（机械设计及理论专业论文）横轴式掘进机电液控制仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着工业的快速发展 对煤炭需求量越来越大 为了适应经济的发展对能源 的需求 需要提高掘进机机械化 自动化程度 从而提高效率 降低成本 改善 工人工作环境 减少事故发生 因此研制改进新型高效巷道掘进机具有较大意义 论文主要对悬臂式掘进机的典型机型a m 5 0 型横轴式掘进机液压控制系统 进行了深入分析 在此基础上 对部分液压控制系统进行了电液比例改进 对改 进后的液压控制系统组成元件进行选型计算 并对改进后的液压控制系统组成元 件建立了数学模型 利用m a t l a b 软件和a m e s i m 软件对该控制系统进行了开 环控制和p i d 控制仿真研究 仿真结果表明 改进后的液压控制系统具有较好的 动态响应特性和控制特性 最后对悬臂式掘进机断面成形控制理论进行了推导 建立了三种标准断面 梯形 矩形 拱形 断面成形的数学模型 在此数学模型 基础上 利用m a t l a b 中的g u i d e 建立界面 编程对三种标准断面进行切割路 线仿真 仿真结果表明 切割轨迹与实际切割路线相符 对a m 5 0 型掘进机切割悬臂液压控制系统改进的理论研究 提高现有掘进机 的自动化程度 为实现自动化掘进提供了一种思路 也为其它型号掘进机液压控 制系统的电液比例改进提供参考 对悬臂式掘进机断面成形基本理论的推导及控 制仿真研究 为掘进机自动断面成形进行了有益的探索 图 4 8 表 1 3 参 5 6 关键词 横轴式掘进机 电液比例 数学模型 m a t l a b p i d 控制 仿真 断面成形控制 分类号 t h l 3 7 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r y t h ed e m a n df o rc o a li sb e c o m i n gg r e a t e r a n d g r e a t e r i no r d e rt oa c c o m m o d a t et h ed e m a n do ff a s te c o n o m i cd e v e l o p m e n tf o r e n e r g y t h em e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o no fc o a le x p l o i t a t i o np r o c e s si sd e m a n d e d t o i n c r e a s ep r o d u c t i v i t y d e c r e a s ei n e f f i c i e n c y i n d u c ec o s t c u td o w nw o r k l o a d i m p r o v e l a b o rc o n d i t i o na n dl e s s e nc o n t i n g e n c y s o t h es t u d yo fu p d a t e dl a n e w a yr o a d h e a d e r h a sg r e a ts i g n i f i c a n c e 砸sp a p e rm a i n ya n a l y z e si nd e p t ht h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo ft h e c l a s s i c t y p e r o a d h e a d e ra m 一5 0 b a s e do nt h i s a n a l y s i s t h e b e t t e r m e n to n e l e c t r i c a l h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma n dm o d e l c h o o s i n g c o m p u t a t i o no ht h ec o m p o n e n t so ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma l ec a r r i e do u t s e c o n d l y t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ei m p r o v e dh y d r a u l i cs y s t e mi se s t a b l i s h e d m a t l a b s o f h v a r ea n da m e s i ms o f h r a r ea r cu s e dt oc a r r yo u to p e n l o o pc o n t r o la n dp i d c o n t r o ls i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st h ei m p r o v e dh y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e mh a se x c e l l e n td y n a m i ci 6 墨p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dg o o dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y t h ec o n t r o lt h e o r yo ft h ec a n t i l e v e rr o a d h e a d e r ss e c t i o nf i g u r a t i o ni sd e d u c e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h r e es t a n d a r ds c c t i o n s t r a p e z o i d r e c t a n g l ea n d a r c h 雠e s t a b l i s h e d b a s e do nt h e m a t hm o d e l s g u i d ei nm a t l a bi su t i l i z e dt os e tu p t h ei n t e r f a c ea n dp r o g r a mf o rt h ec u t t i n gr o u t es i m u l a t i o na b o u tt h et h r e es t a n d a r d s e e t j o l l s 砸l cc o n s i s t e n c yb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h ea c t u a lc u t t i n gr o u t e s s h o w st h a tt h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ec o r r e c t b yt h et h e o r e t i c a ls t u d yo ht h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo f a m 5 0r o a d h e a d e r t h e a u t o m a t i o no fc u r r e n tr o a d h c a d e ri se l e v a t e d t h i sp r o v i d e sa n o t h e rw a yf o rt h e a u t o m a t i o no fc o a le x p l o i t a t i o na n da l s oo f f e r sr e f e r e n c ef o rt h eb e t t e r m e n to fs i m i l a r s y s t e m s t h ed e d u c i n gp r o c e s sf o rb a s i ct h e o r ya n dc o n t r o ls i m u l a t i o nr e s e a r c h p r o v i d e sb e n e f i c i a le x p l o r a t i o nf o rt h ec a n t i l e v e rr o a d h e a d e r ss e c t i o nf i g u r a t i o no f a u t o m a t l e f i g u r e 4 s t a b l e 1 3 r e f e r e n c e 5 6 k e y w o r d s h o r i z o n t a ls h a f t t y p er o a d h e a d e r e l e c t r i c a l h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l m a t h e m a t i c a lm o d e l m a t l a b p i dc o n t r o l s i m u l a t i o n t h es e c t i o ns h a p i n gc o n t r o l c h i n e s eb o o k s c a t a l o g t h l 3 7 i i 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 除了文中特别加以标注和致谢的地方以 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 得塞筮垄王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 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 z 学位论文作者签名 蔓 荤日期 丞早年j 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞缝堡三盘堂有保留 使用学位论文的 规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于堡 擞堡王太堂 学校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阕 本人授权塞筮堡三太堂可以将学 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 学位论文作者始詹 曩签字吼叩年川日 撇名 钏不抟蝴期1 钏 日 引言 引言 悬臂式掘进机是重要的煤炭采掘机械之一 早在二十世纪四十年代末期就应 用于煤炭开采中 目前现代化的掘进机是掘进 装载 支护 运输 降尘等一体 化的煤炭采掘设备 在煤炭开采过程中发挥着重要作用 随着工业的迅速发展 对煤炭的需求量加大 这对煤炭采掘机械设备提出更高要求 不但要求工作高效 率 而且具有采掘低成本 目前国内生产的掘进机 在自动化控制方面与国外相 比有一定的差距 这就要求对其控制系统进行开发与改进 提高其性能 本文将 对a m 5 0 型掘进机液压控制系统进行改进 通过改进提高工作自动化程度 改善 工人的工作环境 同时为其它机型改进提供借鉴与参考 悬臂式掘进机切割煤岩的主要工作部件是悬臂 所以悬臂的自动化控制将是 实现整机自动化控制的重要部分 悬臂在工作过程中只作水平和垂直摆动 利用 切割头旋转切割出所需的截面形状和路径 欲要提高掘进机的掘进效率 降低掘 进成本以及提高掘进自动化程度 就需要悬臂根据实际情况以最优路径迸行自动 化切割 本文针对典型机型a m 5 0 型掘进机悬臂摆动液压控制系统进行电液比例 改进 对改进的系统组成元件进行计算选型 利用计算机仿真技术 m a t l a b 软件和a m e s i m 软件 对改进后的液压控制系统进行性能仿真分析 证明性能的 稳定性和改进的可行性 推导断面成形基本理论 在此理论基础上 同样利用计 算机仿真技术 m a t l a b 软件 根据输入的断面形状和尺寸模拟出切割头的工 作路径 实现一定意义上的自动化煤炭采掘仿真 为实现切割头的自动化控制提 供理论基础 x i i 1 绪论 l 绪论 摘要 本章主要介绍了悬臂式掘进机分类 国内外发展现状 影响发展的 因素以及发展趋势 对电液比例技术作简单介绍 在此基础上阐述本课题的来源 立项依据 主要研究内容 研究意义 1 1 悬臂式掘进机分类 特点及组成 煤炭是重要的一次性能源 随着工业的发展 生产规模不断扩大 煤炭在国 民经济中的地位越来越重要 各主要产煤国家 为了适应经济的快速发展对能源 的需求 在煤炭开采过程中只有实现掘进机械化和自动化 才能大大提高工作的 开采强度和推进速度 研制新型高效巷道掘进机和以掘进机为主体的掘落 装载 支护 运输 降尘等配套设各 这也加快了悬臂式掘进机的现代化发展 1 1 所谓 悬臂式掘进机即是装有悬臂和切割头的掘进机 目前可按工作机构破落煤岩的方 式和使用范围进行分类 按破落煤岩的方式分两类 纵轴式掘进机 切割头旋转轴线与悬臂轴线重合 的悬臂式掘进机 和横轴式掘进机 切割头旋转轴线垂直于悬臂轴线的悬臂式掘 进机 如图l 所示 按使用范围分三类 切割煤岩硬度 8 的叫岩巷掘进机 2 1 图1 纵 横轴式掘进机实体示意图 f i g av c r t i c a 价l o r i n t a ls h a l lt y p er o a d h e a d e re n t i t ys c h e m a t i cd r a w i n g 随着悬臂式掘进机在采矿工程中的大量使用 目前已成为各主要产煤国家不 可缺少的生产设备 且各国制造 推广使用的煤 岩和煤一岩巷掘进机多以悬臂式 安徽理工大学硕士论文 为主 实践证明 悬臂式掘进机具有以下特点 1 掘进速度快 质量好 掘进机可实现连续掘进 同时完成破煤岩 运 输等作业 速度较快 效率较高 且掘进机是机械破岩 掘进后巷道周围煤岩壁 完整光滑 超挖掘量少 减少了支护量 这与传统的钻爆法相比 掘进速度可提 高1 5 2 5 倍 并避免了爆破作业时巷道周围煤岩因爆破振动而破坏的现象发 生 2 结构紧凑 技术先进 目前悬臂式掘进机多采用耙装式装载机构和履 带式行走机构 其装载能力大 调运灵活 工作可靠 3 经济 安全 掘进速度较快 经济效益和社会效益高 改善了工人的 劳动条件 与钻爆法相比工人劳动强度大大减少 避免了因爆破掘进造成的人员 伤亡 事故率大大减少 悬臂式掘进机是一种复杂的煤炭采掘机械 它结合了机 电 液一体化的产 品 工作环境比较恶劣 工作可靠性 安全性要求较高 这就要求悬臂式掘进机 各组成部分设计合理 悬臂式掘进机主要由以下五大部分组成 1 切割机构 主要由电机 减速箱 切割头 悬臂摆动机构等组成 其中 切割头有多种形式 如圆锥 球 滚筒等形式 2 装运机构 主要由装载机构和转运机构组成 3 行走机构 有履带 迈步 组合三种形式 4 液压系统 主要由泵 马达 油箱 冷却装置 阀 管路 油缸等组成 5 电气系统 一般由电气控制和变配电两部分组成 1 2 悬臂式掘进机发展现状及趋势 上世纪三十年代后期 国外就开始用掘进机开掘巷道的尝试 由于机构不完 善 未得到工业应用 四十年代后期 掘进机的类型 结构和性能都有了较大的 发展 五十年代后期苏联 英国 西德等在掘进机的研制取得巨大进步 使掘进 机应用于煤炭开采过程中 世界上第一台悬臂式掘进机由匈牙利在一九四九年制 造闭 从上世纪五十年代末开始 各国投入了大量的人力 物力进行悬臂式掘进机 技术的开发和研制 大幅度地提高了工作效率 当今国际上研制 生产悬臂式掘 进机的国家有芬兰 英国 日本 奥地利 德国和美国等 我国自八十年代中期 开始批量生产悬臂式掘进机 主要应用于煤矿采煤巷道的掘进 与国外相比 国 产机型技术参数落后 且机型少 可靠性低 究其原因 除了在掘进机的研制 l 绪论 开发方面较晚外 主要是产品设计水平较低 技术缺乏创新 尤其在现代设计理 论方面的应用较少 尚未形成一套成熟 先进的设计方法 l 2 1 国内悬臂式掘进机发展现状 我国的悬臂式掘进机的发展主要经历了三个阶段1 3 j 第一阶段 引进阶段 六十年代初到七十年代末 这期间主要是以引进国外 掘进机为主 在引进的同时进行消化 吸收 达到初步定型小批量生产几种机型 e u d a 型 e m 3 0 型煤巷掘进机 为我国悬臂式掘进机发展打下了良好的技 术基础 这一阶段掘进机的主要特点是 使用范围越来越广 切割能力逐步提高 有切 割夹岩和过渡层的能力 第二阶段 合作生产阶段 七十年代末到八十年代末 这期间我国与国外合 作生产了几种悬臂式掘进机 并逐步实现国产化 其中与国外 奥地利 日本 合作生产的典型代表是a m 5 0 型及s 1 0 0 型 其后 我国自行设计制造了几种悬臂 式掘进机 其典型代表是e m a 3 0 型及e b j 1 0 0 型 这一阶段悬臂式掘进机的特点是 可靠性较高 已能适应我国煤巷掘进的需 要 半煤岩巷的掘进技术已达到相当的水平 出现了重型机 第三阶段 自主研发生产阶段 八十年代末至今 重型机型大批出现 悬臂 式掘进机的设计与制造水平已相当先进 可以根据矿井生产的不同要求实现部分 个性化设计 其代表机型主要有e b j 型 e l 型及e b h 型 这一阶段悬臂式掘进机的特点是 设计水平较为先进 可靠性大幅提高 功能 更加完善 功率更大 一些高新技术已用于机组的自动化控制并逐步发展全岩巷 的掘进 经过三阶段的发展 我国悬臂式掘进机的设计 生产 使用进入了一个较高 的水平 与国际先进行列差距进一步缩小 我国主要从事掘进机设计生产的单位 有煤科总院上海分院 太原分院 唐山分院以及淮南煤矿机械有限公司 南京晨 光集团掘进机分公司 佳木斯煤矿机械有限公司等 主要机型有a m 系列型 e b h 系列型 e l m b 系列型 s 系列型 e m z 系列型等 切割功率达到2 0 0k w 总 功率达到3 5 0k w 机重在2 3 6 5t 之问 切割硬度基本为f 4 5 局部切割硬 度f 7 s 部分国产悬臂式掘进机基本技术性能参数见表1 4 1 3 安徽理工大学硕士论文 表i国产悬臂式掘进机基本参数 t a b l e i d o m e s t i c a f l y p r o d u c e d c a n t i l e v e r r o a d h e a d e r b a s i c p a r a m e t e r 外形尺总总液压切割掘进切割生产 寸 长 功机系统煤岩断面头转 型号 宽x 高 率重额定硬度面积 速 厂家 mk wt 压力普系 m 2 r r a i n f p a 数厂 a m 5 07 5 2 11 6 12 6 82 0g6 7 4 4 淮南煤 1 6 4 1 8 1矿机械 7 3 9 有限公 司 e b h 一1 2 07 7 x 2 41 8 33 l2 0野5 6 7 3 9淮南煤 1 41 8 矿机械 有限公 司 e l m 暇 7 51 2 4 5 x1 3 02 3 61 4 7 1 25 0南京晨 光集团 2 0 x l 7 掘进机 分公司 s 2 0 叽村1 4 3 x3 3 56 2 52 0鹦8 3 34 6 佳木斯 煤矿机 3 6 x 1 8 械有限 公司 e m 乙1 5 09 x 2 92 0 54 22 0 1 五 5 5 5 4 6佳木斯 2 4煤矿机 x 1 8 械有限 公司 e b h 2 0 01 0 3 x2 9 05 82 0 6 2 72 3佳木斯 煤矿机 3 6 x l 8 械有限 公司 1 2 2 国内悬臂式掘进机生产发展的主要影响因素 由于悬臂式掘进机的复杂结构特点 较高的生产成本 独特的应用场合 以 及目前国内的机械加工装配水平等限制 国内悬臂式掘进机生产发展的主要影响 因素如下 1 设计 制造周期过长 一台新型掘进机从设计到制造出产品 一般需要 4 一 l 绪论 2 4 年时间 周期长对技术的更新极为不利 2 制造成本高 目前 国产机型的售价基本在8 0 1 5 0 万元 台 随着原 材料的涨价 机器售价随之上升 这对于中小型煤矿来说 较难承受 大矿务局 购买量也很少 几年之内也仅购买几台而已 因成本高的缘故 生产厂家不会在 无用户订货的情况下盲目生产 3 设备可靠性差 国产机在煤炭生产中占主要地位 但在可靠性问题上还 有待予进一步提高 如截齿损耗量 电控系统 液压元件 喷雾降尘效果等方面 都存在不同程度的问题 4 与国外生产掘进机的大公司相比 在产品的加工和装配工艺等方面存在 较大差距 5 1 2 3 国外悬臂式掘进机发展现状 目前国外生产悬臂式掘进机的公司较多 具有代表性的有日本的三井三池公 司 奥地利的钢铁联合公司 德国的阿特拉斯 科普柯一埃可霍夫掘进机技术公司 a r i a s c o p c o e i c k h o t t r o a d h e a d i n g t e c h b i e c n n b h 简称a c e 和保拉特0 a u r a 有限 公司 英国的d o s c o 公司和a n d e r s o n 公司等等 生产掘进机型号越来越多 其 工作稳定性和安全性逐渐提高 功能越来越强大 改善了工人的工作环境和劳动 强度 根据不同工作环境的要求选择相应的掘进机型号 下面根据国际掘进机发 展现状 介绍几家具有代表性公司的悬臂式掘进机发展生产情况 1 日本三井三池公司从一九六七年研制出第一台掘进机以来 相继制造出 m r h 4 5 m r h s 9 0 m r h s 1 2 5 型三种基础型号掘进机 一九八八年该公司 开发出用于煤矿岩巷掘进的m r h s 2 0 0 m 型掘进机 切割头功率1 3 5k w 机重 5 0t 切割断面面积6 3 x 5 1 m 2 但实际使用中 当岩石硬度f 1 0 时 其切割力 明显不足 截齿损耗严重 一九八九年十月m r h s 3 0 0 m 型掘进机开始使用 该 机切割头功率3 0 0k w 机重8 0t 切割断面面积6 7 x 5 5m 2 是该公司功率最大 的掘进机f 4 2 奥地利钢铁联合公司制造的九种掘进机机型 f 6 a f 6 c a m 5 0 a m 6 5 a m 7 5 a m 8 5 a m 1 0 0 a b m 2 0 a b m 3 0 从机重1 2t 的f 6 a 到9 6t 的 a m 1 0 0 型 其中f 6 4 2 型是f 每a 型的改进产品 a m 6 5 型 a m 一7 5 型和a m 1 0 0 型掘进机均装有液晶显示的故障诊断系统 现大约有1 5 0 0 多台奥地利钢铁联合公 司生产的掘进机在世界各地使用 a m 5 0 是目前同一重量级别掘进机中销售量最 大的机型 该公司生产的掘进机主要特点就是所有机型均为横轴式切割头 输送 5 安徽理工大学硕士论文 机卸料端高度可调 行走履带两侧分别驱动 另外 a b m 系列采掘锚机组 是 一神具有横置宽滚筒的连续采煤机 适用于平巷高效快速掘进 在切割和装载方 面具有独特的性能 能够使切割和锚杆支护平行作业 3 德国的阿特拉斯 科普柯一埃可霍夫掘进机技术公司 a t l a s c o p c o e i c k h o t t r o a d h e a d i n g t e c h b i e g m b h 简称a c e 该公司生产的a c e 系列 掘进机重量从2 5t 到1 1 0t 切割头功率从1 1 0k w 到4 0 0k w w a c e 系列掘进 机的设计采用标准组件 以便使各部件尽可能具有互换性 使其具有更广泛的选 择和适应性 主要特点为 1 切割臂具有可供选用的三种形式 即刚性 绞接式 和伸缩式 2 切割头可以是纵轴式或横轴式 3 装载机构有蟹爪式 星盘式和 链式 4 横 纵切割头可以互换安装 5 设有微机故障诊断系统 便于维修和 排除故障另外还有e t 2 1 0 型 机身较低 适用于掘进采准巷道 保拉特 p a i n t 有限公司制造的系列掘进机从机重4 0t 到1 2 0t 已生产了一 百多台的e 一1 3 4 型掘进机 切割功率2 3 0k w 机重7 0t 适用于中型断面巷道掘 进 e 1 6 9 型机重4 4t 切割头功率1 4 0k w 适用于小断面巷道掘进 e 1 9 5 型 机重1 1 0t 切割功率3 5 0k w 切割断面面积6 x 61 1 1 2 其它机型还有e 2 4 2 e 2 0 6 f 1 9 8 等等 威斯特伐利亚 吕恩公司生产的系列掘进机 重量从9t 到1 0 0t 切割断面 面积从2 7n 1 2 到7 2m 2 切割头功率从3 7k w 到4 0 0k w 萨尔茨基塔公司制造 的系列掘进机机重从2 8t 到1 2 0t 型号分别为s t m 一1 0 0 s t m 1 0 0 s 矮型机 3 0 t s t m 2 0 0 7 5 t s t m 3 0 0 等共4 种型号 均为横轴式切割头 该公司掘 进机的特点为组合式装配 大大缩短了现场使用安装时间 4 英国d o s c o 公司生产的系列掘进机主要机型有 m k 2 a l h 1 3 0 0 m k 2 b t b 2 0 0 0 t b 3 0 0 0 m d 1 0 0 0 m d 1 1 0 0 h d 1 5 0 0 s l 1 2 0 从机重2 7 7t 的 m k 2 a 型到最大机重为1 2 5t 的t b 3 0 0 0 型 该公司生产的掘进机特点是大多数 掘进机的切割头可任选为纵轴式或横轴式 装载系统可选择星盘式或耙爪式 其 中m k 2 b 型本身具有工况监视系统 使其关键部件便于检查 易于维护 l h 一1 3 0 0 型可现场改装成连续采煤机 并可选配任一种纵轴式或横轴式切割头 m d 1 1 0 0 是在m k 2 a 型的基础上改进而成 可安装可伸缩切割臂 切割断面可达6 5 x 4 7 m m i l l s 0 0 型为低机型重型掘进机 切割臂可与连续采煤机切割机构互换 t b 2 0 0 0 与t b 3 0 0 0 是双切割臂掘进机 英国a n d e r s o n 公司生产的六种不同型号 r h 2 5 r h 2 5 l r h l 4 r h 2 2 r h 4 5 r h 9 0 的掘进机 该公司所生产的掘进机其共同特点是所有切割头均为纵轴式 6 1 绪论 1 2 4 国内外悬臂式掘进机发展趋势 随着经济的快速发展 对煤炭能源的需求量日益加大 这就要求煤炭开采速 度加快 对煤炭开采设备提出更高的要求 刺激了掘进机技术的发展 引导其发 展趋势 总结国内外掘进机生产厂商开发生产的掘进机 可以看出掘进机正朝以 f t x 方面发展 6 用嗍 1 中 重型化 目前世界上有代表性的生产厂家生产的掘进机从轻型逐渐向 中型和重型发展 多数掘进机的切割功率在4 0 3 5 0 k w 之间 有的已经达到4 0 0 k w 机重在4 0 t 以上 如前所述的p a u r a t 公司的e 2 0 0 型机重1 1 0 t 功率3 5 0 k w e d 3 4 型机重7 0 t 功率2 3 0 k w d o s o c 公司的l h 1 3 0 0 型机重4 8 t 功率1 4 2 一 2 2 5k w a l p i n e 公司的a m 7 5 型机重5 2t 功率2 0 0k w a n d e r s o n 公司的r h 2 5 型机重5 0t 功率4 0 0k w 等等 这些机型均倾向于大功率 重型化来提高切割硬 度 增加机器的稳定性1 5 仰 2 矮型化 在加大机重 切割功率和提高切割硬度的蔚提下 发展机身较低 的机型 如a n d e r s o n 公司的r h 2 5 l 型机高只有1 4 m d o s o c 公司的l h 1 3 0 0 型机高1 51 1 1 a l p i n e 公司的a m 7 5 型机高1 4 5m a m 6 5 型机高1 3 8m 等等 这些低矮机型易于井下运输 适用于掘进中小断面巷道 同时为配置其它辅助设 备 锚杆安装机 辅助工作平台等 带来了方便 3 掘 钻 锚一体化 研制集掘 钻 锚为一体的综合机组 既能侠速掘进 同时又能进行打眼安装锚杆 支护顶板 侧帮 实现掘进 支护平行作业 解决 掘进机利用率低的问题 这是实现巷道快速掘进 满足高产高效工作面发展需要 的重要技术途径n 0 1 4 水力掘进的发展 掘进机在掘进工作过程中 截齿温度高 掘进粉尘大 采用水力辅助掘进时 不但可以降低截齿工作时温度 而且可以降低掘进粉尘 德国已经从事该项研究 l i 5 应用高科技技术 实现遥控和自动化 借助计算机进行优化设计 使掘进 机自动控制系统更加完善 如悬臂位置用角位移传感器确定 其数据传输到计算 机进行给定断面 切割头位置 切割平面的连续检验并显示 利用微机进行机器 工况监测和故障诊断等 1 2 10 3 j 6 附件化 保留必要的切 装 运 行主要组成功能 将降尘 辅助支护等 部分以附件形式出现 这样就根据需要选择装配各种附加件 给设计 制造 使 用都带来了方便 7 安徽理1 大学硕士论文 1 3 电液比例技术概述 1 3 1 比例技术发展概况 一九四零底 在飞机上首先应用了电液伺服系统 经过二十余年的发展 到 上世纪六十年代 各种结构的电液伺服阀相继闫世 电液伺服技术日益成熟 六 十年代后期 各类民用工程对电液控制技术的需求显得更加迫切与广泛 由于传 统的电液伺服阀对流体介质要求苛刻 制造成本和维护费用较高 系统能耗较大 难以为各工业用户所接受 而传统的电液开关控制又不能满足高质量控制系统的 要求 为了适应市场需求 电液比例控制技术孕育而生 它是一种可靠 廉价 控制精度和响应特征均能满足工程技术实际需要的电液控制技术 比例技术的发展大致可以分为四个阶段 1 4 1 第一阶段 诞生阶段 一九六七年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起 到七十年代初日本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止 标志着比例 技术的诞生 这一阶段的比例阀 仅仅是将比例型电 机械转换器用于工业液压 阀 代替开关电磁铁或调节受柄 阀的结构原理和设计准则几乎没有变化 工作 频宽仅在l 5 h z 之间 稳态滞环在4 7 之间 多用于开环控制 第二阶段 发展阶段 一九七五年到一九八零年之间 是比例技术迅速发展 阶段 在这阶段里 采用各种内反馈原理的比例元件大量问世 耐高压比例电磁 铁和比倒放大器在技术上也日趋成熟 比例元件的工作频宽已达5 1 5h z 稳态 滞环减小到3 左右 应用领域日渐扩大 不仅用于开环控制 也用于闭环控制 第三阶段 完善阶段 上世纪 十年代初期罚九十年代中期之间是比例技术 完善阶段 在这阶段里 比例元件的设计原理进一步完善 采用了压力 流量 位移内反馈等手段 使阀的稳态精度 动态响应和稳定性都有了进一步的提高 除了比例阀在中位保留死区外 它的稳定和动态特性与伺服阀无异 第四阶段 拓展阶段 上世纪九十年代中后期至今是比例技术拓展阶段 在 这阶段里 比例技术在固定工程设备上不断得到广泛应用的同时 开始大量进入 行走机械领域 各种节能的负载敏感控制 负载适应控制等节能器件与系统日益 增多 其次 作为比例阀家族新成员的高速开关阀 正从小流量向中流量发展 在快速性和结构简单可靠方面显示其优势 另一个重要进展就是适应电液比例闭 环控制的快速增长需要 出现了伺服技术和比例技术相结合的产物 即伺服比例 阀 使比例技术与伺服技术的交融更加进一步 8 l 绪论 1 3 2 电液比例控制的技术特征 关于电液比例控制的技术特征将从性能特点和结构特点两方面进行简单介 绍 1 性能特点 1 5 现今电液比例元件的性能比起发展早期已经有显著提高 在控制性能上 除了与传统工业液压阀一样具有各种单 控制功能外 往往具有 流量 方向与压力三者之间的多种复合功能 内含主控量的力反馈电液比例元件 可适应多种控制输入方式 新开发的伺服比例阀 频响比一般比例阀高 其可靠 性圪伺服阀离 2 结构特点 可以与插装阀组合 开发各种不同功能和规格的二通插装式比 例阀 生产批量较大的比例压力阀 比例方向阎 通常与开关阀通用主阀体 力 反馈型比例元件可以配用多种控制输入方式 不同的输入单元具有统一的连接尺 寸 比例泵的恒压 恒流 压力流量复合等多种功能控制块 多采用组合叠加方 式 控制放大器 电磁铁和比例阕 以及测量放大器 电磁铁和比例阀组合成一 体 即电液一体化式结构 1 4 本课题的立项依据 主要研究内容及研究意义 1 4 1 国内悬臂式掘进机液压控制系统现状与趋势 目前国内生产的悬臂式掘进机液压控制系统都是比较简单的控制系统 1 6 1 主 要是减少故障发生率和故障点 一般由工人操作手柄来控制掘进机悬臂的摆动方 向与速度 装载机构升降油缸以及其它工作部件 掘进机的掘进效率取决于工人 的操作水平 工人的工作环境非常恶劣 事故较多 只有对掘进机液压控制系统 进行必要的改进 才能解决相应的问题 国内生产的有些机型虽然也进行了改进 只是在原有基础上加上一些监控元件 对掘进机工作过程进行一些简单的监控 例如对切割头转速 悬臂摆速以及油温等进行监控 控制悬臂的摆动方向 位置 速度依然是工人现场操作 只有对其进行电液比例改进 结合利用计算机技术才 能实现一定程度的自动化掘进 下面结合我国生产的几种机型液压系统进行分析 从中可以看出国内悬臂式 掘进机液压控制系统发展现状与趋势 j s b z l 3 2 型纵轴式掘进机的液压系统为开式定量泵回路系纠r 丌 本系统由2 台三联齿轮泵供油 齿轮泵由1 3 2k w 水冷电机驱动 输出6 路压力油分别供给左 右行走 装运 泵 振动 转载机及液压油缸系统 控制方式有先导式和直动式 一9 安徽理工大学硕士论文 两种 在进油管路和回油管路处各安装一个压力表 1 先导控制回路除了液压缸系统外 其它执行元件均由2 组先导阀作为控 制阀 控制液动换向阀的换向 从而控制执行元件动作 在液压缸回油路上 设 置了一个p b 6 3 型低压溢流阀 用来控制减压式比例先导阀的控制油油压 2 液压缸控制回路中 液压缸系统由一个六路三位六通手动换向阀来控制 分别控制回转 基本臂升降 动臂升降 铲板液压缸和支腿液压缸 多路换向阀 由进油阀 多联换向阀 回油阀三部分组成 在进油口和回油口之问 装有总安 全阀 每一换向阀体内部装有荜内阁 滑阀机能为0 型 当滑阕位于中间位置对 油泵输出的油直接流回油箱 各换向阀之间采用并联油路 可以同时动作 进油 路上安装一个节流阀调速 3 装运机构控制回路动力为三联齿轮泵中的2 台2 0 6 3 泵 通过液动换向溷 控制2 台n h m 2 5 0 a 型液压马达 装运机构的运行方向由s w l h 2 型减压式比例 先导阀来控制三位四通液动换向阀的换向来实现 4 右行走马达回路动力源由三联齿轮泵中的后泵0 3 2 泵提供 通过一个二 位三通手动换向阀与工作机构回路切换 通过3 4 y h h 2 0 b t 型三位四通液动阀 来控制一台a c f e l 8 0 型斜轴式马达 当需要快速行走时 将三联泵中的前泵2 0 6 3 泵的压力油通过一个二位三通阀 三位四通阀一起输入液压马达 实现快速行走 行走方向由先导阀控制 5 左行走马达回路动力源由三联齿轮泵中的后泵0 3 2 泵提供 原理同右行 走回路 通过实践证明 该系统性能稳定 安全可靠 为掘进机的长期无故障运行提供 了重要保障 a m 5 0 型横轴式掘进机液压系统为开环系统 它主要由轴向柱塞变量泵 液 压马达 油箱 冷却装置 多路换向阀 溢流阀 单向阔 单向节流阀 管路 油 缸等组成 l 羽 它的系统压力油主要由一台功率为1 1k w 额定转速为1 4 5 0r r a i n 的交流电机 经联轴器带动装在油箱内的轴向柱塞变量泵a 2 v 5 5 0 v o l l e 0 0 p 向 系统提供 为适应切割头两种不同转速 7 3 9r m i n 8 8 7r r a i n 的进给速度要求 可借助于油箱上的回转立轴 调整泵体到两个限定的位置 使输出的流量分别达 到两种不同转速的对应值 约3 4l m i n 4 0l m i n 液压缸控制回路中 液压缸系统由六路三位六通手动换向阀来控制 分别控制 悬臂水平摆动油缸 垂直摆动油缸 装载机构升降油缸 稳定器油缸 桥式转载 机水平摆动油缸 桥式转载垂直摆动油缸 在总回路装有溢流阀 调定压力为2 0 1 0 1 绪论 m p a 悬臂的水平与垂直摆动由 个操作手柄完成 悬臂的摆动速度以及方向由操 作工人现场控制 水平摆动与垂直摆动不能同时进行 摆动的速度也由工人人为 控制 自动化程度非常低 其它油缸的控制同控制悬臂油缸一样 所以对其进行 改进非常必要 国内许多学者专家针对目前掘进机电控系统和液压控制系统存在的缺陷 提 出了很多宝贵的改进意见 例如在论文 掘进机切割机构电液伺服系统的分析与 研究f i 9 l 中 作者提出利用电液伺服系统控制切割机构 工作原理是利用功率信 号采集处理器采集切割电机的功率并发出相应电信号 该信号经比较器 功率放 大器来控制电液比例调速阀 从而控制切割牵引速度 这样可以做到切割电机恒 功率自动调节 在论文 掘进机切割机构液压升降凰路的改造 2 0 中 作者提出 了针对切割机构下摆时出现突然停止 再下摆反复间断现象的改进 论文中重点 分析了产生这种现象的原因 目前大多数掘进机切割机构液压升降回路由手动换 向阀 液控单向阀 限速阀组成 作者利用平衡阀代替液控单向阀 直接控制油 缸升降 可以消除原有现象 同样有许多关于液压系统泵站的改进 增加比例调 速阀实现切割恒功率控制改进团 行走液压系统改进以及装载液压系统改进等等 总结国内学者和专家对目前掘进机液压控制系统改进 主要集中实现恒功率 控制和提高系统稳定性 很少对悬臂液压控制系统进行改进 特别是利用比例方 向阀对其进行改进 目前掘进机悬臂的控制一般都是工人操作手柄进行控制 断 面成形以及对煤岩适应性都是由工人技术水平决定 如果对其进行改进就可以实 现自动断面成形控铝4 和切割牵引速度自动控制 1 4 2 国内悬臂式掘进机断面成形控制发展概况 国内关于部分断面掘进机断面成形控制理论的发展比较晚 但是近几年里 我国掘进机生产厂家对该理论比较重视 因为考虑节约开采成本 减少能耗 以 及现场掘进的需要 这些厂家的技术人员开始独立或和高校联合研究开发该理论 并且应用于样机实验 并取得一些成就 国内关于该理论的学术论文有数篇 如论文 纵轴式悬臂掘进机断面成形控 制基础研究f 2 2 j 该论文里主要阐述纵轴式悬臂掘进机断面成形控制的基本理 论 并以e b j 1 3 2 型掘进机为例 建立该型号掘进机断面成形的数学模型 利用 数学模型进行计算机编程 绘出掘进机作业轨迹的包络线图 如论文 悬臂掘进 机断面成形控制的数学模型俐 该论文重点推导纵轴式掘进机断面成形控制的 数学模型 如论文 悬臂式掘进机巷道自动成形控制初探 2 4 该论文中以 安徽理工大学硕士论文 e b h 1 3 2 a 型掘进机为分析对象 建立该型号掘进机的结构参数 工作参数与巷 道断面尺寸之间的数学模型 上述这些论文针对某一种型号掘进机进行详细讨论 或者是针对纵轴式掘进机进行详细讨论 所以在这方面 国内理论性研究不是很 多 1 4 3 主要研究内容 本论文的主要研究内容包括 1 x 寸a m 5 0 型掘进机液压系统进行分析 确定方案 对改进后的液压控制系 统组成元件进行计算选型 2 液压控制系统数学模型的建立 主要包括以下两个方面的数学模型 1 液压缸的动态数学模型 2 比例方向阎动态数学模型 3 针对所建立的模型 对a m 5 0 型掘进机截割头摆动速度进行仿真研究 利 用m a t l a b 软件和a m e s i m 软件分别对悬臂水平摆动和垂直摆动液压控制系统进 行开环控制 p i d 控制仿真 仿真主要实现输入信号不同与负载发生变化时 截割 头摆动速度变化情况 分析改进后的液压控制系统动静态性能 4 断面成行控制理论研究 推导悬臂式掘进机断面成形控制基础理论 利用 m a t l a b 软件对其悬臂摆动位置控制进行仿真 实现自动断面成形控制 1 4 a 课题的研究意义 本课题得到淮南市科学技术局资助 保障了研究资金 通过对悬臂式掘迸机的典型机型a m 5 0 型横轴式掘进机液压系统的电液比例 改进 可以实现一定意义上的自动化控制 即掘进方向控制 位置控制及速度控 制 改进后不但可以提高生产效率 而且可以减少无用的掘进量和充填量 降 低巷道掘进成本 同时减少操作工人的工作量 改善工作环境 减少意外事故发 生 本论文也为其它型号的悬臂式掘进机自动化方面改进提供一定借鉴与依据 同时对悬臂式掘进机断面成形理论进行了研究 这为国内掘进机生产厂家在生产 断面成形掘进机时提供参考 1 5 本章小结 本章介绍了悬臂式掘进机发展历程和分类 以及国内外发展现状与趋势 分 析国内影响掘进机发展的因素 重点分析了国内掘进机液压控制系统的现状与发 展趋势 在此基础上 引出课题的立项依据 主要研究内容以及研究意义 1 2 2 a m 一5 0 型掘进机液压控制系统分析与改进研究 2a m 5 0 型掘进机液压控制系统分析与改进研究 摘要 本章主要分析a m 5 0 型掘进机液压控制系统 在其原有液压控制系 统基础上进行电液比例改进 根据掘进机工作特点 确定改进方案 对改进后的 液压控制回路组成元件进行计算与选型 2 1a m 5 0 型掘进机组成 优缺点及主要技术参数 2 1 1a m 5 0 型掘进机组成 a m 5 0 型掘进机是由奥地利维埃斯特一阿尔卑尼公司的柴特维克工厂生产 的一种定型产品 见实体示意图2 该型号掘进机 切割断面较大 能切割较硬 煤岩 体形较小 重量适当 综合性能好 适合我国煤矿开采巷道掘进使用 七 十年代我国就引进并使用至今 从总体结构上看 该机型主要由切割机构 包括 切割头 切割悬臂 回转台 装载机构 中间刮板运输机 桥式胶带转载机 行 走机构 液压系统及电气系统组成 该机对过载 短路 冷却水温等均设有保护 装置或监铡仪表 2 5 1 图2a m 5 0 型掘进机实体示意图 f i 盘2a m 5 0t y p er o a d h e a d e re n t i t ys c h e m a t i cd r a w i