0、引言

中厚煤層在全國各煤礦中占的比例最高，特點是空間大、液壓支架工作阻力大、立柱和推移油缸缸徑大。為滿足建設現代化高效礦井的需要，對井下三機也提出了新的要求。目前采煤機的速度已經達到5~7m/min，630刮板輸送機的運力可達到400V/h，因此液壓支架的移架速度成為制約工作面生產的主要因素之一。

為解決這個瓶頸問題，目前大部分煤礦綜采工作面支架都配備了電液控制系統。通過采用大流量立柱液控單向閥、快速回液閥、雙聯液控單向閥等措施提高支架移架速度。但幾架支架一起動作時，由于供液管路和供液距離等因素，會出現幾架支架移架不同步的現象，因此可能會造成個別支架發生蹩卡的情況。為了避免此情況的發生，需要精確地控制每臺支架的移動距離，而內置磁致伸縮位移傳感器的推移油缸就解決了這個問題。

1、磁致伸縮位移傳感器

磁致伸縮效應就是在外加磁場作用下，任何材料由于其磁狀態的變化而產生在尺寸和體積上發生改變的效應。它是1842年英國物理學家Joule發現的，之后的十幾年得到了迅速發展。1960年美國學者JackTellerman發明了磁致伸縮位移傳感器并申請了專利。由于磁致伸縮材料在磁場作用下，其長度發生變化，發生位移而做功或在交變磁場作用下發生反復伸長與縮短，產生振動和聲波，從而可以將電磁信息轉化成位移信息，然后將位移信息轉出到檢測裝置輸入口，從而達到測量行程的目的。

內置磁致伸縮位移傳感器是根據磁致伸縮原理制造的具有精度高、行程長、壽命長、可靠性高、安全性好等優點的絕對位置測量的傳感器。它采用非接觸的測量方式，不產生摩擦和磨損，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計

（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，工作介質為MT76所規定的5%的乳化油與95%的中性軟水配置成的乳化液。現需要在每臺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。推移油缸外形圖見圖1（右視圖未畫出）。

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 6.活塞 7.活塞桿 8.導向套

從上圖可以看出：磁致伸縮位移傳感器是通過自身外螺紋安裝在油缸缸底上，其余全部長度都深入到活塞桿事先鉆好的深孔中，而磁環則是通過帶外螺紋的壓緊螺堵安裝在活塞桿底端。當油缸下腔進液時，隨著下腔壓力的不斷升高，活塞桿帶動磁環一起伸出，磁環開始感應并將位移信號經過轉化并通過專用電纜傳送到檢測裝置輸人口。反之，當油缸上腔進液時，隨著上腔壓力的不斷升高，活塞桿帶動磁環一起縮回，磁環將位移信號經過轉化并通過專用電纜送回檢測裝置輸人口，至此油缸完成了整個工作循環過程。這個循環過程也就是磁致伸縮位移傳感器對油缸行程的監測過程，精度可以達到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，現把磁致位移傳感器的安裝尺寸圖單獨表示，見圖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采用H7/f7.在此段軸向位置安裝有材質為丁晴橡膠的0形密封圈和材質為聚四氟乙烯的承托環。L?段長度即為密封段右端面到磁環左端面的距離，為了避免活塞桿在縮回過程中接觸缸底時由于沖擊損壞磁環，因此在設計過程中應該讓磁環左端面進入到活塞桿端面2mm，這樣即可保證在活塞桿縮回過程中活塞桿端面先接觸缸底端面，保護了磁環。L?段長度即在活塞桿的伸出和縮回時的實時長度，也就是磁致位移傳感器的監測目標，即油缸行程。L?段長度和傳感器本身有關，不同類型的傳感器有不同的數值。d?是活塞桿的細長深孔直徑，通常給出正公差0.5mm，以保證深孔內壁和傳感器表面發生刮碰。

（3）缸底厚度計算

缸底各部設計尺寸見圖3.在缸底的尺寸設計中，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。因此在根據傳感器的連接尺寸確定缸底的厚度后，要對缸底強度進行厚度校驗。當缸底為平面時，即缸底厚度δ?可以按照四周嵌住的圓盤強度進行計算，缸底厚度

δ1≥0.433D2?p/σρ＝15.8mm

式中p-缸簡內最大工作壓力，MPa;

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

D2-計算厚度外直徑，m。

此缸底厚度的最小值δ1=51mm，滿足安全系數要求。

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，由人機工程學原理，選寬度L=50mm左右，選直徑d=90mm 左右，這2個尺寸在現場安裝和維修過程中，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，旋合長度選擇8~10個螺距，考慮到螺紋倒角等因素，最終選擇有效旋合長度25mm。而且在壓緊螺堵末端安裝一個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

活塞桿見圖4.從圖中可以看出，在保證磁環安裝位置后，在磁致位移傳感器末端到活塞桿深孔有一段距離，根據設計經驗，此段距離設置為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，這個精度必須保證，以免在油缸組裝過程中出現缸底孔和活塞桿孔不對正的現象，避免傳感器長桿在活塞桿的伸出與縮回時受到軸向和徑向劃傷。

磁致伸縮位移傳感器活塞桿

3、結語

內置磁致伸縮位移傳感器經過多年的發展已經基本系列化、模塊化，在以后的帶內置磁致伸縮位移傳感器的油缸設計中，在設計時只需要對照傳感器的相應部位尺寸對缸底、活塞桿、缸筒等相應部位進行尺寸修改即可，壓緊螺堵和手孔等尺寸可借用現有尺寸，不需要再對部分零件結構進行排圖，有利于提高工作效率，縮短油缸的設計周期，為在綜采工作面大規模推廣控制精確的內置磁致位移傳感器推移油缸提供了可靠的技術支持。

本文轉載于深圳市博爾森科技有限公司官網：http://www.brsen.com

審核編輯 黃宇