煤炭三维截割力传感器的设计与解耦分析

论文摘要

设计了一种煤炭三维截割力传感器,通过传感器可以准确获得采煤机截齿在截割过程中的受力信息,从而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和截齿提供依据。该传感器是采用电阻应变式的测量原理,通过黏贴在弹性体上应变片的受力变形测出三维力信号。传感器由弹性体、连接件和保护罩组成,弹性体是传感器的核心部分。本文设计的弹性体是一个圆环结构,在圆环的上下两层各开4个槽孔,槽孔是对称分布的,相位相差45°。上下层槽孔间和同层槽孔间的薄壁区为剪切应力敏感区,不同的剪切应变区对应测量由不同方向的力产生的应变。弹性体的结构尺寸通过正交试验方法进行优化设计得到。其次,采用有限元软件Ansys对传感器进行了静态分析、模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析,得到了传感器在静态载荷作用下的应变变化规律,从而确定了应变片的贴片位置。同时得出了传感器的固有频率、振型和频响特性。再次,对弹性体进行贴片,通过合理的组桥方式,从理论上消除维间耦合。传感器的标定实验是采用加标准砝码的方法进行的。通过静态标定,得到了传感器的非线性度、灵敏度、回程误差等静态性能指标。最后对传感器进行解耦,本文采用最小二乘法对传感器进行静态线性解耦,采用BP神经网络方法和独立成分分析方法进行静态非线性解耦。证实了BP神经网络解耦的方法比最小二乘法和独立成分分析方法解耦的精度高。图[63]表[13]参[44]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图清单
• 表格清单
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究内容
• 2 传感器的结构设计
• 2.1 传感器的结构设计
• 2.1.1 弹性体主体的设计
• 2.1.2 上、下连接件的设计
• 2.1.3 保护罩的设计
• 2.2 弹性体的优化设计
• 2.2.1 正交试验设计
• 2.2.2 有限元分析与结果
• 2.3 本章小结
• 3 传感器的静动态有限元分析
• 3.1 有限元分析的目的
• 3.2 有限元法介绍
• 3.3 传感器的静态有限元分析
• 3.3.1 建立模型
• 3.3.2 网格划分
• 3.3.3 加载并求解
• 3.3.4 检查分析结果
• 3.3.5 传感器的线性特性分析
• 3.4 传感器的动态有限元分析
• 3.4.1 模态分析
• 3.4.2 谐响应分析
• 3.4.3 瞬态动力学分析
• 3.5 本章小结
• 4 传感器的加工制造
• 4.1 传感器的加工
• 4.1.1 材料的选取
• 4.1.2 传感器的加工
• 4.2 应变片的选取与粘贴
• 4.2.1 应变片的选取
• 4.2.2 应变片的粘贴
• 4.3 应变片的布置与组桥
• 4.3.1 测量X方向力的贴片位置和组桥方式
• 4.3.2 测量Y方向力的贴片位置和组桥方式
• 4.3.3 测量Z方向力的贴片位置和组桥方式
• 4.4 本章小结
• 5 传感器的实验标定
• 5.1 传感器的静态标定
• 5.2 静态标定实验
• 5.2.1 电阻应变仪的标定实验
• 5.2.2 X向标定实验
• 5.2.3 Y向标定实验
• 5.2.4 Z向标定实验
• 5.3 本章小结
• 6 传感器的解耦
• 6.1 传感器静态线性解耦
• 6.1.1 静态线性解耦原理
• 6.1.2 基于最小二乘的静态线性解耦
• 6.2 传感器静态非线性解耦
• 6.2.1 BP神经网络解耦
• 6.2.2 基于BP神经网络的三维力传感器解耦
• 6.2.3 独立成分分析介绍
• 6.2.4 基于独立成分分析的三维力传感器解耦
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果
• 攻读硕士学位期间发表的论文