基本信息
- 項目名稱：
- 煤炭三向截割力傳感器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 設計了一種用于測量采煤機截齒截割力的新型三向力傳感器，可以精確獲得截齒在截割煤炭過程中的受力情況，為深入研究煤炭截割機理，定量評價煤炭截割特性、合理選擇和設計采煤機及截齒提供了重要的依據(jù)。
- 詳細介紹：
- 設計了一種新型三向力傳感器，用于精確測量采煤機截齒的截割力。它采用一種特殊結構的彈性體，應用應變式全剪切測量原理，實現(xiàn)了三向力信息的同時獲取，此種結構和測量方法在三向力傳感器中屬首創(chuàng)，與同類傳感器相比具有精度高、結構簡單，加工方便等特點。三向力傳感器最突出的難點是三向力互干擾問題，本傳感器通過合理的結構和橋路設計，理論上三個方向的信號輸出具有正交性，且三個方向都有較高的靈敏度和足夠的剛度，實驗和仿真分析表明該傳感器具有三分力間互干擾小，線性度好，回差小等特點，有效地解決三向力傳感器互干擾問題。對傳感器結構尺寸稍加改造還可用于其它測量場合，如機器人手腕力，機床刀具切削力測量等。目前市場上使用的三向力傳感器大多是進口的，價格昂貴，而本作品結構簡單，加工方便，制作成本低，因此具有較廣闊的市場前景和推廣價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計發(fā)明目的：設計出一種能準確測量采煤機截齒三向截割分力的新型三向力傳感器，為深入研究煤炭截割機理、定量分析煤炭截割特性、合理設計選擇采煤機截齒等提供重要依據(jù)，也可用于其它三向力測量，為三向力傳感器增添一新的類型。 基本設計思路：設計一種新型結構的彈性體，采用應變式全剪切測量原理實現(xiàn)三向力的測量；應用有限元分析法對傳感器模型進行優(yōu)化設計，并獲得傳感器的靜、動態(tài)特性，在應力分析的基礎上合理布置橋路，通過標定實驗和理論計算獲得傳感器的主要性能指標。 創(chuàng)新點：設計出具有整體彈性元件、三向正交應變特性的新型應變式全剪切三向力傳感器，全面提高了應變式三向力傳感器的靜動態(tài)特性。 技術關鍵問題： 1）設計出具有三向正交應變特性的彈性體結構； 2）確定應變片的布置及測量電橋連法，保證理論上三向力信號沒有相互干擾； 3）解決高靈敏度與較大測量頻率范圍之間的矛盾，提高傳感器的靜、動態(tài)特性； 4）解決實驗模型的制造工藝和整體聯(lián)結、防護問題。 主要技術指標： 非線性誤差：≤1%； 軸向靈敏度：5.47με/N； 水平靈敏度：9.38με/N；交叉靈敏度：≤2%； 軸向測量范圍：≤3KN；兩側向測量范圍：≤1.5KN； 軸向固有頻率：≥3000Hz；側向固有頻率：1500Hz左右
科學性、先進性
- 本作品通過設計一種特殊結構的彈性體，采用應變式全剪切測量原理，實現(xiàn)對三向力信息的同時獲取，此種結構和測量方法在三向力傳感器中屬首創(chuàng)，與同類傳感器相比具有精度高、結構簡單，加工方便的特點。三向力傳感器最突出的難點是三向力的互干擾問題，本傳感器通過合理的結構和橋路設計，理論上三個方向的信號輸出具有正交性，且三個方向都有較高的靈敏度和足夠的剛度，實驗和仿真分析表明該傳感器具有三分力間互干擾小，線性度好，回差小等特點，有效地解決三向力傳感器互干擾問題。 參考文獻 [1] 強錫富，傳感器[M] 北京：機械工業(yè)出版社.2001 [2] 姜力，劉宏等.多維力/力矩傳感器靜態(tài)解耦的研究[J].儀器儀表學報，2004，25（3）284-287 [3] 方立等.新型三維力傳感器的研制與應用[J].傳感器技術，2002，21(7):35-37 [4] 陳渠，高天林，秦智.煤巖截割三向力傳感器的研究[J].煤炭科學技術，1990，12，40-44
獲獎情況及鑒定結果
- 2009年4月16日在某大學第三屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外科技作品競賽中榮獲“特等獎” 2009年6月7日在第三屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛集團安徽省大學生課外學術科技作品競賽中榮獲“一等獎”
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 一次性轉讓給企業(yè)，簽定轉讓合同。
作品可展示的形式
- 實物 ；圖紙；現(xiàn)場演示；圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明:該作品與動態(tài)電阻應變儀和信號存儲設備配套使用,使用時將傳感器固定在被測位置處,通過信號線與應變儀和信號記錄儀連接,測試前應先進行動態(tài)電阻應變儀平衡調節(jié)和標定工作。測試后對記錄的信號進行數(shù)據(jù)處理得到力值。 技術特點：采用應變式全剪切測量；精度高、結構簡單，加工方便；三個正交方向有較高的靈敏度和足夠的剛度；分力間互干擾小，線性度好，回差小；結構簡單，制造工藝性好。 適應范圍：該作品可進行空間三向力信號的測量，主要用于測量采煤機截齒三向截割分力。對外形結構尺寸稍加改變也可用于機器人手腕力、機床刀具切削力等的測量。 本作品結構簡單，加工方便，制作成本低，如能進行市場開發(fā)，必將帶來可觀的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 目前，國內外測量煤炭截割力的方法可分為地面模擬測量和井下實測兩大類。 前一類的典型代表是中國礦業(yè)大學陶馳東教授設計的單齒受力測試裝置，其測力傳感器為八角環(huán)式電阻應變傳感器，這種傳感器雖較好地解決了三向力之間的互干擾問題，但它的剛度很難提高，從而影響傳感器的動態(tài)性能指標，不能準確測出截割過程中的高頻力信號。地面模擬測量的優(yōu)點是簡單、方便，但得不到截齒在采煤過程中的真實受力信息。井下實測截割力的方法具有很多的優(yōu)點，典型的有：遼寧工程技術大學研制的MJ-1型截割阻抗測定裝置。此系統(tǒng)采用的是液壓式測力傳感器，該系統(tǒng)結構簡單，操作方便，但截割力是幅度變動大且頻率較高的動態(tài)力，由于機械和液壓系統(tǒng)的阻尼作用，采用測量工作油壓變化的方法，不可能測出截割力的真實情況。美國研制的井下截割力測量儀，采用的是電阻應變式傳感器，測量的精度高，可在井下測得單個截齒的動態(tài)截割力的徑向分力和切向分力，但是不能測出截齒的側向分力。此外波蘭、德國、前蘇聯(lián)等國都研制了不同的井下截割力測量儀，但由于其傳感器部分或是彈簧式或是液壓式的，都不能準確測出截齒的瞬態(tài)受力情況。 國內對力傳感器的研究主要集中在單向力傳感器上，對三向力傳感器研究的很少。在研究煤炭截割力時主要是利用單向拉、壓傳感器來測量軸向截割阻力，而測不到側向分力，用于研究煤炭截割力實驗的三向力傳感器在國內還未曾見到。
