液压支架压力传感器的设计与动态特性分析研究

曹卫锋

（榆林学院能源工程学院，陕西榆林719000）

液压支架压力传感器的设计与动态特性分析研究

曹卫锋

（榆林学院能源工程学院，陕西榆林719000）

基于对液压支架压力特性和其工作环境的分析，设计出了压力传感器阻尼孔结构，并通过对液压支架控制系统中压力传输系统的传递的研究，对压力传输系统进行数值仿真研究，从中找出了阻尼孔结构与压力传感器性能的关系。

压力传感器；阻尼孔；动态特性；仿真

在煤炭开采中，液压支架是综采工作面的重要支护设备，能可靠地支撑顶板，有效地隔离采空区，保证正常的采煤作业工作空间[1，2]。立柱下腔的压力传感器是液压支架的一个关键器件。该器件用来实时的监控液压力，获得支架与顶板之间的相互作用状况，据此来判别支架的工作状况[1，2]。

液压支架工作中，在变化的承载压力作用下，立柱下腔内压力可能会迅速增大，一旦超过系统调定的压力值，必然会使压力传感器失准，如严重会导致零件的损坏。这样会导致控制信号传输错误，酿成事故[3，4]。因此，设计出一种更耐压力冲击进而使其能够稳定工作的压力传感器是非常有必要的。

本文对压力传感器的结构进行了设计，建立了液压支架电液控制系统中压力传输系统的传递函数，对其进行数值仿真，提出阻尼孔结构与压力传感器工作性能的关系。通过数值仿真，得到压力传感器的动态特性，为设计满足煤采矿底作业需求的压力传感器提供了参考。

1压力传感器结构设计方案

考虑到立柱下腔压力不断变化，该过程中压力传感器必受到一定的冲击载荷。因此，在传感器结构设计时，要考虑尽量减小压力的冲击，从而保护好传感器部件不受损坏，并且使得监测系统稳定。综合考虑以上问题，提出一种改良的压阻式压力传感器。其结构如图1所示，在检测压力点一端增加一个阻尼孔，使得传感器测压点与金属膜片间存在阻尼孔和容腔，这样就可以增强压力传感器的耐冲击性。

图1 传感器结构示意图

2压力传递特性的仿真分析

2.1 压力传递关系的建立

为获得阻尼孔设计与压力传感器工作性能关系，需要得到阻尼孔入口处的被测压力与作用在金属膜片上的容腔压力之间的关系，然后分析研究出阻尼孔的结构尺寸对传输关系的影响。

在建模中，把容腔和阻尼孔的结构看作一个压力传输系统。设流体密度为ρ；阻尼孔长度为L；阻尼孔直径为d；V为溶腔体积；流体的动力粘度为μ；被测压力为P；容腔压力为P'.经过推导，可得二阶微分方程如下式（1）所示。

2.2 仿真分析

进行数值仿真时固有参数为：ρ＝990 kg/m3；E=2.3×109Pa；μ=1×10-3N·s/m2.参考文献[5，6]，取L=10mm，d在0.15~0.2mm范围内变化，通过数值仿真得到，传输系统的动态特性参数、峰值时间和超调量随阻尼孔直径的变化关系分别如图2与图3所示。

图2 峰值时间随阻尼孔直径变化关系

图3 超调量随阻尼孔直径变化关系

由图2和图3可知：长度一定时，峰值时间随阻尼孔直径的增加而减小；超调量随阻尼孔直径的增加而增大，通过回归得到了峰值时间和超调量随直径的变化关系式。这对传感的设计起到了参考。

d=0.17 mm，L在5~15mm范围内变化，通过数值仿真得到，传输系统的动态特性参数、峰值时间和超调量随阻尼孔长度的变化关系分别如图4与图5所示。

图4 峰值时间随阻尼孔长度变化关系

图5 超调量随阻尼孔长度变化关系

由图3和图4可知：直径一定时，峰值时间随阻尼孔长度的增加而减小；超调量随阻尼孔长度的增加而增大；通过回归得到了峰值时间和超调量随直径的变化关系式。

3结束语

通过数值仿真得到传感器动态特性关于直径与长度的变化关系，从数据结果可以看出，在阻尼孔长度取一定值时，所选取的阻尼孔直径值越小，压力传输系统的动态响应越快。而在阻尼孔直径不变时，阻尼孔长度越长，压力传输系统的动态响应越快。

在实际的传感器设计中，应结合动态特性与参数的函数关系，选取合理的结构参数，从而使传感器达到满足安全生产，降低压力冲击，保护元件的功能。

[1]张良．液压支架电液控制系统的应用现状及发展趋势[J]．煤炭科学技术，2003（02）：5-8．

[2]寇子明．液压支架动态特性分析与检测[M]．北京：冶金工业出版社，1996．

[3]李荣生，廉自生，马清虎．液压支架压力传感器结构设计分析[J]．煤矿机电，2008（06）：47-48.

[4]李铁莲，廉自生．液压支架中压力传感器的设计[J]．煤矿机械，2007（04）：20-22.

[5]张永学，李振林.流体机械内部流动数值模拟方法综述[J].流体机械，2006，（07）：34-38，14.

[6]李继云，赵小兵．矿用无线液压支架压力传感器的设计[J]．煤矿机电，2014（04）：12-14．

Study for Design and Dynam ic Characteristics of Pressure Sensors in Hydraulic Supports

CAOWei-feng
（School of Energy Engineering，Yulin University，Yulin Shaanxi 719000，China）

Based on analyzing the pressure characteristics of the hydraulic supports and the working environment，the damping hole in pressure sensor is designed.And the dynamicmodel of pressure transmission system in the control system the hydraulic supports is established.The relationship between structure of damping holes and the property of the pressure sensors is found，by numerical simulation of pressure transmission system.

pressure sensors；damping hole；dynamic characteristics；simulation

TD355

A

1672-545X（2016）12-0011-02

2016-09-01

榆林学院高层次人才科研启动基金项目（16GK17）

曹卫锋（1977-），男，陕西武功人，讲师，博士，从事机械设计的教学与研究。