0、引言

中厚煤層在全國(guó)各煤礦中占的比例最高，特點(diǎn)是空間大、液壓支架工作阻力大、立柱和推移油缸缸徑大。為滿足建設(shè)現(xiàn)代化高效礦井的需要，對(duì)井下三機(jī)也提出了新的要求。目前采煤機(jī)的速度已經(jīng)達(dá)到5~7m/min，630刮板輸送機(jī)的運(yùn)力可達(dá)到400V/h，因此液壓支架的移架速度成為制約工作面生產(chǎn)的主要因素之一。

為解決這個(gè)瓶頸問(wèn)題，目前大部分煤礦綜采工作面支架都配備了電液控制系統(tǒng)。通過(guò)采用大流量立柱液控單向閥、快速回液閥、雙聯(lián)液控單向閥等措施提高支架移架速度。但幾架支架一起動(dòng)作時(shí)，由于供液管路和供液距離等因素，會(huì)出現(xiàn)幾架支架移架不同步的現(xiàn)象，因此可能會(huì)造成個(gè)別支架發(fā)生蹩卡的情況。為了避免此情況的發(fā)生，需要精確地控制每臺(tái)支架的移動(dòng)距離，而內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器的推移油缸就解決了這個(gè)問(wèn)題。

1、磁致伸縮位移傳感器

磁致伸縮效應(yīng)就是在外加磁場(chǎng)作用下，任何材料由于其磁狀態(tài)的變化而產(chǎn)生在尺寸和體積上發(fā)生改變的效應(yīng)。它是1842年英國(guó)物理學(xué)家Joule發(fā)現(xiàn)的，之后的十幾年得到了迅速發(fā)展。1960年美國(guó)學(xué)者JackTellerman發(fā)明了磁致伸縮位移傳感器并申請(qǐng)了專利。由于磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下，其長(zhǎng)度發(fā)生變化，發(fā)生位移而做功或在交變磁場(chǎng)作用下發(fā)生反復(fù)伸長(zhǎng)與縮短，產(chǎn)生振動(dòng)和聲波，從而可以將電磁信息轉(zhuǎn)化成位移信息，然后將位移信息轉(zhuǎn)出到檢測(cè)裝置輸入口，從而達(dá)到測(cè)量行程的目的。

內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器是根據(jù)磁致伸縮原理制造的具有精度高、行程長(zhǎng)、壽命長(zhǎng)、可靠性高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)的絕對(duì)位置測(cè)量的傳感器。它采用非接觸的測(cè)量方式，不產(chǎn)生摩擦和磨損，即使在惡劣的工況下也能保證正常工作。

2、帶位移傳感器的推移油缸設(shè)計(jì)

（1）位移傳感器工作原理

以某礦綜采工作面的推移油缸為例，缸徑桿徑為180/120mm，工作行程900mm，工作壓力為31.5MPa，工作介質(zhì)為MT76所規(guī)定的5%的乳化油與95%的中性軟水配置成的乳化液?，F(xiàn)需要在每臺(tái)支架的推移油缸上安裝磁致位移傳感器，以便控制支架移架距離。推移油缸外形圖見(jiàn)圖1（右視圖未畫(huà)出）。

綜采位移傳感器油缸總圖

1.缸體 2.電纜插座 3.壓緊螺堵 4.位移傳感器及0形圈、擋圈 5.磁環(huán) 6.活塞 7.活塞桿 8.導(dǎo)向套

從上圖可以看出：磁致伸縮位移傳感器是通過(guò)自身外螺紋安裝在油缸缸底上，其余全部長(zhǎng)度都深入到活塞桿事先鉆好的深孔中，而磁環(huán)則是通過(guò)帶外螺紋的壓緊螺堵安裝在活塞桿底端。當(dāng)油缸下腔進(jìn)液時(shí)，隨著下腔壓力的不斷升高，活塞桿帶動(dòng)磁環(huán)一起伸出，磁環(huán)開(kāi)始感應(yīng)并將位移信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化并通過(guò)專用電纜傳送到檢測(cè)裝置輸人口。反之，當(dāng)油缸上腔進(jìn)液時(shí)，隨著上腔壓力的不斷升高，活塞桿帶動(dòng)磁環(huán)一起縮回，磁環(huán)將位移信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化并通過(guò)專用電纜送回檢測(cè)裝置輸人口，至此油缸完成了整個(gè)工作循環(huán)過(guò)程。這個(gè)循環(huán)過(guò)程也就是磁致伸縮位移傳感器對(duì)油缸行程的監(jiān)測(cè)過(guò)程，精度可以達(dá)到3mm。

（2）位移傳感器安裝尺寸

為了能更清楚地表示磁致位移傳感器的各部連接尺寸，現(xiàn)把磁致位移傳感器的安裝尺寸圖單獨(dú)表示，見(jiàn)圖2.

綜采油缸位移傳感器安裝尺寸圖

圖2中φd?即為磁致位移傳感器的密封段安裝直徑，由于此處承受油缸下腔液體壓力，所以與缸底的配合公差應(yīng)采用H7/f7.在此段軸向位置安裝有材質(zhì)為丁晴橡膠的0形密封圈和材質(zhì)為聚四氟乙烯的承托環(huán)。L?段長(zhǎng)度即為密封段右端面到磁環(huán)左端面的距離，為了避免活塞桿在縮回過(guò)程中接觸缸底時(shí)由于沖擊損壞磁環(huán)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該讓磁環(huán)左端面進(jìn)入到活塞桿端面2mm，這樣即可保證在活塞桿縮回過(guò)程中活塞桿端面先接觸缸底端面，保護(hù)了磁環(huán)。L?段長(zhǎng)度即在活塞桿的伸出和縮回時(shí)的實(shí)時(shí)長(zhǎng)度，也就是磁致位移傳感器的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，即油缸行程。L?段長(zhǎng)度和傳感器本身有關(guān)，不同類(lèi)型的傳感器有不同的數(shù)值。d?是活塞桿的細(xì)長(zhǎng)深孔直徑，通常給出正公差0.5mm，以保證深孔內(nèi)壁和傳感器表面發(fā)生刮碰。

（3）缸底厚度計(jì)算

缸底各部設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)圖3.在缸底的尺寸設(shè)計(jì)中，一是要保證位移傳感器的軸向連接尺寸，另外還要保證缸底的厚度要求。因此在根據(jù)傳感器的連接尺寸確定缸底的厚度后，要對(duì)缸底強(qiáng)度進(jìn)行厚度校驗(yàn)。當(dāng)缸底為平面時(shí)，即缸底厚度δ?可以按照四周嵌住的圓盤(pán)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，缸底厚度

δ1≥0.433D2?p/σρ＝15.8mm

式中p-缸簡(jiǎn)內(nèi)最大工作壓力，MPa;

σρ-缸底材料需用應(yīng)力，本油缸缸底的材料為鍛27SiMn，取σρ=850 MPa;

D2-計(jì)算厚度外直徑，m。

此缸底厚度的最小值δ1=51mm，滿足安全系數(shù)要求。

缸底連接尺寸圖

1. 螺堵 2.壓緊螺堵 3.傳感器密封段

和磁致伸縮位移傳感器密封段相配合的缸底部分采用H7公差，表面粗糙度為1.6，屬于精密配合面。

缸底手孔用于安裝磁致伸縮位移傳感器專用電纜，由人機(jī)工程學(xué)原理，選寬度L=50mm左右，選直徑d=90mm 左右，這2個(gè)尺寸在現(xiàn)場(chǎng)安裝和維修過(guò)程中，操作非常便利，選擇合理。

傳感器的壓緊螺堵采用M30x2普通螺紋，旋合長(zhǎng)度選擇8~10個(gè)螺距，考慮到螺紋倒角等因素，最終選擇有效旋合長(zhǎng)度25mm。而且在壓緊螺堵末端安裝一個(gè)O形密封圈防止液體滲漏。

1.螺堵2.壓緊螺堵3.傳感器密封段

（4）活塞桿安裝尺寸

活塞桿見(jiàn)圖4.從圖中可以看出，在保證磁環(huán)安裝位置后，在磁致位移傳感器末端到活塞桿深孔有一段距離，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，此段距離設(shè)置為30~40mm最佳。除此之外，最重要的尺寸公差就是活塞桿深孔的同軸度，這個(gè)精度必須保證，以免在油缸組裝過(guò)程中出現(xiàn)缸底孔和活塞桿孔不對(duì)正的現(xiàn)象，避免傳感器長(zhǎng)桿在活塞桿的伸出與縮回時(shí)受到軸向和徑向劃傷。

磁致伸縮位移傳感器活塞桿

3、結(jié)語(yǔ)

內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)基本系列化、模塊化，在以后的帶內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器的油缸設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)時(shí)只需要對(duì)照傳感器的相應(yīng)部位尺寸對(duì)缸底、活塞桿、缸筒等相應(yīng)部位進(jìn)行尺寸修改即可，壓緊螺堵和手孔等尺寸可借用現(xiàn)有尺寸，不需要再對(duì)部分零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行排圖，有利于提高工作效率，縮短油缸的設(shè)計(jì)周期，為在綜采工作面大規(guī)模推廣控制精確的內(nèi)置磁致位移傳感器推移油缸提供了可靠的技術(shù)支持。

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審核編輯 黃宇