（机械电子工程专业论文）液压支架电磁阀数值仿真研究.pdf

摘要 现代煤矿开采已进入综采时代，液压支架得到了广泛的应用，但液压支架的核心一 一电液控制系统掌握在国外少数几个大公司手中。国内主要液压支架电液控制系统全部 从国外引进，进口电液控制系统价格昂贵，维护维修成本高，导致液压支架成本的急剧 增加。电液控制阀国产化进而研发新的控制阀，成为当前提高国内煤矿综采比例的工作 重心。 传统液压阀设计计算采用集中参数计算，对阀道流场进行了简化，使得无法准确得 到液压阀的压力流量特性、动态特性等，不能完全描述液压阀的性能。本课题针对传统 理论计算方面的缺陷，采用有限元方式进行数值仿真研究，并利用数值计算的结果建立 电磁阀数学模型，且数学模型得到物理样机试验的验证。利用得到验证的数学模型对电 磁阀系统进行参、变量研究。根据课题的内容和特点，本论文分以下五个章节来阐述相 关内容。 第一章介绍液压支架的研究现状及应用前景，总结课题研究目的意义以及研究内 容。 第二章对所研究的f h d 3 2 0 3 1 5 型液压支架电磁阀结构进行简要介绍，分析其结构 特点。 第三章对电磁铁进行数值计算。主要计算不同参变量对电磁铁静态特性及动态特性 的影响，对电磁铁剩磁特性进行分析计算，分析总结电磁铁结构参数的取值原则，。 第四章对电磁阀内部流场进行数值计算。主要计算先导阀及主阀在稳态工况下流场 分布，能量损失、液动力、流量系数等。并通过对电磁阀不同结构参数进行研究，找出 对系统影响较大的参数及影响的原因。 第五章建立电磁阀数学模型，并与物理样机试验数据进行对比分析研究。利用得到 验证的数学模型对电磁阀不同参、变量进行仿真研究，分析电磁阀结构特点，获得不同 结构参数下电磁阀的动态性能。 第六章总结了本论文的研究工作和成果，并对下一步的工作进行展望。 关键词：液压支架电磁仿真系统仿真a n s o rc f da m e s i m l a b s t r a c t c o a lm i n i n gh a se n t e r e dt h ee r ao ff u l l ym e c h a n i z i n gm i n i n gn o w a d a y s ；h y d r a u l i cs u p p o a ( h s ) i s g r e a t l yu s e di nf u l l ym e c h a n i z e dc o a lm i n i n ge q u i p m e n t b u tt h ec o r et e c h n o l o g i e so fe l e c t r oh y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e mi nh sa r em a s t e r e di ns e v e r a ll a r g ef o r e i g n e rc o m p a n i e s t h ee l e c t r oh y d r a u l i cs y s t e mo ft h e h si si m p o r t e da b r o a d t h ei m p o r t e ds y s t e mi se x p e n s i v e ，w h i c hi n c r e a s et h ew h o l ec o s to ft h eh s d e e p l y a sa l lk e yc o m p o n e n ti ne l e c t r oh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，r e a l i z et h ep i l o ts o l e n o i dv a l v e ( p s v ) h o m e m a d ei st h em a i nt a s kt or e d u c et h ec o s ta n dg a i nm o r em a r k e tf o rd o m e s t i cc o m p a n i e s t h i sp r o j e c ti st o a n a l y z et h ed e s i g nt h e o r yo ft h ei m p o r t e dp s v t r a d i t i o n a lv a l v ed e s i g nu s e sc e n t r a l i z e dp a r a m e t e rc a l c u l a t i o nm e t h o d ，w h i c hs i m p l i f i e sf l o wf i e l d o ft h ev a l v e ，s oi tc a nn o ta c q u i r et h ea c c u r a t ef l o wr a t ea n dp r e s s u r ed i f f e r e n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ev a l v e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a l s ot h ed e r i v e dm o d e lc a l ln o td e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev a l v ef u l l y i nt h i s t h e s i s ，f i n i t ee l e m e n tm a t h e m a t i cc a l c u l a t i o nm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev a l v e i n s t e a d ，u t i l i z et h es i m u l a t i o nr e s u l t st om o d i f yt h em a t h e m a t i cm o d e l ，a n dt h e nv e r i f yt h em a t h e m a t i c m o d e lb ye x p e r i m e n t t h ev e r i f i e dm a t h e m a t i cm o d e li su s e dt oe v a l u a t et h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sv a r i a t i o n i n f l u e n c e st oc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co ft h ev a l v e a c c o r d i n gt ot h et h e s i sr e s e a r c hp o i n t s ，t h et h e s i si sd i v i d e d t of i v ep a r t st oi n t r o d u c et h er e l a t i v ec o n t e n t s i nt h ef i r s tc h a p t e r t h er e s e a r c hs t a t ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h eh sa r ei n t r o d u c e d ，a l s ot h e r e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s e a r c hm e a n i n go ft h ep s va r ei n t r o d u c e d i nt h ec h a p t e rt w o ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ep i l o ts o l e n o i dv a l v ei si n t r o d u c e d ，t h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c o ft h ev a l v ei sa l s oa n a l y z e d i nt h ec h a p t e rt h r e e ，t h es o l e n o i do ft h ep s vi sm o d e l e da n da n a l y z e d ，t h ev a r i a t i o np a r a m e t e r s s i m u l a t i o ns t u d yi sd o n et oc a l c u l a t et h ei n f l u e n c e st ot h es o l e n o i ds t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a l s o t h er e m a i n d e rm a g n e t i cf o r c ei s c a l c u l a t e d ，t h ep r i n c i p l eo fs e l e c t i n gt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so ft h e s o l e n o i di sg a v eo u t i nt h ec h a p t e rf o u r , s i m u l a t i o ns t u d yo ft h ef l o wf i e l di nt h ep s vi si n t r o d u c e d t h ef l o wf i e l d d i s t r i b u t i o n s ，e n e r g yl o s s ，f l o wf o r c e ，f l o wc o - e f f i c i e n c yo f t h ep i l o tv a l v ea n dt h em a i nv a l v ea r ec a l c u l a t e d b yc f ds o f t w a r e a l s op a r a m e t e r sv a r i m i o ns i m u l a t i o ns t u d yi sd o n et of i n do u tt h ep a r a m e t e rw h i c ht h e l i m o s td e e p l yi n f l u e n c e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep s v i nt h ec h a p t e rf i v e ，t h ew h o l ep s vm a t h e m a t i cm o d e li sb u i l t ，t h es i m u l a t i o nm o d e li sv e r i f i e db yt h e e x p e r i m e n t t h e nt h ev e r i f i e dm o d e li s u s e dt od os o m ep a r a m e t e r sv a r i a t i o ns i m u l a t i o ns t u d y , w h i c h a n a l y z e st h ev a l v ec h a r a c t e r i s t i ca n da c q u i r e st h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h e p s vi nd i f f e r e n tg e o m e t r y p a r a m e t e r s i nt h ec h a p t e rs i x ，s o m ec o n c l u s i o n sa b o u tt h i sr e s e a r c hw o r ka r ei n t r o d u c e d ；a l s ot h ef u t u r ew o r ki s p o i n t e do u t k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs u p p o r t s o l e n o i d p i l o t v a l v e s y s t e m s i m u l a t i o na n s o f lc f d a m 【e s i r e 1 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证二拈而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 扔崩多 签字日期：o f l m6 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘茔有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘 生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：扬力i ! 乡 导师签名： 签字日期： d 箩年 莎月 眵日 签字日期：o , 占m - 6 月l ；日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 艘i 立* u 磁月数值仿真研究 第一章绪论 液压盘架足以一矧e 乳化液为动力，通过对电磁阀的控制实现支架的支撑、切顼、移 絮和输送机推移等t 的机械化设备。它能可靠而有效地支撑和控制i 。作面埘! 板，隔离 采空区，保证地下作业空间的安全。因此，以液压支架为主盟设缶的综合机械化系统的 诞生和发展是煤矿生产发展坐上的一次重大擎命。液压支架不仪从根本卜故静了劳动条 件和安全状况， 也为t 作面产量和效率的迅速提商奠定了基础，是煤矿q 三产现代化的重 要标志。 1 1 液压支架发展概况” 世纪4 0 年代忉期可弯曲副板运输机往西德的推广，5 0 年代干j j 期浅截j 采煤机械 在英田的应用，为机械化采煤丌辟了厂阔的前景。然而，支护【作仍为于工操作，r 疗动 繁重，效率低，严重地影响r 1 i i n j s t 械效率的发挥。为丁解决这问题，固外从“十年 代初开始着手研制液、支架。第个液支架工作面j i19 5 3 年存英国问世，随厉在苏联、 西德、同本、法国、美国、波兰和罗马尼亚等国家陆续应用和推广。 硝i 1 小同架1 0 液脏支架 液j i 、支架的出现，把刚采工作面的支护技术从手 一支护发胜到机械化支护。液压支 架和可弯曲刮板运输机、浅截式采煤机械( 粟煤机，刨煤机) 的配合使阳，使回采工艺 过柞破煤、装煤、运煤和支扩全部实现丁机械化，即所谓综台机械化采煤，简称为 综聚。综采的出现，是煤炭工业的一次重大变革，它标志着煤炭工业机械化大生产的丌 浙江大学硕上学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究 始。综合机械化采煤设备的应用，使采煤工作面实现了高产、高效、安全、低耗的文明 生产，使煤炭工业的面貌发生了深刻的变化。从图1 2 、1 3 可以看出，随着综采机械化 程度的提高，煤矿开采百万吨死亡率呈下降趋判5 ，1 4 1 。 嚣 _ 张 臻 一 一、 一 _ 一弋广 + 综采比例 - , - - g 万吨贮率 入 1 l i l 1 一| 澳大利亚美国波兰南非俄罗斯中国 8 6 0 0 篓踟。 蚕8 2 0 0 赛 蝼8 0 0 0 张 b7 8 o o 篓 蜒 1-侧i 7 60 0 凿7 4 0 0 7 2 0 0 图1 - 22 0 0 4 年世界主要采煤国家百万吨死亡率 + 国有重点煤矿采煤机械化程度 - i - - 百万吨死亡率 j 一 v 一 k - 7 1 9 9 81 9 9 92 0 0 0 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 斟 u 繇 訾 k l m 斟 u 献 铲 k 1 图1 3国内采煤机械化程度与百万吨死亡率关系 我国在1 9 6 4 年由煤科院太原分院和郑州煤机厂设计了7 0 型迈步式自移支架，从此 开始了液压支架的国产化道路，已先后试制了m z 1 9 2 8 、t z 型、b z z c 型、w k m - - 4 0 0 型、d m 一4 0 0 型、y z 型、z y z 型、z y 型等多种型式的液压支架，并在开滦、大同、阳 泉、鹤壁、徐州等局进行了试验和使用，取得了较好的效果。1 9 8 4 年，北京开采所、沈 阳开采所、郑州煤机厂在沈阳蒲河矿进行了我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验， 2 5 5 5 5 扎 3 乙 2 l 1 队 o 的 柏 o 渡h 女架u 鲢目数值仿真研， 继向研制出丁多种低位、中何和高位放项煤支架，成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤 层水f 分层工作l 衄得到应用r 3 o 自1 9 9 0 年丌始，田产液脏支架得到r 全i h 】的发展，到 2 0 0 5 年i h ，液j e 支架的产量达到2 7 2 3 7 架。，液压支架在煤矿j r 莉i k , 得j t jr 仝l i 【| f f lr 奇) l 。 1 2 液压支架电液控制系统发展概况 i 2 i 电液控制系统在液压支架中的应用n 8 ，9 。l 期液u 二支架l 要采用手动直控操作系统，煤矿丌采业一t - 世纪7 0 年代棚，r 始重视 支架液j l 先导控制的研究，在7 0 年代中后期j 。泛采用液压多芯管先导控制系统。有了先 导控制的基础，从8 0 年代开始两方采煤国家大力着手电液先甘程序控制的研究和使用， 液压_ 支架进入电液控制时代峨 削1 4 液脏支架枉矿”中的应用 i ! ii 5 液压支架电液控制系统 液、支架的电液控制系统是由先进的电f 计算机技术与液妪阀等液压元器件相结合 组成的，它是控制液堆支架实现其自动化运转的核心。它代替了一般的液压支架手动液 口：操纵阀控制系统，从而使液压立架的操作更加灵活、快捷。 液雎支架电液控制系统十要由电液摔制阀组、支架控制器、传感器、电源箱、插座 和电缆等l ：| _ 【成。 l 乜控阀组叶 的电磁先导阀用于将r 乜信号转换为液儿三信号，控制丰控阀和常闭截止叫， 抒闽则将先导闽发出的液压信学经液压放大后，控制年油缸的动作。支架控制器拥据 预定的程序和备个传感器反馈的信号，向各个先甘阀垃出电信号控制先导阀的动作。传 感器有j | 、山传感器、位移传感器和 l 外传感器。眶力传感器用于检测电 e 爿降时的爪j ： 位移他感器用十榆测移架步距：! l 外传感器丌】f 检测采煤机的位置。l h 源箱具有防爆、 浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究 本安、过压、短路、过载保护等功能。 图l _ 6电液控制系统网络结构框图 液压支架的电液控制系统是当前国内外工作面支护技术发展的主要方向之一，具有 如下优点1 1 , 1 2 】： ( 1 ) 它可以将支架的降架、拉架、升架、推移前部输送机、拉后部输送机、收护帮板、 伸护帮板：喷雾洒水及放项煤等动作由原来的人工手动操作改为电液自动控制、程序化 操作，能够与高效采煤机相匹配加快工作面推进速度，显著提高采煤工作面的生产效率。 ( 2 ) 它可以实现跟机自动化作业、降低工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，减少 工作面的操作人员，改变煤矿生产落后危险的社会形象。 ( 3 ) 它可以解决特殊地质条件和困难生产条件下的生产工艺问题。例如在薄煤层工作 面人员无法在工作面内操作的条件下，采用电液控制可以实现无人化工作面( 需与刨煤机 系统配合使用) 。 ( 4 ) 它可实现多架同时推输送机并可定量推进，保证输送机缓慢弯曲，避免中部槽连 接处产生过大应力，延长输送机的寿命，同时可以保护工作面输送机的平直性，实现工 作面的平直推移。 ( 5 ) 它易于实现带压移架，对于保护顶板的稳定性和防止冒顶事故非常有利。 ( 6 ) 它可以较好地控制支架初撑力，- 显著地改善支护效果和工作面管理水平。 煤矿综采液压支架电液控制系统的应用，大大地加快了工作面的移架、推溜速度， 改善了采煤工作面顶板的支护状况，使工作面产量成倍增加，直接功效大幅度提高，安 全状况明显改善，吨煤成本大幅度下降，为煤矿生产的高效、安全和煤矿工人劳动环境 4 浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究 的改变提供了条件。综采使煤矿实现了由手工操作向机械化的变革，电液控制系统使井 下采煤实现由机械化向自动化的革命，也可称为采煤技术的第二次改朝换代的重大改革， 是煤矿2 l 世纪的高新技术。 1 2 2 液压支架电液控制系统研究现状 6 , 7 1 2 , 1 5 1 二十世纪7 0 年代中期，英国煤炭局首先提出研制电子控制液压支架，1 9 8 1 年澳大利 亚的科里曼尔煤矿最先将电子控制的液压支架用于长壁综采工作面。1 9 8 3 年底英国原道 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 ”电液控制系统在“h e m h e a h t ” 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控制系统，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1 6 1 。 德国从二十世纪8 0 年代初开始大力发展液压支架电液控制系统。威斯特伐利亚公司 与西门子公司于1 9 7 8 1 9 8 4 年间合作研制出德国第一套支架电子控制装置一一 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 5 支架电控系统。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 亚公司自行改进推出m p 4 系统，而m a r c o 公司改进推出了p m 3 1 系统。除此之外，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控制系统，并推广使用。 目前，国外液压支架电液控制技术己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备的综采工作面几乎全部采用电液控制的液压支架。 国内自二十世纪8 0 年代中期即开始研制液压支架电液控制系统。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 型支架电液控制系统，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控制系 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。在b m j i 基础上改进的第二代b m j 一1 i 型支架电液控制系统( 2 0 架) tj 3 j ，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 l 卜i 型支架电液控制系统，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 5 浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究 月开发出d 1 呱z i i 型支架电液控制系统，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。 煤科总院太原分院研制的y t l 型支架电液控制系纠1 2 , 1 8 j ，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，但现已经撤出。 我国液压支架电液控制系统研制已经历了十几年时间，但功能性、准确度，特别是 可靠性方面都不能实现批量工业性生产。至此，国内不得不采用引进模式，来满足国内 高产高效矿井的发展需求。 1 3 液压支架电磁阀的发展概；e t l o , 1 2 1 6 ，1 1 6 ，1 9 】 在液压支架电液控制系统中，电磁阀组是关键的元件之一。它的功能是将电控系统 发出的电信号有效地转换为液压信号，以控制支架液压缸的动作，其性能及可靠性直接 影响整个系统的性能和可靠性。 长期以来，德国d b t 、m a r c o 公司和美国j o y 公司等归属的研发部门以及许多专 家学者都致力于电磁阀组的研究和开发上。他们从电磁阀组的结构工艺着手，对先导阀 压力损失和泄漏及其驱动元件等方面的问题都进行了大量而细致的实验研究，同时，还 应用计算机对先导阀内部的流场进行模拟研究。特别是德国一些公司相继研制出一批高 性能、高可靠度的电磁阀组。在长期的研究中，这些国家积累了大量的理论知识和丰富 的实践经验。 在国内，对液压支架的研究起步相对国外要晚，而对其中的电磁阀组的研究则要更 晚一些。这些研究主要是在煤炭科学研究总院各个专业研究所、骨干的支架制造厂及其 一些液压件厂中有见到。二十世纪8 0 年代中期煤炭科学总院上海分院董信根、芮丰等对 国外矿用电磁先导阀的主要参数的确定和结构特点进行了综合分析；1 9 9 7 年煤炭科学研 究总院太原分院田永顺对x f l 型矿用电磁先导阀可靠性进行了研究分析；吴国强等人 对液压支架电液自动控制系统的工作原理及控制进行了国产化研究。 随着计算机技术的飞速发展以及数值计算技术研究的不断深入，使得对于几乎一切 流体力学问题，包括液压技术中的流体力学问题的研究成为可能。1 9 9 3 年底欧共体撤消 了c f d 软件对中国出口的禁令，商业c f d 软件逐渐进入我国，这在一定程度上促进了 我国工业界c f d 技术的应用推广。国内高校及相关企业开始利用计算流体力学软件对液 6 浙江大学硕上学位论文 液压支架电磁阀数值仿真研究 压支架电磁阀的各种复杂的流动现象进行数值计算研究，分析了阀道流场分布、气蚀产生现 象及压力损失等基础性问题。如天地科技玛珂电液控制有限公司利用计算流体力学软件 f l u e n t 对电磁先导阀进行了流场计算、流量特性预测的数值计算研究【2 l 】；太原理工大学 王芳、廉自生等人利用f l u e n t 标准紊流模型模拟了液压支架系统中电磁先导阀流道内流 体的流动状态及阀芯所受稳态液动力的情况【2 0 】。通过这些研究加深了国内对液压支架用 电磁阀的设计理论的理解。 1 4 本课题的研究意义及研究内容 1 4 1 本课题的研究意义 煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物质基础。我国煤炭资 源丰富，煤炭资源分布面积约6 0 多万平方公里，占国土面积的6 。根据第三次全国煤 炭资源预测与评价，全国煤炭资源总量5 5 7 万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量 居世界第一。国务院制订的能源中长期发展规划纲要( 2 0 0 4 2 0 2 0 ) ) ) ( 草案) 指出“要 大力调整优化能源结构，坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展的战 略”。鉴于我国“多煤、贫油、少气( 天然气) 的特点，在今后相当长的一段时间内， 能源结构仍然以煤炭为主，煤炭在一次能源消耗中占7 0 左右，在我国能源结构上占主 要地位，有举足轻重的作用。根据“十一五”计划，国家将建成1 4 0 个高效安全的现 代化矿井，国家将加大对煤矿建设项目的支持力度，已先后有1 7 个煤炭建设项目，由国 家开发银行出具贷款承诺，还将1 0 0 多个高档普采工作面升为综采工作面，1 0 0 多个普采 工作面升为高档普采工作面。这样，中国大型煤矿采掘机械化程度将达到9 5 ，中型煤 矿的机械化程度将达到8 0 以上；大型煤矿国内先进水平装备率将达到2 0 ，国际先进 水平装备率将达到6 ；中型煤矿国内先进水平装备率将达到1 0 ；小型煤矿机械化、半 机械化程度将达3 0 以上。据此分析，随着煤炭需求的急剧增长，上述煤矿采掘机械化 指标还会有所突破，这为液压支架的发展提供了广阔的市场前景【2 2 】。 作为综采液压支架的核心电液控制系统一直掌握在国外少数几个大公司手中， 如德国d b t 公司p m 4 、m a r c o 公司p m 3 1 、美国j o y 公司r s 2 0 。进口电液控制系统 价格昂贵，维护维修成本高，配件供应周期长，导致液压支架成本的急剧增加。目前， 中国国有重点煤矿的综采工作面数已超过3 0 0 个，全部靠进口国外的整套系统是不现实 7 浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究 的，这严重限制了液压支架电液控制技术在煤矿开采中的推广。因而，为了实现国家提 出在“十一五”期间的目标，必须加大液压支架电液控制系统的国产化力度，降低液压 支架成本，为煤矿开采机械化打下基础。 近些年来国内虽然对液压支架的电液控制系统做了一些研究，但与国外比较除了在 n i 及材料方面的原因外，还存在以下几个方面的差距： 1 、国内液压支架阀类产品的设计思路还处于国外二十世纪8 0 年代水平，往往忽视 了产品的维护维修性能，而国外同类产品则带有更多的人性化特点，考虑安装、操作使 用的便利。 2 、国内设计手段还主要靠经验设计，对现代设计手段利用很少，而电磁先导阀、大 流量主阀等，对性能要求相对较高，且实验存在一定难度，这就使得利用现代设计手段 对电磁阀进行特性预测显得尤为重要，而国外在这方面的应用已经相当成熟。 3 、国内管理水平较低，成批生产产品保证不了加工质量，达不到样机的指标，因此 工作面使用故障多，发挥不了应有的作用。 电磁阀组是实现液压支架电液控制的关键元件，电磁阀的性能好坏决定了电液控制 系统的能否正常动作。然而，国内对于电磁阀组的研究仅限于其流场研究，缺少对整个 液压支架电磁阀组系统全面的特性研究。液压支架电液控制系统基础原理，核心技术， 研发工艺等问题仍未解决。由于液压支架采用乳化液作为工作介质，它是由9 5 的水与 5 的乳化油配成，其物理特性接近于水，电磁阀更容易产生气穴、锈蚀等问题，因而， 液压支架用电磁阀不能简单的引用油压阀的设计准则，需要进行更多的基础性研究工作。 在过去，由于缺少相应的研究手段，对国外引进的产品只能照搬照抄，无法理解国外的 产品的设计原理，参数选取的机理。所谓只能知其然，不知其所以然。若对国外产品进 行试验研究，虽然可以得到相关的参数，但试验方法费用昂贵，而且只能表征初始状态 和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助研究人员了解问题的实质。然而随着 计算机技术的推广普及和计算方法的新发展，利用计算机数值仿真技术便可以更加有效 和便捷的分析一些基础性问题，缩小国内外差距，从而加快液压支架电液控制系统国产 化的进程。 计算机仿真技术的数值模拟相对于实验研究有其独特的优点，如成本低，周期短， 能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中所测数据状态。从某种意义上数值模拟比 理论与试验对问题的认识更为深刻、更为细致。它不仅可以了解问题的结果，而且可随 8 浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究 时连续动态地、重复地显示事物的发展，了解其整体与局部的细致过程。对于设计、改 造等商业或实验室应用起到重要的指导作用，故计算机数值仿真技术得到了越来越多的 应用。 本文主要运用算机数值仿真技术，采用数值仿真分析与实验分析相结合的方法，分 析所引进的液压支架电磁阀组，建立液压支架电磁阀组数学模型，并通过实测获得相关 的参数对数学模型进行修改，得到验证过的模型，并以此为模型研究液压支架电液控制 阀的设计原理及参数选择机理，真正消化和吸收国外的先进的液压支架电磁阀，从而一 方面可以根据国内的实际情况对其进行改进，设计满足国内需求的液压支架电磁换向阀， 另一方面把消化吸收得到的技术应用到新产品的开发中。 1 4 2 本课题研究的内容 本文以电磁学、流体传动与控制理论、流体力学等理论为基础，采用理论分析，计 算机仿真，有限元分析等方法进行研究。鉴于目前国内液压支架及电磁阀的研究现状， 本课题具体研究内容包括： 1 、针对目前我国液压电液控制系统的发展现状进行总结和整理，分析当前我国在液 压支架电磁阀组研究方面存在的问题。 3 、从电磁阀电磁铁的工作特点入手，结合材料和磁路原理，对电磁铁进行磁路分析， 研究本安电磁铁设计思路及其参数选取特点，利用有限元分析结果导入a m e s i m ，建立 电磁铁动态仿真模型，对电磁铁的动态特性进行仿真分析。 4 、针对电磁阀组先导阀及主阀进行流场仿真分析，研究流体在阀内的流动状态、研 流量特性以及不同参、变量对电磁阀流场的影响，并计算电磁阀各个阀口的流量系数。 5 、建立电磁阀组仿真模型，并与实验数据进行比较分析，完善模型；对电磁阀进行 系统仿真分析，研究电磁阀工作特性及结构特点，研究不同参、变量对电磁阀性能的影 响。 9 * 坛架l u 磴目数t 了真 究 第二章液压支架电磁阀结构介绍 f h d 3 2 0 3 l5 型电磁换向阀是先导式= 位三通电磁换向阀它足住吸收外先进i i 构的特点并结合我罔困情而研制的一种新型矿用液压支架电磁删，它山乜磁先旨阀及大 流量卜阀组成，按一定的程序通过控制各个液压干斤顶，实现液压支架的备顺动作。 2 1 电磁先导阀结构介绍 在液压支架电液控制系统中，电磁先导阀是关键的元件之一，它由本安型电磁铁作 为电机槭转换元件，驱动先导蜊工作。它的功能是将电控系统发出的f u 信号有效地转换 为液压信号，以抖! 制主阀动作。其具体结构如图2 1 所示。 幽2 1电磁光导恻剖示目 本安型电磁铁 图2 - 2 电磁先导嗍宴物凹 煤矿开采为了确保生产安全采用本安型电源，在1 2 v 的额定工作电压f ，最大输 电流一般不得大于5 0 0 r n a 。因而，被本安型电源激励的本安型电阀铁驱动电流便不能很 大，般不超过2 0 0 m a 左右，以允许支架电液控制系统驱动尽可能多的电磁阀刊时 作， 提高支架电液控制系统的性能。 本安型电磁铁线圈属于铁芯电感，匝数比常规电磁铁要大十倍，线圈电感很大。当 r 乜路断路时，线幽产7 l 很高的反电动势，不仅延长放电时问，影响电磁蒯复位动态特性， 同时可能造成电路断路火花。能量足够大的断路电火花可能点燃爆炸性气伴程和物，引 起爆炸。为了保证电磁铁的隔爆性能要求，在线圈绕完后，整体用黑色聚丙烯加热包裹 同化，隔绝屯火花与可燃性气体的接触。同时，对安皱在先导阀壳体内的电路板的感什 元什用环氧树脂胶封为一体。 a 生* 电m 阀敬值仿真” 2 、先导阀乖体 先导阀奉体由缓冲器奉体、大摊打、 3 ；1 1 t 脏n ；s 、阀鹰、小推杆、压力腔阀芯、复 位弹簧等组成。其具体结构如崮2 - 3 所小。 幽2 - 3【h 磁先导删结_ i j 不意刚 1 缓冲弹簧；2 缓冲器本体：3 犬摊忆4 一川油腔阀芯；5 阀鹰： 6 一压力腔阀芯；7 一复位弹簧；8 顶块；卜小推丰：1 0 蚓定节流l 1 先导阀工作过程： 当控制器发出控制信号时，电磁铁得电，推动缓冲器奉体向前运动，此时缓冲弹簧 山于受到一定的预紧力的作用，缓冲弹簧像刚体样，把电磁力传递到大推杆上，大推 朴推动回油腔阀芯向前运动，小推杆受到米自回油卒阀芯的作用力也推动压力腔阀芯克 服复位弹簧力向自运动，卣罕关闭ku 与t 口之间的回路，同时打丌p1 3 与t 口之间的 回路。当弹簧力继续增人，超过缓冲弹簧预紧力时，克服缓冲弹簧预紧力作用，缓冲弹 簧受到压缩，储存多余电磁铁输 f 的能量，缓冲器继续向前运动直到与缓冲器衬食相接 触 。 当控制器发山断丌指令时，电磁铁失 乜，山丁_ _ 感应电流的作用，电磁铁输1 力缓慢 减小。此时，储存在缓冲器的能鼙克服电磁力迅速推开电磁铁，确保电磁铁能j f 常打开。 “运行一定距离之后，电磁力迅速减小，此时在复位弹簧力及液压力的作用下，电磁先 导阀完伞关闭pi j 与kr 1 的回路。 3 、阀口型式 在i 乜磁先导削结构中可采刚多种阀口型，以达到所要的功能。在f u 磁先导阀中，常 * l 位论z被j h 盘m 磷目数值仿真研 采用球密封型式和锥面密封型式，采州的是金属一金脯密封，但这些类型的阀口对产品 加i 精度要求较岛，否则会存在7 1 * 漏现魏，而这些问题在液压支架阀p 是不允许存在的， 哲则容易造成严雨的生产事战。在本型j 电磁先导阀采盘阀阀几型式，阀门采川是软 硬密封，在压力腔阀芯及回油腔阀芯巾填充m 6 0 聚甲醛高分子材料，它具冉优良的力学 性能，比强度u n s5 0 m p a ，比刚度达2 6 5 0 m p a ，并具有良好的白滑性、耐磨性、耐摩擦 性、耐蠕变性和耐疲劳强度，这些优趣的性能使得m 6 0 聚甲醛高分千材料成为液压支架 先导阀密n ? t - 的瞧蚶材料。在先导阀渊座二祀用金属材料，通过这种软硬配合的密封型式， 使得阀l 】不存在泄露现象。 2 2 大流量主阀结构介绍 大流量 阀是液控化三通换向阀，缝由控制j l 二力控制的井在安全操作冉血当控制 压力降低时自动夫州液挣换向吲，卡要用丁煤矿迈步式液压支架的拧制，以便伸m 或缩 回立柱液j i 缸。出丁支架沿【作向在水平巷道安装并闩当支架随着 ：怍i m 的变化而移动， 这就需要频繁的切换。，) 外存上作面r 要施加的支棒力需要很高的液体压力，从而换向 阀总体l 受到的很高的j i 、力交变找荷，对阀座产生比较高的压力。 本型号大流量卜阀采用插装型式，它由，r 阀套、挖制活塞、a 阀座、阀芯、阀座、 复他弹簧等组成地。其中幽油接ut 可由控制活枣关 i l ，任h 油口关卅闭后，阀芯打丌 接通高压进油川p 到负载l la 之间的回路。其具体结构如图2 - 5 所示。 弹簧 蚓2 4 人流封土阀结构不意酬 左阀套；2 一控制活塞；3 一左阀座：4 一阀套；5 一阀芯；6 一阀座；7 一复位 人学删 。学位镕女 披m * a 磁目数值仿真研究 i 、上阀工作过程 当控制嚣发h j 控制指令时，先导阀i n 磁铁得咆，接通p 口与控制f jk 之叫的回蹄， j 阀控制腔压力缓慢上升，推动控制话雍运动与有阀鹰起关闭负栽【】a 和回油r t 之 州的回路。随厉控制腔压力迅速升高达到1 9 0 b a r 二右，此时阀芯克服流体静压力及复位 弹簧力推动阀芯运动，接通高厄油口p 与负载臼a 之r 的网路。在阀芯打”过程中，控 制腔压力卜爿比较缓慢，因而，阀芯存外启时日j 较长。 当控制器发出断丌指令时，电磁铁失电，先导阀关闭，接通控制腔k 与回油l 】r 之 间的回路。控制腔压力缓慢下降，阀芯慢慢复位，商至关闭。当阀芯完仝关闭后，控制 腔脏力迅速下降，当压力降到一定值时控制活塞向后运动，接通负载口a 与回油口t 之 间的同路。 幽2 - 5电磁换向蚓油路示意幽 2 、阀u 型式 目前圜内液压支架所采用的大流量主阀主耍足锥阀形式，采州会属一会届密封，由于 钢材材或质母不过关，极易因密封面的腐蚀导致内泄露。当前部分产品采用下面密封， 以“煤研二二号”做阀颦，解决了内泄露的问题，但存在阀挚损坏牢较高的现象。为了解 决这些问题，小型号大流量主阀胤座j 乏用的芷m 6 0 聚甲醛，并采用。定的技术手段减小 闷芯关闭瞬间的速度，减轻关闭瞬间阀芯对阀庄的冲击，椿护阎座。舀实际应川过程中， 这种型式的阀鹰小存在内泄露及删毕拟坏苹高的现象。 浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究 2 3 液压支架电磁阀结构特点 f h d 3 2 0 3 1 5 型电磁换向阀是国内目前性能稳定并批量用于矿井生产，已经可以替代 国外同类型产品，这是由于在设计过程中吸收了国外产品的优点，解决以往液压支架电 磁阀存在的可靠性问题。它具有以下特点： 1 、不存在锈蚀卡死问题。先导阀是液压支架电磁阀的关键元件，零件尺寸较小，若 出现锈蚀现象就有可能产生卡死，无法控制主阀动作。在先导阀所有关键零件均采用黄 铜加工，黄铜良好的抗锈蚀性能使得先导阀的可靠性得到很大提高。 2 、软硬密封，密封性好。阀芯与阀座的密封采用软硬密封型式，即阀芯或阀座采用 m 6 0 聚甲醛高分子材料。当阀口关闭时，利用流体的静压力作用在阀芯上使得高分子材 料受压出现微小变型，密封性能显著提高。当密封腔压力越高时，作用在阀芯上的静压 力越大，密封效果越好，使阀口得到零泄露的密封效果。 3 、二级减压，减小气蚀的可能性。液压支架的工作介质为9 5 水与5 乳化油的乳 化液，其物理性能接近于水，容易出现气蚀现象。先导阀采用二级减压设计，在先导阀 的进液口增加一个固定节流口，减小了阀口的压降，从而减小出现气蚀的可能性。 4 、结构设计合理，有效保护阀座材料。液压支架在工作过程中要随着工作面的变化而移 动，使得大流量主阀频繁的开关，当主阀关闭时，如果关闭速度过快会对阀座产较大的 撞击力，可能破坏采用高分子材料的阀座。在设计时合里控制先导阀回油速度，使得阀 芯的速度在控制在较小范围之内。 1 4 浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究 第三章液压支架电磁阀电磁铁数值分析 电磁铁作为液压阀的驱动部件，是液压阀应用最多的电机械转换器，其功能是将输 入的电压信号，转换成力信号输出。在电磁铁的设计中，合理地选择电磁铁的结构和参 数，将直接影响其工作特性和技术经济指标。但是，由于磁路的非线性和存在着漏磁通， 使磁路计算问题变得非常复杂和困难。在传统设计中一般采用经验公式，对各个结构参 数作用评估往往不够具体和准确，因此有必要精确分析各参数作用，为性能优化提供完 整依据。 磁场是一个空间的点函数