式作用在液壓支架上，在施工中，重要的是使液壓支架的各支承件合力與頂板作用在液壓支架上的外載合力在同一直線。

本文在分析液壓支架受力模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，確定應(yīng)力較大的容易發(fā)生故障的點，設(shè)計檢測電路對這些部位進(jìn)行監(jiān)測。

1 液壓支架的故障分析

液壓支架主要由支撐框架和液壓及控制系統(tǒng)組成，承受重載和沖擊，工作環(huán)境惡劣。實踐和有關(guān)統(tǒng)計資料表明，在生產(chǎn)過程中，大部分故障是因為各種失效引起的，導(dǎo)致液壓支架故障的主要原因有兩個：（1）人為因素及地質(zhì)條件引起；（2）機件失效而引起[1]。其中，由于承載過大或受力不均造成液壓支架某些部件斷裂，會產(chǎn)生極大危害，應(yīng)該采取有效的預(yù)防措施。

底座是液壓支架整體結(jié)構(gòu)受力最為復(fù)雜和集中的部位，由于外載的變化及地質(zhì)條件的影響，底座受力情況復(fù)雜，在工作的工程中除了支撐力，還往往受到扭轉(zhuǎn)力作用，可能產(chǎn)生裂紋及裂紋擴展。因此，底座常常表現(xiàn)為主筋斷裂和球窩碎裂這兩種故障。

文獻(xiàn)[3]用有限元分析法對某型液壓支架進(jìn)行了受力分析，結(jié)果表明：頂梁（底座）兩端受集中載荷時，中部會有較大的變形，柱窩四周應(yīng)力較大；頂梁（底座）受扭時，載荷的同側(cè)變形不大，而另一側(cè)會發(fā)生很大變形，筋板與蓋板連接處應(yīng)力會很大，在頂梁方墊塊處受力最大[3]。

根據(jù)上述分析，對受力較大的部位進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。

2 應(yīng)力檢測電路設(shè)計

電阻應(yīng)變計是一種用途廣泛的高精度力學(xué)傳感元件，它能把構(gòu)件表面的變形量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，其工作原理是基于金屬?dǎo)體的電阻-應(yīng)變效應(yīng)。

設(shè)一根金屬電阻絲，其材料的電阻率為ρ，原始長度為L。假設(shè)其橫截面是直徑為D的圓形，面積為A，初始時該電阻絲的電阻值為R：

（1）

在外力作用下，電阻絲會產(chǎn)生變形。

金屬絲長度的相對變化即應(yīng)變，表示為， （2）

在常溫下，許多金屬材料在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，電阻絲的相對電阻變化與絲的軸向長度的相對變化成正比。即：

（3）

式中，Ks為單根金屬絲的靈敏系數(shù)。根據(jù)這一規(guī)律，即可設(shè)計出將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號的電阻應(yīng)變計。

應(yīng)力檢測電路采用電橋，如圖1所示，其中NI是恒流源，電流I=10 mA。緩沖器、電阻應(yīng)變片RS1、RS2和內(nèi)部取樣電阻RS3、RS4組成電橋。恒流源與模擬多路開關(guān)串接后接在橋路的輸入端，在取樣電阻RS3、RS4前串接緩沖器，作用是內(nèi)半橋通過緩沖器采用恒壓驅(qū)動，恒流經(jīng)過模擬多路開關(guān)，再經(jīng)過導(dǎo)線、應(yīng)變片RS1、RS2在A、B點產(chǎn)生電壓，再由兩個緩沖器在D點產(chǎn)生電壓，VB、VD送放大器放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換等。

由（圖1）可知：

（4）

式中，r是導(dǎo)線電阻，RS1、RS2是應(yīng)變片電阻，RS3、RS4是取樣電阻。對于公共補償測量，工作片RS1=R+ΔR，補償片R2=R。設(shè)RS3=RS4，則

對于二片測量，及半橋模式工作片RS1=R+ΔR，工作片R2=R-ΔR，有

（5）

對于四片測量，則不需加緩沖器，RS3、RS4同樣是工作片，經(jīng)簡單計算，電橋輸出

（6）

由分析可知，該電路的輸出只與激勵電流、應(yīng)變片電阻、應(yīng)變片靈敏系數(shù)及應(yīng)變值有關(guān)，與導(dǎo)線電阻無關(guān)，也與模擬多路開關(guān)導(dǎo)通電阻無關(guān)。同時，對于大應(yīng)變測量，該橋路也沒有非線性，精度高。

由當(dāng)即滿負(fù)載時，

mV

采用儀表放大器AD623，供電電壓5 V，參考電壓基準(zhǔn)REF=2.5 V。選擇放大倍數(shù)120倍，將±20 mV的電橋輸出差模電壓動態(tài)范圍可放大至0.1～4.9 V。

電橋的兩個端點分別接到AD623的正負(fù)電壓輸入端進(jìn)行差分放大，放大倍數(shù)由電阻值設(shè)定，其增益計算公式為

（7）

電阻值為840Ω，放大倍數(shù)為120倍。

電橋輸出的信號經(jīng)差分放大后被送入低通濾波單元，選擇二階有源低通濾波網(wǎng)絡(luò)，由于電阻應(yīng)變片用于靜態(tài)測量，信號頻率很低，故選擇截止頻率

Hz

經(jīng)放大濾波后的信號即可作為普通模擬量信號接入現(xiàn)有的液壓支架控制系統(tǒng)[4]。

3 AD轉(zhuǎn)換

當(dāng)應(yīng)力檢測點比較多時，控制系統(tǒng)模擬量輸入的成本較高。為降低成本，可以把前述檢測信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量處理。

根據(jù)前面計算和系統(tǒng)要求，選用的AD轉(zhuǎn)換器至少有0.16 mV的分辨率，若以5 V供電，則AD轉(zhuǎn)換器為15位即可滿足分辨率要求。本設(shè)計選用16位AD轉(zhuǎn)換器ADS7807。ADS7807采用單5 V電壓供電，是一款低功率16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，帶有采樣保持、時鐘、內(nèi)部參考電壓和并行串行微處理器接口。ADS7807的最大轉(zhuǎn)換時間為2.5μs，誤差±1.5LSB。ADS7807可以提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的-10～10 V，0～5 V和0～4 V三種滿量程范圍，使用靈活方便[5]。

根據(jù)檢測電路的計算，應(yīng)選擇0～5 V輸入電壓范圍，并行總線輸出數(shù)據(jù)，內(nèi)部時鐘模式，參考電壓選擇電橋的參考電壓，以減少誤差。

ADS7807的轉(zhuǎn)換通過管腳CS和RC實現(xiàn)的。CS和RC同時保持低狀態(tài)至少40 ns，ADS7807進(jìn)入保持狀態(tài)并開始轉(zhuǎn)換，BUSY腳變低直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，這時內(nèi)部輸出寄存器的值被更新。因此通過查詢BUSY管腳的狀態(tài)就可以知道轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，進(jìn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)與BYTE為低時，數(shù)據(jù)線是轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位，當(dāng)BYTE為高時，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8位。通過兩次讀取就可得到轉(zhuǎn)化的16位數(shù)據(jù)[6]。

綜上所述，通過恒流電橋的作用，電阻應(yīng)變片電阻的變化轉(zhuǎn)化為電橋輸出的變化，再經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，變?yōu)榭杀惶幚淼臄?shù)字信號。

ADS7807與51系列單片機的連接如（圖2）所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了液壓支架應(yīng)力檢測電路，可對液壓支架應(yīng)力集中、容易損壞的部位進(jìn)行實時監(jiān)測，對這類故障進(jìn)行預(yù)報和預(yù)警，對采掘工作人員的安全保護都很有意義。實驗證明，該電路的精確性和穩(wěn)定性能夠適應(yīng)井下生產(chǎn)環(huán)境，滿足生產(chǎn)需要。

參考文獻(xiàn)

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[5] http：//www.ti.com.cn.

[6] 王廣西.低漂移便攜式微機多道能譜儀的研制[D].成都理工大學(xué)，2006，5.