液壓支架壓力傳感器的設(shè)計與動態(tài)特性分析研究

曹衛(wèi)鋒

（榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林719000）

液壓支架壓力傳感器的設(shè)計與動態(tài)特性分析研究

曹衛(wèi)鋒

（榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林719000）

基于對液壓支架壓力特性和其工作環(huán)境的分析，設(shè)計出了壓力傳感器阻尼孔結(jié)構(gòu)，并通過對液壓支架控制系統(tǒng)中壓力傳輸系統(tǒng)的傳遞的研究，對壓力傳輸系統(tǒng)進行數(shù)值仿真研究，從中找出了阻尼孔結(jié)構(gòu)與壓力傳感器性能的關(guān)系。

壓力傳感器；阻尼孔；動態(tài)特性；仿真

在煤炭開采中，液壓支架是綜采工作面的重要支護設(shè)備，能可靠地支撐頂板，有效地隔離采空區(qū)，保證正常的采煤作業(yè)工作空間[1，2]。立柱下腔的壓力傳感器是液壓支架的一個關(guān)鍵器件。該器件用來實時的監(jiān)控液壓力，獲得支架與頂板之間的相互作用狀況，據(jù)此來判別支架的工作狀況[1，2]。

液壓支架工作中，在變化的承載壓力作用下，立柱下腔內(nèi)壓力可能會迅速增大，一旦超過系統(tǒng)調(diào)定的壓力值，必然會使壓力傳感器失準，如嚴重會導(dǎo)致零件的損壞。這樣會導(dǎo)致控制信號傳輸錯誤，釀成事故[3，4]。因此，設(shè)計出一種更耐壓力沖擊進而使其能夠穩(wěn)定工作的壓力傳感器是非常有必要的。

本文對壓力傳感器的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，建立了液壓支架電液控制系統(tǒng)中壓力傳輸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，對其進行數(shù)值仿真，提出阻尼孔結(jié)構(gòu)與壓力傳感器工作性能的關(guān)系。通過數(shù)值仿真，得到壓力傳感器的動態(tài)特性，為設(shè)計滿足煤采礦底作業(yè)需求的壓力傳感器提供了參考。

1壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

考慮到立柱下腔壓力不斷變化，該過程中壓力傳感器必受到一定的沖擊載荷。因此，在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮盡量減小壓力的沖擊，從而保護好傳感器部件不受損壞，并且使得監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定。綜合考慮以上問題，提出一種改良的壓阻式壓力傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在檢測壓力點一端增加一個阻尼孔，使得傳感器測壓點與金屬膜片間存在阻尼孔和容腔，這樣就可以增強壓力傳感器的耐沖擊性。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2壓力傳遞特性的仿真分析

2.1 壓力傳遞關(guān)系的建立

為獲得阻尼孔設(shè)計與壓力傳感器工作性能關(guān)系，需要得到阻尼孔入口處的被測壓力與作用在金屬膜片上的容腔壓力之間的關(guān)系，然后分析研究出阻尼孔的結(jié)構(gòu)尺寸對傳輸關(guān)系的影響。

在建模中，把容腔和阻尼孔的結(jié)構(gòu)看作一個壓力傳輸系統(tǒng)。設(shè)流體密度為ρ；阻尼孔長度為L；阻尼孔直徑為d；V為溶腔體積；流體的動力粘度為μ；被測壓力為P；容腔壓力為P'.經(jīng)過推導(dǎo)，可得二階微分方程如下式（1）所示。

2.2 仿真分析

進行數(shù)值仿真時固有參數(shù)為：ρ＝990 kg/m3；E=2.3×109Pa；μ=1×10-3N·s/m2.參考文獻[5，6]，取L=10mm，d在0.15~0.2mm范圍內(nèi)變化，通過數(shù)值仿真得到，傳輸系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)、峰值時間和超調(diào)量隨阻尼孔直徑的變化關(guān)系分別如圖2與圖3所示。

圖2 峰值時間隨阻尼孔直徑變化關(guān)系

圖3 超調(diào)量隨阻尼孔直徑變化關(guān)系

由圖2和圖3可知：長度一定時，峰值時間隨阻尼孔直徑的增加而減??；超調(diào)量隨阻尼孔直徑的增加而增大，通過回歸得到了峰值時間和超調(diào)量隨直徑的變化關(guān)系式。這對傳感的設(shè)計起到了參考。

d=0.17 mm，L在5~15mm范圍內(nèi)變化，通過數(shù)值仿真得到，傳輸系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)、峰值時間和超調(diào)量隨阻尼孔長度的變化關(guān)系分別如圖4與圖5所示。

圖4 峰值時間隨阻尼孔長度變化關(guān)系

圖5 超調(diào)量隨阻尼孔長度變化關(guān)系

由圖3和圖4可知：直徑一定時，峰值時間隨阻尼孔長度的增加而減??；超調(diào)量隨阻尼孔長度的增加而增大；通過回歸得到了峰值時間和超調(diào)量隨直徑的變化關(guān)系式。

3結(jié)束語

通過數(shù)值仿真得到傳感器動態(tài)特性關(guān)于直徑與長度的變化關(guān)系，從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，在阻尼孔長度取一定值時，所選取的阻尼孔直徑值越小，壓力傳輸系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)越快。而在阻尼孔直徑不變時，阻尼孔長度越長，壓力傳輸系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)越快。

在實際的傳感器設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合動態(tài)特性與參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，選取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使傳感器達到滿足安全生產(chǎn)，降低壓力沖擊，保護元件的功能。

[1]張良．液壓支架電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（02）：5-8．

[2]寇子明．液壓支架動態(tài)特性分析與檢測[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1996．

[3]李榮生，廉自生，馬清虎．液壓支架壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J]．煤礦機電，2008（06）：47-48.

[4]李鐵蓮，廉自生．液壓支架中壓力傳感器的設(shè)計[J]．煤礦機械，2007（04）：20-22.

[5]張永學(xué)，李振林.流體機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬方法綜述[J].流體機械，2006，（07）：34-38，14.

[6]李繼云，趙小兵．礦用無線液壓支架壓力傳感器的設(shè)計[J]．煤礦機電，2014（04）：12-14．

Study for Design and Dynam ic Characteristics of Pressure Sensors in Hydraulic Supports

CAOWei-feng
（School of Energy Engineering，Yulin University，Yulin Shaanxi 719000，China）

Based on analyzing the pressure characteristics of the hydraulic supports and the working environment，the damping hole in pressure sensor is designed.And the dynamicmodel of pressure transmission system in the control system the hydraulic supports is established.The relationship between structure of damping holes and the property of the pressure sensors is found，by numerical simulation of pressure transmission system.

pressure sensors；damping hole；dynamic characteristics；simulation

TD355

A

1672-545X（2016）12-0011-02

2016-09-01

榆林學(xué)院高層次人才科研啟動基金項目（16GK17）

曹衛(wèi)鋒（1977-），男，陜西武功人，講師，博士，從事機械設(shè)計的教學(xué)與研究。