内置磁致伸缩位移传感器的推移油缸设计

 内置磁致伸缩位移传感器的推移油缸设计
作者：郭猛





    中厚煤层在全国各煤矿中占的比例最高，特点是空间大、液压支架工作阻力大、立柱和推移油缸缸径大。 为满足建设现代化高效矿井的需要，对井下三机也提出了新的要求。目前采煤机的速度已经达到 5 ~7 m/min，630 刮板输 送机的运力可达到400 t/h，因此液压支架的移架速度成为制约工作面生产的主要因素之一。为解决这个瓶颈问题，目前大部分煤矿综采工作面支架都配备了电液控制系统。 通过采用大流量立柱液控单向阀、快速回液阀、双联液控单向阀等措施提高支架移架速度。 但几架支架一起动作时，由于供液管路和供液距离等因素，会出现几架支架移架不同步的现象，因此可能会造成个别支架发生蹩卡的情况。 为了避免此情况的发生，需要精确地控制每台支架的移动距离，而内置磁致伸缩位移传感器的推移油缸就解决了这个问题。

1 磁致伸缩位移传感器

磁致伸缩效应就是在外加磁场作用下，任何材料由于其磁状态的变化而产生在尺寸和体积上发生改变的效应。 它是 1842 年英国物理学家 Joule 发现的，之后的十几年得到了迅速发展。 1960 年美国学者 Jack Tellerman 发明了磁致伸缩位移传感器并申请了专利。 由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，发生位移而做功或在交变磁场作用下发生反复伸长与缩短，产生振动和声波，从而可以将电磁信息转化成位移信息，然后将位移信息转化成电磁信息，电磁信息通过连接器和专用电缆输出到检测装置输入口，从而达到测量行程的目的。内置磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的具有精度高、行程长、寿命长、可靠性高、安全性好等优点的绝对位置测量的传感器。 它采用非接触的测量方式，不产生摩擦和磨损，即使在恶劣的工况下也能保证正常工作。

2 带位移传感器的推移油缸设计

（1）位移传感器工作原理

以某矿综采工作面的推移油缸为例， 缸径/杆径为180/120mm，工作行程900 mm，工作压力为31.5 MPa，工作介质为 MT76 所规定的 5%的乳化油与 95%的中性软水配置成的乳化液。 现需要在每台支架的推移油缸上安装磁致位移传感器，以便控制支架移架距离。 磁致位移传感器是通过自身外螺纹安装在油缸缸底上，其余全部长度都深入到活塞杆事先钻好的深孔中，而磁环则是通过带外螺纹的压紧螺堵安装在活塞杆底端。 当油缸下腔进液时，随着下腔压力的不断升高，活塞杆带动磁环一起伸出，磁环开始感应并将位移信号经过转化并通过专用电缆传送到检测装置输入口。 反之，当油缸上腔进液时，随着上腔压力的不断升高，活塞杆带动磁环一起缩回，磁环将位移信号经过转化并通过专用电缆送回检测装置输入口，至此油缸完成了整个工作循环过程。 这个循环过程也就是磁致位移传感器对油缸行程的监测过程，精度可以达到 3 mm。

（2）位移传感器安装尺寸

为了能更清楚地表示磁致位移传感器的各部连接尺寸，现把磁致位移传感器的安装尺寸图单独表示。磁致位移传感器的密封段安装直径，由于此处承受油缸下腔液体压力，所以与缸底的配合公差应采用 H7/f7， 在此段轴向位置安装有材质为丁晴橡胶的 O 形密封圈和材质为聚四氟乙烯的承托环。 L2 段长度即为密封段右端面到磁环左端面的距离，为了避免活塞杆在缩回过程中接触缸底时由于冲击损坏磁环，因此在设计过程中应该让磁环左端面进入到活塞杆端面 2 mm， 这样即可保证在活塞杆缩回过程中活塞杆端面先接触缸底端面，保护了磁环。 L3 段长度即在活塞杆的伸出和缩回时的实时长度，也就是磁致位移传感器的监测目标，即油缸行程。 L4 段长度和传感器本身有关，不同类型的传感器有不同的数值。 d3 是活塞杆的细长深孔直径，通常给出正公差 0.5 mm，以保证深孔内壁和传感器表面发生刮碰。

（3）缸底厚度计算

在缸底的尺寸设计中，一是要保证位移传感器的轴向连接尺寸，另外还要保证缸底的厚度要求。 因此在根据传感器的连接尺寸确定缸底的厚度后，要对缸底强度进行厚度校验。 当缸底为平面时，即缸底厚度 δ1 可以按照四周嵌住的圆盘强度进行计算，缸底厚度和磁致位移传感器密封段相配合的缸底部分采用 H7 公差，表面粗糙度为 1.6，属于精密配合面。缸底手孔用于安装传感器专用电缆，由人机工程学原理，选宽度 L=50 mm 左右，选直径 d=90 mm左右，这 2 个尺寸在现场安装和维修过程中，操作非常便利，选择合理。

传感器的压紧螺堵采用 M30×2 普通螺纹，旋合长度选择 8~10 个螺距，考虑到螺纹倒角等因素，最终选择有效旋合长度 25 mm。 而且在压紧螺堵末端安装一个 O 形密封圈防止液体渗漏。

（4）活塞杆安装尺寸

在保证磁环安装位置后，在磁致位移传感器末端到活塞杆深孔有一段距离， 根据设计经验， 此段距离设置为 30～40 mm最佳。 除此之外，最重要的尺寸公差就是活塞杆深孔的同轴度，这个精度必须保证，以免在油缸组装过程中出现缸底孔和活塞杆孔不对正的现象，避免传感器长杆在活塞杆的伸出与缩回时受到轴向和径向划伤。

3结语

内置磁致伸缩位移传感器经过多年的发展已经基本系列化、模块化，在以后的带内置磁致伸缩位移传感器的油缸设计中，在设计时只需要对照传感器的相应部位尺寸对缸底、活塞杆、缸筒等相应部位进行尺寸修改即可，压紧螺堵和手孔等尺寸可借用现有尺寸， 不需要再对部分零件结构进行排图，有利于提高工作效率，缩短油缸的设计周期，为在综采工作面大规模推广控制精确的内置磁致位移传感器推移油缸提供了可靠的技术支持。





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