【正文】 ......................................................................................42 附錄 1 第一章 緒論 煤炭是我國的主要能源，在國民經(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。煤炭是支持我國能源供應(yīng)的國內(nèi)重要品種。根據(jù)我國社會發(fā)展的需求．要把我國建設(shè)為“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”的社會，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 新時期我國煤炭工業(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化程度達(dá)到一個新水平，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，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)用是衡量一個國家工業(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、減輕工人勞動強(qiáng)度、改善了勞動環(huán)境， 便于實(shí)現(xiàn)支架的工況監(jiān)測和工作面的自動化控制 。 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電磁先導(dǎo)閥發(fā)出電信號，控制先導(dǎo)閥的 動作。電磁先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換，并通過主閥控制各油缸的動作 ?？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液壓支架的立柱壓力、移架步距和平衡傾角，并將檢測數(shù)據(jù)報送到控制器中，控制器通過判斷這些反饋信息 決定支架控制的動作，實(shí)現(xiàn)支架動作的自動控制。支架電液控制系統(tǒng)中每 4個控制器構(gòu)成一個信息子網(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壁工作面的是澳大利亞的科里曼爾煤礦， 由 74 架英國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年底英國原道銻公司又為美國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)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，德國于 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)國家的液壓支架已廣泛采用電液控制系統(tǒng)。例如美國使用電液控制的 4 比例已接近 100%，澳大利亞、南非占 60%左右，德國占 30%，而且這些國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)，在國外已漸趨成熟。 國內(nèi)雖取得了一些進(jìn)步，然而液壓支架及其液控 系統(tǒng)動態(tài)特性、液壓支架電液控制技術(shù)和計算機(jī)輔助設(shè)計等方面的研究起步較晚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于一些先進(jìn)國家。尤其對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 DBT 公司、美國 JOY公司多套大采高自動化工作面成套設(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。當(dāng)前國際上主流的液壓支架電液控制系統(tǒng)主要有：德國 DBT 公司的PM4 型、德國 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作必要時也包括輔助動作自動連續(xù)地進(jìn)行 , 還可使成組支架實(shí)現(xiàn)依次順序動作 , 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 , 直接手動控制的液壓系統(tǒng)一般平均每架移設(shè)時間大約為 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強(qiáng)度 , 改善工作條件 , 保證安全 , 還可防止誤動作 ,增加工作可靠性。 4）最新電液控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對支架工作狀態(tài)的監(jiān)控 , 并在中央集中控制臺上顯示 , 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 及時發(fā)現(xiàn)和排除支架 5 本身的故障 , 而且對整個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)自動控制系統(tǒng)配合聯(lián)動之后 , 可進(jìn)一步發(fā)展成為無人操作的半全自動化采煤工作面 , 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)整個礦井的自動化。 我 國液壓支架電液控制系統(tǒng)的攻關(guān)難點(diǎn) 德國、美國、波蘭等國家的液壓支架電液控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，我國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 信號強(qiáng)，國產(chǎn)控制器的抗干擾能力差，可靠性不夠高。此外，國產(chǎn)的電液控制閥在性能上與國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轉(zhuǎn)換放大為液壓控制信號，從而實(shí)現(xiàn)對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)計難點(diǎn)體現(xiàn)在小功率 (小于 1． 5 w)驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)高水基介質(zhì)高壓閥的可靠密封、動作靈活、響應(yīng)及時和耐久性高。先導(dǎo)閥設(shè)計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)計中照抄照搬國外參數(shù)，造成設(shè)計參數(shù)不合理，不匹配的現(xiàn)狀。 2） 設(shè)計存在不確定性，電磁先導(dǎo)閥整體的可靠性指標(biāo)較低，對動態(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)是流體傳動與控制技術(shù)逐步走向成熟的時代。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、動力傳動以及傳動控制依然是 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方向、壓力、流量等，閥的工作性能對整個系統(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)計與計算。 4）電磁先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 7 第二章 總體方案的設(shè)計 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液壓閥起到至關(guān)重要的作用。 液壓閥的基本知識 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 液壓控制閥長期工作所允許的最高壓力。對壓力控制閥，實(shí)際最高壓力有時還與閥的調(diào)壓范圍有關(guān)；對換向閥，實(shí)際最高壓力還可以受其功率極限的限制。 對液壓閥的基本要求 1）動作靈敏、使用可靠、工作時沖擊和振動要小，噪聲要低。 2）閥口開啟時，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方面：換向信號發(fā)出后，閥芯能靈敏地移到預(yù)定的工作位置；換向信號撤出后，閥芯能在彈簧力的作用下 自動恢復(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 力和彈簧力。其中摩擦力與壓力有關(guān)，液動力除與壓力、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，流道壓力損失可降到很小。 對電磁換向閥，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