摘 要：研制了一种新型应变式全剪切煤炭三向力传感器，对传感器结构模型进行了大量的有限元仿真分析。有限元分析与实验结果表明，所研制的传感器结构简单，具有较高的灵敏度和足够的刚度，各分量互干扰小。

　　关键词：三向力;传感器;有限元法;应变 0 引言随着市场经济的不断发展，煤矿企业更加注重生产效率和经济效益。其中，合理的选择采煤机型号和截齿的类型将会影响到采煤机的工作效率和截齿的寿命。针对这种现状我们研制开发了一种新型煤炭三向截割力传感器。运用这种新型的传感器可以获取截齿在截割煤炭过程中的受力信息，进而可以深入研究煤炭截割机理;定量评价煤炭截割特性;合理选择和使用采煤机;优化设计采煤机和截齿。 1 结构设计弹性体亦称弹性元件，是煤炭三向截割力传感器的核心部分。工作时，它将被测物体带来的力学信号转化为弹性变形，通过粘贴在其上的应变片得出敏感区的应变大小、方向，从而建立起力信号与应变之间的关系，进而获得被测物体的受力信息。

传感器的弹性体结构简图如图1所示。弹性主体是一个上下两层各开有4个相位相错的薄壁圆筒形结构，使该结构形成了A、B、C三个变形区域。其中A区与C区是孔间薄壁结构，各有4个敏感区域，当弹性体受到水平方向力作用时，A区的4块薄片为纯剪切状态，在该区域粘贴电阻应变片，组成两个电桥，分别测量两水平方向力。C区中心线与A区中心线在XY平面相差，其力学性能与A区相同。B区共有8个敏感区域，当受到Z向惯性力作用时，为纯剪切状态，可从中任选4块位置对称的薄片来测量Z向力信号。

　　图1 弹性体结构简图 2 模型有限元分析 2.1 弹性体结构参数确定用Solidworks软件对弹性体创建几何模型并用cosmosworks对模型进行有限元分析, 应用正交试验设计的方法分析主要结构参数对传感器灵敏度和固有频率影响，选取薄壁厚度、孔间薄壁高度、圆环高度、孔与孔间薄壁对应的弧长比等4个结构参数为试验因素，结合极差分析法优化弹性体结构，其结构参数优化结果如表1所示：

　　表1 弹性体结构参数 薄壁厚度(mm) 孔间薄壁高度(mm) 圆环高度(mm) 弧长比 1.5 7.0 9.0 3.0 2.2 弹性体应力分布弹性体为轴对称的复杂结构，模型经过网格划分后形成了大量的单元，数量过多难以一一描述。为了研究其应力应变分布规律，所以将弹性体沿一边展开，并按照有效剪切应变的分布划分为如图2所示的剪应变区。

　　-180° - 90° 0° 90° 180°

　　图2弹性体模型展开图

由有限元分析结果可知，在中间圆环区域的偶数敏感区域产生了较大的集中剪切应力应变。其中，8与16、10与18分别相间隔，这4个区域构成一组粘贴应变片，可组成全桥用来测量Z向作用力。

在水平力作用下，孔间薄壁区域产生了较大的集中剪切力应变。其中1、3构成一组，2、4构成另外一组，粘贴应变片可组成两个全桥分别用来测量两个水平方向作用力。 3 传感器静态标定传感器的静态标定是在铣床上进行的。首先将传感器固定在铣床工作台上，然后采用标准砝码法加力标定。采用加标准砝码标定，是一种既简单又十分精确的标定方法，标定精度主要取决于砝码的精度。沿各方向加每块5Kg重的标准砝码，每次加一块，由于各方向量程不同，轴向共加90Kg，每个水平方向共加载到70kg。接着卸载，记录下三个输出方向的动态应变仪输出字数，由标定曲线可以得出X向灵敏度为9.38，Y向灵敏度为9.31， Z向灵敏度为5.47，三个方向具有较高的灵敏度。另外，各方向都具有良好的线性，且互干扰较小。 4 结论煤炭三向截割力传感器结构简单，灵敏度较高，采用一体化的结构即可测量出空间三向力。具有良好的线性，且各方向间的互干扰较小，适用于井下测量截割力，获取受力信息。

　　参 考 文 献

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