正交試驗優(yōu)化拉力傳感器參數(shù)
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2018-10-20 瀏覽：
鋼絲繩張力的實時監(jiān)測對煤礦設(shè)備安全運行和人身安全至關(guān)重要。目前，鋼絲繩張力檢測方法有標(biāo)記法、懸掛法、振波法、壓輪一力電轉(zhuǎn)換傳感器法以及基于傳感器測量的動態(tài)檢測方法等。僅基于傳感器測量的動態(tài)檢測方法可以實現(xiàn)對提升鋼絲繩張力的實時監(jiān)測。同時，我們還可以利用檢測儀器進行鋼絲繩的張力測試，例如：拉力試驗機,拉力機,萬能材料試驗機等；這里，我們重點介紹傳統(tǒng)的鋼絲繩張力檢測試法：
1、建模
對傳感器彈性體進行合理的設(shè)計至關(guān)重要。測力傳感器類型繁多，常見的有電阻式、電感式、電容式和壓電式。其中電感式和壓電式測力傳感器受環(huán)境的影響較大，抗干擾能力較弱，無法適應(yīng)礦井惡劣的環(huán)境;電容式和壓阻式測力傳感器的量程較小。應(yīng)變式測力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、量程大、抗干擾能力強等優(yōu)點。我們這里選用應(yīng)變式測力傳感器，其彈性體部分由輪箍、輪輻和輪毅組成，在olidWorks中建模，如圖1所示。
圖1：拉力試驗機傳感器結(jié)構(gòu)
2、試驗方法
2. 1試驗指標(biāo)和因素的選取
傳感器有很多性能指標(biāo)，其中固有頻率和靈敏度最為重要。靈敏度與固有頻率是一對矛盾因素。當(dāng)靈敏度增加時，固有頻率會急劇下降;當(dāng)固有頻率升高時，靈敏度會降低。為了使傳感器的性能最佳，這里選取一項綜合性能參數(shù)W=S·K作為試驗指標(biāo)，W值越高說明其綜合性能越好。
輪輻的長度、輪輻截面的寬度和輪輻截面的高度都會影響輪輻梁的變形，進而影響其靈敏度和固有頻率，故選作設(shè)計因素。
2. 2軸向靈敏度分析
根據(jù)設(shè)計需要，傳感器彈性體主要承受軸向力，故在此只考慮軸向靈敏度。靈敏度表示在靜力學(xué)分析中軸向載荷所產(chǎn)生的應(yīng)變與外加載荷的比值。這里以輪輻長10 mm，輪副截面寬11 mm、高20 mm外部載荷196 000 N為例，得出輪輻處最大的應(yīng)變。輪輻的應(yīng)變云圖如圖2所示。
圖2：輪輻的應(yīng)變云圖
該輪輻式傳感器為剪切應(yīng)變，當(dāng)受力時矩形截面的輪輻發(fā)生剪切變形，故采用“探測”工具粗略探索輪輻上的應(yīng)變結(jié)果圖解。首先目測輪輻上的最大應(yīng)變區(qū)域，然后在其中選一合適的網(wǎng)格單元進行橫向的探測，即垂直于輪毅的方向。探測結(jié)果如圖3所示。在橫向上，輪輻上的剪應(yīng)力呈拋物線形分布，并且在20101單元所在的軸向上應(yīng)變最大，再對20101所處的軸向上進行圖解探測，探測結(jié)果如圖4所示。在軸向上，輪輻上的剪應(yīng)力也呈拋物線形分布，在24404單元處得到最大應(yīng)變值6.83E-04由此可得軸向靈敏度。
圖3：拉力試驗機探測結(jié)果
2. 3建立正交表
由于傳感器安裝條件的限制，選取適中的尺寸為基本尺寸。每個因素以此為基準(zhǔn)，上下變動，變動幅度大致相同，約為基本尺寸的10%。取每個因素的水平數(shù)為3，見表1。
表1：正交試驗結(jié)果
本次正交試驗通過輪輻的長度、輪輻截面的寬度、輪輻截面的高度3個試驗因素，每項因素取3個水平，評價傳感器優(yōu)良的主要指標(biāo)是綜合性能參數(shù)w，按正交試驗表L9 (34)設(shè)計安排9組試驗。表2是正交試驗結(jié)果。
表2：正交試驗結(jié)果
為了獲得較高的綜合指標(biāo)值(W=S·K)，綜合考慮S與W的取值，再權(quán)衡彈性體的結(jié)構(gòu)尺寸對S及K的影響，得出的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。
表3：:最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)表
隨著工礦自動化的深入發(fā)展，對測試系統(tǒng)的精度要求越來越高。這里應(yīng)用正交試驗法結(jié)合有限元軟件，對礦用壓力傳感器的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，使其動靜態(tài)性能指標(biāo)得到提高，礦下提升機的安全性能也隨之得到改善。
拉力試驗機
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