【文章內(nèi)容簡介】 究和開發(fā)上。 他們從電磁閥組的結(jié)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 構(gòu)工藝著手，對先導(dǎo)閥壓力損失和泄漏及其驅(qū)動元件等方面的問題都進行了大量而細致的實驗研究，同時，還應(yīng)用計算機對先導(dǎo)閥內(nèi)部的流場進行模擬研究。特別是德國一些公司相繼研制出一批高性能、高可靠度的電磁閥組。在長期的研究中，這些國家積累了大量的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗。在國內(nèi)，對液壓支架的研究起步相對國外要晚，而對其中的電磁閥組的研究則要更晚一些。這些研究主要是在煤炭科學(xué)研究總院各個專業(yè)研究所、骨干的支架制造廠及其一些液壓件廠中有見到。二十世紀(jì) 80 年代中期煤炭科學(xué)總院上海分院董信根、芮豐等對國外礦用 電磁先導(dǎo)閥的主要參數(shù)的確定和結(jié)構(gòu)特點進行了綜合分析； 1997 年煤炭科學(xué)研究總院太原分院田永順對 XF— l 型礦用電磁先導(dǎo)閥可靠性進行了研究分析；吳國強等人對液壓支架電液自動控制系統(tǒng)的工作原理及控制進行了國產(chǎn)化研究。 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及數(shù)值計算技術(shù)研究的不斷深入，使得對于幾乎一切流體力學(xué)問題，包括液壓技術(shù)中的流體力學(xué)問題的研究成為可能。 1993 年底歐共體撤消了 CFD 軟件對中國出口的禁令，商業(yè) CFD 軟件逐漸進入我國，這在一定程度上促進了我國工業(yè)界 CFD 技術(shù)的應(yīng)用推廣。國內(nèi)高校及相關(guān)企業(yè)開始利用計算流體力學(xué) 軟件對液壓支架電磁閥的各種復(fù)雜的流動現(xiàn)象進行數(shù)值計算研究，分析了閥道流場分布、氣蝕產(chǎn)生現(xiàn)象及壓力損失等基礎(chǔ)性問題。如天地科技瑪珂電液控制有限公司利用計算流體力學(xué)軟件 Fluent 對電磁先導(dǎo)閥進行了流場計算、流量特性預(yù)測的數(shù)值計算研究；太原理工大學(xué)王芳、廉自生等人利用 Fluent 標(biāo)準(zhǔn)紊流模型模擬了液壓支架系統(tǒng)中電磁先導(dǎo)閥流道內(nèi)流體的流動狀態(tài)及閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力的情況。通過這些研究加深了國內(nèi)對液壓支架用電磁閥的設(shè)計理論的理解。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 本課題的研究背景及意義 煤炭是我國的主要能源，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展不可缺少的物 質(zhì)基礎(chǔ)。我國煤炭資源豐富，煤炭資源分布面積約 60多萬平方公里，占國土面積的6％。根據(jù)第三次全國煤炭資源預(yù)測與評價，全國煤炭資源總量 5． 57 萬億噸，煤炭資源潛力巨大，煤炭資源總量居世界第一。國務(wù)院制訂的《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要 (2021． 2020)》 (草案 )指出“要大力調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，堅持以煤炭為主體，電力為中心，油氣和新能源全面發(fā)展的戰(zhàn)略”。鑒于我國“多煤、貧油、少氣 (天然氣 )”的特點，在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，能源結(jié)構(gòu)仍然以煤炭為主，煤炭在一次能源消耗中占 70％左右，在我國能源結(jié)構(gòu)上占主要地位，有舉足輕 重的作用。根據(jù)“十一五”計劃，國家將建成 140 個高效安全的現(xiàn)代化礦井，國家將加大對煤礦建設(shè)項目的支持力度，已先后有 17個煤炭建設(shè)項目，由國家開發(fā)銀行出具貸款承諾，還將 100 多個高檔普采工作面升為綜采工作面， 100 多個普采工作面升為高檔普采工作面。這樣，中國大型煤礦采掘機械化程度將達到 95％，中型煤礦的機械化程度將達到 80％以上；大型煤礦國內(nèi)先進水平裝備率將達到20％，國際先進水平裝備率將達到 6％；中型煤礦國內(nèi)先進水平裝備率將達到 10％；小型煤礦機械化、半機械化程度將達 30％以上。據(jù)此分析，隨著煤炭需求的急劇 增長，上述煤礦采掘機械化指標(biāo)還會有所突破，這為液壓支架的發(fā)展提供了廣闊的市場前景。 作為綜采液壓支架的核心 —— 電液控制系統(tǒng)一直掌握在國外少數(shù)幾個大公司手中，如德國 DBT 公司 PM MARCO 公司 PM3美國 JOY 公司 RS20。進口電液控制系統(tǒng)價格昂貴，維護維修成本高，配件供應(yīng)周期長，導(dǎo)致液壓支架成本的急劇增加。目前，中國國有重點煤礦的綜采工作面數(shù)已逾數(shù)百個，全部靠進口國外的整套系統(tǒng)是不現(xiàn)實的，這嚴(yán)重限制了液壓支架電本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 液控制技術(shù)在煤礦開采中的推廣。因而，為了實現(xiàn)國家提出在“十一五”期間的目標(biāo)，必須加大液壓支架 電液控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化力度，降低液壓支架成本，為煤礦開采機械化打下基礎(chǔ)。 應(yīng)用計算機技術(shù)與電磁液壓閥組，組成煤礦井下液壓支架電液控制系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的液壓支架手動操縱液壓閥控制，使液壓支架的操作靈活、快捷。這種全新的電液控制系統(tǒng)將支架的全部動作按計算機相對應(yīng)的指令運行，這一新技術(shù)的應(yīng)用，配合液壓支架與采煤機、刮板輸送機之間的約束關(guān)系，實現(xiàn)了綜合機械化采煤工作面的高產(chǎn)、高效、安全、全自動化生產(chǎn)。 電液控制系統(tǒng)的發(fā)展是與控制策略的最新發(fā)展密切相關(guān)的。由于電液控制系統(tǒng)往往是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，嚴(yán)格意義上講還是時變的。為 了獲得高精度、高響應(yīng)、高可靠性以及好的魯棒性，必須有與之相適應(yīng)的控制策略。多年來，從傳統(tǒng)的 PID 控制、自適應(yīng)控制，到變結(jié)構(gòu)控制、魯捧控制、智能控制，諸多新穎的控制手段得到了不斷發(fā)展和完善，為電液控制系統(tǒng)在各領(lǐng)域的不斷推廣使用奠定了基礎(chǔ)。 本論文研究主要工作 本文主要研究設(shè)計了液壓支架電液控制系統(tǒng)電液先導(dǎo)閥（兩位三通），考慮到以前的先導(dǎo)閥控制口油路加工不方便，本設(shè)計將先導(dǎo)閥的控制口油路由原來的斜路改為直路，這也是本設(shè)計的主要改進之處；同時，由于控制口的變化帶動了控制口，進油口，回油口的位置分布變化， 從而大大優(yōu)化了控制閥整體的結(jié)構(gòu)；對電磁先導(dǎo)閥內(nèi)部的電磁鐵及復(fù)位彈簧，根據(jù)工作需要進行設(shè)計計算。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 通過對液壓支架電液控制系統(tǒng)電液先導(dǎo)閥的設(shè)計，了解其相關(guān)原理和制作工藝及優(yōu)缺點，為我國的電液控制技術(shù)的發(fā)展做出微薄的貢獻。 本章小結(jié) （ 1） 介紹了國內(nèi)外支架電液控制系統(tǒng)的發(fā)展情況及對電液控制技術(shù)發(fā)展趨勢進行展望。 （ 2） 介紹了課題研究的背景及意義。 （ 3） 介紹了本論文的主要工作。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 2 液壓支架電液控制系統(tǒng) 液壓支架電液控制系統(tǒng)的特點 液壓支架電液控制系統(tǒng)是微電子計算 機和液壓控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機電一體化的高科技產(chǎn)品 它是綜采工作面實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)，它和手動控制系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點。 （ 1）系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程程序控制， 操作人員可以根據(jù)采煤機的割煤方向選擇最佳的位置，避免了操作人員的傷亡事故，同時也降低了粉塵對身體的危害。 （ 2）大幅度提高了支架的推移速度，目前國內(nèi)液壓支架普遍采用手動控制，其推移速度除受系統(tǒng)流量和液壓元件過流能力的限制外，工人在架間的移動速度也對其有直接的影響，這種影響在薄煤層中顯得尤為突出。 （ 3）保證液壓支架額定初撐力，電液控制系統(tǒng)可以通過壓力傳感器 反饋信號或通過延長控制電磁先導(dǎo)閥的供電時間來實現(xiàn)支架初撐力自保，保證額定初撐力，減少了立柱的增阻所需時間，提高了支護效率，而且全工作面支架初撐力均勻一致，改善了頂板的管理。 （ 4）采用電液控制系統(tǒng)，在移架過程中，易于實現(xiàn)帶壓移架，減少了工作面頂板對液壓支架產(chǎn)生頻繁的沖擊載荷，保護頂板圍巖的穩(wěn)定，延長液壓支架的使用壽命。 （ 5）移架步距準(zhǔn)確，切頂線整齊，改善了支護效果，并且使刮板輸送機和整個工作面直線性好，采煤機截深準(zhǔn)確，改善了刮板輸送機和采煤機的工況，另外多架同時推溜，使刮板輸送機緩慢彎曲，避免溜槽連接處產(chǎn)生過大的應(yīng)力。 （ 6）靈活選擇多種控制方式，對各種困難的地質(zhì)條件和局部特殊地質(zhì)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 構(gòu)造都能適用，特別是適用于薄煤層和急傾斜煤層工作面。 （ 7）減少支護滯后時間，避免了頂板局部破碎。 （ 8）電液控制系統(tǒng)可與采煤機和刮板輸送機的自動控制系統(tǒng)配合聯(lián)動， 實現(xiàn)全自動化綜采工作面支架與采煤機的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)较锏乐兄骺刂婆_和地面中央控制中心，便于實現(xiàn)整個礦井自動化管理 。 液壓支架電液控制系統(tǒng)的組成 圖 支架電液控制系統(tǒng)組成 支架電液控制系統(tǒng)組成如圖 所示。它主要由電源、主控制臺、支架控制箱、液電信號轉(zhuǎn)換元件 (壓力、位移傳感器等 ) 、電液控制閥組、液壓系統(tǒng)等組成。下面介紹三種常見的控制系統(tǒng)： A．雙向鄰架控制系統(tǒng)。綜采工作面每一支架都配有架控箱， 操作者本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 通過支架架控箱選擇鄰架控制方式， 然后根據(jù)指令發(fā)出相應(yīng)控制命令，即給出電信號，使鄰架上對應(yīng)的電磁鐵或微電機動作， 讓電信號轉(zhuǎn)化為液壓信號，控制主控閥開啟， 向支架液壓缸供液， 實現(xiàn)鄰架支架相應(yīng)的動作。 支架工作狀態(tài)由位移傳感器和壓力傳感器反饋回架控箱， 架控箱再根據(jù)傳感器反 饋信號來決定支架的下一個動作。 B．雙向成組控制系統(tǒng)。將工作面的支架編為若干組， 在本組內(nèi)首架上由操作人員按動架控箱的啟動鍵， 發(fā)出一個指令， 鄰架就按預(yù)定程序動作， 移架完成后自動發(fā)出控制信號給下一架控箱， 下一架開始動作。依此類推， 實現(xiàn)組內(nèi)支架的自動控制。 C．全工作面自動控制系統(tǒng)。功能完善的電液控制系統(tǒng)設(shè)有主控制臺、 紅外線裝置， 能實現(xiàn)支架與采煤機聯(lián)動的全工作面自動化控制，其原理為B 每一支架上的架控箱均與主控制臺聯(lián)網(wǎng)， 當(dāng)支架紅外線接受裝置收到采煤機紅外線發(fā)射器發(fā)出的位置信號后，反饋給主控制臺， 主控制臺根據(jù)反饋信號發(fā)出指令， 使相應(yīng)的支架動作。 支架電液控制系統(tǒng)的功能和要求 支架電液控制系統(tǒng)必須滿足工作面安全操作和自動控制的要求 , 其系統(tǒng)主要功能要求如下 : (1) 單架單動作雙向按鍵控制 , 操作者可以在工作面內(nèi)任一臺支架 SCU 上控制左、右鄰架每一個單獨動作。 (2) 實現(xiàn)支架的降柱 2移架 2升柱雙向鄰架擦頂程序控制。 (3) 實現(xiàn)全工作面雙向順序控制。 (4) 實現(xiàn)全工作面雙向順序成組控制。 (5) 故障時在任一架上使整個系統(tǒng)停止工作。 (6) 實現(xiàn)程序控制時各動作由相應(yīng)傳感器反饋信 號控制 , 傳感器不本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 工作時 , 各動作由時間控制。 (7) 成組控制時每組架數(shù)可以按需要調(diào)整 , 一般最多 15 架 , 最少 1架。 (8) 順序或成組控制時 , 已移架立柱初撐力需達到 25MPa 時方可降下架立柱。 (9) 實現(xiàn)調(diào)齊支架和輸送機位置的全工作面調(diào)控功能。 (10) 擦頂移架時 , 立柱下腔壓力可以調(diào)整。 (11) 實現(xiàn)移架和推輸送機的一次到位或多次到位定量推移 , 可通過推移千斤頂?shù)男谐叹幊潭鴮崿F(xiàn)采煤機斜切進刀。 (12) 實現(xiàn)支架與采煤機聯(lián)動的全工作面自動控制。 (13) 電控程序可根據(jù)工作面 實際需要而隨時進行調(diào)整。 (14) 有查詢、顯示支架主要參數(shù)和信息傳輸?shù)墓δ堋? (15) 完成一架的降、移、升總時間 8s。 (16) 各架上有故障報警信號、緊急停止按鈕、動作顯示信號和充分、必要的安全功能及故障診斷功能。 我國液壓支架電液控制系統(tǒng)發(fā)展緩慢的原因及攻關(guān)難點 近些年來國內(nèi)雖然對液壓支架的電液控制系統(tǒng)做了一些研究，但與國外比較除了在加工及材料方面的原因外，還存在以下幾個方面的差距： 國內(nèi)液壓支架閥類產(chǎn)品的設(shè)計思路還處于國外二十世紀(jì) 80 年代水平，往往忽視了產(chǎn)品的維護維修性能，而國外 同類產(chǎn)品則帶有更多的人性化特點，考慮安裝、操作使的便利。 國內(nèi)設(shè)計手段還主要靠經(jīng)驗設(shè)計，對現(xiàn)代設(shè)計手段利用很少，而電磁先導(dǎo)閥、大流量主閥等，對性能要求相對較高，且實驗存在一定難度，本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 這就使得利用現(xiàn)代設(shè)計手段對電磁閥進行特性預(yù)測顯得尤為重要，而國外在這方面的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。 國內(nèi)管理水平較低，成批生產(chǎn)產(chǎn)品保證不了加工質(zhì)量，達不到樣機的指標(biāo)，因此工作面使用故障多，發(fā)揮不了應(yīng)有的作用。 攻關(guān)組織不得力 , 力量和資金投入分散 ,低水平重復(fù)。 煤礦經(jīng)濟困難 , 機械化發(fā)展資金短缺 , 缺少市場刺激。 我國液壓支架電液控制系統(tǒng)的攻關(guān)難點：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)在地面試驗可以正常工作，在井下試驗卻不正常，主要原因是煤礦井下環(huán)境惡劣，粉塵大，干擾信號強，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)化實現(xiàn)將為期不遠。 對我國發(fā)展支架電液控制技術(shù)的建議 電磁閥組是實現(xiàn)液壓支架電液控制的關(guān)鍵元件，電磁閥的性能好壞決定了電液控制系統(tǒng)的能否正常動作。然而，國內(nèi)對于電磁閥組的研究僅限于其流場研究，缺少對整個液壓支架電磁閥組系統(tǒng)全面的特性研究。液壓支架電液控制系統(tǒng)基礎(chǔ)原理，核心技術(shù)，研發(fā)工藝等問題仍未解決。由于液壓支架采用乳化液作為工作介質(zhì)，它是由 95％的水與 5％的乳化油配成，其物理特性接近于水，電磁閥更容易產(chǎn)生氣穴、銹蝕等問題，因而，液壓本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 支架用電磁閥不 能簡單的引用油壓閥的設(shè)計準(zhǔn)則，需要進行更多的基礎(chǔ)性研究工作。 在過去，由于缺少相應(yīng)的研究手段，對國外引進的產(chǎn)品只能照搬照抄，無法理解國外的產(chǎn)品