截齿旋转截割测力装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于煤炭机械技术领域，涉及到一种截齿装置，具体涉及一种截齿旋转截 割测力装置。
【背景技术】
[0002] 合理选择采煤机的型号和截齿类型，对采煤机的工作效率和截齿的寿命有一定影 响。采煤机实际工作效率的高低及其工作效果的好坏是多方面因素综合作用的结果，如采 煤机滚筒的结构，截齿的材料、形状、尺寸及其排列和安装角度，截割深度，电动机的牵引速 度，煤层的物理机械性质等。由于不同矿井和不同煤层的煤炭性质都有所不同，且煤炭在 截割过程中的破碎是随机的，因此采煤机在截割过程中所受的力也不同。准确的测量截割 力，可以获得截齿在煤炭截割过程中的大量力信息，从而为定量评价煤炭截割特性、深入 研究煤炭截割机理、合理选择和使用采煤机和截齿等提供重要依据。
[0003] 某些测量单个截齿或标准测试刀具的煤炭截割力装置的传感器存在两大问题：不 能测三向截割分力，多数仅能测主截割力，个别可测主截割力和径向力；动态特性差，数据 失真较大。煤炭截割力是力幅变动大、频率较高的随机动态力，须用动态性能好、灵敏度高、 分力交叉干扰小的三向力传感器测量，由此获得单齿的截割分力。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种截齿旋转截割测力装置，使用该测量 装置，可以获得截齿在截割煤炭过程中的受力信息，为深入研究煤炭截割机理、定量评价煤 炭截割特性、合理选择和使用采煤机、优化设计采煤机和截齿提供了依据，进而提高企业的 生产效率和经济效益。
[0005] 本发明的技术方案是：一种截齿旋转截割测力装置，包括截齿、齿座、三向力传感 器和传感系统信号处理器，所述截齿包括截齿头和截齿本体，截齿本体安装于齿座安装孔 内，所述三向力传感器设在截齿头与齿座的接触面，传感器的下PCB板与齿座固定，上PCB 板与截齿头接触但不固定，所述三向力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动 电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上 相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的 梳齿结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述X方向差 动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算传感器的法向力且消除切 向力影响。
[0006] 煤炭截齿三向截割力测量装置还包括轴承，轴承安装于齿座安装孔内，截齿本体 安装于轴承中心。的每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度 大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位8&和右差位 +SP其中，b。_为条状电容单元的驱动电极长度，b。s为条状电容单元的感应电极长度。所
T_为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和 感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述梳齿状结构包 括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之 间设有电极间距a5。所述平行板面积S=M(a(]+a5)b。，其中，M为条状电容单元数量，b。为 条状电容单元的长度，a。条状电容单元的宽度。所述电容单元模块的每个条状电容单元的
其中，d。为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述传感 系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或 频率对电容的传输系数。
[0007] 本发明有如下积极效果：本发明的煤炭截齿三向截割力测量装置能够测量截齿在 截割煤炭过程中的三维受力信息，准确的测量截割力，可以获得截齿在煤炭截割过程中的 大量力信息，从而为定量评价煤炭截割特性、深入研究煤炭截割机理、合理选择和使用采 煤机和截齿等提供重要依据。本发明在电容传感器测量三维力的基础上，有效使用平板有 效面积，并且通过差动等方法有效解决三维力间耦合，从而使法向与切向转换都达到较高 的线性、精度与灵敏度。
【附图说明】
[0008] 图1是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。
[0009] 图2是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0010] 图3是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元右向偏移示意图。
[0011] 图4是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元左向偏移示意图。
[0012] 图5是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对的初始错位图。
[0013] 图6是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对受力后偏移图。
[0014] 图7是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器结构图。
[0015] 图8是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器驱动电极结构图。
[0016] 图9是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器感应电极结构图。
[0017] 图10是本发明的【具体实施方式】的通过相同传递系数K实现输出响应求和。
[0018] 图11是本发明的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。
[0019] 图12为本发明【具体实施方式】截齿的结构图。
[0020] 图13为本发明【具体实施方式】截齿的局部剖面图。
[0021] 其中，1截齿，101截齿头，102截齿本体，2齿座，3轴承。
【具体实施方式】
[0022] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0023] 在煤岩截割实验中，截割实验装置包括主运动系统、辅助运动系统和截齿1，在运 动系统的动力作用下，截齿1截割煤岩，如图12和13所示，为本发明截齿1的结构示意图， 截齿1装置包括截齿1、齿座2和轴承3,截齿1包括截齿头101和截齿本体102,齿座2具 有安装孔，轴承3安装于齿座2的安装孔内，截齿本体102安装于轴承3的中心，截齿1相 对齿座2进行旋转运动。本发明的截齿本体102和齿座2内孔之间设有轴承3结构，截齿 1和齿座2之间形成滚动摩擦，避免现有技术中因滑动摩擦而形成截齿1旋转不顺，进而产 生磨损不均、偏磨损等问题。
[0024] 如图12,本发明的三向力传感器设在截齿头101与齿座2相接的表面，传感器的 上下PCB板面分别与截齿头101和齿座2接触，下PCB板与齿座2固定，上PCB板与截齿1 接触但是不固定。传感器可以测量三个方向x，y，z的力，每个信号通道均有独立的信号获 取电路，每个通道的信号相互不影响，传感系统信号处理器主要包括avr单片机最小系统、 信号调理放大模块、A/D转换模块、数据存储模块及电源模块，采样频率不低于100Hz。各通 道信号由信号调理电路和放大电路处理后，经信号转换模块接入avr单片机，并对数据进 行存储操作。avr单片机接有数据采集/串口通信切换开关和SD卡读写模块。该装置支持 FAT文件系统，单片机数据存储后，与上位机的数据交换是具有FAT文件系统功能的模式， 即SD卡在单片机工作过程中可以得到数据，然后直接将SD卡通过USB接口与上位机进行 文件的读取、复制与存储等文件操作。该装置自带电源模块，可以在无外接电源的情况下正 常工作。电源电压输入调节电路对输入的直流电源进行调节。通信电路用于数字信号的传 输和实现嵌入式测量装置与上位机直接的数据交互。
[0025] 以下详述本发明的三向力传感器的