【文章內(nèi)容簡介】 、體積小、分辨率高，便于安裝在很小的地方。對周圍環(huán)境器件影響小，也利于微型儀器、儀表的配套使用。如美國的 Entran 公司的量程 2500PSI 產(chǎn)品，直徑僅為 ，可以置于人體血管測量有關(guān)參數(shù)而不會對血液的流通產(chǎn)生大的影響。 2） 集成化 可以利用現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和成熟的集成技術(shù)，把電路與傳感器制作在一體。減少工藝流程以降低生產(chǎn)成本，而且不易損壞。 3） 智能化 由于集成化的出現(xiàn)，在集成電路部分制作 一些微處理機，使得其具有”記憶”、”思維”、”判斷”、”處理”的能力。目前，智能化傳感器產(chǎn)品發(fā)展最快，它將成為傳感器市場的主流。 4） 系列化 單一化產(chǎn)品在市場上沒有大的競爭力和長久的生命力。市場風(fēng)云突變，一旦失去市場，發(fā)展則停滯不前，經(jīng)濟效益差，資金浪費大，產(chǎn)品成本高。 第五：標(biāo)準(zhǔn)化 傳感器技術(shù)已形成標(biāo)準(zhǔn)化。如 IES、 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)；美國 ANSIC、州 SC、MILT 和 ASIME 標(biāo)準(zhǔn)；日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)；法國 DIN 標(biāo)準(zhǔn)；原蘇聯(lián) T0CT 及 YTO 標(biāo)準(zhǔn)。 液壓支架發(fā)展動態(tài) 作為綜采工作面關(guān)鍵設(shè)備的液壓支架， 經(jīng)歷了幾個階段的發(fā)展過程 [1]。 50 年代英國研 5 制的垛式支架和法國研制的節(jié)式支架代替了木支架、金屬摩擦支架，液壓支架開辟了采煤工作面支護設(shè)備的技術(shù)革命 :60年代前蘇聯(lián)研制并改進的 OMKT型掩護式支架 (具有四連桿機構(gòu) )，從根本上解決了支架梁端距變化大且不能承受水平力的問題，開辟了液壓支架設(shè)計的新時代 。70 年代主要是“立即支護”方式 。80 年代以來，為提高生產(chǎn)率和降低成本，在液壓性能和自動化程度上有了大幅度提高。如美國、澳大利亞的大部分長壁工作面都采用了壓力測控系統(tǒng) ，可對液壓支架的各種動作功能進行多種方式的程序控制 和性能監(jiān)測。 90%以上的美國長壁綜采工作面使用了電液控制兩柱掩護支架，其額定工作阻力最高可達9800kN，初撐比為 ，移架循環(huán)時間大多小于 10s。 80 年代以來，世界主要采煤國家一直圍繞減面提產(chǎn)、減人提效、降低成本、實現(xiàn)礦井集中生產(chǎn)做努力，他們積極開發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)，致力于高性能、高可靠性的新一代重型液壓支架的研制。新型液壓支架普遍具有微型電機或電磁鐵驅(qū)動的電液控制閥，推移千斤頂裝有位移傳感器，采煤機裝有紅外線傳感裝置，立柱缸徑超過 400mm。為減少割煤時間，一般采用 － 1m的截深。支架還采 用屈服強度 8001000Mpa 的鋼板，既有較高的強度、硬度和韌性，又具有良好的冷焊性能。隨著長壁工作面長度的不斷增加，為適應(yīng)快速移架的需要，國外還廣泛采用高壓大流量乳化液泵站，其額定壓力為 40－ 50MPa，額定流量 400－ 500L/min，可實現(xiàn)工作面成組或成排快速移架，達到 6～ 8s/架。 美國是世界上最先進的采煤國家，早在 1990 年就已采用額定壓力 50MPa、額定流量478L/min 的乳化液泵站，以實現(xiàn)支架快速推進，移架速度達 6～ 85/架。美國的高產(chǎn)高效工作面采用兩柱掩護式支架，使用壽命 8－ 10 年，可用 率高達 95%－ 98%。支架平均工作阻力 6470KN(最大為 9800KN)，支架寬度普遍增大，中心距達到 ，并向 Zm 發(fā)展，增大架寬有利于減少工作面架數(shù)、縮短移架時間、增加有效工作時間和提高單產(chǎn)。如洛斯公司 20 英里礦在 250X5280m長壁綜采面用工作阻力為 2 8565KN 電液控制兩柱掩護式支架， 1997 年 6 月產(chǎn)商品煤 萬噸，成為世界上首次月產(chǎn)商品煤近百萬噸的工作面 。1995年 9 月，糜鹿礦用工作阻力為 89OOKN 電流控制的兩柱掩護式支架，月產(chǎn)煤達到 萬噸。美國綜采工作面最高日產(chǎn)超 7 萬噸，最 高工效 1336t/工。澳大利亞也基本上采用一井一面的高度集中化生產(chǎn)，使用兩柱掩護式支架，支架的平均工作阻力為 7640KN。如尤蘭礦用電液控制的兩柱掩護式支架，在 1995 年 8 月 8 日創(chuàng)下澳大利亞有史以來日產(chǎn) 萬噸的最高記錄，班產(chǎn)一直保持在 50006000t。英國也在大力發(fā)展兩柱掩護式支架，工作阻力有了很大提高，達到 5000－ 6O00KN。 我國從 1958 年開始設(shè)計掩護式支架，從 1964 年開始由專門研究室全面開展架型及閥 6 類的攻關(guān)， 1970 年在山西大同首次全工作面裝備了 TZ－ 140 型垛式液壓支架。至 70 年代中期，研制了 QY 型掩護支架和 ZY35 型支撐掩護支架。 80 年代以來，開發(fā)了適用于堅硬頂板的大噸位 TZ－ 720 型支架，分層開采自動鋪聯(lián)網(wǎng)支架、放頂煤液壓支架及大流量安全閥和操縱閥等。到目前為止，適于我國高產(chǎn)高效的國產(chǎn)液壓支架有 20 余種架型，其中用于緩傾斜中厚煤層和緩傾斜厚煤層的各占一半。適用于緩傾斜厚煤層高產(chǎn)高效的液壓支架分為機械化鋪聯(lián)網(wǎng)支架、一次采全高支架和放頂煤支架三大類。 21 世紀(jì)是以網(wǎng)絡(luò)信息為代表高科技迅猛發(fā)展的新時期。就煤炭綜采而言，國外主要產(chǎn)煤國家從未停止過依靠更大的技術(shù)投入取得采煤更高經(jīng)濟效益的努 力。美國、德國、澳大利亞等國家在井下開采中大力提高機械化和自動化程度，所有的工程部門都擁有 .CAD/CAM 等工程軟件組成的強大工作站 :進行仿真、壓力分析、高可靠性設(shè)計，有限元分析等理論得到了普遍應(yīng)用。國外支護設(shè)備先進性主要表現(xiàn)在支架工作阻力大、支護強度高、可靠性高。支架架型結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，便于實現(xiàn)自動化控制。一次采全高支架架型主要為二柱掩護式，整體頂梁。控制方式主要是電液系統(tǒng)自動控制。目前世界先進國家的液壓支架已廣泛采用 壓力測控系統(tǒng) 。例如美國使用電液控制的比例己接近 100%，澳大利亞、南非占 60%左右， 德 占 30%，而且這些國家新裝備的工作面幾乎全部采用電液控制。壓力測控系統(tǒng) 經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，采用了電磁 (或微電機 )控制的先導(dǎo)閥、先進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)，在國外己漸趨成熟。采用 壓力測控系統(tǒng) 大大加快了支架移動速度，可達 5～ 8s/架 。改善了支架整體支護質(zhì)量和性能 。減輕了工人勞動強度，改善了勞動環(huán)境 。便于實現(xiàn)支架的工況監(jiān)測和工作面的自動化控制，因而液壓支架電液控制己經(jīng)成為國際上高產(chǎn)高效工作面的主要特征之一，是液壓支架控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。 我國液壓支架經(jīng)歷了研 制試驗、引進仿制和改進創(chuàng)新階段，直到現(xiàn)在的獨立設(shè)計和制造階段。 30 年來在液壓支架技術(shù)不斷發(fā)展中形成了以煤炭科學(xué)研究總院專業(yè)研究所和骨干支架制造廠設(shè)計所為主的支架研究設(shè)計隊伍，其中主要有煤科總院北京開采所、煤科總院太原分院、北京煤礦機械廠、鄭州煤礦機械廠等。我國在液壓支架 壓力測控系統(tǒng) 和計算機輔助設(shè)計等方面的研究已取得了一定的成績。采用計算機輔助設(shè)計 CAD 進行各種類型支架的設(shè)計，用有限元計算軟件等進行計算，并普及計算機繪圖，建立了比較完整的液壓支架數(shù)據(jù)庫和通用圖庫，并開發(fā)了支架通用設(shè)計軟件和總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等方 法。 近年來，我國采煤綜合機械化的水平有所提高，隨著綜合機械化采煤技術(shù)的不斷發(fā)展和新型大功率采煤機、工作面輸送機的出現(xiàn)，要求支架與之相配套，但若支架的控制系統(tǒng) 7 不作相應(yīng)的改進，是滿足不了這一要求的。到目前為止，我國國產(chǎn)液壓支架的控制方式仍然停留在跟機手把單向鄰架控制或本架控制水平。這種控制方式，雖然具有控制系統(tǒng)簡單、制造容易、造價較低和對煤層地質(zhì)條件變化適應(yīng)性較強的優(yōu)點，但它存在嚴(yán)重缺點 :工人勞動條件差，安全性差 。移架速度慢，影響采煤機效率的發(fā)揮 。通風(fēng)條件差，支架故障率高 。支架支護效能的發(fā)揮程度與操作人員的經(jīng) 驗多少和技能高低有密切關(guān)系。液壓支架實現(xiàn)自動控制后，就可有效地克服上述缺點，實現(xiàn)對支架的電液控制，而且有多種控制方式可供選擇，人員可在較安全的地方集中對整個工作面的支架進行遠程控制或程序控制。 8 2 硬件部分設(shè)計 總體設(shè)計 煤礦井下是一個非常特殊的工作環(huán)境 , 有易燃、易爆可燃性氣體和腐蝕性氣體 , 潮濕 , 淋水 ,礦塵大 , 電網(wǎng)電壓波動大 , 空間狹小 , 會發(fā)生很多事故 , 機電設(shè)備啟動頻繁 , 無線傳輸衰耗大等 , 這對礦井檢測系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提出了很多難題。再者 , 礦井的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與一般網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比 , 具有電氣防爆、設(shè)備體積重量受限 , 抗干擾強、信道容量大等特點。 輸 出 控 制單 片 機壓 力 傳感 器放 大器A/D電 源 電 路L E D 顯 示看 門 狗R S 4 8 5 接 口 總 機 圖 21 系統(tǒng)示意圖 Figure21 System diagram 壓力 測量 控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示 , 它以 89C51 單片機 為核心 , 包括 傳感器 、 放大器 、 ADC080 LED 顯示器、 SRAM, EPROM、自動復(fù)位電路、 RS485 接口電路及高效電源電路等。下面分別介紹一下它們各自的設(shè)計特點。 9 傳感器支 架 控 制 箱電 磁 閥 驅(qū) 動 器電 液 控 制 閥支 架 立 柱 圖 22 液壓支架控制原理圖 Figure22 Schematic diagram of electrohydraulie control system 單片機選擇 目前 ,單片機的種類很多 ,MCS51 8 位單片機系列、 MCS96 16 位單片機系列，還出現(xiàn)了 32 位單片機。位數(shù)越高，運算速度越快。由于 Intel 公司的這種 MCS 系列的經(jīng)典體系 結(jié)構(gòu)、極好的兼容性和其最徹底的技術(shù)開放政策，許多電器商、半導(dǎo)體商（如： AMTEL、PHLIPS、 ANANOG、 DEVICES、 DALLAS 等）以 MCS 系列單片機的基本內(nèi)核位內(nèi)核開發(fā)了眾多芯片。其中，以 MCS51 系列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為核心的單片機更是品種繁多，統(tǒng)稱為 8051和 80C51（ CHMOS 工藝）。 本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理上速度要求不是很高， 8 位單片機即可。因此，選用 MCS51 系列單片機。考慮到功耗問題（如： 8051 功耗為 630mw,而 80C51 為 120mw） ,本系統(tǒng)選用 CHMOS工藝的芯片 .又因本系統(tǒng)需要處理數(shù) 量較大的數(shù)據(jù) ,程序占用空間也較大 ,而對定時器 /計數(shù)器和中斷源的數(shù)量要求不多。本系統(tǒng)選用 80C51 系列的 AT89C51。 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 10 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 變送器結(jié)構(gòu) 壓 力 傳 感器放 大 電 路 濾 波 電 路壓 力 傳 輸系 統(tǒng)壓力電壓 圖 23 變送器 簡化框圖 Figure23 Bloek diagram of transmitte 壓力傳感器作為測量壓力的敏感元件，其功能是探測壓力的變化并轉(zhuǎn)換成易于測量和控制的電信號。但是，傳感器的輸出信號一般很微弱，而且常伴隨著各種噪聲，需要通過測控電路將它放大，剔除噪聲，選取有用信號，按照測量與控制功能要求，進行所需演算、處理與轉(zhuǎn)換，輸出能控制執(zhí)行機構(gòu)動作的信號。在整個檢測系統(tǒng)中，測控電路是最靈活的部分，起著十分關(guān)鍵的作用，它具有便于放大 、轉(zhuǎn)換、傳輸，以及適應(yīng)各種使用要求的功能。一旦傳感器確定后，整個檢測系統(tǒng)，乃至整個機器和生產(chǎn)系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于測控電路。對整個檢測系統(tǒng)要求而言，可概括為精度高、響應(yīng)快和轉(zhuǎn)換靈活，當(dāng)然也還有其它方面的要求，如系統(tǒng)的可靠性和功能價格比等。 液壓支架對變送器的要求 1） 液壓支架中的壓力特性分析 液壓支架對頂板作用力的變化基本上正比于立柱下腔內(nèi)的液體壓力的變化。因此，可以通過監(jiān)測立柱下腔內(nèi)的液體壓力的變化來了解液壓支架與頂板的相互作用情況，判斷支 11 架是否處于良好的工作狀態(tài)。圖 24 所示為最基本的立 柱控制回路。 圖 24 基本的立柱控制回路 Figure24 Basic duet P ilot of the leg 支架承載過程分析 a． 升柱初撐階段 操縱閥位于左位時，來自泵站的高壓液體打開液控單向閥進入立柱下腔使支架升起，從打開操縱閥到支架頂梁接觸到頂板為升柱過程，立柱下腔壓力從 P0 增到 Ps，所需時間為 ts。支架升起并頂緊頂板，支架立柱下腔液壓力達到泵站調(diào)定壓力時，操縱閥回到中位，液控單向閥關(guān)閉，立柱下腔壓力閉鎖承載，從頂梁接觸頂板到操縱閥回到中位為初撐過程，立柱下腔壓力從 ps 增到 p。，所需時間 為 tc。此時支架對頂板產(chǎn)生的支撐力為初撐力。此階段時間 ts+tc 很短。 b． 承載增阻階段 操縱閥位于中位時，立柱活塞腔內(nèi)的壓力液體被液控單向閥封閉，從而使支架保持對頂板的支撐狀態(tài)。隨頂板的下沉、頂壓逐漸增大，支架立柱下腔壓力隨之上升一直到安全閥的調(diào)定壓力。此時，支架的支撐力也隨著不斷增大一直到最大支撐力，呈工作阻力。一般情況下，頂板下沉比較緩慢，其支撐力緩慢增加時一般不會超過安全閥的調(diào)定壓力 pt，而是先緩慢增加到 PZ1，在鄰架降柱移架時急劇上升到 Pz2。其值能否達到或超過 Pt 取決 12 于許多因素。當(dāng)然如果在承載增 阻階段發(fā)生頂板垮落或周期來壓等情況時例外。 c． 承載恒阻階段 當(dāng)支架達到工作阻力后，在頂板不斷下沉或發(fā)生頂板來壓時，立柱下腔的壓力會急劇上升，并超過安全閥的調(diào)定壓力 pt。此時，安全閥開始溢流，使立柱下腔內(nèi)的壓力也隨之下降，當(dāng)壓力降到安全閥調(diào)定值時，安全閥又關(guān)閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥不斷重復(fù)上述過程。使立柱下腔壓力基本上恒定于安全閥的調(diào)定壓力 Pt。需要指出的是溢流承載階段可能發(fā)生在相鄰支架移架前或后，有一定隨機性。相鄰支架降移后立柱活塞腔壓力 Pz2略超過 Pt 的溢流承載過程。 Pz2 與 Pt 的差值取決于頂板的 下沉速度或者來壓的強烈程度，同時取決于安全閥的溢流特性。某些支架在特定的工作循環(huán)內(nèi)，可能不會出現(xiàn)溢流承載階段。 d． 卸載降柱階段 在采煤機割煤后，必須支護新裸露的頂板，故要卸載降柱。當(dāng)把操縱閥置于右位時，泵站來的壓力液體進入立柱上腔，同時作用于液控單向閥的頂桿活塞，迫使液控單向閥開啟，解除對立柱下腔液體的封鎖，允許其經(jīng)回液管路流回液箱。故立柱的活柱可以回縮，支架降落離開頂板，其降柱時間 tj 主要取決于降柱行程。 具有帶壓擦頂移架液控系統(tǒng)的液壓支架，只需卸載時間 tx和初撐時間 tc，而不需升柱時間 ts 和降柱時間 tj，可見帶壓擦頂移架不僅可以防止破碎頂板漏頂，而且有利于提高移架速度。立柱的卸載過程極短 (tx 一般僅為 左右 )，且存在著瞬態(tài)的高頻液壓沖擊。這主要是由于封鎖高壓液體的液控單向閥的快速啟閉引起的。綜上所述，液壓支架在未達到工作阻力之前，支架具有增阻性，支架支撐力隨頂壓增大而增大可有效地支撐住頂板。當(dāng)液壓支架達到工作阻力之后，支架具有讓壓性和恒阻性，支架隨頂壓增大而讓壓實現(xiàn)恒阻，使支架始終處于最大支撐力下工作。這就可以保證頂板局部來壓時，不會壓壞支架，并可使工作面內(nèi)支架承載趨于平衡。液壓支架在承載過程中所 呈現(xiàn)的增阻、讓壓和恒阻等工作特性的好壞，主要取決于立柱、液控單向閥和安全閥等液壓元件的工作特性和密封性能。 2） 對壓力變送器提出的技術(shù)要求 根據(jù)壓力變送器的工作環(huán)境和壓力的變化情況對壓力變送器的設(shè)計提出下列技術(shù)要求。 a． 由上述液壓支架的壓力特性分析可知，立柱下腔壓力在初始值和安全閥調(diào)定壓力之間變化，若安全閥調(diào)定壓力為 43MPa，在鄰架降柱移架時，下腔壓力會急劇增加，超過43MPa，若在支架增阻階段發(fā)生頂板垮落或發(fā)生周期來壓，下腔壓力可達到 60MPa 以上。 13 所以，壓力變送器的測量范圍應(yīng)為 060MPa 較為合適 。 b． 在頂板周期來壓時，動載系數(shù)明顯，要求所選壓力傳感器的有較好的過壓性能。防止傳感器的彈性膜超過耐壓極限而破壞傳感器。 c． 液壓支架中乳化液的工作溫度一般不超過 55℃，要求壓力變送器在 55℃范圍內(nèi)有較小的溫度誤差。 d． 由于高壓乳化液的擾動震蕩，在卸載時有瞬態(tài)高頻液壓沖擊，壓力變送器所選傳感器應(yīng)有較好的抗沖擊性和耐疲勞性，敏感元件的彈性膜的固有頻率高。 e． 壓力變送器應(yīng)有良好的頻率特性，較快的響應(yīng)速度，以便準(zhǔn)確地測出壓力的變化狀態(tài)，實現(xiàn)對支架的準(zhǔn)確控制。 f． 壓力變送器工作于煤礦井下，壓力傳感器的工作環(huán) 境惡劣時，例如有大的振動、沖擊、大的電磁干擾，對傳感器提出更為嚴(yán)格的要求。不僅過壓能力強，而且要求機械密封可靠，防松動，傳感器安裝正確。傳感器自身的引線、引腳以及外導(dǎo)線都應(yīng)加以電磁屏蔽，并將屏蔽良好接地。有可燃性氣體存在，根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備的國家標(biāo)準(zhǔn)，壓力變送器設(shè)計為本質(zhì)安全型， ib 等級?；谏鲜鲆簤褐Ъ軐毫ψ兯推鞯募夹g(shù)要求和壓力傳感器的選用原則，在本文壓力變送器的設(shè)計中，選用了壓阻式壓力傳感器。 PA8 壓阻式 OEM硅壓力傳感器 PA8 系列壓力傳感器裝 TAB 膠粘式測量元件，十分耐用，甚至受到壓力最大值影響也如此。其專用于測量高壓。 4