基本信息
- 项目名称：
- 煤炭三向截割力传感器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 设计了一种用于测量采煤机截齿截割力的新型三向力传感器，可以精确获得截齿在截割煤炭过程中的受力情况，为深入研究煤炭截割机理，定量评价煤炭截割特性、合理选择和设计采煤机及截齿提供了重要的依据。
- 详细介绍：
- 设计了一种新型三向力传感器，用于精确测量采煤机截齿的截割力。它采用一种特殊结构的弹性体，应用应变式全剪切测量原理，实现了三向力信息的同时获取，此种结构和测量方法在三向力传感器中属首创，与同类传感器相比具有精度高、结构简单，加工方便等特点。三向力传感器最突出的难点是三向力互干扰问题，本传感器通过合理的结构和桥路设计，理论上三个方向的信号输出具有正交性，且三个方向都有较高的灵敏度和足够的刚度，实验和仿真分析表明该传感器具有三分力间互干扰小，线性度好，回差小等特点，有效地解决三向力传感器互干扰问题。对传感器结构尺寸稍加改造还可用于其它测量场合，如机器人手腕力，机床刀具切削力测量等。目前市场上使用的三向力传感器大多是进口的，价格昂贵，而本作品结构简单，加工方便，制作成本低，因此具有较广阔的市场前景和推广价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计发明目的：设计出一种能准确测量采煤机截齿三向截割分力的新型三向力传感器，为深入研究煤炭截割机理、定量分析煤炭截割特性、合理设计选择采煤机截齿等提供重要依据，也可用于其它三向力测量，为三向力传感器增添一新的类型。 基本设计思路：设计一种新型结构的弹性体，采用应变式全剪切测量原理实现三向力的测量；应用有限元分析法对传感器模型进行优化设计，并获得传感器的静、动态特性，在应力分析的基础上合理布置桥路，通过标定实验和理论计算获得传感器的主要性能指标。 创新点：设计出具有整体弹性元件、三向正交应变特性的新型应变式全剪切三向力传感器，全面提高了应变式三向力传感器的静动态特性。 技术关键问题： 1）设计出具有三向正交应变特性的弹性体结构； 2）确定应变片的布置及测量电桥连法，保证理论上三向力信号没有相互干扰； 3）解决高灵敏度与较大测量频率范围之间的矛盾，提高传感器的静、动态特性； 4）解决实验模型的制造工艺和整体联结、防护问题。 主要技术指标： 非线性误差：≤1%； 轴向灵敏度：5.47με/N； 水平灵敏度：9.38με/N；交叉灵敏度：≤2%； 轴向测量范围：≤3KN；两侧向测量范围：≤1.5KN； 轴向固有频率：≥3000Hz；侧向固有频率：1500Hz左右
科学性、先进性
- 本作品通过设计一种特殊结构的弹性体，采用应变式全剪切测量原理，实现对三向力信息的同时获取，此种结构和测量方法在三向力传感器中属首创，与同类传感器相比具有精度高、结构简单，加工方便的特点。三向力传感器最突出的难点是三向力的互干扰问题，本传感器通过合理的结构和桥路设计，理论上三个方向的信号输出具有正交性，且三个方向都有较高的灵敏度和足够的刚度，实验和仿真分析表明该传感器具有三分力间互干扰小，线性度好，回差小等特点，有效地解决三向力传感器互干扰问题。 参考文献 [1] 强锡富，传感器[M] 北京：机械工业出版社.2001 [2] 姜力，刘宏等.多维力/力矩传感器静态解耦的研究[J].仪器仪表学报，2004，25（3）284-287 [3] 方立等.新型三维力传感器的研制与应用[J].传感器技术，2002，21(7):35-37 [4] 陈渠，高天林，秦智.煤岩截割三向力传感器的研究[J].煤炭科学技术，1990，12，40-44
获奖情况及鉴定结果
- 2009年4月16日在某大学第三届“挑战杯”大学生课外科技作品竞赛中荣获“特等奖” 2009年6月7日在第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛中荣获“一等奖”
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 一次性转让给企业，签定转让合同。
作品可展示的形式
- 实物 ；图纸；现场演示；图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明:该作品与动态电阻应变仪和信号存储设备配套使用,使用时将传感器固定在被测位置处,通过信号线与应变仪和信号记录仪连接,测试前应先进行动态电阻应变仪平衡调节和标定工作。测试后对记录的信号进行数据处理得到力值。 技术特点：采用应变式全剪切测量；精度高、结构简单，加工方便；三个正交方向有较高的灵敏度和足够的刚度；分力间互干扰小，线性度好，回差小；结构简单，制造工艺性好。 适应范围：该作品可进行空间三向力信号的测量，主要用于测量采煤机截齿三向截割分力。对外形结构尺寸稍加改变也可用于机器人手腕力、机床刀具切削力等的测量。 本作品结构简单，加工方便，制作成本低，如能进行市场开发，必将带来可观的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外测量煤炭截割力的方法可分为地面模拟测量和井下实测两大类。 前一类的典型代表是中国矿业大学陶驰东教授设计的单齿受力测试装置，其测力传感器为八角环式电阻应变传感器，这种传感器虽较好地解决了三向力之间的互干扰问题，但它的刚度很难提高，从而影响传感器的动态性能指标，不能准确测出截割过程中的高频力信号。地面模拟测量的优点是简单、方便，但得不到截齿在采煤过程中的真实受力信息。井下实测截割力的方法具有很多的优点，典型的有：辽宁工程技术大学研制的MJ-1型截割阻抗测定装置。此系统采用的是液压式测力传感器，该系统结构简单，操作方便，但截割力是幅度变动大且频率较高的动态力，由于机械和液压系统的阻尼作用，采用测量工作油压变化的方法，不可能测出截割力的真实情况。美国研制的井下截割力测量仪，采用的是电阻应变式传感器，测量的精度高，可在井下测得单个截齿的动态截割力的径向分力和切向分力，但是不能测出截齿的侧向分力。此外波兰、德国、前苏联等国都研制了不同的井下截割力测量仪，但由于其传感器部分或是弹簧式或是液压式的，都不能准确测出截齿的瞬态受力情况。 国内对力传感器的研究主要集中在单向力传感器上，对三向力传感器研究的很少。在研究煤炭截割力时主要是利用单向拉、压传感器来测量轴向截割阻力，而测不到侧向分力，用于研究煤炭截割力实验的三向力传感器在国内还未曾见到。
