【正文】 ......................................................................................42 附錄 1 第一章 緒論 煤炭是我國(guó)的主要能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè) 中 ．具有重要的戰(zhàn)略地位。在未來新能源大規(guī)模利用之前。煤炭是支持我國(guó)能源供應(yīng)的國(guó)內(nèi)重要品種。根據(jù)我國(guó)社會(huì)發(fā)展的需求．要把我國(guó)建設(shè)為“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”的社會(huì)，煤炭工業(yè)面臨著歷史性的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，經(jīng)歷著關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)以信息技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)為核心的綜合自動(dòng)化、以清潔生產(chǎn)和清潔煤技術(shù)為基礎(chǔ)的清潔化、以大企業(yè)集團(tuán)和多元化經(jīng)營(yíng)為特征的集約化，即實(shí)現(xiàn)高效、安全、潔凈、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已成為 新時(shí)期我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展的方向。 采煤工作面用的液壓支架是一種復(fù)雜的煤礦機(jī)械。它與滾筒采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、裝 (轉(zhuǎn) )載機(jī)和乳化液泵站等配套使用，實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化。支架液壓系統(tǒng)包括操縱閥、液控單向閥、安全閥、側(cè)壓閥和供液回液軟管等。所有液壓支架的功能是相同的。 液壓支架有許多類型結(jié)構(gòu)。按圍巖的相互作用和維護(hù)回采空間的方式，可分為支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式三類。 液壓支架作為綜合機(jī)械化回采工作面的重要支護(hù)設(shè)備，其技術(shù)的改進(jìn)與革新在飛速的發(fā)展。 液壓支架電液控制技術(shù)是近 10 年來世界煤炭開采機(jī)械化領(lǐng)域的一項(xiàng)引人注目的重大 技術(shù)突破，是現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的重要成果。支架電液控制系統(tǒng)使煤礦綜采工作面自動(dòng)化程度達(dá)到一個(gè)新水平，極大改善綜采工作面的工作環(huán)境和安全性，在減少液壓支架操作人員的同時(shí)，能很好協(xié)調(diào)綜采設(shè)備之間的運(yùn)行，充分發(fā)揮綜采設(shè)備的生產(chǎn)能力，提高綜采工作面的產(chǎn)量，給煤礦帶來明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。液壓支架電液控制系統(tǒng)是今后新建高產(chǎn)高效礦井必須配備的控制系統(tǒng)，具有良好的市場(chǎng)前景。由于支架電液控制系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，電液控制閥的研究便十分重要。 高產(chǎn)高效工作面 電液控制 技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)達(dá) 采煤 國(guó)家普遍采用的一種先進(jìn)現(xiàn)代化采煤技術(shù) 管理理念，它的應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的主要標(biāo)志。 采用電液控制系統(tǒng)大大加快了支架移動(dòng)速度，改善了支架整體支護(hù)質(zhì)量和性能； 電磁先導(dǎo)閥 使得工人非常容易、靈活地操作設(shè)備 ，而且性能可靠、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了勞動(dòng)環(huán)境， 便于實(shí)現(xiàn)支架的工況監(jiān)測(cè)和工作面的自動(dòng)化控制 。 2 液壓 支架電液控制系統(tǒng) 液壓支架電液控制系統(tǒng)的組成與原理 液壓支架電液控制系統(tǒng)如圖 l所示，控制系統(tǒng)由通信傳輸網(wǎng)絡(luò)和電液控制單元組成。電液控制單元的核心部件有入機(jī)界面、控制器、電源箱、電磁先導(dǎo)閥、主閥、傳感器及電纜連接器等。 圖 11電液控制系統(tǒng)圖 Fig11 Electrohydraulic control system diagram 3 操作者在支架人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的交互，通過支架控制器向各個(gè)電磁先導(dǎo)閥發(fā)出電信號(hào)，控制先導(dǎo)閥的 動(dòng)作。電磁先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)電液信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并通過主閥控制各油缸的動(dòng)作 ?？刂葡到y(tǒng)中的壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器分別檢測(cè)液壓支架的立柱壓力、移架步距和平衡傾角，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)送到控制器中，控制器通過判斷這些反饋信息 決定支架控制的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)支架動(dòng)作的自動(dòng)控制。支架電液控制系統(tǒng)中每 4個(gè)控制器構(gòu)成一個(gè)信息子網(wǎng)，相同信息子網(wǎng)中的控制器可以通過鄰架線或總線進(jìn)行通信，不同信息子網(wǎng)可以通過耦合器進(jìn)行通信，構(gòu)成了工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。井下工作面巷道監(jiān)控主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)變換器對(duì)工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制與集中管理，并將工作面數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)報(bào)送到地面主機(jī)。 液壓支架電液控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程 20 世紀(jì) 70 年代中期，英國(guó)煤炭局首先提出研制電液控制液壓支架，最先將電液控制液壓支架用于長(zhǎng)壁工作面的是澳大利亞的科里曼爾煤礦， 由 74 架英國(guó)原道銻公司研制的四柱垛式液壓支架組成， 1981 年工作面投產(chǎn)，但技術(shù)尚不夠完善。 1983年底英國(guó)原道銻公司又為美國(guó)坎塞爾煤礦制造了兩按鈕式微機(jī)控制液壓支架， 1984 年投產(chǎn)。 1995年底英國(guó)原道銻公司又研制出全工作面集中電液控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，德國(guó)于 1986 年研制出 PanzermaticS5支架電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是具有靈活的編程能力，采用專門的 CPU 處理機(jī)和性能較高的、能耗較低的 MCS80C單片機(jī)，操作面板采用全塑密封、輕觸按鍵、 LCD參數(shù)、故障顯示。 1987 年德國(guó)威斯特伐利亞公 司又研制 PM2電控系統(tǒng)，其基本功能與 PS5系統(tǒng)類似，但采用了五行十列的寄存器組和 16位字符顯示器來進(jìn)行支架運(yùn)行參數(shù)的顯示和輔助功能的置入，并可通過操作面板的 4個(gè)功能鍵隨意顯示支架參數(shù)或調(diào)用輔助功能，其輔助功能可通過面板上的另 2 個(gè)功能鍵任意置入或刪除。 20 世紀(jì) 90年代威斯特伐利亞 — 貝考瑞特公司研制出更為先進(jìn)的 PM3和 PM4 電液控制系統(tǒng)。美國(guó)發(fā)展電液控制液壓支架雖然起步較晚，但發(fā)展研究速度很快，目前其技術(shù)水平已領(lǐng)先于世界。液壓支架采用電液控制技術(shù)，到 20 世紀(jì) 80年代中期已趨于成熟，應(yīng)用功能不斷擴(kuò)大，對(duì)礦 井煤層地質(zhì)條件的適用性不斷增強(qiáng)，工作可靠性大幅度提高，因而發(fā)展十分迅速，已成為綜采工作面支護(hù)設(shè)備的主要發(fā)展方向。 目前世界先進(jìn)國(guó)家的液壓支架已廣泛采用電液控制系統(tǒng)。例如美國(guó)使用電液控制的 4 比例已接近 100%，澳大利亞、南非占 60%左右，德國(guó)占 30%，而且這些國(guó)家新裝備的工作面的液壓支架幾乎全部采用電液控制。電液控制技術(shù)經(jīng)過 20多年的發(fā)展，采用了電磁鐵或微電機(jī)控制的先導(dǎo)閥、先進(jìn)可靠的壓力和位移傳感器、靈活自由編程的微處理技術(shù)、總線數(shù)據(jù)通訊等高新技術(shù)，在國(guó)外已漸趨成熟。 國(guó)內(nèi)雖取得了一些進(jìn)步，然而液壓支架及其液控 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、液壓支架電液控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面的研究起步較晚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于一些先進(jìn)國(guó)家。尤其對(duì)液壓支架電液控制系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究投入較少，存在問題最為突出，成為制約液壓支架發(fā)展的主要因素。 近年來我國(guó)神華集團(tuán)神東公司、晉城煤業(yè)集團(tuán)分別引進(jìn)了德國(guó) DBT 公司、美國(guó) JOY公司多套大采高自動(dòng)化工作面成套設(shè)備。經(jīng)過使用證明 ,引進(jìn)設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、效率高、壽命長(zhǎng)。當(dāng)前國(guó)際上主流的液壓支架電液控制系統(tǒng)主要有：德國(guó) DBT 公司的PM4 型、德國(guó) MARCO 公司的 PM31型、 JOY 公司的 RS20 型 3種，這 3 種系統(tǒng) 占總數(shù)的 90%以上。 液壓支架電液系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 1）可以使液壓支架的基本動(dòng)作必要時(shí)也包括輔助動(dòng)作自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行 , 還可使成組支架實(shí)現(xiàn)依次順序動(dòng)作 , 大大加快了支護(hù)的速度和效率。根據(jù)目前的技術(shù)水平 , 直接手動(dòng)控制的液壓系統(tǒng)一般平均每架移設(shè)時(shí)間大約為 2025s, 而電液控制系統(tǒng)配以合理的供液系統(tǒng)等可使移架速度縮短到 10s左右 , 據(jù)介紹最快的可達(dá) 6s 左右， 可以提高 13倍 。 2） 電液 控制系統(tǒng)都設(shè)有初撐保證裝置 , 大大提高了支架的實(shí)際初撐力 , 而且由于移架速度 快 , 能及時(shí)伸出前探梁等 , 減少了支護(hù)滯后 , 縮短了梁端距 , 從而可以明顯地改善支架的支護(hù)效果。 3)由于在支架之間只有電訊號(hào)的傳輸 , 易于實(shí)現(xiàn)雙向鄰架和成組或遠(yuǎn)距離操作 , 尤其是在薄煤層、急傾斜煤層工作面更可大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度 , 改善工作條件 , 保證安全 , 還可防止誤動(dòng)作 ,增加工作可靠性。 4）最新電液控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支架工作狀態(tài)的監(jiān)控 , 并在中央集中控制臺(tái)上顯示 , 使工作面的支護(hù)狀態(tài)一目了然 , 增加了 透明度代。這不僅可以 及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除支架 5 本身的故障 , 而且對(duì)整個(gè)工作面的頂板管理也是十分重要的。 5） 與采煤機(jī)和輸送機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)配合聯(lián)動(dòng)之后 , 可進(jìn)一步發(fā)展成為無人操作的半全自動(dòng)化采煤工作面 , 綜采面設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)都可以傳輸?shù)较锏篮偷孛娴牡V井中央控制室 , 便于實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井的自動(dòng)化。 我 國(guó)液壓支架電液控制系統(tǒng)的攻關(guān)難點(diǎn) 德國(guó)、美國(guó)、波蘭等國(guó)家的液壓支架電液控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，我國(guó)無論從理論上還是從當(dāng)前技術(shù)水準(zhǔn)上來說，開發(fā)電液控制系統(tǒng)是完全可行的。從我國(guó)研發(fā)電液控制系統(tǒng)的歷程來看，幾家科研單位研發(fā)的控制系統(tǒng)在地面試驗(yàn)可以正常工作，在井下試驗(yàn)卻不正常，主要原因是煤礦井下環(huán)境惡劣，粉塵大，干擾 信號(hào)強(qiáng)，國(guó)產(chǎn)控制器的抗干擾能力差，可靠性不夠高。此外，國(guó)產(chǎn)的電液控制閥在性能上與國(guó)外相比也存在較大差距，主要表現(xiàn)在使用壽命、可靠性和制造精度上。目前我國(guó)科研單位攻關(guān)重點(diǎn)就是支架控制器的可靠性和電液閥的性能，只要能得以改善，國(guó)產(chǎn)液壓支架電液控制系統(tǒng)的工業(yè)化實(shí)現(xiàn)將為期不遠(yuǎn)。 液壓支架用電磁先導(dǎo)閥的概述及其存在的問題 電磁先導(dǎo)閥的概述 電磁先導(dǎo)閥是電液控制系統(tǒng)的核心控制元件，其主要作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換放大為液壓控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多功能換向閥的控制。由電磁鐵和先導(dǎo)閥 2部分組成，電磁鐵的吸合與斷開帶 動(dòng)先導(dǎo)閥的開啟與關(guān)閉，在程序的控制下，實(shí)現(xiàn)控制液壓支架的相關(guān)動(dòng)作。由于受液壓支架電液控制系統(tǒng)和本質(zhì)安全型條件的約束，其主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)體現(xiàn)在小功率 (小于 1． 5 w)驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)高水基介質(zhì)高壓閥的可靠密封、動(dòng)作靈活、響應(yīng)及時(shí)和耐久性高。先導(dǎo)閥設(shè)計(jì)采用硬密封和兩端負(fù)載平衡結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和高耐久性要求。 電磁先導(dǎo)閥存在的問題 在不增大電磁先導(dǎo)閥外形尺寸的前提下，提高閥的通流能力 和換向性能，減少壓力 6 損失和電磁鐵的消耗功率，以及節(jié)能、小型化等 一直是各大電磁閥生產(chǎn)廠家要解決的主要技術(shù)問題。 電磁先導(dǎo)閥存在的問題主要表現(xiàn)在： 1） 在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中照抄照搬國(guó)外參數(shù)，造成設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，不匹配的現(xiàn)狀。 2） 設(shè)計(jì)存在不確定性，電磁先導(dǎo)閥整體的可靠性指標(biāo)較低，對(duì)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)重視程度不高。 3） 電磁鐵的性能和可靠性方面有較大差距，從技術(shù)上來說還處于起步階段。 4） 受基礎(chǔ)工業(yè)水平的制約 ,元件的可靠性、材料、加工水平存在較大差距。 選題的目的與意義 20 世紀(jì)是流體傳動(dòng)與控制技術(shù)逐步走向成熟的時(shí)代。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，它不僅可以充當(dāng)一種傳動(dòng)方式，而且可以作為一種控制手段，充當(dāng)了連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和 大功率控制對(duì)象之間的橋梁，成為現(xiàn)代控制工程中不可缺少的重要技術(shù)手段。能量轉(zhuǎn)換、動(dòng)力傳動(dòng)以及傳動(dòng)控制依然是 21世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，流體傳動(dòng)與控制技術(shù)也依然是其中極為重要和積極的角色。 液壓系統(tǒng)中，用各種液壓閥來控制流體的流動(dòng)方向、壓力、流量等，閥的工作性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能有直接的影響。 而本課題研究的電磁先導(dǎo)閥在液壓支架電液控制系統(tǒng)占有重要的地位，因此深入了解電磁先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)具有重要的意義。 1）對(duì)比平面密封先導(dǎo)閥、錐面密封先導(dǎo)閥和球面密封先導(dǎo)閥的優(yōu)缺點(diǎn)，確定最后所 用的方案 。 2） 根據(jù)電磁先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立電磁先導(dǎo)閥的數(shù)學(xué)模型，分析電磁先導(dǎo)閥受到的各種阻力， 它包括慣性力、摩擦力、彈簧力和液動(dòng)力等 。 3）根據(jù)所給的初始數(shù)據(jù)以及先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行電磁鐵的設(shè)計(jì)與計(jì)算。 4）電磁先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 7 第二章 總體方案的設(shè)計(jì) 液壓控制閥在液壓系統(tǒng)中被用來控制液流的壓力和方向，保證執(zhí)行元件按照負(fù)載的需求進(jìn)行工作。液壓閥的種類繁多，即使同一種閥，因應(yīng)運(yùn)場(chǎng)合不同，用途也有差異。而本論文研究的是電液換向閥，而根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為滑閥、錐 閥和球閥。 而液壓閥的設(shè)計(jì)要遵循一定得基本要求，其性能參數(shù)的差異在一定程度上對(duì)液壓閥起到至關(guān)重要的作用。 液壓閥的基本知識(shí) 液壓閥的性能參數(shù) 1）公稱通徑 公稱通徑代表閥的通流能力大小，對(duì)應(yīng)于閥的額定流量。與閥的進(jìn)出油口連接的油管的規(guī)格應(yīng)與閥的通徑相一致。閥工作時(shí)的實(shí)際流量應(yīng)小于或等于它的額定流量，最大不得大于額定流量的 。 2）額定壓力 液壓控制閥長(zhǎng)期工作所允許的最高壓力。對(duì)壓力控制閥，實(shí)際最高壓力有時(shí)還與閥的調(diào)壓范圍有關(guān)；對(duì)換向閥，實(shí)際最高壓力還可以受其功率極限的限制。 對(duì)液壓閥的基本要求 1）動(dòng)作靈敏、使用可靠、工作時(shí)沖擊和振動(dòng)要小，噪聲要低。 2）閥口開啟時(shí)，作為換向閥，液流的壓力損失要??；作為壓力閥，閥芯工作地穩(wěn)定性要好。 3）所控制的參量（壓力或流量）穩(wěn)定，受外干擾時(shí)變化量要少。 4）結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、調(diào)試 、維護(hù)方便，通用性好。 換向閥的 性 能 1）換向可靠性 8 換向閥的換向可靠性包括兩個(gè)方面：換向信號(hào)發(fā)出后，閥芯能靈敏地移到預(yù)定的工作位置；換向信號(hào)撤出后，閥芯能在彈簧力的作用下 自動(dòng)恢復(fù)到常位。 換向閥換向需要克服的阻力包括摩擦力（主要是液壓卡緊力）、液動(dòng) 力和彈簧力。其中摩擦力與壓力有關(guān)，液動(dòng)力除與壓力、通流量有關(guān)外，還與閥的機(jī)能有關(guān)。同一通徑的電磁換向閥，機(jī)能不同，可靠換向的壓力和流量范圍不同。一般用工作性能極限曲線表示。 2）壓力損失 換向閥的壓力損失包括閥口壓力損失和流道壓力損失。當(dāng)閥體采用鑄造流道，流道形狀 接近于流線時(shí)，流道壓力損失可降到很小。 對(duì)電磁換向閥，因電磁鐵行程較小，因此閥口開度僅 ，閥口流速較高，閥口壓力損失較大。 換向閥 壓力損失除與通流量有關(guān)外，還與閥的機(jī)能、閥口流動(dòng)方向有關(guān)，一般限定額定流量 Q，下壓力損失不超過一定得值 。 3）內(nèi)泄漏量 滑閥式換向閥為間隙密封，內(nèi)漏不可避免。一般應(yīng)盡可能減小閥芯與閥體空的徑向間隙，并保證其同心，同