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太原理工大学硕士研究生学位论文 液压支架驱动控制研究 摘要 随着现代化综采采煤工艺的发展，液压支架已经成为综采工作面中必 须的支护设备。它对于顶板的有效管理，保护采矿工人及其他采掘设备的 安全起到了举足重轻的作用。 液压支架的动力输出，来源于高压乳化液泵站。如何实现液压支架的 灵活驱动，使支架按照既定的要求，自动输出不同的动作，以满足综采采 煤工艺的要求，成为液压支架动力输出控制的主要课题。本文正是依据国 内某自动化工作面的采煤工艺，对液压支架的动力输出自动化进行研究。 主要做了以下几方面的工作： 首先对液压支架的动力源进行分析，高压乳化液经过液压阀组，流向 不同的液压油缸，通过高压油驱动油缸的伸缩动作，实现支架的各项驱动 功能。在整个液压支架的驱动控制中，需要完成驱动液压支架的液压原理 图设计。根据液压驱动的功能动作，需要进行复杂的驱动管路设计，同时 还需要设计控制液压动力的不同控制阀，丰要包括先导控制阀、控制主阀， 安全阀、溢流阀、单向互锁阀及其他保护阀等。 再次对液压支架的电子驱动控制进行研究。包括安装于液压支架上用 于控制单个支架驱动的控制器，实现整个工作面液压支架协同驱动的控制 算法，实现支架控制器与控制器、支架控制器与控制主计算机之间的数据 通讯，其现场总线的选择，通讯协议的编写以及整个控制系统的数据通讯 太原理工大学硕士研究生学位论文 算法的实现等。 最后通过总线测试仪和总线监控软件对控制器之间的数据通讯进行测 试和监测，在确认通讯指令及数据正常的情况下，再将设计出的控制器安 装于综采液压支架上进行现场测试，以验证控制算法及整个电液控制系统 设计的合理性。最终实现液压支架的邻架驱动控制和远程自动化驱动控制。 关键词：液压支架，电液驱动，c a n 总线，远程通讯，邻架通讯 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c ho fm o t i o nc o n t r o l a b o u th y d r o l i cs u p p o r t a b s t r a c t 昕出t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nc o m b i n e dm i n i n gt e c h n o l o g y , t h e h y d r o l i cs u p p o r th a sb e e np r e r e q u i s i t es u p p o r t i v ee q u i p m e n to nc o m b i n e d w i n n i n gw o r k f a c e i ti si m p o r t a n tt os u p p o r tr o o fo fc o a ls e a ma n dk e e pt h e w o r k e r sa n do t h e rw i n n i n ge q u i p m e n ts a f e t h ee n e r g yo u t p u to fh y d r a u l i cs u p p o r ti sf r o mp u m ps t a t i o nw i t hh i g h ， 一一一一 。一 一 p r e s s u r e h o wt o a c h i e v ea c t i v em o v et oh y d r a u l i cs u p p o r t ，m a k eh y d r a u l i c s u p p o r tm o v ea u t o m a t i c a l l yf o l l o wt h ed e s i g np l a n ，s ot h a tf i n i s ha l lo fr u c t i o n f o rw i n n i n gt e c h n i q u e i tw i l lb em a i nt i t l et ot h ee n e r g yo u t p u to fh y d r o l i c s u p p o r t t h i sp a p e ri sa b o u tt h er e s e a r c ho fa u t o m a t i co u t p u to fe n e r g yo f h y d r o l i cs u p p o r ta s a u t o m a t i cw i n n i n gt e c h n i q u e t h ep a p e ri n c l u d es e v e r a l p a r t s ： f i r s t l y , i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y s et h ee n e r g ys o u r c eo fh y d r a u l i cs u p p o r t t h r o u g hh y d r o l i cv a l v e s ，h i g hp r e s s u r ef l u i df l o a tt od i f f e r e n th y d r a u l i cc y l i n d e r , h i g hp r e s s u r eo i lm o t i o nt h er a mo u to ri n ，w h i c hc a nf i n i s hk i n d so ff u c t i o no f s u p p o r t i na l lc o n t r o lt os u p p o r t ，i tn e e dd e s i g nc o m p l i c a t e dh y d r a u l i cc i r c u i t a tt h es a m et i m e ，i tn e e dc o r r e s p o n d i n gv a l v eo fh y d r a u l i cc i r c u i t ，s a f e t yv a l v e ， o v e r f l o wv a l v e ，o n e w a yv a l v ea n do t h e rp r o t e c t i v ev a l v e ，e t c i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s e c o n d l y , i tn e e dd e s i g nt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h e c o n t r o l l e rw h i c hf i xo ns u p p o r tt oc o n t r o las i n g l es u p p o r t a tl a s t ，i tc o m et r u e t h ec o n t r o la l g o r i t h mo f c o o r d i n a t i n gm o t i o no nt h ew h o l ew o r k f a c 毛；a n d c h o o s et h eb e s tf i e l d b u st od a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns u p p o r tc o n t r o l l e r s ，o r s u p p o r tc o n t r o l l e ra n dm a i nc o m p u t o r , p r o g r a mc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l ，a n d d e s i g nt h ea l g o r i t h mo f d a t ac o m m u n i c a t i o nt ot h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，e t c l a s t l y , u s e t h ef i e l d b u st e s t e ra n d m o n i t o r i n g s o f tt om o n i t o rd a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o n t r o l l e r s o nt h ec o n d i t i o no fb e s tc o m m u n i c a t i o n a l e n v i r o n m e n t ，a l lc o n t r o l l e r sa r ef i x e do ns u p p o r tt od e b u g u n t i lt h ec o n t r o l a l g o r i t h mo fw h o l em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa c c u r a t e f i n a l l y , c o n t i g u o u s c o n t r o la n dr e m o t ea u t o m a t e dc o n t r o lo f h y d r a u l i cs u p p o r tw i l lb er e a l i s t i c k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs u p p o r t ，e l e c t r o h y 7 d r a u l i cm o t i o n ，c a n b u s ，r e m o t e c o m m u n i c a t i o n ，c o n t i g u o u sc o m m u n i c a t i o n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1研究背景 随着当今中国经济的高速发展，对能源的需求越发紧迫。而能源需求量最大的便是 煤炭。目前，我国的煤炭产量和需求量双双跃居全球第一。在建设资源节约型、环境友 好性社会的大背景下，自动化矿山已经成为当今煤炭企业发展的大趋势。另外，煤炭生 产过程中的安全事故在近几年虽然逐步好转，但仍然面临严峻的形势。国家出于以人为 本的考虑，对煤炭企业的安全重视度越来越高，煤炭生产企业已经逐步实现了煤炭的机 械化开采。与此同时，建设高效综采自动化工作面已经成为国内大型煤炭企业发展的趋 势。 另外，随着煤炭资源的日益稀缺，以及煤层地质结构的复杂性，困扰着各大煤炭生 产企业的一项难题便是薄煤层的开采，薄煤层由于煤层低，应用综采工艺难度大，工人 操作作业空间小，安全度低，生产效率极端低下。 出于安全和效率等多方面因素的考虑，尤其是薄煤层开采的需要，越来越多的企业 开始引进先进的自动化综采工作面。先进的自动化工作面，工人可以摆脱过去的采煤作 业模式，整个工作面上实行无人化开采作业。工人只需要在集控中心，通过远程操作， 即可实现采煤机自动牵引割煤，刮板输送机、转载机等自动启动运输，液压支架实现跟 机自动化作业等一系列功能。 在综采自动化工作面中，液压支架的跟机自动化是最大的难题。所以当今国内各大 煤矿的自动化工作面，其自动化的液压支架驱动控制系统几乎都是从国外引进。而液压 支架要实现跟机自动化最关键的技术就是电液驱动控制技术。从国乡 l - g l 进驱动控制技术 的费用占据了整个自动化工作面投入的一大部分，最重要的是该技术一直被国外厂商垄 断。因此设备维护成本高，而且配件供应周期长，对维修人员的培养也是很大的难题， 这些都极大地影响到了煤炭生产的效率。 在这种大背景下，出于打破技术垄断和经济效益的考虑，国内的大多煤炭生产企业 联合液压支架厂商或其它科研院所，花费大量的人力、物力和财力来研究电液驱动控制 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术。到目前为止，越来越多的研究机构和科研院所加入到这项技术的研究中来。但是， 仍然只有极少数的研究机构能掌握了部分的技术，整个液压支架的电液驱动技术仍然处 在国外企业的垄断中。j ：j 蘩j r ：_ ? o t 。 1 1 2 研究意义 。t 液压支架已广泛应用于煤矿综采工作面，用于承担支撑掩护作用，以防止煤矿开采 作业工人因煤层顶板塌陷而造成伤害，保证煤矿生产安全进行。为了实现液压支架的自 动控制，需要采用先进的驱动控制技术。在这样的背景下，研究液压支架电液驱动控制 技术，无论是从打破国外技术垄断的实际出发，还是从推动机、电、液、信息等跨学科 发展的理论出发，都有着深远的意义。 ( 1 ) 结合机械技术、液压技术和电子技术，推动机、电、液等跨学科的理论发展 随着机械制造技术的发展，机械学科中已经发展出一个独立的分支液压与传动 技术。电子控制技术在机械装备及装备自动化中的广泛应用，又使得机械与电子技术相 互融合，形成机械电子学科。而要通过现场总线收发通讯指令，通过收发电信号来实现 液压驱动，就需要电子技术与液压技术相互结合。在自动化的机械装备控制当中，越来 越多的需要将电子技术、液压技术、通信技术、机械学科很好的融合，所以机、电、液 信息等一体化技术已经成为理论学科发展的潮流。 ( 2 ) 可以为目前国内的液压支架生产企业提供技术支持 目前，煤炭生产企业开始大量引进综采自动化技术，而综采自动化装各中，占据投 资最大比例的就是液压支架及其电液驱动技术。目前液压支架已经发展成熟，但电液驱 动控制技术却一直被国外厂商垄断，大量的利润被国外企业攫取。所以越来越多的支架 厂商开始研发自己的驱动控制技术，谁能最先掌握电液驱动，谁就拥有了市场的主动权。 因此，加快电液驱动技术的研究，使此项技术能够发展成熟，对于电液驱动控制的国产 化，具有重大意义。 ( 3 ) 提高国内液压支架厂商的综合竞争力 通过研究国内夕 先进的电液驱动技术，促进此项技术的国产化，减低生产成本，有 利于国内厂商更好地参与国内市场甚至国际市场的竞争，提高国有产品的市场竞争力。 ( 4 ) 促进煤矿综采工作面的自动化开采，提高生产效率 综采工作面的自动化对于保障煤矿生产安全、提高煤矿生产效率是十分显著的。但 是，目前，阻碍各大煤矿企业引进此项技术的最大难题是前期投入成本较高，对于中小 太原理工大学硕士研究生学位论文 型矿山来说，很难承担较高的投入。另外，大型矿山企业尽管已经有部分企业引进自动 化综采工作面，但国外长期的技术垄断，主要是对电液驱动技术的垄断，使得国内煤矿 无法实现自主维护，一旦有故障无法恢复，必须专业厂家的维修人员才能处理，很多情 况迫使煤矿生产企业被迫停产，造成的损失无法挽回。同时，在人员操作方面，面对完 全为外文的操作软件，煤矿企业的操作人员也很难完全掌握。经常会因为很小的人为操 作故障而造成无故停机，甚至停产。影响了煤矿生产的效率。 开发拥有自主产权的电液驱动技术，通过国产化降低成本，同时适应本国企业的需 求，使煤矿企业培养自己的维修服务团队，有利于极大范围的普及综采自动化技术，提 高国有煤矿企业的生产效率。 1 2 国外液压支架驱动控制技术发展概况 液压支架最早诞生于英国，2 0 世纪5 0 年代，英国生产出第一台垛式支架。从那时 开始，液压支架逐渐被广泛的应用于综采工作面中。液压支架的驱动控制技术也开始从 手动控制，发展到以电液驱动为基础的遥控、远程控制。 电液驱动技术的发展要追溯到2 0 世纪7 0 年代，液压多芯管先导阀驱动技术的出现， 使得先导驱动理念逐渐被认同。电液驱动技术便是在先导阀驱动技术的基础上逐步发展 来的。到2 0 世纪8 0 年代，西方采煤国家大力着手电液驱动程序的研究和使用，液压支 架进入电液驱动时代i l j 。 1 9 8 1 年澳大利亚的科里曼尔煤矿最先将电子驱动控制的液压支架用于长壁综采工 作面。1 9 8 3 年英国原道梯公司又为美国坎赛尔煤矿制造了两按钮式微处理机控制的液 压支架，于1 9 8 4 年投产。英国原伽立克公司1 9 8 3 年3 月研制出了“e l e c t r o f e l x ” 电液驱动系统在“h e m h e a h ”投入试验。1 9 8 5 年底英国原道梯公司又研制出第二代全 工作面集中电液驱动系统，该系统的主控制台及电源均布置在工作面运输巷内，可实现 全工作面集中控制。 德国从2 0 世纪8 0 年代初开始大力发展液压支架电液驱动系统，威斯特伐利亚公司 与西门子公司于1 9 7 8 1 9 8 4 年问合作研制出德国第一套支架电子控制装置p a n e r m a t i c e 系统，1 9 8 6 年又研制出p a n e r m a t i c s 支架电控系统 2 1 。1 9 8 7 年威斯特伐利亚公司与 m a r c o 公司合作研制出p m 2 电液控制系统，1 9 9 0 年又研制出更为先进的p m 3 支架电 液驱动控制系统，技术上己相当可靠，并在全世界推广应用。9 0 年代后期威斯特伐利 太原理工大学硕士研究生学位论文 i 一囊萎i | 亚公司自行改进推出p m 4 系统，而m a r c o 公司改进推出了p m 3 1 系统。除此老外 日本三井三池株式会社、英国原米柯公司、德国原赫姆夏特公司( 现合并为d b t 公司) 、 波兰e m a g 公司，法国、俄罗斯等国家也都先后研制成功支架电液驱动系统，并推广 使用。目前，国外液压支架电液驱动技术已发展到相当成熟的阶段，发展十分迅速。美 国、澳大利亚、南非等国家的煤矿新装各的综采工作面几乎全部采用电液驱动的液压支 架。 如今，电液驱动技术被国外少数几家公司所垄断。国际上主流的驱动控制系统主要 有：以德国d b t 公司为代表的p m 4 驱动控制系统，以德国m a r c o 公司为代表的p m 3 2 系统，以美国j o y 公司为代表的r s 2 0 驱动控制系统，此外还有以德国e e p 公司为代 表的p ri i6 驱动控制系统，以及以德国迪芬巴赫公司为代表的d i b a 驱动控制系统p j 。 目前市场上9 0 的电液驱动控制系统都被以上公司垄断。 1 3 国内液压支架驱动控制技术发展概况 我国2 0 世纪7 0 年代开始引进液压支架技术，国内自二十世纪8 0 年代中期即开始 研制液压支架电液驱动系统。1 9 9 1 年北京煤机厂与晋城矿务局共同研制出第一套b m j i 型支架电液驱动系统，在晋城古书院煤矿进行了井下工业性试验，这是我国第一个应用 到井下进行工业性试验的液压支架电液驱动系统，但在试验中存在很多问题，如电磁阀 线圈烧坏，阀芯、阀杆时有卡滞现象等。在b m j i 基础上改进的第二代b m j h 型支架 电液驱动系统( 2 0 架) ，于1 9 9 2 年1 2 月至1 9 9 5 年5 月在井下进行工业性试验，但随后 即被搁置一边。郑州煤机厂1 9 9 1 年5 月研制出d y z k i 型支架电液驱动系统，于1 9 9 2 年5 月在大同四台矿完成2 0 架井下工业性试验，在i 型的基础上又经过多次改进，于 1 9 9 3 年9 月开发出d y k z - n 型支架电液驱动系统，在邢台煤矿进行井下工业性试验并 通过鉴定，从此即完全停止 4 1 。 煤科总院太原分院研制的y t l 型支架电液驱动系统，于1 9 9 6 年在大同矿务局马脊 梁矿进行了国内第一个全工作面井下工业性试验，并于1 9 9 7 年7 月通过鉴定，又于1 9 9 8 年在东胜补连塔煤矿进行了1 6 架试验，但现己经撤出f 5 j 。 近几年由煤炭科工集团和德国m a r c o 公司合资的北京天地玛珂电液控制技术有限 公司，通过引进德国m a r c o 的电液驱动技术，并进行消化吸收、再创新。创造了自己的 电液驱动系统s a c 电液控制系统。天玛公司2 0 0 6 年完成了国产支架电液驱动系统 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的研制，从2 0 0 6 年1 0 月至2 0 0 7 年1 1 月进行了1 0 架2 个工作面的井下工业性试验， 2 0 0 7 年1 1 月开始，进行了2 4 架2 个工作面的井下工业性试验，并取得m a 标志，2 0 0 7 年7 月，完成了科技部组织专项资金项目验收，产品已批量推广应用。2 0 0 8 年9 月开 始，进行了全工作面1 4 3 架井下生产使用【6 】。 目前国内只有少数企业掌握了电液驱动技术，但由于加工精度不够，很多液压阀仍 需从国外进口。尤其是电液驱动系统中的各种传感器，仍然依赖国外公司，而外国公司 的技术保护非常严密，从整体上来说，电液驱动技术的对外依赖性没有改变。 迫于国外厂商的垄断，大量的利润为国外公司所获取，越来越多的支架厂商、科研 院所加入到电液驱动技术的研究中，但到目前为止，并没有突破性进展。 1 4 本课题研究的内容 本文以某综采自动化工作面的采煤工艺为依据，对液压支架动力输出自动化研究。 该工作面为薄煤层工作面，煤层分布走向在1 2 1 8 米之问，所以根据采煤工艺的要求， 液压支架的液压动力输出控制通过选用十功能阀实现。( 十功能分别包括降柱、升柱、 推溜、移架、伸侧护板、收侧护板、伸伸缩梁、收伸缩梁、抬底座、喷雾) 。 本课题设计的具体内容包括： ( 1 ) 通过分析液压支架的基本结构和动力输出先后次序，设计液压支架的总体液 压驱动结构，并根据液压驱动结构，分析与液压动力输出控制相关的液压阀结构和特征。 重点分析了决定电液驱动控制优越性的先导控制阀的结构特征，以及保护先导阀的反冲 洗过滤装置。 ( 2 ) 针对电液驱动系统要实现的功能，对电液驱动系统的电子控制器进行硬件和 软件设计，并对控制器芯片中的嵌入式操作系统p c o si i 进行介绍。并设计了固化 p c o si i 操作系统相关算法及程序代码，同时还设计了其他相关外设的驱动程序，如 键盘接口驱动，红外通讯接口等。 ( 3 ) 分析了自动化综采工作面采煤工艺中液压支架的驱动功能，决定了电液驱动 控制的核心部分一c a n 总线通讯。介绍了c a n 总线的特点及通讯协议，根据c a n 总 线通讯协议设计了电子控制器的c a n 总线驱动程序。根据采煤t 艺设计了电液驱动控 制的邻架通讯和集控通讯的控制算法。 ( 4 ) 应用总线测试仪和总线监控软件对c a n 通讯指令及数据传输进行了在线测 太原理工大学硕士研究生学位论文 试，并将控制器及c a n 总线安装于液压支架上，在应用现场进行了功能性测试。通过 总线测试仪监测的数据分析及实际现场测试情况，验证整个控制算法的可行性。 - j 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章液压支架液压驱动系统的总体设计 2 1 液压支架动力输出的基本功能介绍 液压支架整体结构如图2 - 1 ： 1 、顶梁2 、控制器3 、平衡油缸4 、立柱5 、底座6 、推移千斤顶 图2 - 1 液压支架整体结构图 f i g 2 - 1 t h ew h o l es t r u c t u r eo f h y d r a u l i cs u p p o r t 为了满足综采采煤工艺的需要，液压支架动力输出的基本功能有以下几种： ( 1 ) 升柱、降柱 工作面中液压支架除了要起到支护作用外，还承担着推移刮板输送机及采煤机的作 用。所以液压支架在推移前首先要降架，使立柱降下来，然后利用液压驱动，向前移架， 移架完毕后，要马上升柱，使顶梁与顶板接触，起到很好的支护顶板的作用。 ( 2 ) 伸、收平衡油缸 液压支架在降柱时，为了保证支架顶梁成水平状态，在支架降柱的过程中，平衡千 斤顶需要伸出，执行伸平衡油缸动作；当支架执行升柱时，为了保证在顶梁能够完整的 与顶板接触，起到最佳支护作用，平衡千斤顶需要相应地收回，执行收平衡动作。 ( 3 ) 推溜、移架 采煤机割煤过后，采空区必须进行支护，所以支架要向前移架。在移架之前，首先 必须将溜子推向煤壁，做推溜动作，推溜动作完成后，支架向前移架，执行移架动作， 为执行下次推溜动作做准备。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 伸、收侧护板 在支架支护过程中，由于工作面支架与支架之间存在相应的间隙，为防止煤块落入 支架间隙而伤害人员或损坏设备，必要时需要伸出侧护板，执行伸侧护板动作。在移架 前，如果侧护板伸出，为防止架与架之问互相干涉，影响移架，需要执行收侧护板动作， 将侧护板收回。 ( 5 ) 伸、收护帮 在采煤机割煤过后，为防止煤壁坍塌，必要时需要支架配置护帮板。通常采煤机割 煤过后，护帮伸出，起到支护煤壁作用；相反，在采煤机割煤之前，需要收回正在支护 煤壁的护帮板，执行收护帮动作。正常的液压支架只有一级护帮帮，对于大采高支撑掩 护式支架，可能会设计两级护帮板。相应的会分为伸、收一级护帮动作，伸、收二级护 帮动作。 ( 6 ) 伸、收伸缩梁 为了增加支护长度，液压支架需要设计可伸缩式伸缩梁。伸缩梁伸出时，执行伸伸 缩梁动作；伸缩梁收回时，执行收伸缩梁动作。 ( 7 ) 抬底座 支架在移架过程中，由于支架本身的自重，加上煤层底板的阻力，会增加移架阻力 甚至不能移架。为了保证移架动作的j i i 页n ，在移架执行前，需要先执行抬底座，将底座 抬起。在抬底座关闭后，底座会在自重的作用下自动落下。 ( 8 ) 喷雾 采煤机在割煤过程中，会产生大量的煤尘污染，为了采煤工人的身体健康，每台支 架都应配置喷头，实行高压喷雾，起到抑尘作用。支架执行一次降、移、升循环动作， 喷雾阀都要开启，执行喷雾动作。 2 2 液压支架动力控制系统 2 2 1工作面液压动力输出的总体结构 整个工作面工作支架的功能相同，所以整个工作面的液压动力系统就是将多个支架 串联，构造液压回路而组成。液压系统由液压泵驱动，通过条总进液管路，一条总回 液管路，接出多个分支系统，每个分支分别为每台支架的进液源与回液源，在每个分支 的进液管路上要配置相应的开关阀，控制每台支架的进液。工作面总体结构如图2 2 ： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 #灌压阀组2 #液压阀组3 #液压阀组 1 0 0 # 渣压阀组1 0 1 #渍压阀组1 0 2 #j 葭压阀组 r 。一 f 。+ + 1 挚学等学等蛐- 肾! 挚等等节荦峙秘 ，f 。一 甲甲甲甲甲 一：犁： 。：。： 照照 瘦 。j j l ll j 图2 - 2 工作面液压原理总布置图 f i g 2 2t h ew h o l eh y d r a u l i cs t r u c t u r eo fw o r k f a c e 2 2 2 单个液压支架的动力输出功能结构 根据液压支架所要实现的动力输出功能设计电液驱动控制系统，首先要设计液压动 力输出结构。主要指单台液压支架的液压原理图。如图2 3 所示。 l 、喷头2 、7 、液控单向阀3 、节流阀4 、进水阀5 、先导控制阀组6 、液压控制阀组8 、反 冲洗过滤器9 、电液控制器10 、侧护千斤顶1 1 、液控双向锁1 2 、平衡千斤顶13 、18 、2 0 、2 l 、 溢流阀1 4 、抬底千斤顶1 5 、立柱千斤顸1 6 、倾角传感器1 7 、压力传感器2 2 、单向互锁阀2 3 、 推移千斤顶2 4 、行程传感器 图2 - 3 单个液压支架电液布置原理图 f i g 2 3 t h eh y d r a u l i cs t r u c t u r eo fas u p p o r t 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 3 由两个部分组成，分别为支架的液压原理图和电子控制结构图。 液压原理图主要是液压回路设计，均由实线构成。乳化液由乳化液泵输出3 1 5 m p a 的压力，乳化液的动力输出由液压阀组控制，液压阀组又分为先导控制阀5 和液压主阀 6 。在高压液通过主阀之前，首先要经过先导反冲洗过滤装置8 。由于先导阀的控制精 度要求很高，液体杂质进入先导阀芯后，容易导致先导阀芯内部卡死，先导阀无法即时 开启，或者开启后不能及时回位，这样将严重影响先导阀的控制精度。由于液压主阀通 过先导控制阀的动力输出相应的功能，所以先导阀控制精度的降低，将导致主阀无法及 时开启或关闭，容易引发大的安全事故。为了防止先导阀阀芯被流入的乳化液杂质堵塞， 在液体进入先导阀之前，需要设置反冲洗过滤装置，过滤精度为2 4 微米，完全可以满 足先导控制的要求。 液压阀组为按采煤工艺要求配置的十功能液压阀组，在输出动力执行相应的功能动 作时，开启相应的先导控制阀，高压液体经先导阀流入主阀，将主阀芯打开，高压液体 再经过主阀流入相应的液压油缸，高压油驱动油缸千斤顶伸缩，从而输出相应的动力驱 动支架动作。同时，在支架执行动作时，为了防止液压过高而损害液压千斤顶，需要在 相应的油缸进液前，配置起保护作用的安全阀或单向阀。 液压支架的电子控制主要是由支架控制器、连接数据通讯线、红外收发装置、先导 阀驱动器以及其他传感器共同组成。传感器主要包括倾角传感器、位移传感器和压力传 感器。 支架控制器主要是执行发送液压支架驱动指令，采集传感器监测的数据。同时支架 控制器还要与其他支架控制器之间进行通讯，互相收发指令与传输数据。支架控制器是 电液驱动控制的核心。 数据通讯线是支架控制器与控制器之间，控制器与传感器之间进行数据传输的纽 带。由于液压支架用于煤矿井下，所以对数据通讯线有较高的要求。除了需要的阻燃性， 防爆性外，为了防止在井下恶劣环境下受到其他信号的干扰，数据通讯线还需要严格的 电气隔离特性。 红外收发装置主要用于采煤机与支架之间进行适时通讯的工具。每台支架都要配置 红外接收器，通过安装于采煤机上的红外发射器与支架上的红外接收器互相通讯，将采 煤机的准确位置及工作面的其他信息传输给支架控制器，由控制器作出相应的处理。 先导阀电磁驱动器用于驱动先导控制阀的开启与关闭。它是将电信号转换成液压信 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 号驱动先导阀动作，从而间接控制液压主阀的开启和关闭，实现对整个支架的动力输出 控制。 倾角传感器用于检测工作面支架顶梁与顶板的夹角，支架顶梁与底板的夹角，从而 共操作人员判断支架的位置状态。位移传感器用于检测液压支架的推移行程，通过检测 支架的行程，控制器判断支架是否到位，从而控制液压阀的开闭时间。压力传感器是检 测支架立柱腔内的压力，同样是控制器判断支架动作到位的依据，它与行程传感器、支 架控制器协同作用，共同控制液压阀的开闭时间，自动控制整个支架的功能动作。 2 2 3 支架液压原理 液压支架的动作执行过程，通过图2 - 4 液压支架功能原理图来分析，图2 4 ( 1 ) 显 示了液压支架的升、降柱过程和伸、收平衡过程组成。图2 4 ( 2 ) 显示了液压支架的推 溜、移架，抬底，伸、收平衡过程。 a 图2 - 4 液压支架功能原理图( 1 ) f i g 2 - 4 t h ef u n c t i o n a lt h e o r yo fh y d r a u l i cs u p p o r t ( i ) ( 1 ) 升柱过程 高压乳化液经过进液管p 口进入，进液后首先经过先导反冲洗过滤装置b ，过滤掉 乳化液中大于2 4 微米的杂质，然后分为两路，一路进入先导阀，另一路进入主阀。不 同功能的阀芯，配置相应的液压管路。由于先导阀精度高，进液管路、回液管路及阀芯 为一体。而主阀进液量大，所以通过主阀出口，管路分别引向不同的液压油缸。液压油 受液压泵的压力，始终压向阀芯，当升柱功能先导阀开启后，小股的高压液同时流向左、 太原理工大学硕士研究生学位论文 右立柱升柱主阀芯，将左、右升柱主阀芯打开，高压液以很高地流速分别流向左、右立 柱油缸的下腔。在液压进入立柱腔之前，首先要经过节流阀减速，经液控单向阀( c 1 。 和d l 所示) r 点，只能流进，不能流出，进入立柱下腔，驱动立柱上升。由于立柱油 缸底部的压力大于顶部压力，受高压的作用，顶部的液压油会自动经过降柱阀端口，回 流到油箱中。当立柱升到完全支撑顶板的压力时，升柱先导阀会关闭。驱动升柱主阀芯 开启的高压油会经过升柱先导阀流回油箱，使升柱主阀关闭。截止高压液继续流向立柱 油缸下腔，立柱停止上升。同时，在液控单向阀( c 1 和d 1 所示) 的作用下，立柱油 缸底部液压油无法回流，保证了液压支架的支撑作用。 ( 2 ) 降柱过程 降柱过程与升柱过程正好相反，如图2 4 ( 1 ) 所示：a 图降柱先导阀首先开启，使 小股高压油进入降柱主阀芯，将降柱主阀芯打开，大量的高压油分两路分别流向左、右 立柱上腔，高压油在进入立柱上腔的同时，会有- d , 股液体流向液控( c 1 和d 1 所示) 单向阀r 点和g 点，将两个单向阀都打开。立柱下腔的液体便会流出，流出时同样分 成两路，一路经过升柱主阀芯流回油箱，另一路经过g 点单向阀相应的回油管溜回油 箱，支架执行降柱功能。 ( 3 ) 伸平衡过程 a 图伸平衡先导阀开启后，液压油流向伸平衡主阀芯，将主阀芯打开。高压油迅速 流向平衡油缸的下腔，同时有一小股液体流向收平衡的液控单向阀( e l 所示) ，将收平 衡液控单向阀打开，使平衡油缸上腔的液体经收平衡油缸的主阀芯，流回油箱，实现伸 平衡功能。同时，平衡油缸的上下腔入口处装有相应的溢流阀，防止高压油压力过高而 损坏平衡千斤项。 ( 4 ) 收平衡过程 收平衡过程同样通过开启收平衡先导阀开主阀。高压油流动过程与伸平衡过程正好 相反，从平衡油缸上腔流入，下腔流出。 ( 5 ) 升柱时同时收平衡过程 液压支架在升柱过程中，两侧立柱会使支架顶梁与顶板结合。通常在升柱过程中， 如果平衡油缸不动作，支架顶梁无法水平上升，或不能与顶板保持水平。为了保证顶梁 尽量与顶板水平，实现更好地支护。如图2 - 4 ( 1 ) ，平衡油缸的上下腔进液单向阀( e l 所示) 除了双向互锁外，还必须实现油缸压力平衡互锁。即当支架在升柱过程中，立柱 太原理工大学硕士研究生学位论文 的上升及顶梁受顶板的压力加大，支架本身的白重和顶板的压力共同趋使平衡油缸内部 上腔压力大于下腔压力，当平衡油缸上下腔压力平衡破坏后，液压油经过联通的互锁单 向阀，高压腔会将低压腔的油继续压入高压腔，高压油从伸平衡管路流向收平衡管路， 平衡油缸收回。升柱过程中，平衡油缸自动收回。 ( 6 ) 降柱时同时伸平衡过程 与升柱收平衡过程相反，支架在降柱过程中，支架自重的影响，使平衡油缸下腔压 力增大，下腔压力大于上腔压力时，平衡油缸上下腔压力平衡被打破，高压腔会将低压 腔的油继续压向高压腔，即液压油会从收平衡管路流向伸平衡管路，最终进入平衡油缸 的下腔，直到上下腔的压力平衡为止。所以在支架降柱的过程中，平衡油缸自动伸出。 l | c 2 摧， 霓i t i t t b 里旺 b _ j = = 跏 罐 季旺 工巨弓= = + 盘 e 匝；一匪 盘 卫至 墙 孽鬯 | i t 喝 母鬯l i t d 2 普鬯 一_ 罐 巫 晶i 甑慊! 制 卜 亚。掣 bt 黜，至 墨f 翟簿： 乳 一_ r p n pr 图2 - 4 液压支架功能原理图( 2 ) f i g 2 4 t h ef u n c t i o n a lt h e o r yo fh y d r a n l i cs u p p o r t ( 7 ) 推溜过程 推溜先导阀开启，高压油流向主阀，将主阀打开。高压油通过主阀，经过推溜液压 管道的液控单向阀( d 2 所示) ，进入推移油缸上腔。由于推移千斤顶为倒装结构，推移 千斤项收回为推溜，伸出为移架。液压油进入油缸上腔为推溜。在液压油进入上腔时， 推移油缸下腔的油液在上腔的压力下，自动流出，经移架主阀芯流回油箱，实现推溜过 程。同时在推溜管道进液口安装溢流阀，防止推溜时压力过大损坏推移千斤顶。 ( 8 ) 移架过程 移架先导阀开启，驱动移架主阀芯打开，液压油迅速流进推移油缸下腔，同时会有 一小股液体流向推溜单向阀( d 2 所示) ，将单向阀打开。液压油在压力作用下，从推溜 管路经推溜主阀芯溜回油箱，实现移架动作。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 9 ) 抬底过程雾遴爹 抬底先导润_ ；开启，驱动主阀芯打开，液压油流向抬底油缸下腔。将液压支架底座抬 1 爰誊豢。 起，油缸上腔的油液在压力作用下自动通过回油管路流回油箱。底座抬起。在抬底先导 阀关闭后，主阀芯会相应关闭，抬底油缸的液压油会在支架自重的作用下，自动被压回， 经过抬底主阀芯溜回油箱。所以抬底动作与其他动作存在区别，抬底阀开启时，底座抬 起，抬底阀关闭后，底座很快会在支架自重的作用下落下。 ( 1 0 ) 伸、收侧护过程 伸侧护和收侧护是执行相反的动作，由于属于辅助动作，只做临时开启使用，保护 人员和设备安全，侧护伸收较为灵活，按支架的功能，不需要设置液控单向阀。开启伸 侧护，主阀开启后，压油自动从侧护油缸下腔流入，上腔流出，实现伸侧护动作。收侧 护，恰好相反，开启收侧护先导阀，从而打开主阀，液压油从油缸上腔流入，下腔流出， 执行收侧护动作。 ( 1 1 ) 喷雾过程 喷雾过程是喷雾先导阀开启后，将喷雾主阀芯打开。由图2 4 ( 2 ) 可以看出，高压 水始终是以高压状态压向液控单向锁c 2 ，当喷雾主阀芯打开时，高压油流出一路将液 控单向锁c 2 打开，高压水从液控单向锁流出，开始喷雾；主阀芯关闭时，液控单向锁 c 2 在自身弹簧力的作用下复位，切断高压水流出，即停止喷雾。 2 3 液压支架的液压阀结构 2 3 1 电液换向阀组结构 图2 。4 中的a 部分为电液换向阀组的原理图，具体结构如图2 5 。 喷雾 抬底座 伸侧护 收侧护 伸平衡 收平衡 推溜 移架 降柱 升柱 e 1 0 爵 9 癣e 日 职 7 氆e 8 1 e s e + o e 3 1 3e 2 丐) e 1 回液 r 进液p 图2 5电液换向阀组原理图 1 4 管径 ( d n1 0 ) ( d h1 0 ) ( o n1 0 ) ( d h1 0 ) ( d l x l1 0 ) ( d n1 0 ) ( d n2 0 ) ( d n 2 0 ) ( d n z o ) ( d n 2 0 ) ( d n2 0 ) r ( d n 3 2 ) p ( d h2 , 5 ) 苎堡鎏塑丛堂堡主婴塞竺堂垡笙壅 f i g 2 5 t h et h e o r yo fe l e c t r o h y d r a u li cs h u t t l ev a l v e 电液换向阀组主要包括两部分，先导控制阀组和主阀组。如图2 - 5 所示，采用整体 插装式结构，每个功能口由1 个开关电磁阀、1 个两位三通先导阀和1 个液控两位三通 换向阀组成，电液换向阀组可以同时动作，1 片阀的两个功能口同时供液。 2 3 2 插装式换向阀阀芯棚构 图2 - 6 插装式换向阀结构图 f i g 2 6 t h es t r u c t u r eo fc a r t r i d g ev a l v e 由图2 - 6 所示，先导控制阀与主阀壳体实行固定安装，通过固定螺栓固定。先导阀 的阀芯结构也为插装式结构，每个先导控制阀体内装有两个插装式阀芯，进液口为p ， 出液口分别为a 和b 。先导阀的a 口与主阀芯的进液口a 口先通，同样先导阀b 口与 主阀芯b 口先通。当电磁阀驱动，打开a 口时，高压油从先导阀芯a 口流出，从主阀 芯a 口流入，将主阀阀芯的活塞压下，打开主阀芯的进液口，大量的高压油通过图中 所示的p 口进入高压管路，最后流入液压油缸。a 阀的操作与b 阀的操作相同。具体 的液压原理图如图2 7 所示。 图2 - 7 液压换向阀内部工作原理图 ；惠赴；僵虹 霞趣k 一 惶蜒一 奎堕堡三奎堂堡主婴窒竺堂堡笙塞 一 f i g 2 7 t h ei n n e rw o r kt h e o r yo fs h u t t l ev a l v e 图2 7 所示，当电磁阀没有通电时，输出无动作，此时先导阀工作口a 与高压乳化 液入口p 隔开，与乳化液回液口r 相通，此时主阀芯进液口也处于关闭状态。主进液 口p 与工作出口x 隔开，工作出1 ：3x 与主回液口r 相通。当电磁阀通电后，先导阀工 作口a 与p 口相通，与r 口隔开，高压乳化液经p 口至ai z l ，流入主阀芯，将主阀打 开，此时主阀出口x 与主进液口p 相通，与主回液口r 隔开，主阀芯开启工作。直到 电磁阀断开，则先导阀复位，同时主阀也复位。 2 3 3 插装式主阀芯结构 pr i k 图2 - 8 主控阀芯结构图 f i g 2 - 8 t h es t r u c t m eo fm a i nv a l v ec o r e 图2 8 所示：主阀芯为一个两位三通阀，由工作状态和停止状态构成。共有4 个流液口，分别为高压乳化液进液口p ，回液口r ，高压液输出口a 和先导控制口 k 。先导阀开启后，高压乳化液经k 口进入主阀，将主阀阀芯压下，此时高压液输 出1 ：3a 与回液口r 隔开，与进液口p 接通，高压液经输出口a 输出高压液体。直 到先导阀关闭，高压液在弹簧力作用下将主阀内部液体经k 口压出，主阀关闭，此 时工作口a 与回液口r 相通，与进液口p 隔开，主阀停止工作。 2 3 4 液控单向锁c 1 结构 旦。 与 嘻一 鱼三剑 【审 0 o 氐o 、，摹 ! 够? 0o o审1 审01 审f0o 铲 硎广| _ l 霪霪 图2 - 9c l 液控单向锁结构 f i g 2 9 c 1s t r u c t u r eo f h y d r a u l i cc h e c kv a l v e 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 9 为c 1 单向锁的结构。d d 和e e 分别为单向锁插装阀芯的剖面结构。下 方为进液口，高压油进入时，克服弹簧力进入液压油缸。回液时由活塞封住出油口， 高压油无法回流。只有液压千斤项反向功能阀开启，高压油通过反向功能油管进入， 将活塞打开，高压油才能回流。如此即实现了液压单向流动保护。 2 3 5 液控双向锁e 1 结构 e l ：= 霹!