矿井绞车销轴传感器的设计研究

庞玉龙

（大同煤业集团电业公司， 山西 大同 037003）

引言

全世界矿井绞车的发展趋势可表现为标准化、结构紧凑、节能高效、高寿命以及通用化等综合的方向[1]。具体表现为：各个国家对矿井绞车参数和性能做出了明确的规定，这样就利于绞车制造和维护的规范化和标准化；矿井工作面的条件恶劣，将绞车的原动机、操控台以及传动装置等综合在一起进行布局可最大程度地提高利用空间；通过合理的结构优化以及系统参数的设计可以提高矿井绞车的工作效率，使绞车的功能充分发挥的同时又可以充分利用绞车电动机功率；绞车服务的时间越长，越有利于矿井的可持续发展，在低噪音环境下工作有利于工作面人员的健康，通过选择合理的润滑油或者提升齿轮的制作精度均利于绞车寿命的增加和工作噪音的减小；矿井绞车的主要功能包括调度以及运输等，应用范围较为广泛，对不同的功能均具有高效的适应性，将不同的功能归纳为一个标准，这样利于绞车的维护，提高矿井采场的管理效率，故通用化发展也是大势所趋[2]。

1 销轴传感器的设计研究

通过钢丝绳的牵引作用矿井绞车可以实现煤体和设备等运输工作，但往往都是基于个人经验对矿井绞车的运载情况进行判别，比如，回柱绞车在进行支架等的回收时均通过工作人员的经验进行拉动拉不动的判断，一旦拉不动就采用清理障碍的方式处理，这样做的后果往往带来较大的安全隐患，无法确保矿井绞车工作的安全[3]。本次对矿井绞车限载监测系统进行设计以充分发挥绞车的运输能力，当绞车负载过大时，可以智能地对绞车采取制动措施，这样可以避免由于过大的负载对绞车各个构件造成破坏。本次设计的绞车限载监测系统的工作流程如图1所示。

图1 绞车限载监测系统的工作流程示意图

在图1中，输入力可以通过检测元件转化为位移，经敏感元件可以将位移转变为电信号，再通过信号放大器对电信号进行放大，转送到信号处理模块中进一步进行处理，则信号可以得以显示以及进行超载的判别，一旦监测到超载信号，则会启动超载制动。惰轮轴作为传感器的优点主要表现为：惰轮轴本身是不转动的，这样就不需要对传感器结构和传输线间的相对位移进行考虑，利于采集信号的输出。本文研究的矿井绞车钢丝绳拉引通过卷筒和减速齿轮会传送到惰轮上，惰轮两端试论的传动力相等，通过轴承该传动力可以传递与惰轮轴，销轴传感器的两端通过与机架的固定连接从而发挥支撑特性，则此时惰轮轴会产生弹性位移。综上所述，压力信号可通过惰轮轴的弹性变形转变为应变片的变形，从而导致应变片电阻的改变，将信号发达电路转变为制动器正压力的电控信号，再基于电信号的变化来对钢丝绳拉力进行判别，这样就实现了矿井绞车的控制与监测。

1.1 销轴传感器受力特征

在对销轴传感器的受力特征进行分析前，需要对其结构进行合理简化，简化得到的模型和受力情况如下页图2所示，空心圆轴上有两个凹槽结构，在传感器中心孔内凹槽所对应的中心处贴有双剪型电阻应变片。该传感器的机械结构是由空心圆轴组成的，设计结构简单；圆周的强度较大，可承受较大的压力和扭力作用；应变片处于中心孔内部，可以起到较强的保护作用。在图2中，P/2为两端机架提供的支撑反力，P为轴承施加的正应力，D为销轴的外径，d为销轴的内径，L为凹槽的宽度。

对图2进行分析可得，销轴内部凹槽中心的环形截面为弹性体的应变区域，则该截面中心位置的弯曲切应力τ和剪应变γ可分别通过公式（1）和公式（2）计算：

式中：G为剪切模量。

图2 简化得到的模型和受力情况示意图

该截面的最大弯曲正应力σmax通过公式（3）计算：

1.2 销轴传感器的灵敏度研究

该传感器主要由应变片和弹性体构成，后者主要是把监测的压力转变为弹性变形，前者主要是将弹性体的变形转变为自身的弹性变形，从而引起应变片电阻的变动，这样变化的压力可以转变为可测量的电信号。应变片电阻的变化率可通过公式（4）计算：

式中：R为应变片电阻，Ks为应变灵敏系数，μ为泊松比。

一般情况下Ks为定值，本次选择的应变片Ks为2，在弹性变形许可范围内电阻丝的电阻与其自身的应变呈现为线性正相关关系，由此得到传感器的输出灵敏度为公式（5）所示：

1.3 销轴传感器的尺寸研究

传感器各部分的设计均需要满足其强度要求，在设计时先要保证中间受载部分直径与两端支撑部分的直径一样，通过受力分析可知传感器凹槽处为强度最为薄弱的点，故在传感器的尺寸进行设计后需要校核凹槽齿轮设计的合理性。本次选择的传感器材料为40Cr，其杨氏模量为207 GPa，抗拉强度为988 MPa，屈服点为797 MPa，泊松比为0.29。则凹槽处所受的最大弯曲切应力（公式1）和正应力（公式3）均需要保持在极限强度以下。

2 销轴传感器的试验原理和结果研究

销轴传感器的所受的力和钢丝绳的拉力间有公式（6）所示的关系，其受力原理如图3所示。

式中：p为圆周力，r1为钢丝绳的缠绕半径，r2为齿轮分度圆半径，F为钢丝绳施加的拉力。

由图3可知销轴传感器受到的压力为圆周力的2倍（2P），通过测试销轴传感器的正压力可对传感器的性能进行测试，测试系统如图4所示。

图3 传感器受力原理示意图

图4 测试系统示意图

在测试系统的测试过程中，逐步提高传感器所受的正压力，使之从0逐渐增大到50 t，通过将标准力和测量力的差值进行比对可对传感器的精度进行校准。

根据表1的统计结果可得到传感器读数变化趋势（下页图5）和误差统计趋势（下页图6），则可以发现在试验范围内测量力几乎呈线性关系变化，也就是输入值和输出值之间呈现为良好的线性关系，虽然测量力和标准力之间存在一定误差，但误差较小，可以通过控制电路比例系数以及单片机内部系数的方式来校准，通过这样的调节方式可以使得本次所用的销轴传感器满足绞车限载制动的需求。

表1 绞车卷筒的力学参数统计表

图5 传感器读数变化趋势示意图

图6 误差统计趋势示意图

通过限载控制箱（图7）可以实现限载制动工作，销轴传感器受到的正压力可通过弹性体转变为应变片的变形，再利用外部电源应变片变形可转变为电流，通过传感器转换板可以将电流转变为单片机可识别的电压，这样单片机通过监测到的电压大小可实现限载制动工作，如果电压过大，则意味着负载超过了安全值，则单片机可对液压系统的电路进行切断，实现限载制动工作。

图7 限载控制箱示意图

3 结论

1）对矿井绞车现在监测系统进行设计研究，全面系统分析绞车限载测力原件（销轴传感器）的受载特征，由此选择传感器材料为40Cr，杨氏模量为207 GPa，抗拉强度为988 MPa，屈服点为797 MPa，泊松比为0.29。

2）在实验台上进行传感器的校准检测工作，认为输入值和输出值之间呈现为良好的线性关系，虽然测量力和标准力之间存在一定误差，但误差较小，从而完成限载制动控制箱的设计，提供了整个绞车限载监测系统的设计。