畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-采煤機(jī)煤巖識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

完整CAD設(shè)計(jì)文件，資料加153893706中文題目：采煤機(jī)煤巖識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)外文題目：Design of coal shearer recognition system摘要煤炭作為當(dāng)今社會(huì)最主要的能源之一，其重要性不言而喻。雖然現(xiàn)在由于過度開采，大家開始更多的關(guān)注新能源，并且也取得了令人喜悅的成果。但是煤炭仍將會(huì)是目前乃至未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的主要能源之一。同時(shí)更是我國(guó)的主要能源之一。所以，也就奠定了煤炭行業(yè)成為我國(guó)重要經(jīng)濟(jì)支柱的原因之一。所以我們必須認(rèn)識(shí)到煤炭的機(jī)械化開采和掘進(jìn)是提高煤炭產(chǎn)量、提高煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的根本保障。而采煤機(jī)作為煤炭機(jī)械化生產(chǎn)的十分重要的設(shè)備之一，他的機(jī)械化進(jìn)展對(duì)于我國(guó)煤炭開采的機(jī)械化進(jìn)展必將起到至關(guān)重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)無人工作面采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高，需要解決煤巖界面自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。本文分析了當(dāng)前國(guó)際和國(guó)內(nèi)的煤巖識(shí)別技術(shù)，就這一背景下提出了一種新的、基于滾筒采煤機(jī)減速器惰輪軸受力分析的綜合煤巖識(shí)別方法。我們通過采集采煤機(jī)惰輪軸在開采不同硬度的煤巖時(shí)的受力，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的無人化自動(dòng)采煤。關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；截齒受力；無線收發(fā)模塊；單片機(jī)II完整CAD設(shè)計(jì)文件，資料加153893706Abstract窗體頂端Coal as the main energy sources in todays society, the importance of self-evident. While it is due to over-exploitation, we began to pay more attention to new energy sources, and also made a joyous results. However, coal will continue to be present and in the future one of the main energy for a long period of time. At the same time it is one of the main energy in China. Therefore, it laid the coal industry has become a major pillar of the economy one of the reasons. Therefore, we must pay attention to the mechanization of coal mining and tunneling excavation is to improve coal production, coal production and improve economic and social benefits of the fundamental guarantee. And one of the mechanized production of coal shearer as an important device, his mechanized progress progress for mechanization of coal mining will play a crucial role.To achieve the automatic increase unmanned Face shearer drum, the need to address automatic coal rock interface recognition technology. This paper analyzes the current international and domestic coal and rock identification technology, it is against this background proposes a new recognition method based on an integrated coal shearer rock idler shaft reducer stress analysis. We collect Shearer idler shaft at different hardness of coal mined by force, and analyzed according to specific local conditions, in order to achieve the unmanned automatic coal shearer.窗體頂端Keywords: shearer; cutter force; wireless transceiver module; SCM窗體底端窗體底端目錄 1緒論11.1課題研究的背景與意義11.2國(guó)外煤巖界面識(shí)別的研究現(xiàn)狀21.3國(guó)內(nèi)煤巖界面識(shí)別的研究現(xiàn)狀31.4目前煤巖界面識(shí)別研究存在的問題42滾筒扭矩測(cè)試分析52.1截齒破煤過程52.2煤巖識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)62.3惰輪軸受力分析72.4測(cè)試系統(tǒng)描述83扭矩傳感器的的選擇103.1常見傳感器的介紹103.1.1電阻傳感器103.1.2電容式傳感器103.1.3速度傳感器113.2傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)123.2.1根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型123.2.2 靈敏度的選擇123.2.3響應(yīng)特性 （反應(yīng)時(shí)間）123.2.4線性范圍123.2.5穩(wěn)定性133.3銷軸傳感器133.3.1銷軸傳感器的原理及特點(diǎn)143.3.2應(yīng)變計(jì)的選擇方法133.3.3惰輪軸扭矩的計(jì)算163.3.4銷軸傳感器的選擇174數(shù)據(jù)的采集與處理194.1數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)194.1.1集成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)194.1.2A/D轉(zhuǎn)換電路214.2中央處理器的選擇234.2.1單片機(jī)的介紹及特點(diǎn)244.2.2MCS-51型單片機(jī)254.3無線數(shù)據(jù)傳輸模塊284.3.1短距離無線傳輸技術(shù)284.3.2無線數(shù)據(jù)傳輸模塊315煤巖識(shí)別系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)365.1BeeData軟件的介紹365.2軟件系統(tǒng)的調(diào)試365.2.1必創(chuàng) BeeData軟件單機(jī)版的主要特點(diǎn)與功能365.2.2BeeData軟件主程序接口及菜單說明385.2.3數(shù)據(jù)的采集465.3軟件抗干擾措施485.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果496經(jīng)濟(jì)與技術(shù)分析517結(jié)論52致謝53參考文獻(xiàn)54附錄A譯文56附錄B外文文獻(xiàn)601緒論1.1課題研究的背景與意義 采掘工作面上是煤礦事故多發(fā)點(diǎn)，通過煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化和信息化，可以提高煤 炭產(chǎn)量、保證安全生產(chǎn)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境和增加經(jīng)濟(jì)效益。在現(xiàn)代化采掘成套設(shè)備中，采煤機(jī)是主要設(shè)備。滾筒式采煤機(jī)因其能適應(yīng)復(fù)雜的煤層條件，是綜合機(jī)械化采煤工作面的主要設(shè)備之一，其自動(dòng)化是整個(gè)工作面自動(dòng)化的中心環(huán)節(jié)。滾筒式采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高，是實(shí)現(xiàn)采煤工作面自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心就是煤巖界面識(shí)別技術(shù)。滾筒式采煤機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、牽引部、截割部和附屬裝置等部分組成。電動(dòng)機(jī)是滾筒式采煤機(jī)的動(dòng)力部分，它通過兩端輸出軸分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)截割部和牽引部，而且采煤機(jī)的電動(dòng)機(jī)都是防爆的。牽引部是采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)。截割部主要由截割電機(jī)、搖臂減速 箱和截割滾筒組成，主要是將截割電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過減速后驅(qū)動(dòng)滾筒割煤。滾筒的主要任 務(wù)是落煤和裝煤，通過滾筒上的螺旋葉片和截齒將煤截割并裝到刮板輸送機(jī)中。滾筒一 側(cè)裝有擋煤板，其目的是提高裝煤效果。 在現(xiàn)有的采煤機(jī)滾筒調(diào)高控制中，除國(guó)外極少數(shù)的采煤機(jī)采用記憶存儲(chǔ)切割外，大 部分是靠手動(dòng)操作，即判斷采煤機(jī)滾筒是在割煤還是割巖完全依靠現(xiàn)場(chǎng)工作人員視覺觀 察和截割噪音的判斷。但是在實(shí)際的工作過程中，大量煤塵的產(chǎn)生會(huì)使工作面的能見度變得很低，加上采煤機(jī)械本身噪音很大，現(xiàn)場(chǎng)工作人員很難準(zhǔn)確及時(shí)的判斷出采煤機(jī)滾筒的截割狀態(tài)。并且在薄煤層工作面上，現(xiàn)場(chǎng)工作人員行走不便，很難及時(shí)調(diào)節(jié)滾筒的截割高度，如果采煤機(jī)的滾筒高度不能及時(shí)得到調(diào)節(jié)，滾筒常常會(huì)截割進(jìn)入巖石，造成截齒的磨損。截割巖石產(chǎn)生的粉塵既對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的身體有危害，又影響視線；如果礦井中含有高瓦斯，則截割巖石產(chǎn)生的火花有可能引發(fā)爆炸等惡性事故；如果振動(dòng)非常劇烈，則會(huì)引起大面積的頂巖崩塌，頂巖的大量崩落會(huì)使巖石混入原煤中，造成原煤質(zhì)量下降；如果滾筒調(diào)高控制不當(dāng)有可能使得留煤過厚；降低回采率實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高可以解決這一問題。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高不僅可以延長(zhǎng)機(jī)器工作壽命、提高機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性，而且可以保障井下工作人員的安全，是實(shí)現(xiàn)綜采工作 面生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于提高煤炭質(zhì)量具有重要意義。 根據(jù)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)所要求的功能，調(diào)高系統(tǒng)包括正確地識(shí)別采煤機(jī)的工作狀態(tài)和 實(shí)時(shí)地對(duì)滾筒的高度進(jìn)行調(diào)整。因此，采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)節(jié)高度的系統(tǒng)主要包括控制和 識(shí)別兩個(gè)系統(tǒng)部分。滾筒要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)高，首先要自動(dòng)識(shí)別煤巖界面，就是要確定采煤 機(jī)的工作狀態(tài)是截割巖石還是截割煤層，因此，要求煤巖界面方法的識(shí)別具有準(zhǔn)確率高， 實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、可靠性好。煤巖界面識(shí)別問題是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的高難度、高技術(shù)課 題，同時(shí)，滾筒的自動(dòng)調(diào)高又建立在煤巖界面正確識(shí)別的基礎(chǔ)之上。近年來，煤巖界面 識(shí)別問題得到了世界各個(gè)產(chǎn)煤國(guó)的關(guān)注和研究。 煤巖界面識(shí)別是滿足采煤機(jī)可以自動(dòng)追蹤辨識(shí)煤巖界面，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下采煤工作面的自動(dòng)化，生產(chǎn)效益得到提高；還可以減少在洗煤的過程中那些必須要去掉的巖石及其它礦物質(zhì)。這同時(shí)適用于人工操作以及計(jì)算機(jī)操控的采煤機(jī)。無論是安全作業(yè)方面，還是經(jīng)濟(jì)效益方面，煤巖界面的識(shí)別系統(tǒng)的可靠性都具有突出的優(yōu)點(diǎn)。它使煤層的回采率得到提高；降低了矸石、灰粉和硫 在煤中的含量，提高了采煤工作效率；減輕采煤裝備磨損；減少設(shè)備維修量和停機(jī)時(shí)間；由于振動(dòng)較小，從而降低空氣中巖塵的含量，并且可以使操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的采煤工作面。作為實(shí)現(xiàn)采煤自動(dòng)化的關(guān)鍵設(shè)備之一，近些年來美國(guó)及其它國(guó)家均把它作為重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目。 1.2國(guó)外煤巖界面識(shí)別的研究現(xiàn)狀 從上世紀(jì)60年代起，世界各主要煤礦生產(chǎn)國(guó)，如美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等國(guó) 家對(duì)煤巖界面的識(shí)別技術(shù)做了大量的研究工作，到目前為止國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了20多種煤 巖界面分界方法。英國(guó)是最早開始研究這方面的，1967年英國(guó)科學(xué)家研究了 背散射法。這種方法是在頂煤的下方放置放射性物質(zhì)探測(cè)器以及放射源，探測(cè)器可以探測(cè)到人工的放射源釋放出的射線 ，這種射線是與頂煤發(fā)生反應(yīng)后被反射到空氣中的。反射到空氣中的射線強(qiáng)度和頂煤的厚度有關(guān)系。這種方法的不足是散射射線的穿透能力不強(qiáng)，如果頂煤厚度大于二百五十毫米就不能測(cè)得；很難保證和頂煤的接觸較好；探測(cè)精度容易受到煤層中夾雜物的影響。上世紀(jì)八十年代，英國(guó)和美國(guó)對(duì)天然射線法進(jìn)行了研究。在頂板和底板巖石中 一般含有釷，鈾二大放射性元素，這些放射性元素的含量隨著頂巖巖性不同也有所改變，所以放射出的射線具有不同的強(qiáng)度和能量。由于射線經(jīng)過煤層時(shí)的衰減作用，通過測(cè)量經(jīng)過衰減后的射線強(qiáng)度來確定頂?shù)酌簩雍穸?，由此來識(shí)別煤巖界面。這個(gè)方法具有無放射源的優(yōu)點(diǎn)，所以容易進(jìn)行管理，探測(cè)范圍也很大，傳感器為不易損壞的非接觸式。 但是如果頂板沒有放射性元素或者工作面上的放射性元素的含量比較低、以及礦井下煤 層的夾矸太多，在這些情況下這種方法就不能適用 。從八十年代開始，英美便開始進(jìn)行基于截割力響應(yīng)的識(shí)別系統(tǒng)研究?；诓擅簷C(jī) 截割力的分析方法，這種方法的應(yīng)用特點(diǎn)與NGR法正好具有互補(bǔ)性。因?yàn)閹r石與煤層具有不同的力學(xué)特性，所以采煤機(jī)在切割煤層和切割巖石時(shí)表 現(xiàn)出不同的力學(xué)特征，通過這種特性可以對(duì)煤巖界面進(jìn)行識(shí)別。這種方法不局限于采煤 工藝和地質(zhì)條件，通過頂?shù)装迕簩优c巖石就可以得到采煤機(jī)切割的狀態(tài)。所以，在進(jìn)行 采煤機(jī)截割狀態(tài)識(shí)別的時(shí)候，利用多路信號(hào)也就是多參數(shù)。美國(guó)礦業(yè)局對(duì)振動(dòng)性的煤巖界面識(shí)別方法進(jìn)行了研究，基本的類型主要有槽波地震、機(jī)械振動(dòng)和聲學(xué)特性等。美國(guó)麻省理工學(xué)院的采礦系統(tǒng)改造中心于1985年研制了一臺(tái)截齒振動(dòng)監(jiān)測(cè)樣機(jī)系統(tǒng)，將 振動(dòng)轉(zhuǎn)換為變化的磁場(chǎng)，而后再轉(zhuǎn)換成正比于截齒振動(dòng)的電信號(hào)，但自1985年后該項(xiàng)目研究工作一直處于停頓狀態(tài)。 近年來，煤巖界面識(shí)別技術(shù)重點(diǎn)研究的是無源紅外探測(cè)技術(shù)。利用高靈敏度的紅外 測(cè)溫儀對(duì)截齒附近煤巖體的溫度進(jìn)行定向的測(cè)量，由于煤塊和巖石不同的物理特性，切割時(shí)所產(chǎn)生的溫度也不相同，根據(jù)這種特性可以判斷滾筒割煤或是割巖。這種方法的最突出的優(yōu)點(diǎn)是工作對(duì)象可以為各種堅(jiān)硬的頂板；能夠使得所采煤層全部都可以采至頂板；而且反應(yīng)非常迅速，當(dāng)截齒接觸頂板時(shí)，瞬間就可以采取有效的措施；可以穿透水霧與塵埃，而且它的衰減率比較小。雖然，這項(xiàng)技術(shù)目前都無成熟產(chǎn)品問世，但這種探測(cè)方法被認(rèn)為很有前途。 美國(guó)的JOY公司等生產(chǎn)的采煤機(jī)是基于記憶截割法的工作原理。主要原理是：應(yīng)用 傳感器拾取采煤機(jī)沿工作面行走切割的第一刀相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)作為控制采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的依據(jù)來實(shí)現(xiàn)后面的切割。 1.3國(guó)內(nèi)煤巖界面識(shí)別的研究現(xiàn)狀 自八十年代以來，國(guó)內(nèi)從事煤巖識(shí)別方面研究的主要有中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的盂惠榮教授 和山西礦業(yè)學(xué)院的陳延康教授。 陳延康教授在這方面研究了基于截割力響應(yīng)的煤巖識(shí)別及采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)是采用記憶程序控制，以此實(shí)現(xiàn)跟蹤前一刀的煤巖分界。根據(jù)本次切割的煤巖分界線，采用逐點(diǎn)對(duì)比切割力的方法，基于MFIC軟件辨別和控制滾筒的位置，而且可以作為采煤機(jī)故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的依據(jù)。這種系統(tǒng)對(duì)我國(guó)的煤礦開采有極其寶貴的參考價(jià)值。1.4目前煤巖界面識(shí)別研究存在的問題 煤厚測(cè)量法，以天然射線（NGR）探測(cè)儀為代表，這項(xiàng)技術(shù)雖然相對(duì)比較成熟，而 且已經(jīng)研制出產(chǎn)品這種方法特別適合于含有較高瓦斯的煤礦，但是 這種方法要求采煤工藝中必須留一定厚度的頂煤，這樣就降低了回采率；另外，還要求必須含有放射性元素在頂?shù)装宓膰鷰r上。例如，非常適合于頁巖頂板，但是不適合于砂巖頂板。在英國(guó)有50%的煤礦可以使用這種方法，在美國(guó)則有90%的煤礦可以使用，但是，在我國(guó)可以應(yīng)用這種方法的煤礦卻只有20%左右。所以限制了這種方法的廣泛推廣。記憶切割法主要適用于地質(zhì)條件比較好、煤層較為平整的礦井，這種方法對(duì)于那些 地質(zhì)條件不太好的礦井局限性很大，推廣很難。無源紅外探測(cè)方法是一種有應(yīng)用前景的方法，但仍處于進(jìn)一步的研究中，沒有形成產(chǎn)品。針對(duì)目前各國(guó)所研究的各種煤巖界面識(shí)別方法進(jìn)行分析，都沒有成熟產(chǎn)品問世，目前仍處于研究階段，都沒有從理論出發(fā)來分析采煤機(jī)滾筒截煤過程狀態(tài)，找出采煤機(jī)截 割煤和巖石力矩變化的本質(zhì)規(guī)律，因此為了使煤巖界面識(shí)別更具有可行性、準(zhǔn)確性、可靠性，適應(yīng)性，能推動(dòng)煤巖界面識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，為了能給采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)產(chǎn)品化提供設(shè)計(jì)依據(jù)，本課題提出基于電流信號(hào)的煤巖識(shí)別方法。 542滾筒扭矩測(cè)試分析2.1截齒破煤過程截齒破煤過程是進(jìn)行破煤機(jī)理分析及滾筒截割阻力矩模型建立的基礎(chǔ)，所以，需要截齒的破煤過程進(jìn)行分析。截割破碎不同階段的表現(xiàn)是不同的，截入煤層時(shí)截割能量迅速升高，同時(shí)密實(shí)核也迅速形成，破煤階段能量突然以較大的比率減少，所以煤和巖石破裂。圖2-1截齒破沒過程圖截齒以截割速度v截割煤巖時(shí)，在接觸處很小的范圍 內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的壓應(yīng)力，因?yàn)槊簬r是脆性材料，當(dāng)接觸應(yīng)力達(dá)到極限值時(shí)，煤巖開始被局部壓碎，形成很細(xì)的粉末，并形成煤粉密實(shí)核。在截齒截入的過程中，煤粉的密實(shí)核將以非常高的速度沿齒身錐面排出，從而壓碎范圍不斷擴(kuò)大，密實(shí)核也不斷擴(kuò)大，核內(nèi)的煤粉因受到擠壓而積聚能量，并向密實(shí)核四周的煤體施壓，截齒的截割阻力也隨之?dāng)U大。當(dāng)密實(shí)核擴(kuò)大到煤巖與截齒前方接觸點(diǎn)D時(shí)，該處煤巖發(fā)生比較小的塊狀脫落，密實(shí)核中的區(qū)域的煤粉受到強(qiáng)烈壓縮后高速噴出，使積聚的能量突然釋放，截割阻力也突然減小。煤粉在高速噴出時(shí)，與截齒齒身錐面發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，導(dǎo)致在截齒齒尖部分形成聚集物的區(qū)域，它粘附在截齒齒尖上并與截齒一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)煤巖產(chǎn)生楔入作用。隨著截齒繼續(xù)楔入，形成的密實(shí)核體積會(huì)繼續(xù)增大，這就造成截齒的前進(jìn)阻力增大，直至 截齒附近的煤巖再次發(fā)生較小的塊狀脫落使得積聚的煤粉噴出時(shí)，截齒的截割阻力才會(huì)下降。最后當(dāng)截齒推進(jìn)到B點(diǎn)時(shí)，密實(shí)核內(nèi)聚集足夠的壓力，就會(huì)致使煤巖內(nèi)部出現(xiàn)剪切裂紋，隨著截齒的推進(jìn)，剪切裂紋會(huì)擴(kuò)大并匯合到煤巖表面，煤塊BCD與煤巖體的 內(nèi)部強(qiáng)度消失，沿裂紋BC脫落，此時(shí)煤粉散落密實(shí)核消失，截齒的截割阻力也下降到最小。所以，截齒的截煤過程是截入、密實(shí)核形成、躍進(jìn)破碎的過程。2.2煤巖識(shí)別方法實(shí)現(xiàn) 基于惰輪軸受力分析的綜合煤巖識(shí)別方法，其實(shí)現(xiàn)過程如下：滾筒受力通過銷軸傳感器將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到無線應(yīng)變采集模塊，再經(jīng)無線通訊方式傳輸至數(shù)據(jù)采集終端，在上位機(jī)顯示屏上實(shí)時(shí)顯示銷軸傳感器應(yīng)變大小和應(yīng)變變化趨勢(shì)曲線，應(yīng)變數(shù)據(jù)可從采集模塊存儲(chǔ)區(qū)中導(dǎo)出，用于數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2-2，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-2數(shù)據(jù)采集流程Figure 2-3 The process of data collection圖2-3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 2-3 Network topology 在搖臂靠近電機(jī)側(cè)開窗口安裝無線應(yīng)變采集模塊，此模塊為定制的無線應(yīng)變采集模塊，無線應(yīng)變采集模塊主要應(yīng)用于有線傳輸信號(hào)距離遠(yuǎn)、受干擾嚴(yán)重、布線繁瑣等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員可以遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，保證了實(shí)驗(yàn)的高效安全。綜采工作面自動(dòng)化采煤是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，除了采用先進(jìn)的煤巖識(shí)別技術(shù)外，還需要整個(gè)工作面各個(gè)設(shè)備之間協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)同步有序互鎖。煤巖識(shí)別系統(tǒng)融合了目前比較成熟的記憶截割技術(shù)，即人工操作采煤機(jī)在工作面運(yùn)行幾個(gè)往返行程后，采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割高度、牽引速度、截割深度以及惰輪軸受力值，并進(jìn)行標(biāo)定，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)割煤。具體過程如下： 采煤工作面全部設(shè)備啟動(dòng)后，前幾個(gè)循環(huán)，人工控制采煤機(jī)設(shè)定截割高度、割煤厚度、滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度后，采煤機(jī)在鏈牽引下開始割煤，銷軸傳感器開始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)惰輪軸受力，液壓支架自動(dòng)追機(jī)拉架，推動(dòng)整個(gè)工作面向前推移，每一個(gè)工作循環(huán)，根據(jù)采煤機(jī)割煤和割巖惰輪軸受力差異，人工調(diào)節(jié)牽引速度、割煤厚度、截割高度和滾筒轉(zhuǎn)速，達(dá)到平穩(wěn)截割，然后采集這些參數(shù)并存儲(chǔ)標(biāo)定，經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)的運(yùn)行，采煤機(jī)在記憶截割模式下對(duì)每次采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值，并存儲(chǔ)，完成路線記憶，并根據(jù)惰輪軸平均受力，設(shè)定割煤受力和割巖受力期望值。之后采煤機(jī)進(jìn)入自動(dòng)截割運(yùn)行狀態(tài)，工人撤離工作面在順槽控制中心通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)適時(shí)監(jiān)控工作面的運(yùn)行狀況。在自動(dòng)模式下，采煤機(jī)根據(jù)規(guī)劃好的路線進(jìn)行記憶截割，滾筒保持正常截割高度運(yùn)行，同時(shí)銷軸傳感器檢測(cè)惰輪軸受力，采煤機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出截割巖石時(shí)滾筒自動(dòng)調(diào)節(jié)截割高度，保證采煤機(jī)始終處于截割煤層的狀態(tài)；隨著煤巖層走勢(shì)的變化，通過智能灰色理論建模系統(tǒng)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和修正截割路線，以適應(yīng)煤巖界面走勢(shì)的變化，提高了采煤機(jī)的自適應(yīng)能力，若煤巖層硬度變化，則受力期望值根據(jù)經(jīng)典的PID反饋閉環(huán)控制進(jìn)行修正標(biāo)定，提高了采煤機(jī)的追煤響應(yīng)速度。在順槽控制中心，工人可在監(jiān)控主機(jī)上實(shí)時(shí)觀察采煤機(jī)割煤狀態(tài)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)也可進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控采煤機(jī)，進(jìn)行采煤機(jī)狀態(tài)的調(diào)節(jié)。在實(shí)際截割過程中，若采煤機(jī)遇到斷層、夾矸層或者煤層厚度太薄影響工作面推進(jìn)的情況時(shí)，則采煤機(jī)根據(jù)惰輪軸受力數(shù)據(jù)與之前數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比分析可快速識(shí)別，對(duì)采煤機(jī)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度，并減小截割深度，按照綜采工作面對(duì)頂板傾角的最大限制，采煤機(jī)安全強(qiáng)行割巖推進(jìn)，保證工作面對(duì)頂板和底板的縱向、橫向角度及平滑度的要求，確保工作面液壓支架的順利推移和支架對(duì)頂板的有效維護(hù)。智能控制系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)電壓、電流、油缸壓力等關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若參數(shù)超過正常工作限定值或遇到突發(fā)緊急情況時(shí)，采煤機(jī)可自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出警報(bào)故障信號(hào)。2.3惰輪軸受力分析惰輪是兩個(gè)不互相接觸的傳動(dòng)齒輪中間起傳遞作用的齒輪，同時(shí)跟這兩個(gè)齒輪嚙合，用來改變被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使之與主動(dòng)齒輪相同。它的作用只是改變轉(zhuǎn)向并不能改變傳動(dòng)比，稱之為惰輪。而惰輪軸可以改變外嚙合的次數(shù)。 拖輪軸的受力分析圖如下圖所示。圖2-4 惰輪軸受力分析圖Figure 2-4 idler shaft stress analysis diagram圖2-5 惰輪軸受力簡(jiǎn)圖Figure 2-5 idler shaft force diagram， 測(cè)試過程中，采煤機(jī)滾筒加減速過程中，慣性力矩可以不予考慮。由于惰性輪軸及齒輪的慣性矩相對(duì)整個(gè)截割滾筒傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性矩較小，可以忽略不計(jì)。因此，采用銷軸傳感器替代惰輪軸，通過測(cè)量惰性輪銷軸受力，求出合力Ft，進(jìn)而獲得截割滾筒扭矩。2.4測(cè)試系統(tǒng)描述滾筒扭矩測(cè)試通過銷軸傳感器將測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過連接線纜發(fā)送到nRF903無線應(yīng)變采集模塊，再經(jīng)無線通訊方式傳輸至數(shù)據(jù)采集終端，最終獲得銷軸受力。系統(tǒng)連接說明：1) 在搖臂靠近電機(jī)側(cè)開窗口安裝無線應(yīng)變采集模塊，并采用蓋板進(jìn)行密封處理，預(yù)留充電，數(shù)據(jù)下載接口，并保證防水，無線通信；2) 將安裝在惰輪軸上的銷軸傳感器通過導(dǎo)線接入無線應(yīng)變采集模塊；3) 整個(gè)系統(tǒng)開始采集后，無線應(yīng)變采集模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，并統(tǒng)一在采集終端接收信號(hào)，與其他被測(cè)量一起顯示在顯示屏上；4) 事后可將無線應(yīng)變采集模塊中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并進(jìn)行分析。待安裝的滾筒扭矩測(cè)試中所使用的銷軸傳感器實(shí)物如圖2-6所示。圖2-6銷軸傳感器實(shí)物圖窗體頂端Figure 2-6 pin sensor physical map窗體底端無線應(yīng)變采集模塊主要應(yīng)用于有線傳輸信號(hào)距離遠(yuǎn)受干擾嚴(yán)重、布線繁瑣等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員可以遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，保證了實(shí)驗(yàn)的高效安全。在搖臂靠近電機(jī)側(cè)開窗口安裝無線應(yīng)變采集模塊為定制的無線應(yīng)變采集模塊。3傳感器的的選擇3.1常見傳感器的介紹3.1.1電阻傳感器電阻式傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理就是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路顯示或記錄被測(cè)量值的變化。 電阻式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。應(yīng)用范圍：可測(cè)量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。 應(yīng)變式傳感器特點(diǎn) 1) 精度高，測(cè)量范圍廣；2) 使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠；3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕；4) 頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測(cè)量又可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；5) 價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。3.1.2電容式傳感器電容的轉(zhuǎn)換原理可用平板電容來說明。由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應(yīng), 其電容量為式中，A -極板的有效覆蓋面積（）；-為兩極板的間介質(zhì)的介電常數(shù)； d-平行板距離 C-電容量（F）； 為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),=0r,其中0為真空介電常數(shù)。當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的A，d或發(fā)生變化時(shí), 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變, 而僅改變其中一個(gè)參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化, 通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容傳感器可以分為三類:極距變化型電容傳感器、面積變化型電容傳感器、介質(zhì)變化型電容傳感器。變面積變化式一般用于測(cè)量角位移或較大的線位移。變間隙式一般用來測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。變介電常數(shù)式常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測(cè)定。這種傳感器具有高阻抗、小功率、動(dòng)態(tài)范圍大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快、幾乎沒有零漂、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。3.1.3速度傳感器當(dāng)今的速度傳感器主要分為接觸式和非接觸式兩種接觸式主要分為接觸式旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動(dòng)物體直接接觸。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時(shí)，摩擦力帶動(dòng)傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖傳感器，發(fā)送出一連串的脈沖。每個(gè)脈沖代表著一定的距離值，從而就能測(cè)出線速度。 接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運(yùn)動(dòng)物體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長(zhǎng)。而脈沖數(shù)對(duì)每個(gè)傳感器又是固定的。影響傳感器的測(cè)量精度。要提高測(cè)量精度必須在二次儀表中增加補(bǔ)償電路。另外接觸式難免產(chǎn)生滑差，滑差的存在也將影響測(cè)量的正確性。 非接觸式風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)后帶動(dòng)凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被凸輪輪盤遮斷形成一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號(hào)，經(jīng)計(jì)算可檢測(cè)出風(fēng)速。非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長(zhǎng)，無需增加補(bǔ)償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因此速度運(yùn)算相對(duì)比較復(fù)雜。風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)后帶動(dòng)凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被凸輪輪盤遮斷形成一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號(hào)，經(jīng)計(jì)算可檢測(cè)出風(fēng)速。非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長(zhǎng)，無需增加補(bǔ)償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因此速度運(yùn)算相對(duì)比較復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的性能可歸納如下：(1).傳感器的輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，其穩(wěn)定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對(duì)測(cè)量電路無特殊要求。(2).結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。功能齊全的微機(jī)芯片，使運(yùn)算變換系數(shù)易于獲得，故速度傳感器應(yīng)用極為普遍。3.2傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)3.2.1根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 3.2.2 靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲挠跀_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 3.2.3響應(yīng)特性 （反應(yīng)時(shí)間） 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。 3.2.4線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來極大的方便。 3.2.5穩(wěn)定性 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定。3.3銷軸傳感器3.3.1銷軸傳感器的原理及特點(diǎn)根據(jù)上文所介紹的傳感器選方法，本次設(shè)計(jì)我們將會(huì)采用銷軸傳感器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的識(shí)別目的。軸銷傳感器實(shí)際上就是一根承受剪力作用的空心截面圓軸，雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在中心孔內(nèi)凹槽中心的位置上，有兩種組橋測(cè)量方式，即兩個(gè)凹槽處的雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)共同組成一個(gè)惠斯通電橋，或分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進(jìn)行測(cè)量?；菟雇姌蛉鐖D所示。圖3-1 惠斯通電橋原理圖Figure 3-1 Wheatstone bridge schematic銷軸稱重傳感器是一個(gè)圓柱體，由不銹鋼制成，它由中間部分即壓力承載區(qū)、兩個(gè)傳感器支撐區(qū)和兩個(gè)測(cè)力區(qū)構(gòu)成。測(cè)量裝置為由應(yīng)變片制成的惠斯登電橋，安裝在銷軸式傳感器內(nèi)，以防外部不良影響（如：機(jī)械損傷、灰塵、潮濕等）。傳感器基本結(jié)構(gòu)輸出為電壓信號(hào)輸出。 銷軸式傳感器的中間部分力的輸入形式為剪切載荷，作用在傳感器左、右兩部分的支撐力使傳感器發(fā)生變化，由剪切應(yīng)力引起的變形轉(zhuǎn)換成與負(fù)載成正比的電信號(hào)。因?yàn)榭紤]到測(cè)量形式，所以銷軸式傳感器有一個(gè)最佳測(cè)量方向。在這個(gè)最佳方向上，輸出信號(hào)可達(dá)到最大值。此時(shí)，傳感器中間部分上的壓力方向與主要測(cè)量方向一致，測(cè)量方向由兩個(gè)箭頭在傳感器上表示出來。 此外，稱重傳感器在設(shè)備上的實(shí)際使用，還會(huì)受到溫度、側(cè)向分力的影響。銷軸傳感器具有以下特性：1） 彈性元件為一整體空心截面圓軸，結(jié)構(gòu)緊湊，幾何外形簡(jiǎn)單，容易加工出很高的尺寸和形位精度；2） 空心截面具有很強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)、抗彎曲能力，并且軸銷中性軸處的應(yīng)力最大；3） 當(dāng)空心截面軸銷承受垂直和水平彎曲時(shí)，彎矩為零的截面在同一截面；4 當(dāng)設(shè)計(jì)較大容量的軸銷傳感器時(shí)，中心孔也較大，雙剪型電陰應(yīng)變計(jì)可以粘貼在孔內(nèi)，即得到很好的保 護(hù)又可以實(shí)施抽真空充惰性氣體密封工藝；5） 與相關(guān)承力部件組裝容易，使用方便。3.3.2應(yīng)變計(jì)選擇方法 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)遵循試驗(yàn)或應(yīng)用條件（即應(yīng)用精度、環(huán)境條件包括溫度，濕度，環(huán)境惡劣狀況，各類干擾，共模共地問題、試件材料大小尺寸、粘貼面積、曲率半徑、安裝條件等）為先，試件或彈性體材料狀況（材料線膨脹系數(shù)、彈性模量、結(jié)構(gòu)、大概受力狀況或應(yīng)力分布狀況等）次之的原則，利用上述內(nèi)容來選用與之匹配為最佳性價(jià)比的應(yīng)變計(jì)。下表列出了選擇應(yīng)變計(jì)應(yīng)考慮的內(nèi)容，僅適用于常規(guī)情況，不包括核輻射、強(qiáng)磁場(chǎng)、高離心力等特殊場(chǎng)合。 a）選擇應(yīng)變計(jì)的步驟 1） 首先根據(jù)應(yīng)用精度、環(huán)境條件選擇應(yīng)變計(jì)的系列。 2） 根據(jù)試件材料大小尺寸、粘貼面積、曲率半徑、安裝條件、應(yīng)變梯度選擇敏感柵柵長(zhǎng)。 3） 根據(jù)應(yīng)變梯度、應(yīng)力種類、散熱條件、安裝空間、應(yīng)變計(jì)電阻等選擇敏感柵結(jié)構(gòu)。 4） 根據(jù)使用條件、功耗大小、最大允許電壓等選擇標(biāo)稱電阻。 5） 根據(jù)試件材料類型、工作溫度范圍、應(yīng)用精度選擇溫度自補(bǔ)償系數(shù)或彈性模量自補(bǔ)償系數(shù)。 6） 根據(jù)彈性體的固有蠕變特性、實(shí)際測(cè)試的精度、工藝方法、防護(hù)膠種類、密封形式等選 擇蠕變補(bǔ)償代號(hào)。 7） 根據(jù)實(shí)際需要選擇應(yīng)變計(jì)的引線連接方式。 b）選擇應(yīng)變計(jì)的方法 1）應(yīng)變計(jì)敏感柵長(zhǎng)度的選擇： 應(yīng)變計(jì)在加載狀態(tài)下的輸出應(yīng)變是敏感柵區(qū)域的平均應(yīng)變。為了獲得真實(shí)的測(cè)量值，通常應(yīng)變計(jì)的柵長(zhǎng)應(yīng)不大于測(cè)量區(qū)域半徑的1/51/10。柵長(zhǎng)較長(zhǎng)的應(yīng)變計(jì)具有易于粘貼和接線、散熱性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)變計(jì)的性能有一定的改善作用，但應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要進(jìn)行選擇，對(duì)于應(yīng)變場(chǎng)變化不大和一般傳感器用途.2）應(yīng)變計(jì)敏感柵材料和基底材料的選擇： 60以內(nèi)、長(zhǎng)時(shí)間、最大應(yīng)變量在1000m/m以下的應(yīng)變測(cè)量，一般選用以康銅合金或卡瑪合金箔為敏感柵、改性酚醛或聚酰亞胺為基底的應(yīng)變計(jì)（BE 、ZF 、BA 及日用衡器類應(yīng)變計(jì)系列）；150 以內(nèi)的應(yīng)變測(cè)量，一般選用以康銅、卡瑪合金箔為敏感柵、聚酰亞胺為基底的應(yīng)變計(jì)（BA 系列）；60 以內(nèi)高精度傳感器常用以康銅合金或卡瑪合金箔為敏感柵、改性酚醛為基底的應(yīng)變計(jì)（BF 、ZF 系列）。 3）應(yīng)變計(jì)敏感柵結(jié)構(gòu)型式的選擇： 測(cè)量未知主應(yīng)力方向試件的應(yīng)變或測(cè)量剪應(yīng)變時(shí)選用多軸應(yīng)變計(jì)，前者可用三軸互相夾角為45，或60，或120等的應(yīng)變計(jì)，后者用夾角為9 0 的二軸應(yīng)變計(jì)；測(cè)量已知主應(yīng)力方向試件的應(yīng)變時(shí)，可選用單軸應(yīng)變計(jì)；用于壓力傳感器的應(yīng)變計(jì)可選用圓形敏感柵的多軸應(yīng)變計(jì)；測(cè)量應(yīng)力分布時(shí)，可選用排列成串或成行的510個(gè)敏感柵的多軸應(yīng)變計(jì)。 4）柵間距的選擇 常見的雙軸應(yīng)變計(jì)的柵間距一般有L6 6.0， L68=6.8， L7=7.0， L8=8.0，L0=10.5，L2=12.0，L4=14.0等。 5）應(yīng)變計(jì)電阻的選擇： 應(yīng)變計(jì)電阻的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)變計(jì)的散熱面積、導(dǎo)線電阻的影響、信噪比、功耗大小來選擇。對(duì)于傳感器一般推薦選用350、1000電阻的應(yīng)變計(jì)。對(duì)于應(yīng)力分布試驗(yàn)、應(yīng)力測(cè)試、靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量等，應(yīng)盡量選用與儀器相匹配的阻值。 6）極限工作溫度的選擇 此溫度表示應(yīng)變計(jì)的極限工作溫度，在極限工作溫度應(yīng)不高于此溫度。7）溫度及彈性模量自補(bǔ)償系數(shù)的選擇 應(yīng)變計(jì)溫度及彈性模量自補(bǔ)償系數(shù)的選擇可參照溫度自補(bǔ)償功能及彈性模量自補(bǔ)償功能中所述來進(jìn)行選擇。 8）蠕變標(biāo)號(hào)的選擇 應(yīng)變計(jì)型號(hào)中N、T為蠕變標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)不同，蠕變值不同，其規(guī)律是： 相鄰標(biāo)號(hào)之間實(shí)際蠕變值相差0.010.015%FS/30min。用戶在選擇應(yīng)變計(jì)蠕變標(biāo)號(hào)時(shí)可參照蠕變自補(bǔ)償功能中所述的選用方法 3.3.3惰輪軸扭矩的計(jì)算 本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是西安煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MG500/1130-WD型采煤機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：1） 整機(jī)主要參數(shù)表3-1 整機(jī)的主要參數(shù)Table 3-1 Number of main parameters of the machine采高范圍1.83.6m機(jī)面高度1625mm滾筒直徑1800 mm下 切 量370 mm鏟 間 距258mm過煤高度730mm裝機(jī)功率2500 +255+20 kW搖臂擺動(dòng)中心距7600mm截 深800 mm2）電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表3-2 電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)窗體頂端Table 3-2 Motor main technical parameters電動(dòng)機(jī)截割電機(jī)牽引電機(jī)調(diào)高泵電機(jī)功率500kw55kw20kw轉(zhuǎn)速1470 r/min1470 r/min1470 r/min冷卻水量30L/min20L/min10L/min冷卻水壓1.5 Mpa1.5 Mpa1.5 Mpa根據(jù)公式 窗體底端根據(jù)公式可以計(jì)算的到惰輪軸的扭矩為3.3.4銷軸傳感器的選擇本次設(shè)計(jì)采用的是北京海博華科技有限公司生產(chǎn)的HC-1011銷軸傳感器。HC-1011銷軸傳感器采用軸銷外形雙剪切梁結(jié)構(gòu)，具有抗偏抗扭曲、精度高等特點(diǎn)，是測(cè)量軸承、換輪等構(gòu)件的徑向載荷或鋼絲繩張力的專用傳感器，它可以代替滑輪軸銷安裝在結(jié)構(gòu)中作徑向力測(cè)量。既能起到原有軸的功能，又起到承中測(cè)力傳感器的作用，從而使整個(gè)稱重測(cè)力系統(tǒng)的機(jī)械部件大大簡(jiǎn)化。可適用于煤炭、水利、船舶等行業(yè)的過程控制及系統(tǒng)測(cè)量。其具體參數(shù)如表3-3所示。表3-3 銷軸傳感器技術(shù)參數(shù)Table 3-3 pin sensor technology parameters指標(biāo)名稱技術(shù)參數(shù)指標(biāo)名稱技術(shù)參數(shù)靈敏度mV/V1.02.00.05靈敏度溫度系FS/100.05非線性FS0.1工作溫度范圍-20+80滯后FS0.1輸入電阻75020蠕變FS/30 min0.1安全過載FS150FS零點(diǎn)輸出FS1絕緣電阻M5000(50VDC)零點(diǎn)溫度系數(shù)FS/100.05推薦激勵(lì)電壓V1015V重復(fù)性FS0.05輸出電阻0054數(shù)據(jù)的采集與處理4.1數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)4.1.1集成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)a） 集成運(yùn)算放大器的分類1） 通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356 都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。2） 高阻型運(yùn)算放大器這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid（1091012）W,IIB 為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET 作輸入級(jí),不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。3） 低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET 組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650 等。4） 高速型運(yùn)算放大器在快速A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中,要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR 一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運(yùn)放有LM318、mA715 等,其SR=5070V/ms,BWG20MHz。5） 低功耗型運(yùn)算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C 等,其工作電壓為2V18V,消耗電流為50250mA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級(jí),例如ICL7600 的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。6） 高壓大功率型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)150V，uA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。b） 放大器的選擇這次設(shè)計(jì)選用的是LM324放大器，LM324系列器件帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器，具有真正的差分輸入。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。1） 具有以下特點(diǎn)：2） 短路保護(hù)輸出 3） 真正的差分輸入級(jí)4） 單電源供電：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A） 5） 低輸入偏置電流：100 nA最大值（LM324A）6） 每個(gè)封裝又四個(gè)放大器7） 內(nèi)部補(bǔ)償8） 共模范圍擴(kuò)展至電源9） 輸入端的ESD鉗位提高了可靠性，且不影響期間工作10）提供無鉛封裝圖4-1 LM324放大器接線圖Figure 4-1 LM324 amplifier wiring diagram4.1.2A/D轉(zhuǎn)換電路a) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類直接ADC是將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如并聯(lián)比較型ADC和逐次比較型ADC；間接ADC是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如雙積分型ADC。 1） 并聯(lián)比較型ADC 優(yōu)點(diǎn)：采用各量級(jí)同時(shí)并行比較，各位輸出碼同時(shí)并行產(chǎn)生，因此轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位數(shù)無關(guān)。 缺點(diǎn)：成本高、功耗大，所用元件數(shù)量隨ADC位數(shù)的增加，以幾何級(jí)數(shù)上升。適用于要求高速、低分辨率的場(chǎng)合。2）逐次逼近型ADC 特點(diǎn)：逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換需要n+1個(gè)節(jié)拍脈沖才能完成，比并聯(lián)比較型ADC轉(zhuǎn)換速度慢，屬于中速ADC器件。另外，當(dāng)位數(shù)較多時(shí)，所需的元、器件比并聯(lián)比較型少得多，應(yīng)用較廣。 3） 雙積分型ADC 優(yōu)點(diǎn)： 抗干擾能力強(qiáng)。采樣電壓是采樣時(shí)間內(nèi)輸入電壓的平均值。 穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換精度高。通過兩次積分把VI和VREF之比變成兩次計(jì)數(shù)值之比，只要求RC和TC在兩次積分時(shí)保持不變即可。 非線性誤差小。轉(zhuǎn)換結(jié)果與積分時(shí)間常數(shù)RC無關(guān)，消除了積分非線性帶來的誤差。 b) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)指標(biāo)1）分辨率以輸出二進(jìn)制的位數(shù)表示分辨率，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。2）相對(duì)精度相對(duì)精度是指實(shí)際的各個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差。在理想的情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上。3）轉(zhuǎn)換速度他是只完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號(hào)所經(jīng)過的這段時(shí)間，采用不同的轉(zhuǎn)換電路，其轉(zhuǎn)換速度是不同的。并行型比逐次逼近型要快得多。4）電源抑制在輸入模擬電壓不變的前提下，當(dāng)轉(zhuǎn)換電路的供電電源電壓發(fā)生變化時(shí)，對(duì)輸出也會(huì)產(chǎn)生影響。這種影響可用輸出數(shù)字量的絕對(duì)變化量來表示。5）選擇A/D器件的通道數(shù)和封裝 這與系統(tǒng)有關(guān)，通道數(shù)要滿足整個(gè)采集系統(tǒng)的需要。封裝則決定PCB布板的時(shí)候的大小，而且在高速應(yīng)用的時(shí)候也影響連線的分布參數(shù)。6）選擇A/D器件的輸出接口 A/D器件接口的種類很多，有并行總線接口的，有SPI、I2C、1-Wire等串行總線接口的。它們?cè)谠砗途壬舷嗤?，但是控制方法和接口電路?huì)有很大差異。7）選擇A/D器件溫度范圍 這僅僅與一些苛刻的環(huán)境有關(guān)，注意每個(gè)AD有固定的應(yīng)用的溫度