液压支架电液阀性能试验台测控系统设计.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 0 4 ． 2 01 4 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 7 液压支架电液阀性能试验台测控系统设计 夏 鹏 ， 崔亚斌 ， 刘庸奇 中国矿业大学 北京 机电学院， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 随着采煤技术 的发展 ， 液压支架 电液控制系统被应用广泛 。电磁先导 阀是 电液控制 系统 的核心组成部分 。 其性能对整个 液压支 架 电液控制 系统具有重要影响。电磁先导阀顶杆力与位移的关系直接决定 电磁铁的设计选型 ， 对电磁先导 阀的性能有着决定性 的影响 。 关键词 液压 支架 ； 电液控制系统 ； 电磁先导阀 ； 顶杆力与位移 中图分类号 T H1 3 7 ； T H1 2 2 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 04 0 0 2 9 0 3 The M e a s u r e me nt a nd Co nt r o l S y s t e m De s i g n o f Hyd r a ul i c S u p po r t El e c t r o h y d r a u hc Va l v e Pe rfo r ma nc e Te s t Be d X／ A P e ， CU I Y a - b i n， L I U Yo n g - q i Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l C o l l e g e C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h the d e v e l o p me n t o f the c o al mi n i n g t e c h n o l o g y ， h y d r a u l i c s u p p o rt e l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m h a s b e e n a p p l i e d w i d e l y ． E l e c t r o ma g n e t i c p i l o t v alv e i s a c o r e c o mp o n e n t o f t h e e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m． I t s p e r f o r ma n c e h a s a n i mp o r t a n t e ff e c t o n the w h o l e h y d r a u l i c s u p p o rt e l e c t ro - h y d r a u l i c s y s t e m． T h e r e l a t i o n s h i p o f k n o c k o u t- p i n’ S f o r c e a n d d i s p l a c e me n t o f e l e c t r o ma g n e tic p i l o t v alv e d i r e c t l y d e t e rm i n e e l e c t r o ma g n e t d e s i g n a n d s e l e c t i o n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o rt； e l e c tro - h y d r a u l i c c o n tr o l s y s t e m； e l e c tro ma g n e t i c p i l o t v a l v e ； t h e k n o c k o u t p i n’ S f o r c e a n d d i s p l a c e me n t 0 引言 随着液压支架在煤矿 的大量使用 。 支撑 、 切顶 、 移 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 1 9 作者简介 夏鹏 1 9 8 8 一 ， 男 ， 湖北 黄冈人 ， 硕士研 究生 ， 主要进 行电液控 制 系统相关 方面的研究。 架 、 输送机 的推移等工序全部实现了机械化『l 1 ． 电液控 制系统的应用又为综采 面的自动化与机械化之间建立 了桥梁。电磁先导 阀是电液控制系统的核心元件 ． 它将 电信号转换为液信号 ．从而通过液控换 向阀来控制液 压支架油缸运动 ， 实现液压支架 自动有序动作阁 现阶 段 ． 矿用电磁先导阀主要从 国外 引进 ． 设计和制造 出高 1 ． 3 0 m／ rai n； 单缸最大工作推力 时的压力 p 5 2 0 ． 7 MP a 。 ,r r x D3 经过上面的计算可知 ．双联齿轮泵的额定工作压 力p 2 2 5 MP a满足系统压力要求。机架 回转速度、 斜支 杆伸缩速度、 起塔油缸伸缩速度都需加节流装置 ， 用 以 控制流量 。 达到规定范围。 5 油泵电机功率 的计算 按双 联泵 同时工 作 时计算 ．油泵 电机 功率 Ⅳ - 3 5 5 ～ 5 4 _ 5 k w，故选用 Y D 2 8 0 S 一 6 ／ 4双速 电 动机作为油泵电机。 2 总结 通过对液压系统 中关键执行元件所完成功能要求 的计算 ， 确定 了系统的工作压力 p 2 3 MP a ， 油路管道通 径 、 各阀体通径不小于 1 5 m m。 吸回油滤油器、 冷却器 系统流量为 1 2 0 L ／ m i n 8 0 m L ／ r x 1 5 0 0 r ／ m i n ． 选择合理规 格。 经过现场施工实践 ， 达到了设计要求 ． 提高了桩机的 施工效益 ， 大大降低 了施工成本 ， 得到了用户的肯定。 参考文献 [ 1 ]1 [ 2 ] [ 3 ]3 [ 5 ] [ 6 ] 徐灏． 机械设计手册【 M] ．北 京 机械工业 出版社， 1 9 9 2 ． 冯德强． 钻机设计『 M】 ． 武汉 中国地质大学出版社， 1 9 9 3 ． 康宝生． 隧道挖装机的使用管理与国产开发[ J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 8 ， n ． 李联玉， 周又清， 王晶． H D D P 4 0型液压冲击钻机[ J 】 ． 液压气动与 密封， 2 0 1 2 ， 5 ． 蒋威． 液压 系统故障诊断技术综述叨． 液压气动与密封2 0 1 o ， 1 1 ． 胡海 峰． 陆惠 明． Z D Y 4 0 0 0 B L型液 压钻机 履带行走 液压 系统 的设计【 J ] ． 探矿工程， 2 0 1 2 ， 5 ． 29 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 0 4期 效可靠 的电磁 先导 阀成为国内煤矿行业一个亟待突破 的难题 电磁先导 阀顶杆力与位移 的关系直接关系到 电磁铁 的设计 选型 ．最终决定电磁先导阀能否成功启 闭 ， 成为电磁先导阀设计研究过程中的一个关键问题。 1 电磁先 导阀 液压支架 中使 用的电磁先 导阀一般 为本安型 ． 它 由本安型电磁铁的电路和本安型电源来保证使用场所 的安全性 本安型电磁先导阀的工作原理是用小 的驱 动 电流、 电磁力控制较大液流 ， 这样能够既符合本安型 电源设备的电流要求 ．还具备多个电磁 阀可以同时驱 动 的功能 。 便于成组地顺序移动支架 。一般功率要求要 小于 1 ． 2 W， 为常规阀的 1 ／ 1 2 ， 是一种超小功率 的电磁换 向阀． 属于高难技术[ 3 ] 。矿用液压系统供压为 3 1 ． 5 MP a 。 电磁先导阀承受 的压强很大 因为通过先导阀电磁铁 的驱动电流很小 ． 所 以电磁力的大小主要取决于 电磁 铁 的 自身的性质 通过实验研究 。 得出 电磁先导 阀顶 杆力 与位移的关 系 。 对于 电磁铁设计和检验具有至关 重要 的作用 ． 也是 电磁先导阀研 究和设计 的关键技术 之 一 。 2 电磁先 导阀性能试 验 台 见 图 1 I 泵 站 系 统 I t I 液 压 系 统 I t 其 他 性 能 试 验 卜 电 磁 先 导 阀H顶 杆 力 与 位 移 试 验 』 J 液 压 缸 及 负 载 数 据 采 集 l 图 1 电磁 先 导 阀试 验 台 系统 图 为对 电磁先 导阀顶杆力 与位移的关系进行试验研 究 ． 同时也为了后期的进一步试验 ， 本文搭建了电磁先 导 阀性能试验 台 本试验 台主要包含以下 7部分 泵站 系统 、 液压系统 、 电磁先导阀部分 、 液压缸及负载部分、 顶杆力与位移试验部分 、 其他性能试验部分、 数据采集 部 分 。 3 试验台液压系统设计 液压系统是液压支架 电液阀性能试验台测控系统 的组成部分之一 虽然本文主要研究 电磁先导 阀顶杆 力与位移 的关系 ．不过考虑到试验 台的综合性和后续 对 电磁先导阀的进一步研究 ．所以本文所设计 的试验 台液压系统也能进行 电磁先导 阀其 他的性能试验 ， 例 如换 向性能试验等。根据产品的技术要求 ， 确定液压系 统 的主要技术指标为 系统公称 压力为 3 1 ． 5 MP a 。 最大 30 压力为 4 7 ． 2 5 MP a ， 工作流量 8 0 L ／ mi n ， 测试精度等级为 B级 参照 G B ／ I 7 9 3 5 2 0 0 5 ， 工作介质为经过 5 2 5 1x m 高精度过滤器过滤后的乳化液 乳化油与中性水按 5 9 5质量 比配制 ， 温度为 1 0 ℃～ 5 0 ℃， 能够快速在公称压 力和高低压力之 间进行切换 ．能够完成电磁先导阀顶 杆力与位移关系试验和后续的性能试验 本文所设计的液压 系统 见 图 2 采用模块化设计 方法 ， 包括油缸及泵站模块 、 公称压力及低压模块 、 增 压模块和被试阀模块 压力表 3 力表 2 6 4 3 2 1 一 油箱2 一 液温计3 一 液位计4 一 冷却器5 一 加热器6 一 排空机 7 、 1 1 、 2 4 一 过滤器8 一 液压泵9 一比例溢流阀1 0、 1 5 一 蓄能器 1 2 、 1 9 一 节流 阀 1 3 一 电磁换 向阀 1 4 一 增压缸 1 6 、 2 5 一 溢流阀 l 7 、 1 8 一 单 向阀2 O 、 2 2 一 流量计2 1 一 液压缸2 3 一 背 压阀 图 2试验 台液压 系统 图 电磁先导阀的公称压力为 3 1 ． 5 MP a ． 在高压密封试 验时为公称压力 的 1 ． 5倍 电磁铁提供的电磁力要能保 证其能在高压密封试验时顺利启闭。 4 顶 杆力与位移关 系试验 系统 电磁先导阀顶杆在实际使用过程 中受到两个力 的 作用 液压力和电磁力 这里忽略弹簧力 。电磁铁通 电 后给顶杆一个 电磁力 ． 使其克服液压力的作用 ， 将 阀门 打开 。所 以， 通过实验研究顶杆在运动过程 中力与位移 的关系 ， 对于电磁铁的研究设计有着重要意义。 图 3为液压支架电液 阀性能试验台顶杆力与位移 的关系测试试验原理图。图中 2 1 、 2 2 、 2 ～ 3 、 2 4为压 力变送器 ． 测试点分别接在进油 口和出油 口附近 ． 不宜 太远 ， 其作用是为了测试 电磁先导 阀进 出口压力。测试 装置的驱动系统采用的是直线型步进 电机。通过直线 型步进电机控制器对步进电机进行 微量控制 ．推动 固 压 斤致 Hv d r a u h c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ．0 4 ． 2 01 4 定在丝杠末端 的测力传感器运动 。测力传感器与一细 杆 固定连接。步进 电机运动到一定位移后细杆与电磁 先导 阀顶杆接触 直线型位移传感器通过 固定架与细 杆末端连接固定 。 在步进 电机做 出微量移动时 ， 位移传 感器 的触头也进行微量移动。这样 ， 位移传感器测出顶 杆的实时位移 ．测力传感器测 出顶杆运动过程中所受 的力 ． 二者 同时传送至数据采集卡 。 进而得到 电磁先导 阀顶杆力与位移的关 系曲线 。 1 一 被试 阀2 - 1 、 2 2 、 2 3 、 2 - 4 、 2 - 4 一 压力计 压力传感器 3 一 位移传感器4 一 力传感器5 一 直线型步进 电机6 一 固定架 图 3顶杆 力与位移关系测试 试验原理图 5 主要元器件 的选型 5 。 1 步进 电机 步进电机 的角位移与脉 冲数量严格成正 比，改变 脉冲频率实现调速。它具有定位精度高 ， 同步运行特性 好 ， 调速范围广 。 能快速起动、 反转和制动等特点。按照 输 出位移不同 ．分为输 出角旋转参量的步进电机和直 线型步进 电机 。相对于前者 ， 直线型步进电机具有 以下 优点 1 省掉了笨重 的齿轮传动装置 ， 能够在不安装外 部机械联动装置的情况下直接进行精密的线性移动 。 大 大地简化了系统的结构 。 整个装置更显得简单、 紧凑 ； 2 提高了直线的定位精度 ； 3 获得了直线高定位速度 4 无 电刷 ， 因此无火花 ； 5 耐久性提高。 所 以本文选择直线型步进 电机作为驱动机构。由 于本实验台的工作条件及性能要求 ．所选择 的步进电 机应满足以下 3个条件 f 1 直线型步进 电动机产生 的推力应该大 于 3 0 N 3 k g ； 2 步进电机最大量程应大于 2 mm 顶杆的位移在 2 5 m m 以 内 3 步进电动机要精确到微米级。 综上 所 述 ． 经 过 比较 选 型 ． 最 终 选 择 3 50 0 0 S i z e 1 4 这个系列的直线型步进电机 ． 其步长为 1 ． 5 ～ 5 0 t x m， 最大 推力范围是 5 0 ～ 2 0 k N， 且尺寸小 。 5 ． 2 测 力 传感 器 由于试验 台测试 电磁先导 阀的安装空间和电磁先 导阀顶杆尺寸要求 ， 测力传感器不宜选用过大。综合整 个测试系统 的要求 。 因此 ． 本试验选择天津丽景微电子 设备有限公 司生产的 MD S微型测力传感器 ． 其测力范 围为 0 ． 1 ～ 0 ． 1 k N． 精度为 1 ％。 5 ． 3 位 移传 感 器 由于顶杆在运动过程中位移量很小 ． 不到 5 mm． 故 本试验对位移传感器 的测量范 围和精度要求很高。经 过对 比，最终选择 J X S微型拉杆线性位移传感器 。 其 测量范 围为 0 ～ 1 0 mm。 精度为 O ． 2 5 ％～ 0 ． 0 8 ％。 6 总结 本文搭建 了电磁先导阀顶杆力与位移的关 系测试 试验平台 ． 进行 了液压系统和测试 系统的设计 ， 并对关 键元器件进行了设计选型 ．完成了整个系统的原理设 计 。系统简单可靠 ， 完成了最初的设计要求 。下一步就 是对 电磁先导 阀进行试验 ．得 出电磁先导阀顶杆力与 位移的关系， 为后续研究设计提供参考依据。 参考文 献 [ 1 】 程居 山． 矿山机械[ M I ． 徐 州 中国矿业大学出版社， 1 9 9 7 ． [ 2 】 李首滨． 国产 液压 支架 电液控制 系统技术 现状 [J ] ． 煤炭科学技 术， 2 0 1 0 ， 1 5 6 ． [ 3 】 董信根， 芮丰． 本安型 电磁先导阀【 J ] ． 煤矿机 电， 1 9 9 2 ， 4 3 5 ． [ 4 ] 李效甫． 综采液压支架 电液 控制系统 【 j 】 ． 煤矿开采， 2 0 0 1 ， 2 ． [ 5 ] Y u Y u e s e n ，D a i P e n g ，X u Y a j u n ，e t c ．R e s e a r c h O i l E l e c t r o - h y d r a u l i c a t C o n t r o l S y s t e m f o r Hy d r a u l i c S u p p o r t C o a l Mi n e[ J 1 ．P r o c e d i a E a r t h a n d L a n e t a r y S c i e n c e ， 2 0 0 9 ， 1 1 5 4 9 - 1 5 5 3 ． [ 6 ] 黎保 新． 电磁换 向阀 的新 进展[ J ] ． 机 床与液 压， 1 9 9 5 ， 4 ． [ 7 】 杨卫书． 矿用 电磁先导 阀测试试验 台的开发与研究【 J ] ． 液压与 气动， 2 0 1 l ， 1 7 5 7 7 ． [ 8 】 冯晓迪， 郑本芳， 杜建华． 液压支架用阀试验台的研制[ J ] ． 液压 与气动． 2 0 1 1 , 1 2 2 6 2 8 ． [ 9 ] 王俊 杰， 曹 丽． 传 感 与检 测 技术 [ MI ． 北京 清 华大 学 出版 社 ， 2 0 1 1 ． [ 1 o ] 孙宝元， 杨 宝清． 传感器及其应 用手册【 M] ． 北京 机械工业出版 社． 2 0 04 ． [ 1 1 】 成大先． 机械设计手册一 液压传动[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 4 ． [ 1 2 ] 机械设计 手册编委会． 机械设计 手册一 液压传动与控制[ M】 ． 北 京 机械工 业出版社． 2 0 0 7 ． 31