【正文】 ...............................................................................................................................41 致謝 ...........................................................................................................................................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。煤炭是支持我國(guó)能源供應(yīng)的國(guó)內(nèi)重要品種。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。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。所有液壓支架的功能是相同的。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。 液壓支架電液控制技術(shù)是近 10 年來(lái)世界煤炭開(kāi)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。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。 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。 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。 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(guò)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?？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(guò)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。井下工作面巷道監(jiān)控主機(jī)通過(guò)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(guò)井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)報(bào)送到地面主機(jī)。 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)。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)。 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(lái)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(guò)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(guò)面板上的另 2 個(gè)功能鍵任意置入或刪除。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。 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)。電液控制技術(shù)經(jīng)過(guò) 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。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(wèn)題最為突出，成為制約液壓支架發(fā)展的主要因素。經(jīng)過(guò)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)。 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。 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。 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。 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(wú)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。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。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)。由電磁鐵和先導(dǎo)閥 2部分組成，電磁鐵的吸合與斷開(kāi)帶 動(dòng)先導(dǎo)閥的開(kāi)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。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(wèn)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。 3） 電磁鐵的性能和可靠性方面有較大差距，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)還處于起步階段。 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。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。 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。 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 。 4）電磁先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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。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。 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)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。 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。 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。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)。一般用工作性能極限曲線表示。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。 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(guò)一定得值 。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，同時(shí)閥芯臺(tái)肩與閥體孔有足夠的封釉長(zhǎng)度。泄露不緊帶來(lái)功率損失，而且引起油液發(fā)熱，影響系統(tǒng)的正常工作。手動(dòng)和電液動(dòng)換向閥可通過(guò)控制換向時(shí)間來(lái)改變壓力沖擊。 5）換向時(shí)間和換向 頻率 電磁換向閥的換向時(shí)間與電磁鐵有關(guān)。 9 2． 2 幾種換向閥的比較 平面密封型（滑閥） 其機(jī)構(gòu)如下圖 圖 21 平面密封的 閥芯 結(jié)構(gòu)圖 Fig21 Plane of the spool seal structure 當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，彈簧 4 推動(dòng)頂桿 5 運(yùn)動(dòng)，頂桿 5 再推動(dòng)柱塞塊 6 運(yùn)動(dòng)，使柱塞塊與進(jìn)液套頂緊，從而形成密封面， 此時(shí)油液從 P 口進(jìn)入通過(guò)油路從 A 口流出。 10 此時(shí)油液從 P 口流入從 B 口流出。所以叫平面密封。它適用于壓力、溫度不高的場(chǎng)合 。 1） 滑閥工作時(shí)， 液壓油中的污染顆粒隨泄漏油液～起進(jìn)入滑閥運(yùn)動(dòng)副間隙，其中某些顆粒會(huì)滯留在運(yùn)動(dòng)副間隙中。污染卡緊力的產(chǎn)生， 使得滑閥換向困難。對(duì)于電磁換向閥而言， 足夠大的污染卡緊力會(huì)造成閥芯的完全卡死而使換向失效。污染卡緊力對(duì)伺服閥的危害主要使伺服閥的滯環(huán)增大，使閥的伺服功能下降甚至喪失。試驗(yàn)表明，固體顆粒的尺寸與滑閥運(yùn)動(dòng)副間隙的相對(duì)大小是影響槽閥污染卡緊與污染磨損的重要因索，即不同尺寸的顆粒對(duì)滑閥的危害程度是不同的，滑潤(rùn)總是對(duì)某一尺寸范圍的顆粒污染物最為敏感。引起滑閥液壓卡現(xiàn)象的原因，有的是由于臟物進(jìn)人縫隙而使閥芯移動(dòng)困難，有的是由于縫隙過(guò)小，在油溫升高時(shí)閥芯膨脹而卡死，但是主要的原因是來(lái)自滑閥副幾何形狀誤差和同心度變化所引起的徑向不平衡液壓力。如果閥芯和閥體都是完全精確的圓柱形，徑向間隙間無(wú)任何雜質(zhì)，徑向間隙處處相等，則在縫隙中的壓力按線性規(guī)律分布，不存在徑向不平衡向力的問(wèn)題。當(dāng)閥芯受到液壓卡緊力的作用而和閥孔相接觸后，縫隙中的存留液體被擠出，閥芯和閥孔間的摩擦變成半干摩擦及至干摩擦，因而使閥芯重新移動(dòng)時(shí)所需力就大大增加了。不同的是密封面為錐面密封。工作行程小，啟閉時(shí)間短。調(diào)節(jié)性能較差 。 1） 氣穴的產(chǎn)生： 氣穴的產(chǎn)生會(huì)使閥的特性變壞 ,使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲 ,使金屬表面氣蝕、損壞零件 ,縮短液壓元件和管道的壽命 。因此認(rèn)識(shí)液壓閥中產(chǎn)生氣穴的狀況、氣穴與閥 12 口形狀的關(guān)系 ,以及液壓閥中氣穴產(chǎn)生的界限 ,以避免產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象是極其重要的事情。 球面密封型 其結(jié)構(gòu)如下圖 ： 圖 23 球面密封的 閥芯 結(jié)構(gòu)圖 Fig23 Spool sealed spherical structure 球面密封在原理上是和平面密封和錐面密封相似的，密封方式也和錐閥相似。 它的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流很小，既符合本安型電源設(shè)備的電 流要求，還具備多個(gè)電磁閥可同時(shí)驅(qū)動(dòng)的功能，便于成組地順序移動(dòng)支架，一般功率要求要小于 ，為常規(guī)閥的二十分之一，是一種超小功率的電磁換向閥。上述兩種措施可降低閥開(kāi)啟時(shí)所需電磁鐵推力，便于迅速開(kāi)啟電磁閥。 2）采用液壓平衡結(jié)構(gòu)無(wú)需克服采用干式電磁鐵結(jié)構(gòu)時(shí) 推桿處 O 形密封圈額外的摩 13 擦阻力，以充分利用電磁鐵的有限推力，提高電磁先導(dǎo)閥換向的可靠性。 3）電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，用導(dǎo)磁率較高的電工純鐵組成封閉型導(dǎo)磁殼體作為整體支承，內(nèi)部線圈和殼體間間隙和接線盒內(nèi)采用膠封措施提高防爆安全性。厚度較大的隔磁套既耐高壓（額定壓力可大至 32MPa），又能有效限制漏磁通產(chǎn)生的不利影響，提高 電磁鐵吸力。 1)無(wú)液壓卡緊現(xiàn)象，對(duì)油液污染不敏感，換向性能好。 4)使用介質(zhì)的粘度范圍大，可以直接作用于高水基、乳化液。 6)因要保證左右閥座和閥座孔的同心，因此加工、裝備工藝難度較大，成本較高。 基于以上的原因，我此次選擇 球面密封的電磁先導(dǎo)閥作為我最后設(shè)計(jì)的方案。由于閥體的油腔對(duì)稱的設(shè)置在閥體的周圍，因此沿閥芯周圍的徑向力相互抵消，只考慮軸向液動(dòng)力。 xA 為油液通流截面積，xA =? dб , p? 為壓力差， d 為閥孔直徑。б為閥芯開(kāi)口量。 油液的選擇：選 YB~N6 抗磨液壓油。 在壓力為 下根據(jù)質(zhì)量守恒定律， 00V? = V? 油液的壓縮率公式dpdVV1???得 333 30 / mKgPP ???? ???? ??? 式中： ? 為壓縮率，表示在壓力作用下油液的體積變化。 3） 最大開(kāi)口量處的穩(wěn)態(tài)軸向液動(dòng)力 39。 c os?? ?? dC QF ds ?? （ 35） 16 ? ?3327 ????????????? ???? 無(wú)論是最大穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力還是最大開(kāi)口量處得穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力都十分小，可以忽略不計(jì)。 如下圖所示： 圖 32 左邊陶瓷球的受力分析 Fig32 The left side of the mechanical analysis of ceramic ball 17 陶瓷球所受合力為 0 在水平方向： 040c o s40c o s 21 ????? 頂壓 FFFFF s ?? （ 36） 在豎直方向 : 040s in40s in 21 ?? FF 即： 21 FF? 而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要是小陶瓷球能密封住，在水平方向除去 1F , 2F 作用的剩余的合力為 17N.即： NFFFs 17??? 頂壓 （ 37） 其中 : 1SF 是彈簧力 （量綱： N） 。 頂F 是頂桿對(duì)陶瓷球的作用力 （量綱： N） 。 2F 是頂桿套對(duì)陶瓷球的下支撐力 （量綱： N） 。 而 S1的面積的確定如下圖： (指得是相切處的面積 ) 圖 33 18 圖 34 接觸點(diǎn)處于中點(diǎn)位置。=F 球 39。是左邊陶瓷球?qū)敆U