（机械设计及理论专业论文）采煤机滚筒自适应液压调高系统研究.pdf

论文题目：采煤机滚筒自适应液压调高系统研究 专业：机械设计及理论 硕士生：张修荣( 签名) 指导教师：周新建( 签名) 摘要 流体传动及控制技术是机电一体化及机械设计制造技术的核心组成之一，电液比例 控制是该门技术中最具代表性的一个分支。比例元件对介质清洁度要求不高、价廉，所 提供的静、动态响应能够满足大部分工业领域的使用要求，在某些方面已经毫不逊色于 伺服阀。在矿山机械中电液比例阀闭环控制系统的使用还处于理论试验阶段，其设计理 论不够完善，有待进一步的探索，因此，对这种比例闭环控制系统在煤矿机电设备中的 应用研究有重要的理论价值和实践意义。 本论文以电牵引采煤机的液压滚筒调高系统作为研究对象，在分析采煤机现有滚筒 液压调高系统的基础上，建立了采煤机滚筒高度变化与调高油缸活塞位移之间的函数关 系式，用电液比例方向流量阀、磁致伸缩式传感器等元件设计了对采煤机滚筒位置进行 控制的电液比例闭环位置控制系统，并对整个自适应控制系统作了理论上的深入分析。 建立了电液比例闭环位置控制系统的数学模型，利用计算机工程软件m a t l a b 进行仿真 分析，研究分析了系统及各个组成环节的静、动态特性，针对系统存在的缺陷，设计了 p i d 校正，使整个系统能更好地满足设计的要求。 关键词：电液比例；位置控制；采煤机：滚筒调高；计算机仿真 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fa d a p t i v eh y d r a u i i cs h e a r e rd r u m s y s t e m s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：z h a n i u r o n g i n s t r u c t o r ：z h o u 墨i n j i a n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) f l u i dt r a n s m i s s i o n 趾di t sc o 曲的l i s 肌i i i l p o r t a n tt e c l l n i q u ei ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n a p p l i c a t i o n s ，i so n eo ft h ec o r ec o m p o n e n t so fe l e c t r o m e c h a i l i c a li n t e g r a t i o na n dm e c h a m e a l d e s i g na i l dm a n u f - a c t u r i n g a n dt h ee l e c t r 0 - h y d i a u l i cp r o p o r t i o l l a lc o n t r o li st l l em o s tv i a b l e b r 锄c hi ns u c ht e c m q u e t h ep r o p o n i o n a lc o m p o n e n t sd o n tr e q u i r ef o rh i 曲c l e a m i n e s so f t 1 1 em e d i 鸟w i t l ll o wc o s t ，t l l e 删i c 锄dd ) ，n 删c r e s p o n s e “p r o v i d em e e t st h em 勾o r r e q u i r e m e n t so fm o s to ft h ei n d u s t r ya r e 如a n di ns o m er e s p e c t si l a sb e e nb yr 1 0m e a n si n f e r i o r t ot l l es e r v ov a l v e p r o p o r t i o i l a lc o 加o lt e c l l l l i q u eh a sab r o a di n d u s t r i a l 印p l i c a t i o np r o s p e c t n o w a d a y st 1 1 eu s eo fe l e c 仰- h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e 洫c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mi sn o t p o p u 协mt h ep r a 【c t i c a le n g i n e 嘶n g 印p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l ym 血em i i l i n gm a c m n e 巧，锄d “s d e s i 印t l l e o 巧i sn o tp e 彘c t ，n e e dt ob em n h e re x p l o r e d t 1 1 e r e f o r e ，t h es 叫yo ns u c h p r o p o r t i o n a lc l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mh a sa ni m p o r t a mm e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a l s i g m f i c a l l c e i nt h i sp 印e r ，t h em a i np a r to ft l l eh y d r a u l i cc y l i n d e rh e i g h ta 由u s t i n gs y s t e mo fe l e c t r i c a l h a u l a g es h e a r e l 舔a 1 1o b j e c t 、张ss t u d i e d o nm eb a s i so fa n a l y z i n gt h eh y d r a u l i cc y l i n d e r h e i g h ta 由u s t i n gs y s t e i n ，f o rr e a l i z i n ga u t o m a t i o no ft h es h e a r e r ，f i r s t l yp u tt h ef o c u s0 n 删y z i n ga | l dd e s i 印i n gm ec y l i n d e rh y d r a u l i ch e i g h ta d j u s t i n gs y s t e mf o re l e c t r i c a lh a u l a g e s h e a r e r s h e a r e rd r i j i i ls e tu pa1 1 i 曲d e g r e eo fc 姗g ea 1 1 di n c r e 嬲emt h e 向e lt a n ko fm e p i s t o nd i s p l a c e m e n tr e l a t i o n s l l i pb e t 、e e nt 1 1 e 丘m c t i o n d e s i g l l i n gt h ee l e c 仃i c - h y d r a u l i c p r o p o n i o n a jc l o s e d - l o o pp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mt oc o i l t i o lt h ep o s i t i o no ft 1 1 es h e a r e rc y l i n d e r 1 i i t l l u s i n gc o m p o n e n t s l i k e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o n i o n a j d i r e c t i o nt h d n l e v a l v e ， m a g i l e t o s t r i c t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s 0 re t c ，t k sp a p e rm a k e sat h o r o u 曲也e o r e t i c a la n a l y s i s 嘏 t 1 1 ew h o l ea d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m ，f o c u s e so ne s t a b l i s l l i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc l o s e d l o o pp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ，u s e sm a t l a bt oa i l a l y z e ， a n a l y z e s 山es y s t e m 锄de a c hc o m p o s i t i o n s r e a s o n a b l ec o m p e n s a t o rt om a k et h ed e s i g n e d s t a t i ca n dd y n a m i cp e 响m a n c e s ，d e s i 印sa s y s t e mp e o n n a n c e sb e t t e rm e e tt h en e e d so f a c t l 埝l 、v o r k k e y w o r d s ： e l e c t r - o h y d r a l u l i cp r o p o r t i o n a l p o s i t i o nc o n t r o l s h e a r e r h e i g h ta d j u s t i n g s t a t i c 锄dd y n 锄i cc l l a r a c t e r i s t i c s c o 叫) u t e rs i m u l a t i o n p i d r e g u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿科技大挲 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文r t l 加以标注和致谢的地方外，论文。1 1 不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使j j 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做了明确的说明并表示了谢意。 学位敝懈虢撕眺7 吁心 l 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查| 、列和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适丰j 本声明。 学位论文作者签名： 指删僦：问薪秒 1 啊节日 1 绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 绪论 目前煤炭仍然是能源的主体，而且从长远观点看，煤炭是全世界最丰富的化石燃料。 根据最近的世界开采量测算，石油已探明的储量只能维持4 3 年，天然气只能维持6 1 年， 而可以利用的煤炭则足够人类使用3 0 0 年，全世界煤炭资源至少有万亿吨油当量。显而 易见，在2 1 世纪人类应当学会节约使用石油和天然气，努力开发利用煤炭资源，同时， 洁净燃烧技术的的推广和应用己可能使煤炭成为清洁、无污染燃料。煤炭工业在我国的 整个国民经济中占举足轻重的地位，在一次能源生产和消费构成中煤炭始终占7 0 以 上，近年来，煤炭开采机械化己经成为煤炭工业增加产量，提高劳动生产率，减少重大 恶性事故和改善劳动条件的一项关键技术。 采煤机是机械化采煤的主要设备之一。随着滚筒采煤机的广泛应用，滚筒采煤机能 否安全可靠地连续工作己成为人们日益关注的课题。对日产万吨的综采工作面而言，停 工一日就等于上百万元的经济损失。采煤机的控制主要包括采煤机行走牵引i lj 控制和滚 筒切割高度的控制。牵引是指采煤机以刮板输送机作为导轨，沿工作面往复运动，实现 连续割煤。滚筒调高是指在采煤机牵引运动时，前后滚筒需要沿工作面煤岩界面的高度 自动调整，以获得最大的回采率，并尽量避免截割岩石。采煤机滚筒高度调节控制是通 过液压缸的调节来实现的，由于采区地质条件的不同，夹在顶板与底板之间煤层厚度有 较大差异，这样就要求采煤机工作时滚筒高度能随煤层的厚度进行自动调整以避免割到 顶板和底板，因此控制滚筒高度的液压系统是采煤机的关键组成部分之一，它的工作状 态与可靠性在很大程度上决定了工程机械本身的工作性能与可靠性。采煤机的液压调高 系统经历了两个阶段手动调高和自动调高，目前采煤机滚筒高度的控制除国外少数企业 外，绝大部分企业所用采煤机依然是手动控制，即采煤机司机靠视力观察及截割的噪声 来判断采煤机滚筒在割岩还是割煤，以便调节滚筒的垂直位置。然而由于采煤机工作过 程中产生大量的煤尘，尤其大功率的采煤机工作面能见度很低，而且机器本身噪音很大， 操作工人实际上难以准确及时判断采煤机的截割状态，更谈不上及时调整滚筒高度了。 采煤机连续截割岩石会加剧滚筒截齿磨损及其他零部件的损坏1 3 j 高瓦斯矿井极易引起瓦 斯爆炸，形成恶性事故，另外截割的岩石混入原煤中会造成原煤含研量增加，质量下降。 如果滚筒的位置调整太保守，则造成顶底煤剩留过多，降低回采率，造成很大的资源浪 费，同时司机人工操作还可能使顶底板表面不平整，造成移架和推溜困难等一系列的问 题。解决这一问题的途径是实现采煤机滚筒的自动调高，实现采煤机滚筒自动调高可以 提高产量，减低设备损耗和故障率，减轻工人的劳动强度，尤其加强了工作面的安全保 西安科技大学硕士学位论文 障，同时提高了回采率，减少了资源的浪费，因此，实现采煤机的滚筒自动调高既有经 济效益又有社会效益。从上世纪六十年代，世界各主要产煤国如英国、美国、及前苏联 等国都对采煤机滚筒自动调高系统做了大量的研究工作。研究的主要工作集中在煤岩界 面识别和滚筒自动调高过程控制两个部分，其中以美英两国研究成果较为突出。 1 2 采煤机调高液压系统原理 双滚筒电牵引采煤机在国内应用广泛，下面以m g n l 3 2 3 1 6 _ _ d w 型电牵引采煤机 液压系统原理图为例，介绍调高液压系统的工作原理。由图1 2 所示，从结构来说整个 调高系统由调高电机、调高泵、调高阀、电磁阀、高压溢流阀、定值减压阀、z l 自封 式吸油滤油器、压力表组件、调高阀组、油箱、空气滤清器、管路系统等组成。其中高 压溢流阀、减压阀和调高阀、电磁换向阀、压力表组件及机内管路各成组安装在电控箱 左侧小箱体内，并可从一侧整组抽出便于维修和调试。z l 自封式吸油滤油器、油箱及 空气滤清器、调高电机和调高泵通过花键联接成组安装在右牵引箱内。油箱内装有n l o o 抗磨润滑油。调高油缸通过联接耳安装在左、右牵引部上。 调高电机驱动调高泵从油箱过滤器中吸收液压油，由泵排出后分为两路，一路经调 速阀( n 6 卜- 3 3 4 0 8 ) 进入调高阀组洲0 9 0 1 ) ，它是由手动换向阀和3 4 g d e y - h 6 m 型 三位四通隔爆电磁阀组成，可以电控操作也可手动操作，当左电磁铁带电，液压油通过 电磁阀推动手动阀动作，调高压力油由p 1 口通过a 1 口进油，液压油经过液压锁进入无 杆腔，推动活塞杆移动摇臂调高，油缸的有杆腔液压油经过b l 口过手动换向阀o l 口 回油箱。当右电磁铁带电时，调高液压油经b 1 口进入有杆腔，有杆腔液压油经a 1 口 回油箱活塞杆缩回，摇臂下降。另一路经定值减压阀( n 枷6 0 _ 3 ) 形成控制油路， 在手动或电控作用下，控制调高阀组工作，使油缸动作，同时并联经制动电磁阀进入液 压制动器，控制制动器的工作。 2 1 绪论 图1 1 采煤机调高液压系统原理图 3 西安科技大学硕士学位论文 1 3 国内外的研究动态及发展趋势 采煤机调高有摇臂调高和机身调高两种类型它们都是靠调高油缸来实现摇【7 l 臂调 高，大多数调高油缸装在采煤机底托架内，通过小摇臂与摇臂轴使摇臂升降，也有将调 高油缸放在端部或截割部固定减速箱内的。用机身调高时，摇臂调高油缸有安装在机身 上部的，也有装在机身下面的。不论那种调高方式，调高液压系统的基本原理是一致的， 典型的采煤机液压调高系统简图如图1 2 所示： 图1 2 典型采煤机滚筒液压调高系统图 调高泵经滤油器吸油，通过换向阀过双向液压锁使调高油缸升降。双向液压锁用来 锁紧液压油缸的两腔，使滚筒保持在所需的位置上。安全阀的作用是保护整个系统。采 煤机的调高工况通常分为截煤调高与空截调高两种，空截调高时只需克服摇臂、滚筒自重； 在截煤过程中调高不仅要克服自身重力，还要克服截割阻力和推进阻力。设计和使用时通 常有以下方面的问题需要考虑【4 】( 1 ) 压力保护，( 2 ) 调平稳性问题。由于快速泄压，将会产生 压力冲击振动和噪声， ( 3 ) 下调速度过快问题。 目前国内外使用的采煤机械主要是可调高的双滚筒采煤机，其滚筒调高系统主要是 采用图1 2 所示液压系统，国外已对自适应采煤机川做了很多研究并取得很大进展，而 国内目前还处在对自适应采煤机的理论研究阶段。自适应采煤机装备有位置传感器、油 缸行程传感器等，通过计算机的记忆储存及自动控制实现采煤机滚筒的自动调高。在油 缸内安装位移传感器，检测滚筒调高位置高度信息，经采样处理后成组存储1 6 j ，通过计算机 综合采煤机工作姿态和牵引速度等因素给出指令信号，通过调控电磁阀的通断状态，实现 滚筒记忆程控调高该液压调高系统，采用定量泵，电磁式换向阀实现开关量控制双液 4 1 绪论 控单向阀用来锁紧液压缸的活塞，使滚筒在载荷作用下能长时间保持固定位置液压缸 中活塞杆的来回移动，使摇臂上下摆动，最终实现对滚筒调高的控制。同时这种系统仍然 借助于人工进行识别轨迹的修正，同时利用所谓的“记忆”在一定程度上降低采煤机司机 的劳动强度，如果工作面的地质条件比较好，无断层，顶底板比较平整，变化比较缓， 则有一定的实用性。由于目前国内采煤机自适应调高系统还处于理论与实验阶段，因此 借鉴国外经验研究可知，适合矿下工况( 简单实用) 液压控制系统是实现采煤机自适应 滚筒调高的关键，非常具有现实意义。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容： 1 对采煤机滚筒调高液压系统分析 2 电液比例控制系统设计 3 电液比例控制系统建模分析 4 对电液比例控制系统动静态进行分析 5 基于m a t l a b 的系统仿真分析 6 系统p i d 校正分析 1 5 小结 本章介绍了课题研究的背景和意义，对采煤机调高液压系统的原理进行了比较详细 的介绍，并介绍了国内外的研究动态及发展趋势，然后提出本文的主要工作。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 采煤机滚筒调高液压系统方案比较与选择 2 1 液压传动控制技术的特点、应用、发展概况 在液压传动及控制技术的发展过程中，电液伺服控制和电液比例控制是相继出现的 两大重要技术。电液伺服技术首先用于航空，继而应用于一些重要设备的自动控制。电 液比例控制技术是介于液压开关控制与电液伺服控制之间的新型电液控制技术，它是针 对伺服控制存在的缺点，诸如：功率损失大，对油液过滤要求苛刻，制造和维护费用高 等提出来的。又加上一般工业设备对动态响应的快速性要求不高，电液比例控制技术适 应了这些要求，从而在近1 0 年里得到极大发展。经过不断地技术积累，液压传动及控 制技术成为现代机械装备技术进步的重要基础，被广泛应用于各工业部门。液压传动及 控制技术能够迅速发展，是因为它具有不可比拟的技术优越性。 液压传动与机械传动、电力传动、机电传动、气压传动的比较如表2 1 所示各种传 动方式的主要传动特性比较可以看出，液压传动单位功率重量比大川1 ，能以较轻的设 备重量获得很大的力和转矩。体积小、重量轻、惯性小，故液压控制系统可以安全、可 靠并快速地实现频繁的带负载起动和制动，易于实现过载保护，工作安全可靠。可轻易 地实现反向直线或回转运动和动力控制，这对机械传动相当困难，而对电力传动则更困 难。在运动过程中能方便地进行无级调速，调速范围大，调速比可达1 0 0 ：l 到2 0 0 0 ：1 ； 低速性能好。液体工作介质具有弹性、吸振和润滑能力，使液压系统运转平稳，可靠， 易于散热。液压传动的控制调节简单，操作方便，易于实现自动化。液压控制系统的负 载刚性大，受负载变化的影响小，精度高。 表2 1 几种常见传动方式的比较 c 膨白、季 功率与重 转矩与转响应可控制负载刚能动 调速范围 汾心 量比动惯量比 速度性度 机械传动 小 小低差中等小 电力传动 小小中等中等差中等 机电传动小 小中等中等差 中等 气压传动 中等中等低中等差小 液压传动大 大 高 好大大 此外，液压传动及控制技术在高速、高压、大功率、高效率、低噪声、高可靠性、 6 2 采煤机滚筒调高液压系统方案比较与选择 高度集成化、数字化、机电一体化等方面都取得了重大进展，并对机电产品质量和水平 的提高起到了极大的促进和保证作用。采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水 平的重要标志。 现代液压传动及控制技术有着极其广泛的工程应用需要，这是现代液压传动及控制 技术发展的推动力。1 9 2 5 年液压技术在机床上获得成功应用，5 0 年代到7 0 年代末期， 随着古典控制理论的成熟，以反馈控制理论为基础的电液伺服系统得到迅速发展，各种 结构的电液伺服阀相继问世，为工程控制提供了精度高、响应快、大功率的技术装备， 逐渐成为武器和航空、航天自动控制以及一部分民用工业设备自动控制的重要组成部 分。6 0 年代后期工业伺服技术和电液比例技术得到迅速发展，尤其是介于开关控制和伺 服控制之间的电液比例技术，它可以直接接受计算机的输入信号来对参数进行自动控 制。与电液伺服控制相比，又具有可靠、节能和廉价等明显优势。近年来，通过不断地 开发和研究，出现了闭环比例阀，其最重要的特征是当阀处于中位时为零遮盖，减小了 阎的中位死区，另外还配有位置闭环调节的比例电磁铁及位移传感器，这种阀的稳态和 动态性能接近于伺服阀，部分超过伺服阀，例如b o s c h 公司的6 通径比例方向阀，其 工作压力为3 1 s m p a ，频响约1 2 0 h z ，滞环0 2 ，达到了相当高的控制水平。液压控 制技术还采用了压力反馈、流量反馈、位移反馈、内部反馈、动压反馈和点校正等手段， 使液压元件的动、静态品质和工作稳定性有了很大的提高。近年来出现了大量的新型元 件，如：高速开关阀、电液数字阀、电液比例阀、电流变阀等，丰富了液压系统的构成。 新型的系统结构不断涌现。随着近代设备工作精度、响应速度和自动化程度的提高，出 现了机电液一体化技术。同时，现代控制策略逐渐渗透到液压技术中，出现了p i d 控制、 自适应控制( a c ) 、鲁棒控制、连续性的b a i l gb a n g 控制、智能控制、神经网络控制等。 现代液压传动及控制技术与微电子技术、计算机控制技术、传感器技术等为代表的新技 术紧密结合，形成一个完善高效的控制中枢，成为包括传动、控制、检测、显示乃至校 正、预报在内的综合自动化技术。它始终是大功率机械设备和生产线实现自动化不可缺 少的基础技术。它在完善发展比例控制、伺服控制、开发数字控制技术以及机电液一体 化方面将会取得更多新成就。 2 2 液压控制系统的比较 2 2 1 电液比例闭环控制系统 电液比例控制系统是电子一液压一机械放大转换系统。其主控元件可以有无限种状 态，分别对应于受控对象的无限种运动。从控制特性看接近于伺服控制系统；从经济性 和可靠性看，更接近于开关控制系统。其特点2 1 ： ( 1 ) 能实现快速平稳的开环控制，特别是大惯量控制。 7 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 兼备了电气和电子技术的快速性、灵活性和液压技术输出功率大、控制性能好、 传动能力大。 ( 3 ) 可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，改善控质，提高可靠 性，缩短工作循环时间。对一些较复杂的工作循环，要求在工作中不断改变压力或速度， 采用电液比例控制技术不仅能大大简化系统结构，而且有高可靠性能。 ( 4 ) 比例放大器中有斜坡信号发生器，以设定的阶跃作为输入信号，使发生器产生 一个缓慢上升的或下降的输出信号，输出信号的变化速率通过电位器，以实现被控系统 工作压力、速度、加速度等的无冲击缓冲过渡，避免大的冲击，对位置系统来说可以准 确定位。 ( 5 ) 能实现按比例地控制液流的方向、流量和压力，还可以连续成比例量、压力与 方向三者之间的多种复合控制功能。 ( 6 ) 可以改善主机的设计柔性，实现多通道并行控制。 ( 7 ) 便于计算机控制，便于建立故障诊断专家系统，容易实现系统智能控制。 电液比例控制系统也存在一些缺点： ( 1 ) 与开关控制相比，其技术实现较复杂，与伺服系统相比，其控制精度差、反应 速度慢。 ( 2 ) 电液比例闭环控制系统易出现不稳定状态。 ( 3 ) 死区范围较大。 另一种是由先导式比例方向流量阀作为主控元件组成的比例闭环控制系统，系统控 制原理如图2 1 所示，整个系统由指令装置、比较器、p i d 控制器、比例放大器、比例 阀、液压缸、位移传感器几部分组成。在整个系统中，由传感器变换成统一的标准信号 送入比较器，在比较器中与给定值进行比较，然后把比较出的结果进行p i d 运算，经 p i d 处理后的信号经比例放大器处理后发送给比例阀，通过控制阀的开口大小来调节进 出油缸的液压油流量，最终实现控制液压缸的伸缩量。在系统中虽然存在不稳定性等缺 点但完全能满足采煤机自适应调高的设计要求。 比较器 p i d 图2 1 比例闭环控制系统原理图 8 2 采煤机滚筒调高液压系统方案比较与选择 2 2 2 伺服闭环控制系统 液压伺服系统又名液压随动系统 ，是液压传动中具有随动作用的液压自动控制 系统，可以使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入 量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统以其优良的动态 性能著称，尤其对于直线运动的控制对象，它的优势更加突出。在这种系统中，大功率的 液压元件( 包括液压伺服阀和液压执行元件) 跟随小功率的指令信号元件动作。执行元件 所控制的通常是位置、速度等机械量。指令信号元件又称参考信号元件，它发出代表位 置、速度或其它量的指令信号。大功率与小功率之比可以达几百万倍以上。液压伺服系 统是反馈控制系统，反馈回来代表实际状态的信号与指令信号比较，得到误差信号，如 果误差不是零，便进行调节，直到误差小于许可值。液压伺服系统通常应包括，实际状 态的测量反馈元件，小功率指令信号的传递元件和大功率液压执行元件，期望状态和反 馈状态的比较元件，差值信号的放大元件。 液压伺服系统按照偏差信号产生和传递介质的不同分为机械液压伺服系统、电液伺 服系统和气液伺服系统。它们的指令信号分别为机械信号、电信号和气压信号。电液伺 服系统因电气控制灵活而得到广泛的应用，气液伺服系统用于防爆的环境或容易获得气 压信号的场合。液压伺服系统应具有必要的性能，工作稳定，对指令信号反应快，稳态 误差小，对干扰不敏感。液压伺服系统是自动控制系统中应用最广泛的一种，在精密加 工的定位系统中，液压伺服系统能保证小于0 1 微米的加工误差。液压伺服系统以其响应 速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 2 2 3 液压系统与机电系统的优缺点 ( 1 ) 液压系统具有以下的突出特点，以致成为采用液压系统而不采用其他控制系统的 主要原因： 功率重量比大。这个特点，在许多场合下采用液压系统而不采用机电系统的 重要原因，也是直线运动控制系统中多用液压系统的重要原因。 力矩惯量比大。力矩惯量比大，意味着液压系统能够产生大的加速度，也意味着 时间常数小，响应速度快，具有优良的动态性能。一个执行元件是否能够产生所希望的 加速度，能否给负载以足够的实际功率，主要受到它的力矩惯量比的限制。这个特点 也是许多场合下采用液压系统，而不是采用其他控制系统的重要原因。 液压马达的调速范围宽。所谓调速范围宽是指马达的最大转速与最小平稳转速 比。这个指标也常常是采用液压系统的主要原因，在负载要求做直线运动的系统中，液 压系统比机电系统有着明显的优势。 液压的刚度比较大。在大的后坐力或冲击振动下，如不采用液压系统，有可能导 9 西安科技大学硕士学位论文 致整体机械结构的变形或损坏。在瞬间冲击比较大，为了保证整个系统的稳定以及安全 性，液压缸可以装载溢流阀，所以在大的振动和冲击下可以有溢流作用，保证了整个系 统的安全和稳定性。 ( 2 ) 液压控制系统存在许多严重的缺点1 ，在研制、生产和使用过程中，引起许多 的问题，影响液压系统的声誉，成为与其他控制系统竞争中丧失市场原因。概括起来有 以下几个方面的特点： 使用不方便，维护困难。在研制过程中，经常需要增添或者更换，甚至去掉一些 元件，修改一些管路，在使用过程中，一旦出现故障，需要检测和排除故障，不可避免 的要拆卸管路，更换元件，这时需要大动干戈，甚至弄的满地是油污，令人讨厌。机电 系统，可以方便的使用万用表和示波器等电子仪器来检查故障，需要修改线路、更换元 件时，只需要一把电烙铁、一把镊子就可以解决问题，十分方便、十分干净。 液压系统常常难以保证没有泄露，总是或多或少的有些油液漏出，严重的甚至满 地都是。这是在电子设备、医疗机械、食品加工机械、工艺品加工机械中失去市场的主 要原因。 过载能力低。若液压系统的额定工作压力为1 4 0 1 0 5 p a ，则允许的最大工作压 力不超过2 1 0 1 0 5 p a ，而电动机的过载能力要很强，这个缺点也是在某些场合下限制了 液压系统的使用。 噪声比较大，这是液压系统中又一个缺点，在许多场合也是防碍选用液压系统的 重要原因。 不适宜做远距离的传输，因为一方面由于铺设管路带来了许多不便，另一方面， 控制点远离油源还会降低系统的动态性能。以上是液压控制系统的存在的缺点，但是 随着科技的进一步发展，上述的一些缺点都会逐步的被克服。 随着科技的进步液压伺服系统逐渐发展为以机电一体化为主流的伺服系统，以及随 着计算机在液压系统中的广泛应用使液压伺服系统的应用前景更加广阔。其中，液压伺 服控制系统是使执行元件以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律而动作的一种 自动控制系统。其可从不同的角度加以分类，按输出的物理量分类，有位置伺服系统， 速度伺服系统，力( 或压力) 伺服系统等；按控制信号分类，有机液伺服系统，电液伺 服系统，气液伺服系统：按控制元件分类，有阀控系统和泵控系统两大类。其中阀控伺 服系统主要由压力传感器，位置传感器，控制器和伺服阀等构成一个闭环的系统，按系 统的需求来分别做到或按序做到速度伺服控制，位置伺服控制和压力伺服控制。最终， 达到系统的要求和重复精度。传感器与控制卡( 也可集成在塑机工控电脑中) ，伺服阀 的有机组合，就形成了一个闭环控制系统，随着系统工作情况要求的不同，来实现不同 的伺服控制。 1 0 2 采煤机滚筒调高液压系统方案比较与选择 2 2 4 液压控制系统及控制阀性能比较 液压控制系统一般有：液压传动、液压伺服控制系统、液压比例控制系统。液压传 动的控制元件为开关阀或变量泵，开关阀只有两个通断的机能，压力、流量由人工调节， 介质通过阀的压力损失小，无反馈为开环控制精度低。液压伺服控制系统的控制元件为 伺服阀，可连续控制，压力流量为自动控制，压力损失随流量而变化，动作随信号大小 而变化，有反馈为闭环控制系统用一般电路控制，控制精度高。液压比例控制系统介于 开关控制与液压伺服控制之间的控制方式，它是通过输入信号，使系统的压力、流量连 续地、按比例地输入执行元件，可以进行无级调节参数，连续控制，减少了控制元件， 简化了控制回路有一定的伺服性能，其控制元件为比例阀，可连续控制，压力流量可以 自动控制，动作随信号大小是可变的由专用比例控制器给信号，控制精度稍高。一般来 说，比例技术与伺服技术的区别主要是液压控制系统中采用的控制元件不同。电液比例 控制系统采用的控制元件为比例阀和比例泵，液压伺服控制系统采用的控制元件为伺服 阀。二者的区别主要有以下几个方面蜘： ( 1 ) 控制元件的应用范围不同，因此导致比例技术与伺服技术的应用范围不同。 比例系统可代替普通的液压系统和部分伺服系统，比例技术与伺服技术的比较主要在采 用比例方向阀的系统与采用伺服阀的系统中进行。 ( 2 ) 控制元件采用的驱动装置不同。比例控制元件采用的驱动装置为比例电磁铁， 它的输入电信号通常为几十到几千毫安，为了提高运行可靠性和输出力，还有采用大电 流的趋势，衔铁输出的电磁力大小为几十到几百牛顿。比例电磁铁的特点是感性负载大， 电阻小，电流大，驱动力大，但响应低，而伺服控制元件采用的驱动装置为力马达或力 矩马达相对于比例阀而言，其电一机械转换器的输出功率较小，感抗小，驱动力小，但 响应快。 ( 3 ) 控制元件的性能参数不同。从性能比较来看，伺服阀的性能最优，普通比例 阀的死区大，滞环大，动态响应低。 ( 4 ) 应用的侧重点不同。电液伺服阀通常用在闭环系统，对快速性和特别强调零 位特性的系统中。普通的比例方向阀对于零位特性没有特殊要求，主要用于开环系统及 闭环速度控制系统，当应用于速度控制系统中时，必须在比例放大器中采用快速越过死 区的措施来减小死区的影响，并使之工作在大开口状态。 西安科技大学硕士学位论文 表2 2 比例阀与伺服阀的性能比较 。 比例阀 类别 符拦 伺服阀 伺服比例阀 带电反馈比例阀 滞环( ) o 卜_ o 5 0 2 电5 0 3 1 中位死区理论上为 理论上为零 士5 2 0 ( 1零 宽频h z 1 0 伊一5 0 0 1 0 0 一5 0 01 0 7 0 过滤精度 1 3 9 一一1 5 111 6 1 3 1 8 1 4 1 6 门3 1 8 1 4 应用场合 闭环系统闭环系统 开环控制系统及闭环速度控制系统 ( 5 ) 阀芯结构及加工精度不同。普通比例换向阀阀芯采用阀芯+ 阀体的结构，阀体 兼作阀套。由于死区大，阀芯与阀套允许的配合间隙较大，阀口台阶之间的尺寸公差也 较大，一般具有互换性。而伺服阀中二者之间配做成组件，加工精度要求极高，不具备 互换性。由于加工精度和结构上的这些区别，直接导致二者之间价格的很大差异，也是 对油液过滤精度要求不同的原因，过滤精度要求不同，导致系统维护的难易程度和维护 成本不同。 ( 6 ) 中位机能种类不同。比例换向阀具有与普通换向阀极为相似的中位机能，而 伺服阀中位机能只有o 型，适应工况单一。 ( 7 ) 阀的额定压降不同。为了保持电液伺服阀的响应特性，伺服阀需要很高的阀 口压降，普通电液比例阀对阀口压差没有严格要求，既能工作于大压差工况，也能在小 压差下工作。因为伺服阀和比例方向阀对阀口额定压降的不同要求，导致比例系统的效 率较高，伺服系统的效率较低，两种系统的运行成本也不同。由于伺服阀和电液比例阀 之间存在着上属区别，根据本设计的需要和产品工作的特殊环境及成本的要求，因此选 用电液比例阀作为换向阀，液压系统采用由电液比例阀组成的电液比例控制系统。 电液比例阀的选择： 为了满足设计对方向和液压缸活塞位移量的控制，我们选用电液比例方向流量控制 阀。电液比例方向流量控制阀最重要的稳态特性是阀的输出流量与输入电流之间的关系 特性。 1 2 2 采煤机滚筒调高液压系统方案比较与选择 a r 。氧0 n 3 0 0 二彭 i i2 0 0 l 函 jj a 。暑1 0 0 8 0习 逦： 司 。嫣2 0。in 匡 4 0 鬟俪羞彗j 卡 6 0 7 力m p a 。1 0 0 - 5 0 0 5 01 0 0 输入电流m a ( 1 ) ( 2 ) 图2 2 比例方向流量阀的稳态特性 由左图流量电流特性可知在某一段上具有良好的直线性，滞环亦不大，在零点附 近设有1 0 1 5 的正遮盖死区，可消除零点变化影响，达到在零位几乎完全关闭的状态， 由于比例方向流量阀主要在零位附近工作，死区以及由于温度、压力变化引起特性零点 漂移等，一般不作为主要性能指标，右图负载流量一负载压力特性可见，这种阀的负载 流量受负载压力变化的影响很小，对于速度控制和加速度控制系统可得到很高的控制精 度，广泛应用于负载压力变化较大的控制系统，采用这种阀控系统，由于阀压降远小于 电液伺服系统中伺服阀的阀压降，在相同的供油压力下，可比采用相同额定流量伺服阀 时的输出功率大得多。 2 3 本方案所设计的液压系统的确定 由对传统液压调高控制系统、机电系统、伺服液压调高系统和电液比例闭环控制系 统的比较可以看出，传统的液压调高控制系统虽然造价低维修方便，但是已远远不能满 足采煤机自适应调高系统对调高位置的高精度、高可靠性、响应快速、高控制精度的要 求。机电系统在负载功率大、负载直线运动及瞬间冲击的工况下无法与液压系统相比。 液压伺服控制性能整体性能优越于电液比例控制系统，但在矿井中很难长期保持液压油 高过滤精度，且伺服系统价格高昂，维修困难维护费用高，适用工况比较单一，电液比 例控制系统更适用于在恶劣工况下的工程机械中，从综合条件来讲采用电液比例控制系 统比机电系统及伺服液压控制系统更适合应用于采煤机的摇臂滚筒调高系统上，因此在 此次采煤机自适应滚筒调高系统设计中选用电液比例控制系统。 2 4 采煤机滚筒调高与液压缸行程分析 采煤机滚筒调高系统是采煤机的重要系统之一，他性能的好坏直接影响到采煤机的 1 3 西安科技大学硕士学位论文 工作效率及可靠性等，而决定滚筒调高是液压调高系统中的执行元件调高油缸的行程， 结合采煤机摇臂滚筒调高系统的简化示意图对其进行分析： 由图2 3 可得： a = 厶( s i n ( 仍+ 缈1 ) 一s i n 仍) ( 2 1 ) 式中： 胡一滚筒调高高度；厶一滚筒摇臂长度； 仍摇臂与x 轴的初始夹角；伊。摇臂的转动角度； 当液压缸的位移量很小时可近似有： 彳b ：2 ls i n 竺：址( 2 2 ) 2 由式( 2 1 ) 与( 2 2 ) 得： 2 a r c s i n 等：a r c s i n ( 竽+ s i n 仍) 一仍 ( 2 3 ) 2 厶、厶 “7” 由式( 2 3 ) 得： 媪 _ + s m 仍 厶 “撒s i n ( 竽“n 仍) a i - c s l n i + s 1 n 口，1j c o s 堕一s i n 堕c o s i 一 ( 2 4 ) 222 化简式( 2 4 ) 最终得油缸行程址与滚筒调高胡之间的函数关系： 三：厶。等+sin仍，c。s导一2岛sin譬c。s半 。2 5 ， 此 图2 3 采煤机摇臂滚筒调高系统简化示意图 1 4 2 栗煤机滚筒调高液压系统方案比较与选择 g = d 1 等+ c l ( 档) + 老鲁 q = 啮堋h ) c 2 县+ 老鲁 式中：口一调高液压缸无杆腔腔的有效工作面积( 聊2 ) ； 岛一调高液压缸有杆腔的有效作用面积( 聊2 ) ； 址一液压缸活塞的运动位移m ； c i 一阀的综合内泄漏系数； c 一液压缸内泄露系数； 眉一无杆腔的压力( p a ) ； 尸有杆腔的压力( p a ) ； k 一无杆腔液压油总体积( 所3 ) ； 巧有杆腔液体总体积( 肌3 ) ； 屈一为工作液体的体积弹性模量； 当q q 2 ，为计算方便取流量连续方程： 学= 生笋等+ g c 墨+ 最，一半+ 去( k 鲁一咯) 22z ”1“ 2 2 尻i 现zj 液压缸的力平衡方程为： m 孕+ b 争+ e ：暑4 一墨4 d d 。 ll22 式中： 肌一为折算到液压缸活塞上的总质量( 蚝) ； b 一为液压缸活塞及负载等运动部件的粘性摩擦系数( n s 聊1 ) ； e 一为作用在液压缸活塞上的外干扰力( n ) 设外干扰力e = 0 时，对( 2 8 ) 和( 2 9 ) 式进行化简后拉式变换整理得： 缸( s ) 一=q ( s ) 、| d 非如掣；。：半；9 ：学； ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 2 5 小结 本章介绍了液压传动及其控制技术的特点、应用和发展概况，同时分析了机电系统、 电压比例系统、伺服控制系统在采煤机滚筒调高中应用的优缺点，然后提出本文的主要 1 5 西安科技大学硕士学位论文 工作，即对采煤机滚筒自适应调高系统进行理论分析，在本章中建立了采煤机滚筒调高 高度与液压缸活塞行程之间的函数关系。 1 6 3 自适应滚筒调高控制系统方案设计 3 自适应滚筒调高控制系统方案设计 3 1 电液比例系统的构成、分类、特点及工程中应用 3 1 1 电液比例系统的构成 在工程实际应用中电液比例控制系统能实现的功能很多，但其主要结构基本相同， 其典型方框图如3 1 所示。 图3 1 电液比例控制系统方框图 一般情况下系统输入量为控制电压，经电控制器放大转换成相应的电流信号输入给 电一机械比例转换装置，把机械液压反馈和电反馈叫内反馈，把输出引回到输入的反馈 称为外反馈，输出与输入电流近似成比例的力或力矩和位移，使液压阀的可动部分或摆 动，并按比例输出具有一定压力、流量的液压油以驱动执行元件。 这种控制系统的结构