液压支架应力检测电路设计

摘 要：分析了液压支架的受力情况，采用电阻式应变片作为传感器，设计了应力检测电路，对应力集中的部位进行检测。给出了电路的设计方案，并进行了参数计算。该电路的输出信号，可以接入液压支架控制系统或综采控制系统，能够预防预报支架断裂等严重事故，有推广价值。

关键词：液压支架 应力 检测

中图分类号：TH237 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0064-02

Hydraulic Support Stress Detection Circuit Design

Zhang Kai

（China Inner Mongolia PingZhuang Coal Group LTD FengShuiGou Coal Mine，ChiFeng Neimenggu，024081，China）

Abstract：Analyzes the stress of hydraulic support，uses resistance strain gauge as sensor，design stress detection circuit to detect the parts of stress concentration.Shows the design of the circuit，and calculates the parameters.The output of the circuit can access to hydraulic support control system or mechanized mining control system，it can forecast and prevent of stent fracture and other serious accidents，so has value to apply.

Key Words：Hydraulic Support；Stress；Detection

液压支架是煤矿综合机械化采煤设备的重要组成部分，也是综采工作面装备中数量最大的装备。它通过支撑和控制工作面的顶板，来控制采煤工作面矿山压力，隔离采空区，防止矸石进入回采工作面和推进输送机。液压支架与采煤机配套使用，实现采煤综合机械化，可以进一步改善和提高采煤和运输设备的效能，减轻煤矿工人的劳动强度，最大限度保障煤矿工人的生命安全。

液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系—般分为三大类支撑式、掩护式、支撑掩护式三类[1]。采面围岩以外载的形式作用在液压支架上，在施工中，重要的是使液压支架的各支承件合力与顶板作用在液压支架上的外载合力在同一直线。

本文在分析液压支架受力模型的基础上，结合工程实践经验，确定应力较大的容易发生故障的点，设计检测电路对这些部位进行监测。

1 液压支架的故障分析

液压支架主要由支撑框架和液压及控制系统组成，承受重载和冲击，工作环境恶劣。实践和有关统计资料表明，在生产过程中，大部分故障是因为各种失效引起的，导致液压支架故障的主要原因有两个：（1）人为因素及地质条件引起；（2）机件失效而引起[1]。其中，由于承载过大或受力不均造成液压支架某些部件断裂，会产生极大危害，应该采取有效的预防措施。

底座是液压支架整体结构受力最为复杂和集中的部位，由于外载的变化及地质条件的影响，底座受力情况复杂，在工作的工程中除了支撑力，还往往受到扭转力作用，可能产生裂纹及裂纹扩展。因此，底座常常表现为主筋断裂和球窝碎裂这两种故障。

文献[3]用有限元分析法对某型液压支架进行了受力分析，结果表明：顶梁（底座）两端受集中载荷时，中部会有较大的变形，柱窝四周应力较大；顶梁（底座）受扭时，载荷的同侧变形不大，而另一侧会发生很大变形，筋板与盖板连接处应力会很大，在顶梁方垫块处受力最大[3]。

根据上述分析，对受力较大的部位进行应力监测。

2 应力检测电路设计

电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学传感元件，它能把构件表面的变形量转变为电信号，其工作原理是基于金属导体的电阻-应变效应。

设一根金属电阻丝，其材料的电阻率为ρ，原始长度为L。假设其横截面是直径为D的圆形，面积为A，初始时该电阻丝的电阻值为R：

（1）

在外力作用下，电阻丝会产生变形。

金属丝长度的相对变化即应变，表示为， （2）

在常温下，许多金属材料在一定的应变范围内，电阻丝的相对电阻变化与丝的轴向长度的相对变化成正比。即：

（3）

式中，Ks为单根金属丝的灵敏系数。根据这一规律，即可设计出将应变信号转换为电信号的电阻应变计。

应力检测电路采用电桥，如图1所示，其中NI是恒流源，电流I=10 mA。缓冲器、电阻应变片RS1、RS2和内部取样电阻RS3、RS4组成电桥。恒流源与模拟多路开关串接后接在桥路的输入端，在取样电阻RS3、RS4前串接缓冲器，作用是内半桥通过缓冲器采用恒压驱动，恒流经过模拟多路开关，再经过导线、应变片RS1、RS2在A、B点产生电压，再由两个缓冲器在D点产生电压，VB、VD送放大器放大、滤波、AD转换等。

由（图1）可知：

（4）

式中，r是导线电阻，RS1、RS2是应变片电阻，RS3、RS4是取样电阻。对于公共补偿测量，工作片RS1=R+ΔR，补偿片R2=R。设RS3=RS4，则

对于二片测量，及半桥模式工作片RS1=R+ΔR，工作片R2=R-ΔR，有

（5）

对于四片测量，则不需加缓冲器，RS3、RS4同样是工作片，经简单计算，电桥输出

（6）

由分析可知，该电路的输出只与激励电流、应变片电阻、应变片灵敏系数及应变值有关，与导线电阻无关，也与模拟多路开关导通电阻无关。同时，对于大应变测量，该桥路也没有非线性，精度高。

由当即满负载时，

mV

采用仪表放大器AD623，供电电压5 V，参考电压基准REF=2.5 V。选择放大倍数120倍，将±20 mV的电桥输出差模电压动态范围可放大至0.1～4.9 V。

电桥的两个端点分别接到AD623的正负电压输入端进行差分放大，放大倍数由电阻值设定，其增益计算公式为

（7）

电阻值为840Ω，放大倍数为120倍。

电桥输出的信号经差分放大后被送入低通滤波单元，选择二阶有源低通滤波网络，由于电阻应变片用于静态测量，信号频率很低，故选择截止频率

Hz

经放大滤波后的信号即可作为普通模拟量信号接入现有的液压支架控制系统[4]。

3 AD转换

当应力检测点比较多时，控制系统模拟量输入的成本较高。为降低成本，可以把前述检测信号，经AD转换器转换成数字量处理。

根据前面计算和系统要求，选用的AD转换器至少有0.16 mV的分辨率，若以5 V供电，则AD转换器为15位即可满足分辨率要求。本设计选用16位AD转换器ADS7807。ADS7807采用单5 V电压供电，是一款低功率16位模拟数字转换器，带有采样保持、时钟、内部参考电压和并行串行微处理器接口。ADS7807的最大转换时间为2.5μs，误差±1.5LSB。ADS7807可以提供工业标准的-10～10 V，0～5 V和0～4 V三种满量程范围，使用灵活方便[5]。

根据检测电路的计算，应选择0～5 V输入电压范围，并行总线输出数据，内部时钟模式，参考电压选择电桥的参考电压，以减少误差。

ADS7807的转换通过管脚CS和RC实现的。CS和RC同时保持低状态至少40 ns，ADS7807进入保持状态并开始转换，BUSY脚变低直到转换结束，这时内部输出寄存器的值被更新。因此通过查询BUSY管脚的状态就可以知道转换是否结束，进而进行转换数据的读取。当与BYTE为低时，数据线是转换结果的高8位，当BYTE为高时，数据线出现转换结果的低8位。通过两次读取就可得到转化的16位数据[6]。

综上所述，通过恒流电桥的作用，电阻应变片电阻的变化转化为电桥输出的变化，再经过放大、滤波、模数转换，变为可被处理的数字信号。

ADS7807与51系列单片机的连接如（图2）所示。

4 结语

本文设计了液压支架应力检测电路，可对液压支架应力集中、容易损坏的部位进行实时监测，对这类故障进行预报和预警，对采掘工作人员的安全保护都很有意义。实验证明，该电路的精确性和稳定性能够适应井下生产环境，满足生产需要。

参考文献

[1]孙洪飞.煤矿液压支架应用现状与发展趋势[J].民营科技，2013，1：148.

[2] 李飞谷.煤矿液压支架故障分析及应用[J].矿业天地，2008，10：304.

[3] 马园园，谢里阳，洪岸柳，等.液压支架应力测试研究及有限元分析[J].机械设计与制造，2012，11：34-36.

[4] 杜欢兴，夏润生，张桂茹，等.液压支架分布式计算机控制系统[J].创新科技导报，2012，32：166-167.

[5] http：//www.ti.com.cn.

[6] 王广西.低漂移便携式微机多道能谱仪的研制[D].成都理工大学，2006，5.