磁弹性应力传感器检测支架载荷试验研究.pdf

中国矿业大学学报990 2 2 2 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG 根据支架的结构 特点, 研制了适合测量支架上不同受力构件的十字桥式磁弹性应力传感器, 并以此对单体 液压支柱和模拟连杆试件进行了加载检测试验. 结果表明, 液压支柱及连杆在不同载荷 下, 传感器的输出信号与载荷之间具有近似线性关系的规律性. 进而讨论了用磁弹性应力 传感器检测支架载荷的可行性. 关键词 液压支架，载荷检测，磁弹性应力传感器 中图分类号 T D 355. 41 Lo a d M e a s u r i n g o f Po w e r e d Su p p o r t s w i t h M a g n e t o e l a s t i c St r e s s Se n s o r Zh u H u a Ye Pi n g G u Yu h u a W e i Re n z h i Co l l e g e o f M e c h a t r o n i c En g i n e e r i n g , CU M T , Xu z h o u 2 2 10 0 8 A b s t r a c t Ba s e d o n t h e l o a d -c a r r y i n g f e a t u r e s o f a p o w e r e d s u p p o r t , t h e m e t h o d f o r i t s l o a d m e a s u r e m e n t b y t h e m a g n e t o e l a s t i c p r i n c i p l e i s a d v a n c e d . A c c o r d i n g t o t h e s t r u c t u r e s o f t h e p o w e r e d s u p p o r t , a c r o s s b r i d g e -t y p e m a g n e t o e l a s t i c s t r e s s s e n s o r M SS i s d e v e l o p e d t o m e a s u r e d i f f e r e n t p a r t s o f t h e p o w e r e d s u p p o r t . T h e s u b s e q u e n t a p p l i c a t i o n o f i t t o t h e e x p e r i m e n t o f s i n g l e -b o d y h y d r a u l i c p i l l a r s a n d s i m u l a t e d l i n k a g e s p e c i m e n s s h o w s t h a t a n a p p r o x i m a t e l i n e a r r e l a t i o n s h i p e x i s t s b e t w e e n t h e v a l u e s o f M SS o u t p u t s i g n a l a n d t h e l o a d s b o r n b y h y d r a u l i c p i l l a r s a n d l i n k a g e s p e c i m e n s . O n t h e b a s i s o f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , t h e f e a s i b i l i t y o f l o a d -c a r r y i n g m e a s u r e m e n t o f p o w e r e d s u p p o r t s w i t h M SS i s d i s c u s s e d . K e y w o r d s p o w e r e d s u p p o r t s , l o a d m e a s u r i n g , m a g n e t o e l a s t i c s t r e s s s e n s o r 液压支架结构形式多样，受载情况复杂，其载荷检测技术仍是当前研究中的课题. 快速、灵便和具有较高精度的智能化测量仪器，是支架载荷检测的研究方向，其中， 信号传感器是解决问题的关键. 根据铁磁学原理研制的磁弹性应力传感器为液压支架载 荷检测提供了新的思路. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 2 . h t m （第 1／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 3 中国矿业大学学报990 2 2 2 1 磁弹性传感器测量载荷的基本原理 由铁磁学可知，磁弹性现象是当铁磁材料在受到力的作用时在其内部产生机械应 力或应变所引起的磁化强度的变化. 逆磁弹性效应是磁致伸缩，它是一种当作用于铁磁 材料的磁场强度发生变化时，导致其产生机械变形或机械应力的现象［1］. 根据上述原理可以设计成不同形式的磁弹性传感器［2 ］. 用于检测支架载荷的磁弹 性应力传感器采用十字桥式结构，它是由两个垂直交叉放置的U 型铁心组成，在铁心 上分别绕有激励线圈和测量线圈. 测量时，将铁心垂直放置于被测构件的表面，4个磁 极中相邻磁极间被测构件材料的磁阻，就构成了一个磁桥 如图1所示 . 图1 传感器桥路 Fi g . 1 Br i d g e c i r c u i t o f t h e M SS 当激励线圈通以一定频率的交变电流时，在其铁心中便产生出交变的磁通，以此 激励被测构件. 当构件不受载荷作用时，构件内没有应力产生，因而其表面材料在各个 方向的磁性相同，各桥臂的磁导率 或磁阻 相等，磁桥处于平衡状态，测量线圈中没 有感应电动势，传感器输出信号为零；当被测构件受到载荷作用时，构件在水平方向 受拉伸，垂直方向受压缩. 相应地，在这两个方向上的磁导率 或磁阻 也就产生相反的 变化 增大和减小 ，因而使磁桥失去平衡，在测量线圈中感应出电动势，传感器有相 应的信号输出. 传感器输出的电压信号可用下式［3］表示 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 2 . h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 3 中国矿业大学学报990 2 2 2 1 式中Vm ωNeNdIeμ0K m/ 2 m ，ω为激励信号圆频率，ω 2 πf ；Ne 为激励线圈匝数； Nd为测量线圈匝数；Ie为激励信号电流强度；μ0为铁心磁导率；K m为放大倍数；m l / A ， 其中l 为磁路长度，A 为横截面积 ；和μy分别为x 方向 及y 方向试件磁导率；θ为激励铁心与主应力方向之间的夹角. 2 磁弹性传感器检测支架载荷的方法 支架的顶梁、掩护梁等所承受的载荷是经支柱和连杆传至底座，因此，只要测出 支柱和连杆受力，就可根据支架几何、工作参数确定其外载荷［4］. 在液压油的作用下，支柱缸套承受周向拉应力，轴向应力近似为零；连杆一般为 平面或圆柱结构，可视为二力杆，只承受轴向拉伸或压缩载荷. 支柱和连杆内的机械应 力，反映支架所受载荷大小. 当θ 45时，公式 1 为 由磁弹性理论和材料力学可知，此时的V0最大 在一定载荷下 ，测量效果最好. 因 此，测量支柱和连杆载荷时，根据它们的受力特点，均应将传感器的铁心之一与支柱 或连杆轴线成45角放置，如图2 和图3所示. 图2 检测连杆载荷示意图 Fi g . 2 T h e d i a g r a m o f l o a d m e a s u r i n g o f a l i n k a g e w i t h M SS f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 2 . h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 3 中国矿业大学学报990 2 2 2 图3 检测支柱载荷示意图 Fi g . 3 T h e d i a g r a m o f l o a d m e a s u r i n g o f a p i l l a r w i t h M SS 3 磁弹性传感器测量载荷试验研究 3. 1 试件及加载方式 试件1单体液压支柱 型号D Z12 -2 5/ 8 0 缸套内径8 0 m m ，材料为无缝钢管. 立式液压机0 ～45M Pa 液压加载. 试件2 拉伸试件 尺寸结构如图4所示，材料45钢. 疲劳试验机0 ～350 0 k g 0 ～ 18 2 M Pa 拉伸加载. 图4 试件2 的尺寸 Fi g . 4 D i m e n s i o n o f s p e c i m e n 2 试件3压缩试件 尺寸8 7 m m 45m m 2 2 m m ，材料为45钢. 疲劳试验机0 ～ 150 0 0 k g 0 ～150 M Pa 压缩加载. 3. 2 试验结果 对上述试件在其弹性范围内分级加载，当传感器通以某一频率的激励电流后，测 量并记录传感器的输出电压幅值. 试件1的测试框图如图5所示. 3种试件的测试结果见图6 ～8 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 2 . h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 3 中国矿业大学学报990 2 2 2 图5 应力 载荷 测量框图 Fi g . 5 T h e b l o c k d i a g r a m o f s t r e s s l o a d m e a s u r i n g w i t h M SS 图6 试件1输出电压与载荷关系曲线 Fi g . 6 T h e o u t p u t v o l t a g e -l o a d c u r v e o f s p e c i m e n 1 图7 试件2 输出电压与应力关系曲线 Fi g . 7 T h e o u t p u t v o l t a g e -s t r e s s c u r v e o f s p e c i m e n 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 2 . h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 3 中国矿业大学学报990 2 2 2 图8 试件3输出电压与应力关系曲线 Fi g . 8 T h e o u t p u t v o l t a g e -s t r e s s c u r v e o f s p e c i m e n 3 4 结 论 通过对用磁弹性应力传感器测量上述3种试件载荷的试验研究，得出如下结论. 1 传感器输出电压随载荷的变化而变化. 与磁滞现象相似，加载、卸载下测得的电 压相对载荷有滞后现象. 为了使输出电压与载荷之间成线性关系，必须进行去磁测量. 图 6 ～8 中的虚线为去磁测量得到的电压-载荷 应力 关系曲线，它们近似一条直线. 2 从图7 和图8 可以看出，试件在拉伸和压缩加载下得出的电压应力曲线斜率不 同，这是由于拉伸和压缩时材料的磁弹性灵敏度不同所致. 3 从图7 和图8 还可以看出，试件拉伸时电压为正，压缩时电压为负，这是由于拉 伸和压缩时传感器输出的正弦交变电信号在相位上相差18 0 . 所以，在检测支架载荷 时，可以根据测量信号的相位来判别构件的受力状态. 4 传感器铁心与被测构件主应力之间的角度直接影响到输出信号的大小及相位， 对于这种十字桥式结构的传感器，根据液压支架支柱与连杆的受力性质，可始终将传 感器某一铁心与它们的轴线成45角放置. 5 传感器激励频率的大小直接关系到其输出信号的幅值大小和输出信号是否失真. 对于不同结构、材料和参数的传感器，具有相应的最佳激励频率范围. 为了使传感器获 得较好的输出特性，应使用合适的激励频率. 上述研究表明，使用磁弹性应力传感器，结合配套的信号处理电路和载荷计算程 序，研制成便携式智能化仪器，用于对支架载荷的测量和显示是完全有可能的. *煤炭科学基金资助项目 94机10 10 4 作者简介 朱 华，男，196 0 年生，副教授，工学硕士 作者单位 中国矿业大学机械电子工程学院 徐州 2 2 10 0 8 参考文献 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 2 . h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 3 中国矿业大学学报990 2 2 2 1 钟文定. 铁磁学 中册 . 北京科学出版社，198 7 . 2 1～44 2 Ю. И. 雷巴利琴科. 磁弹性扭矩传感器. 吴凤贞译. 北京计量出版社，198 5. 7 ～2 2 3 Ya m a d e H . St r e s s a n a l y s i s w i t h m a g n e t i c a n i s o t r o p y s e n s o r a n d i t s a p p l i c a t i o n . T r a n s . I EE o f Ja p a n , 198 5, 10 0 -B 4 197 4 朱 华，魏任之. 液压支架外载荷测算方法研究. 中国矿业大学学报，1997 ，2 6 4 91～94 收稿日期 1998 -0 6 -19 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 2 . h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 3