CN103512624A - 基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感方法及传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感方法及传感器，解决采煤机工作过程中截齿割煤所受到的截割阻力测量的准确度问题和调节磁流变弹性体刚度的问题。本发明方法借助于磁流变弹性体受力发生形变的特性，通过对对应电学参数的测量，得到所受力的大小，同时通过外加磁场可改变磁流变弹性体刚度的特性，增加磁流变弹性体的受力范围。实现了截割阻力的实时、准确测量，进而实现根据截割阻力的变化对采煤机输出功率进行实时调整的目的，同时通过外加磁场调节磁流变弹性体刚度的方法增大截割阻力传感器的受力范围，对截割阻力传感器起到了保护作用。从而提高采煤机工作效率和使用寿命。

Description

基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感方法及传感器

技术领域     本发明涉及采煤机截割阻力传感器设计领域。具体是基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器。

技术背景  

随着市场经济体制的建立，煤矿企业越来越注重生产效率和经济效益。采煤机实际工作效率的高低及其工作效果的好坏是多方面因素综合作用的结果，如采煤机滚筒的结构，截齿的材料、形状、尺寸及其排列和安装角度，截割深度，电动机的牵引速度，煤层的物理机械性质等。而确定上述因素的基本依据是掌握截割力的特性，准确地测量截割力，获得截齿在截割煤炭过程中多种因素相互作用的大量信息。

煤炭的非均质性和多品种性使截割力特性在不同矿井或不同煤层上千差万别，为准确掌握具体矿并(煤层)的截割力特性，以便控制采煤机的实时输出功率，国内外一直有人致力于煤炭截割力测量装置及其传感器的研究，国内外采用测量机械弹性力或液压压力方法的一些在井下测量煤炭截割力的装置和传感器，由于其力传感器中机械元件或液压件不可避免的惯性及阻尼作用，不能真实测取力幅变动大且频率较高的动态截割力，所测得的截割力，只是某种平均意义下的数值。

目前使用最多的是应变片式力传感器，其缺点是量程范围有限，用于采煤机截割力测量时截割阻力幅度变化巨大，常常使其超量程，且容易断裂。

磁流变弹性体是磁流变材料的一个新的分支。它是由高分子聚合物(如橡胶等)和铁磁性颗粒组成，混合有铁磁性颗粒的聚合物在外加磁场作用下固化，利用磁致效应(即铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状聚集结构)，使颗粒在基体中形成有序结构。由于磁流变弹性体兼有磁流变材料和弹性体的优点，如响应快(ms量级)，可逆性好，可控能力强等，又克服了磁流变液沉降、稳定性差等缺点，它的力学、电学、磁学诸性能可以由外加磁场来控制，因而近年来成为磁流变材料研究的一个热点。磁流变弹性体可以广泛应用于机械传动，减振隔振，机器人和智能执行机构等领域，可以大大简化机械结构，完成一些传统机械结构难以实现的功能。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感方法及传感器，解决采煤机工作过程中截齿割煤所受到的截割阻力测量的准确度问题和调节磁流变弹性体刚度的问题。本发明方法借助于磁流变弹性体受力发生形变的特性，通过对对应电学参数的测量，得到所受力的大小，同时通过外加磁场可改变磁流变弹性体刚度的特性，增加磁流变弹性体的受力范围。实现了截割阻力的实时、准确测量，进而实现根据截割阻力的变化对采煤机输出功率进行实时调整的目的，同时通过外加磁场调节磁流变弹性体刚度的方法增大截割阻力传感器的受力范围，对截割阻力传感器起到了保护作用。从而提高采煤机工作效率和使用寿命。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，该传感方法包括如下步骤：

步骤1、采煤机截齿通过基于磁流变弹性体的截割阻力传感器固定在采煤机滚筒上，在采煤机开始工作之前根据当前煤层状况在采煤机控制系统中设置预计的截割阻力的初始阈值，所设初始阈值小于根据采煤机额定输出功率确定的截割阻力的极限阈值。截齿割煤时所受到的截割阻力通过截齿传递给磁流变弹性体，发生形变的磁流变弹性体的内部磁性粒子的分布发生改变，使采煤机截割阻力传感器的电学参数发生变化，通过检测电路测量电学参数得到截割阻力变化与电学参数变化的对应关系，测得截割阻力传感器所受的截割阻力；

步骤2、采煤机工作过程中，截割阻力传感器判断其所受的实际截割阻力是否超出所述截割阻力的初始阈值；

步骤3、如果没有超出初始阈值则采煤机不更改阈值设定、继续工作；

步骤4、对于截割阻力传感器所受的截割阻力超出初始阈值但小于极限阈值的情况，通过增加采煤机截割阻力传感器内的线圈电流强度，从而增加采煤机截割阻力传感器的磁场强度，改变磁流变弹性体内部磁性粒子的分布，增大磁流变弹性体的刚度，同时在采煤机控制系统中重新设置截割阻力的阈值。

步骤5、采煤机工作过程中不断重复步骤2，判断截割阻力传感器实际所受的截割阻力是否超出采煤机控制系统中已设置了的阈值，如果没有超出阈值则不更改阈值设定、继续工作；如果超出但小于截割阻力的极限阈值，重复步骤4。 

基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器，其具体结构为：

    该传感器由磁流变弹性体、绝缘套、电极一、电极二、线圈组成；磁流变弹性体(4)为环形，其内侧、外侧表面设置绝缘套(6)，磁流变弹性体(4)的上、下表面分别固定电极一(3)、电极二(7)，磁流变弹性体(4)内部绕有环形线圈(5)。

 下面结合附图和实例对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1 基于磁流变弹性体的截割阻力传感器在采煤机截齿上的安装位置

图2 基于磁流变弹性体的截割阻力传感器组成结构

具体实施方式

    本发明提供的传感方法包括如下步骤：

    第一步，采煤机截齿通过基于磁流变弹性体的截割阻力传感器固定在采煤机滚筒上，在采煤机开始工作之前根据当前煤层状况在采煤机控制系统中设置预计的截割阻力的初始阈值，所设初始阈值小于根据采煤机额定输出功率确定的截割阻力的极限阈值。截齿割煤时所受到的截割阻力通过截齿传递给磁流变弹性体，发生形变的磁流变弹性体的内部磁性粒子的分布发生改变，使采煤机截割阻力传感器的电学参数发生变化，通过检测电路测量电学参数得到截割阻力变化与电学参数变化的对应关系，测得截割阻力传感器所受的截割阻力；

    初始阈值为采煤机每次工作之前在极限阈值范围内选取的一个初始的截割阻力值。测得截割阻力传感器所受的截割阻力后，根据截割阻力的变化对采煤机的输出功率大小进行实时调整，以适应不同性质的煤层，提高采煤机的工作效率。如图1中，1为采煤机截齿，2为基于磁流变弹性体的截割阻力传感器。

    第二步，采煤机工作过程中，截割阻力传感器判断其所受的实际截割阻力是否超出所述截割阻力的初始阈值；

    第三步，如果没有超出初始阈值则采煤机不更改阈值设定、继续工作；

    第四步，对于截割阻力传感器所受的截割阻力超出初始阈值但小于极限阈值的情况，通过增加采煤机截割阻力传感器内的线圈电流强度，从而增加采煤机截割阻力传感器的磁场强度，改变磁流变弹性体内部磁性粒子的分布，增大磁流变弹性体的刚度，同时在采煤机控制系统中重新设置截割阻力的阈值。

    第五步，采煤机工作过程中不断重复步骤2，判断截割阻力传感器实际所受的截割阻力是否超出采煤机控制系统中已设置了的阈值，如果没有超出阈值则不更改阈值设定、继续工作；如果超出但小于截割阻力的极限阈值，重复步骤4。

在截割阻力传感器所受的截割阻力超出初始阈值但小于极限阈值的情况下，通过外加磁场的控制增大磁流变弹性体的刚度，提高截割阻力传感器可承受的截割阻力，从而增大了截割阻力传感器的受力范围，对截割阻力传感器起到保护作用。

基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器，其具体结构为：

    该传感器由磁流变弹性体、绝缘套、电极一、电极二、线圈组成；磁流变弹性体(4)为环形，其内侧、外侧表面设置绝缘套(6)，磁流变弹性体(4)的上、下表面分别固定电极一(3)、电极二(7)，磁流变弹性体(4)内部绕有环形线圈(5)。

如图2，绝缘套6起绝缘及把磁流变弹性体4固定在工作位置的作用。该传感器工作时，磁流变弹性体4上、下表面固定的电极一3、电极二7通过引线与传感器的外接检测电路连接，对基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器内部的电学参数进行测量，进而得到截割阻力传感器所受到的截割阻力值。该传感器内部用于产生磁场的环形线圈5通过引线与传感器的外接电源电路相连接，在外接电源的驱动下产生磁场，改变磁流变弹性体4内部磁性粒子的分布，增大磁流变弹性体的刚度。

本发明实施例中，所述基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器中磁流变弹性体4为中空的圆柱形状，使用结构上轴对称的磁流变弹性体产生磁性分布较规则的磁场。

本发明实施例中，所述基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器中磁流变弹性体2为中空的圆柱形状时，使用的电极一3、电极二7为圆环形，以便在固定时与磁流变弹性体4的上、下表面相符合。

本发明方法借助于磁流变弹性体受力发生形变的特性，通过对对应电学参数的测量，得到所受力的大小，同时通过外加磁场可改变磁流变弹性体刚度的特性，增加磁流变弹性体的受力范围。使采煤机实现针对不同性质的煤层调节输出功率的大小，提高工作效率，同时延长采煤机的使用寿命。

Claims (4)

1.一种基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感方法，该方法借助于磁流变弹性体受力发生形变的特性，通过对对应电学参数的测量，得到所受力的大小，同时通过外加磁场可改变磁流变弹性体刚度的特性，增加磁流变弹性体的受力范围，其特征在于：该方法由以下步骤实现：     

步骤1、采煤机截齿通过基于磁流变弹性体的截割阻力传感器固定在采煤机滚筒上，在采煤机开始工作之前根据当前煤层状况在采煤机控制系统中设置预计的截割阻力的初始阈值，所设初始阈值小于根据采煤机额定输出功率确定的截割阻力的极限阈值。截齿割煤时所受到的截割阻力通过截齿传递给磁流变弹性体，发生形变的磁流变弹性体的内部磁性粒子的分布发生改变，使采煤机截割阻力传感器的电学参数发生变化，通过检测电路测量电学参数得到截割阻力变化与电学参数变化的对应关系，测得截割阻力传感器所受的截割阻力；

步骤2、采煤机工作过程中，截割阻力传感器判断其所受的实际截割阻力是否超出所述截割阻力的初始阈值；

步骤3、如果没有超出初始阈值则采煤机不更改阈值设定、继续工作；

步骤4、对于截割阻力传感器所受的截割阻力超出初始阈值但小于极限阈值的情况，通过增加采煤机截割阻力传感器内的线圈电流强度，从而增加采煤机截割阻力传感器的磁场强度，改变磁流变弹性体内部磁性粒子的分布，增大磁流变弹性体的刚度，同时在采煤机控制系统中重新设置截割阻力的阈值；

步骤5、采煤机工作过程中不断重复步骤2，判断截割阻力传感器实际所受的截割阻力是否超出采煤机控制系统中已设置了的阈值，如果没有超出阈值则不更改阈值设定、继续工作；如果超出但小于截割阻力的极限阈值，重复步骤4。

2.一种基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器，根据权利要求1所述的基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感方法进行工作，其特征在于：该传感器由磁流变弹性体、绝缘套、电极一、电极二、线圈组成；

磁流变弹性体(4)为环形，其内侧、外侧表面设置绝缘套(6)，磁流变弹性体(4)的上、下表面分别固定电极一(3)、电极二(7)，磁流变弹性体(4)内部绕有环形线圈(5)。

3.根据权利要求2所述的基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器，其特征在于：所述的磁流变弹性体(4)为中空的圆柱形状。

4.根据权利要求3所述的基于磁流变弹性体的采煤机截割阻力传感器，其特征在于：所述的电极一(3)、电极二(7)为圆环形。

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