礦井絞車銷軸傳感器的設(shè)計(jì)研究

龐玉龍

（大同煤業(yè)集團(tuán)電業(yè)公司， 山西 大同 037003）

引言

全世界礦井絞車的發(fā)展趨勢(shì)可表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能高效、高壽命以及通用化等綜合的方向[1]。具體表現(xiàn)為：各個(gè)國(guó)家對(duì)礦井絞車參數(shù)和性能做出了明確的規(guī)定，這樣就利于絞車制造和維護(hù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化；礦井工作面的條件惡劣，將絞車的原動(dòng)機(jī)、操控臺(tái)以及傳動(dòng)裝置等綜合在一起進(jìn)行布局可最大程度地提高利用空間；通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)可以提高礦井絞車的工作效率，使絞車的功能充分發(fā)揮的同時(shí)又可以充分利用絞車電動(dòng)機(jī)功率；絞車服務(wù)的時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于礦井的可持續(xù)發(fā)展，在低噪音環(huán)境下工作有利于工作面人員的健康，通過(guò)選擇合理的潤(rùn)滑油或者提升齒輪的制作精度均利于絞車壽命的增加和工作噪音的減??；礦井絞車的主要功能包括調(diào)度以及運(yùn)輸?shù)?，?yīng)用范圍較為廣泛，對(duì)不同的功能均具有高效的適應(yīng)性，將不同的功能歸納為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣利于絞車的維護(hù)，提高礦井采場(chǎng)的管理效率，故通用化發(fā)展也是大勢(shì)所趨[2]。

1 銷軸傳感器的設(shè)計(jì)研究

通過(guò)鋼絲繩的牽引作用礦井絞車可以實(shí)現(xiàn)煤體和設(shè)備等運(yùn)輸工作，但往往都是基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)礦井絞車的運(yùn)載情況進(jìn)行判別，比如，回柱絞車在進(jìn)行支架等的回收時(shí)均通過(guò)工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行拉動(dòng)拉不動(dòng)的判斷，一旦拉不動(dòng)就采用清理障礙的方式處理，這樣做的后果往往帶來(lái)較大的安全隱患，無(wú)法確保礦井絞車工作的安全[3]。本次對(duì)礦井絞車限載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)以充分發(fā)揮絞車的運(yùn)輸能力，當(dāng)絞車負(fù)載過(guò)大時(shí)，可以智能地對(duì)絞車采取制動(dòng)措施，這樣可以避免由于過(guò)大的負(fù)載對(duì)絞車各個(gè)構(gòu)件造成破壞。本次設(shè)計(jì)的絞車限載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 絞車限載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程示意圖

在圖1中，輸入力可以通過(guò)檢測(cè)元件轉(zhuǎn)化為位移，經(jīng)敏感元件可以將位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過(guò)信號(hào)放大器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)送到信號(hào)處理模塊中進(jìn)一步進(jìn)行處理，則信號(hào)可以得以顯示以及進(jìn)行超載的判別，一旦監(jiān)測(cè)到超載信號(hào)，則會(huì)啟動(dòng)超載制動(dòng)。惰輪軸作為傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：惰輪軸本身是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，這樣就不需要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)和傳輸線間的相對(duì)位移進(jìn)行考慮，利于采集信號(hào)的輸出。本文研究的礦井絞車鋼絲繩拉引通過(guò)卷筒和減速齒輪會(huì)傳送到惰輪上，惰輪兩端試論的傳動(dòng)力相等，通過(guò)軸承該傳動(dòng)力可以傳遞與惰輪軸，銷軸傳感器的兩端通過(guò)與機(jī)架的固定連接從而發(fā)揮支撐特性，則此時(shí)惰輪軸會(huì)產(chǎn)生彈性位移。綜上所述，壓力信號(hào)可通過(guò)惰輪軸的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變片的變形，從而導(dǎo)致應(yīng)變片電阻的改變，將信號(hào)發(fā)達(dá)電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿?dòng)器正壓力的電控信號(hào)，再基于電信號(hào)的變化來(lái)對(duì)鋼絲繩拉力進(jìn)行判別，這樣就實(shí)現(xiàn)了礦井絞車的控制與監(jiān)測(cè)。

1.1 銷軸傳感器受力特征

在對(duì)銷軸傳感器的受力特征進(jìn)行分析前，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化得到的模型和受力情況如下頁(yè)圖2所示，空心圓軸上有兩個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)，在傳感器中心孔內(nèi)凹槽所對(duì)應(yīng)的中心處貼有雙剪型電阻應(yīng)變片。該傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由空心圓軸組成的，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；圓周的強(qiáng)度較大，可承受較大的壓力和扭力作用；應(yīng)變片處于中心孔內(nèi)部，可以起到較強(qiáng)的保護(hù)作用。在圖2中，P/2為兩端機(jī)架提供的支撐反力，P為軸承施加的正應(yīng)力，D為銷軸的外徑，d為銷軸的內(nèi)徑，L為凹槽的寬度。

對(duì)圖2進(jìn)行分析可得，銷軸內(nèi)部凹槽中心的環(huán)形截面為彈性體的應(yīng)變區(qū)域，則該截面中心位置的彎曲切應(yīng)力τ和剪應(yīng)變?chǔ)每煞謩e通過(guò)公式（1）和公式（2）計(jì)算：

式中：G為剪切模量。

圖2 簡(jiǎn)化得到的模型和受力情況示意圖

該截面的最大彎曲正應(yīng)力σmax通過(guò)公式（3）計(jì)算：

1.2 銷軸傳感器的靈敏度研究

該傳感器主要由應(yīng)變片和彈性體構(gòu)成，后者主要是把監(jiān)測(cè)的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥宰冃?，前者主要是將彈性體的變形轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼膹椥宰冃?，從而引起?yīng)變片電阻的變動(dòng)，這樣變化的壓力可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)。應(yīng)變片電阻的變化率可通過(guò)公式（4）計(jì)算：

式中：R為應(yīng)變片電阻，Ks為應(yīng)變靈敏系數(shù)，μ為泊松比。

一般情況下Ks為定值，本次選擇的應(yīng)變片Ks為2，在彈性變形許可范圍內(nèi)電阻絲的電阻與其自身的應(yīng)變呈現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系，由此得到傳感器的輸出靈敏度為公式（5）所示：

1.3 銷軸傳感器的尺寸研究

傳感器各部分的設(shè)計(jì)均需要滿足其強(qiáng)度要求，在設(shè)計(jì)時(shí)先要保證中間受載部分直徑與兩端支撐部分的直徑一樣，通過(guò)受力分析可知傳感器凹槽處為強(qiáng)度最為薄弱的點(diǎn)，故在傳感器的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)后需要校核凹槽齒輪設(shè)計(jì)的合理性。本次選擇的傳感器材料為40Cr，其楊氏模量為207 GPa，抗拉強(qiáng)度為988 MPa，屈服點(diǎn)為797 MPa，泊松比為0.29。則凹槽處所受的最大彎曲切應(yīng)力（公式1）和正應(yīng)力（公式3）均需要保持在極限強(qiáng)度以下。

2 銷軸傳感器的試驗(yàn)原理和結(jié)果研究

銷軸傳感器的所受的力和鋼絲繩的拉力間有公式（6）所示的關(guān)系，其受力原理如圖3所示。

式中：p為圓周力，r1為鋼絲繩的纏繞半徑，r2為齒輪分度圓半徑，F(xiàn)為鋼絲繩施加的拉力。

由圖3可知銷軸傳感器受到的壓力為圓周力的2倍（2P），通過(guò)測(cè)試銷軸傳感器的正壓力可對(duì)傳感器的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 傳感器受力原理示意圖

圖4 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

在測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程中，逐步提高傳感器所受的正壓力，使之從0逐漸增大到50 t，通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)力和測(cè)量力的差值進(jìn)行比對(duì)可對(duì)傳感器的精度進(jìn)行校準(zhǔn)。

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得到傳感器讀數(shù)變化趨勢(shì)（下頁(yè)圖5）和誤差統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)（下頁(yè)圖6），則可以發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)測(cè)量力幾乎呈線性關(guān)系變化，也就是輸入值和輸出值之間呈現(xiàn)為良好的線性關(guān)系，雖然測(cè)量力和標(biāo)準(zhǔn)力之間存在一定誤差，但誤差較小，可以通過(guò)控制電路比例系數(shù)以及單片機(jī)內(nèi)部系數(shù)的方式來(lái)校準(zhǔn)，通過(guò)這樣的調(diào)節(jié)方式可以使得本次所用的銷軸傳感器滿足絞車限載制動(dòng)的需求。

表1 絞車卷筒的力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖5 傳感器讀數(shù)變化趨勢(shì)示意圖

圖6 誤差統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)示意圖

通過(guò)限載控制箱（圖7）可以實(shí)現(xiàn)限載制動(dòng)工作，銷軸傳感器受到的正壓力可通過(guò)彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變片的變形，再利用外部電源應(yīng)變片變形可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎ㄟ^(guò)傳感器轉(zhuǎn)換板可以將電流轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可識(shí)別的電壓，這樣單片機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)到的電壓大小可實(shí)現(xiàn)限載制動(dòng)工作，如果電壓過(guò)大，則意味著負(fù)載超過(guò)了安全值，則單片機(jī)可對(duì)液壓系統(tǒng)的電路進(jìn)行切斷，實(shí)現(xiàn)限載制動(dòng)工作。

圖7 限載控制箱示意圖

3 結(jié)論

1）對(duì)礦井絞車現(xiàn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，全面系統(tǒng)分析絞車限載測(cè)力原件（銷軸傳感器）的受載特征，由此選擇傳感器材料為40Cr，楊氏模量為207 GPa，抗拉強(qiáng)度為988 MPa，屈服點(diǎn)為797 MPa，泊松比為0.29。

2）在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行傳感器的校準(zhǔn)檢測(cè)工作，認(rèn)為輸入值和輸出值之間呈現(xiàn)為良好的線性關(guān)系，雖然測(cè)量力和標(biāo)準(zhǔn)力之間存在一定誤差，但誤差較小，從而完成限載制動(dòng)控制箱的設(shè)計(jì)，提供了整個(gè)絞車限載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。