【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 究和開(kāi)發(fā)上。 他們從電磁閥組的結(jié)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 構(gòu)工藝著手，對(duì)先導(dǎo)閥壓力損失和泄漏及其驅(qū)動(dòng)元件等方面的問(wèn)題都進(jìn)行了大量而細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)，還應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)先導(dǎo)閥內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究。特別是德國(guó)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(zhǎng)期的研究中，這些國(guó)家積累了大量的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)，對(duì)液壓支架的研究起步相對(duì)國(guó)外要晚，而對(duì)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(gè)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(jiàn)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(duì)國(guó)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(diǎn)進(jìn)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(duì) XF— l 型礦用電磁先導(dǎo)閥可靠性進(jìn)行了研究分析；吳國(guó)強(qiáng)等人對(duì)液壓支架電液自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理及控制進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化研究。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及數(shù)值計(jì)算技術(shù)研究的不斷深入，使得對(duì)于幾乎一切流體力學(xué)問(wèn)題，包括液壓技術(shù)中的流體力學(xué)問(wèn)題的研究成為可能。 1993 年底歐共體撤消了 CFD 軟件對(duì)中國(guó)出口的禁令，商業(yè) CFD 軟件逐漸進(jìn)入我國(guó)，這在一定程度上促進(jìn)了我國(guó)工業(yè)界 CFD 技術(shù)的應(yīng)用推廣。國(guó)內(nèi)高校及相關(guān)企業(yè)開(kāi)始利用計(jì)算流體力學(xué) 軟件對(duì)液壓支架電磁閥的各種復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究，分析了閥道流場(chǎng)分布、氣蝕產(chǎn)生現(xiàn)象及壓力損失等基礎(chǔ)性問(wèn)題。如天地科技瑪珂電液控制有限公司利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent 對(duì)電磁先導(dǎo)閥進(jìn)行了流場(chǎng)計(jì)算、流量特性預(yù)測(cè)的數(shù)值計(jì)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(dòng)狀態(tài)及閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的情況。通過(guò)這些研究加深了國(guó)內(nèi)對(duì)液壓支架用電磁閥的設(shè)計(jì)理論的理解。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 本課題的研究背景及意義 煤炭是我國(guó)的主要能源，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不可缺少的物 質(zhì)基礎(chǔ)。我國(guó)煤炭資源豐富，煤炭資源分布面積約 60多萬(wàn)平方公里，占國(guó)土面積的6％。根據(jù)第三次全國(guó)煤炭資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，全國(guó)煤炭資源總量 5． 57 萬(wàn)億噸，煤炭資源潛力巨大，煤炭資源總量居世界第一。國(guó)務(wù)院制訂的《能源中長(zhǎng)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(jiān)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(guó)“多煤、貧油、少氣 (天然氣 )”的特點(diǎn)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(guó)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(jì)劃，國(guó)家將建成 140 個(gè)高效安全的現(xiàn)代化礦井，國(guó)家將加大對(duì)煤礦建設(shè)項(xiàng)目的支持力度，已先后有 17個(gè)煤炭建設(shè)項(xiàng)目，由國(guó)家開(kāi)發(fā)銀行出具貸款承諾，還將 100 多個(gè)高檔普采工作面升為綜采工作面， 100 多個(gè)普采工作面升為高檔普采工作面。這樣，中國(guó)大型煤礦采掘機(jī)械化程度將達(dá)到 95％，中型煤礦的機(jī)械化程度將達(dá)到 80％以上；大型煤礦國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平裝備率將達(dá)到20％，國(guó)際先進(jìn)水平裝備率將達(dá)到 6％；中型煤礦國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平裝備率將達(dá)到 10％；小型煤礦機(jī)械化、半機(jī)械化程度將達(dá) 30％以上。據(jù)此分析，隨著煤炭需求的急劇 增長(zhǎng)，上述煤礦采掘機(jī)械化指標(biāo)還會(huì)有所突破，這為液壓支架的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)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(guó)外少數(shù)幾個(gè)大公司手中，如德國(guó) DBT 公司 PM MARCO 公司 PM3美國(guó) JOY 公司 RS20。進(jìn)口電液控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，維護(hù)維修成本高，配件供應(yīng)周期長(zhǎng)，導(dǎo)致液壓支架成本的急劇增加。目前，中國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦的綜采工作面數(shù)已逾數(shù)百個(gè)，全部靠進(jìn)口國(guó)外的整套系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，這嚴(yán)重限制了液壓支架電本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 液控制技術(shù)在煤礦開(kāi)采中的推廣。因而，為了實(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)產(chǎn)化力度，降低液壓支架成本，為煤礦開(kāi)采機(jī)械化打下基礎(chǔ)。 應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(dòng)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(dòng)作按計(jì)算機(jī)相對(duì)應(yīng)的指令運(yùn)行，這一新技術(shù)的應(yīng)用，配合液壓支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)之間的約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化采煤工作面的高產(chǎn)、高效、安全、全自動(dòng)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(shí)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(lái)，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(jì)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(jì)將先導(dǎo)閥的控制口油路由原來(lái)的斜路改為直路，這也是本設(shè)計(jì)的主要改進(jìn)之處；同時(shí)，由于控制口的變化帶動(dòng)了控制口，進(jìn)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(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 通過(guò)對(duì)液壓支架電液控制系統(tǒng)電液先導(dǎo)閥的設(shè)計(jì)，了解其相關(guān)原理和制作工藝及優(yōu)缺點(diǎn)，為我國(guó)的電液控制技術(shù)的發(fā)展做出微薄的貢獻(xiàn)。 本章小結(jié) （ 1） 介紹了國(guó)內(nèi)外支架電液控制系統(tǒng)的發(fā)展情況及對(duì)電液控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(jì)（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(diǎn) 液壓支架電液控制系統(tǒng)是微電子計(jì)算 機(jī)和液壓控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品 它是綜采工作面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，它和手動(dòng)控制系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點(diǎn)。 （ 1）系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程序控制， 操作人員可以根據(jù)采煤機(jī)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(shí)也降低了粉塵對(duì)身體的危害。 （ 2）大幅度提高了支架的推移速度，目前國(guó)內(nèi)液壓支架普遍采用手動(dòng)控制，其推移速度除受系統(tǒng)流量和液壓元件過(guò)流能力的限制外，工人在架間的移動(dòng)速度也對(duì)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(guò)壓力傳感器 反饋信號(hào)或通過(guò)延長(zhǎng)控制電磁先導(dǎo)閥的供電時(shí)間來(lái)實(shí)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(shí)間，提高了支護(hù)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(guò)程中，易于實(shí)現(xiàn)帶壓移架，減少了工作面頂板對(duì)液壓支架產(chǎn)生頻繁的沖擊載荷，保護(hù)頂板圍巖的穩(wěn)定，延長(zhǎng)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(hù)效果，并且使刮板輸送機(jī)和整個(gè)工作面直線性好，采煤機(jī)截深準(zhǔn)確，改善了刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的工況，另外多架同時(shí)推溜，使刮板輸送機(jī)緩慢彎曲，避免溜槽連接處產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力。 （ 6）靈活選擇多種控制方式，對(duì)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(jì)（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(hù)滯后時(shí)間，避免了頂板局部破碎。 （ 8）電液控制系統(tǒng)可與采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)配合聯(lián)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化綜采工作面支架與采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)较锏乐兄骺刂婆_(tái)和地面中央控制中心，便于實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井自動(dòng)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(tái)、支架控制箱、液電信號(hào)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(jiàn)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(jì)（論文） 11 通過(guò)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(hào)，使鄰架上對(duì)應(yīng)的電磁鐵或微電機(jī)動(dòng)作， 讓電信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓信號(hào)，控制主控閥開(kāi)啟， 向支架液壓缸供液， 實(shí)現(xiàn)鄰架支架相應(yīng)的動(dòng)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(hào)來(lái)決定支架的下一個(gè)動(dòng)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(dòng)架控箱的啟動(dòng)鍵， 發(fā)出一個(gè)指令， 鄰架就按預(yù)定程序動(dòng)作， 移架完成后自動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)給下一架控箱， 下一架開(kāi)始動(dòng)作。依此類推， 實(shí)現(xiàn)組內(nèi)支架的自動(dòng)控制。 C．全工作面自動(dòng)控制系統(tǒng)。功能完善的電液控制系統(tǒng)設(shè)有主控制臺(tái)、 紅外線裝置， 能實(shí)現(xiàn)支架與采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)的全工作面自動(dòng)化控制，其原理為B 每一支架上的架控箱均與主控制臺(tái)聯(lián)網(wǎng)， 當(dāng)支架紅外線接受裝置收到采煤機(jī)紅外線發(fā)射器發(fā)出的位置信號(hào)后，反饋給主控制臺(tái)， 主控制臺(tái)根據(jù)反饋信號(hào)發(fā)出指令， 使相應(yīng)的支架動(dòng)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(dòng)控制的要求 , 其系統(tǒng)主要功能要求如下 : (1) 單架單動(dòng)作雙向按鍵控制 , 操作者可以在工作面內(nèi)任一臺(tái)支架 SCU 上控制左、右鄰架每一個(gè)單獨(dú)動(dòng)作。 (2) 實(shí)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(shí)現(xiàn)全工作面雙向順序控制。 (4) 實(shí)現(xiàn)全工作面雙向順序成組控制。 (5) 故障時(shí)在任一架上使整個(gè)系統(tǒng)停止工作。 (6) 實(shí)現(xiàn)程序控制時(shí)各動(dòng)作由相應(yīng)傳感器反饋信 號(hào)控制 , 傳感器不本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 工作時(shí) , 各動(dòng)作由時(shí)間控制。 (7) 成組控制時(shí)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(shí) , 已移架立柱初撐力需達(dá)到 25MPa 時(shí)方可降下架立柱。 (9) 實(shí)現(xiàn)調(diào)齊支架和輸送機(jī)位置的全工作面調(diào)控功能。 (10) 擦頂移架時(shí) , 立柱下腔壓力可以調(diào)整。 (11) 實(shí)現(xiàn)移架和推輸送機(jī)的一次到位或多次到位定量推移 , 可通過(guò)推移千斤頂?shù)男谐叹幊潭鴮?shí)現(xiàn)采煤機(jī)斜切進(jìn)刀。 (12) 實(shí)現(xiàn)支架與采煤機(jī)聯(lián)動(dòng)的全工作面自動(dòng)控制。 (13) 電控程序可根據(jù)工作面 實(shí)際需要而隨時(shí)進(jìn)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(shí)間 8s。 (16) 各架上有故障報(bào)警信號(hào)、緊急停止按鈕、動(dòng)作顯示信號(hào)和充分、必要的安全功能及故障診斷功能。 我國(guó)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(diǎn) 近些年來(lái)國(guó)內(nèi)雖然對(duì)液壓支架的電液控制系統(tǒng)做了一些研究，但與國(guó)外比較除了在加工及材料方面的原因外，還存在以下幾個(gè)方面的差距： 國(guó)內(nèi)液壓支架閥類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路還處于國(guó)外二十世紀(jì) 80 年代水平，往往忽視了產(chǎn)品的維護(hù)維修性能，而國(guó)外 同類產(chǎn)品則帶有更多的人性化特點(diǎn)，考慮安裝、操作使的便利。 國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)手段還主要靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段利用很少，而電磁先導(dǎo)閥、大流量主閥等，對(duì)性能要求相對(duì)較高，且實(shí)驗(yàn)存在一定難度，本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 這就使得利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段對(duì)電磁閥進(jìn)行特性預(yù)測(cè)顯得尤為重要，而國(guó)外在這方面的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。 國(guó)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(dá)不到樣機(jī)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(jì)困難 , 機(jī)械化發(fā)展資金短缺 , 缺少市場(chǎng)刺激。 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(wú)論從理論上還是從當(dāng)前技術(shù)水準(zhǔn)上來(lái)說(shuō)，開(kāi)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(lái)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)。 對(duì)我國(guó)發(fā)展支架電液控制技術(shù)的建議 電磁閥組是實(shí)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(dòng)作。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)于電磁閥組的研究?jī)H限于其流場(chǎng)研究，缺少對(duì)整個(gè)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(wèn)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(wèn)題，因而，液壓本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 支架用電磁閥不 能簡(jiǎn)單的引用油壓閥的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，需要進(jìn)行更多的基礎(chǔ)性研究工作。 在過(guò)去，由于缺少相應(yīng)的研究手段，對(duì)國(guó)外引進(jìn)的產(chǎn)品只能照搬照抄，無(wú)法理解國(guó)外的產(chǎn)品