液压支架电液控制系统技术的发展与现状分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 2 ．2 0 1 2 液压支架电液控制系统技术的 发展与现状分析 宋 磊 宋方立 1 ． 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 华北煤层气勘查开发总公司， 山西晋中0 3 0 6 0 0 摘要 分析 了支架 电液控制 系统对煤矿生产 的重要性 ， 介绍国内外液压支架电液控制系统技术发展概况 ， 电液控制系统的原理 和关 键技术。分析 中国发展支架电液系统技术落后的原因， 对国内液压支架 电液控制系统发 展提 出建议 。 关键 词 液压支架 ； 电液控制 ； 电磁先导阀 ； 电液匹配 ； 压力损失 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 2 0 0 0 9 0 2 Th e De ve l o pme n t a n d t h e P r e s e nt An a l y s i s o f t h e Te c h no l og y a b o u t t h e El e c t ric F l u i d Co n t r o l S y s t e m o f Hyd r a u l i c S u p po r t S ONG L e i S O NG l i 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g 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 ； 2 ． N o a h C h i n a C B M E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t C o r p o r a t i o n ， J i n z h o n g 0 3 0 6 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r a n a l y z e d t h e i mp o r t a n c e o f t h e e l e c t r i c a n d h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f t h e h y d r a u l i c p o w e r e d s u p p o r t t o t h e mi n e p r o d u c t i o n ．I n t r o d u c e d the d o me s t i c a n d f o r e i g n h y d r a u l i c s u p p o rt 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 t e c h n o l o g y d e v e l o p me n t s u r v e y ， 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 o f t h e p r i n c i p l e a n d k e y t e c h n o l o gy ．An a l y s i s e d t h e r e a s o n s o f t h e d e v e l o p me n t e l e c t r o - h y d r a u l i c s y s t e m t e c h n o l o gy b a c k wa r d t h a n a b r o a d ．Gi v e n t h e s u g g e s t i o n s 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 d e v e l o p me n t ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c s u p p o r t ； e l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o l ； s o l e n o i d p i l o t v a l v e ； e l e c t r o - h y d r a u l i c ma t c h i n g ； p r e s s u r e l o s s O 引言 我国是以煤炭为主要能源的国家 ，煤炭在 国民经 济发展中占主要地位。液压支架作为综合机械化采煤 工作的主要配套设备 ，占到综采装备总资金 的 7 0 ％以 上， 是综采工作面能否实现高产高效的关键设备 。随着 近年来电子计算机和 自动控制技术 的发展 ，液压支架 的电液控制也随之发展起来 。液压支架电液控制系统 是 目前液压支架最先进的控制方式 ， 是集机械 、 液压 、 电子 、 计算机和通信 网络等技术于一身 ， 技术含量高 、 难度大， 应用于煤矿井下的一项高新技术产品。 l 液压支架电液控制系统的优越性 液压支架电液控制系统不但可以 自动控制液压支 架的动作 ， 而且可以实现邻架或远程控制液压支架 ， 此 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 2 9 作者 简介 宋磊 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山西榆次人 ， 中国矿业大学 北京 硕 士研究 生。 主要研究方 向为流体传动与控制 。 外还可以对工作面液压支架进行监控， 使液压支架与其 他采煤设备相配合 ， 实现高效采煤。其优点是 1 实现液压支架的 自动循环控制 ， 提高 了移架速 度 ， 特别适用于大功率 、 高速度机采设备的高产高效工 作面。 2 系统能够实 现 自动控制 ， 减 少支架操作人员 ， 降低劳动强度 ， 提高安全性 ， 改善工作环境。 3 实现初撑力 自保 、 擦顶移架 、 及时支护， 保证了 支架对顶板的最佳支护。 4 实时对支架 、 采煤机运行状态进行检测 ， 便于 实现整个矿井的 自动化管理。 5 可根据顶板条件和支架结构设定多种 自动控 制模式。 6 可实现工作面无人化操作 ， 特别适合薄煤层工 作面的开采。 2 液压支架电液控制系统的组成及原理 支架 电液控制系统原理图如图 1所示 。液压支架 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 2期 电液控制系统主要包括 负载 液压支架 ， 缸 立柱 、 推 移千斤顶 、 电液阀 电磁先导阀和主阀 、 乳化液泵站 、 传感器 压力传感器 和行程传感器等 、 电磁阀的驱动 器 、 支架控制器 、 主控计算机 、 地面计算机。 面 下 图 1 支架 电液 控 制 系 统原 理 图 液压支架控制器 向各个电磁 先导 阀发 出电信号 ， 先导阀得到这个信号后动作， 从而驱动主阀动作。系统 中装有三种传感器 倾角传感器 、 压力传感器 、 位移传 感器 反馈支架工作状态， 控制器接收到反馈信息后经 过数据处理 ， 从而对支架下一步的动作做出指示。 3 国内发展 现状 我国 自 2 0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 年北京煤机厂研制出第一套 B MJ I 型支架电液控制系统。1 9 9 1年 5月郑州煤机厂研制 出 D Y Z K 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月开发出 D Y Z K 一1 1 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。 煤炭科学总院太原分院研制的 Y L T型支架电液控 制系统 ， 于 1 9 9 6年在大同矿务局马脊梁矿进行了国内 第一个全套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 l 6 架试验 ， 现已撤出。 2 0 0 8年 3月郑煤机在先后攻克电控主阀、 辅 阀、 电 控系统 防爆及可靠性等多项技术难题后 ，正式启动电 液控制 系统样机型式试验 。其 自主研发制造的电液控 制系统关键元部件陆续通过国家试验检测中心检测试 验 ， 获得相关安标证书。 天地玛珂公司的 P M3 1型液压支架 电液控制系统 ， 是在引进德国 MA R C O公司的成熟技术的基础上 ． 结合 我国煤矿的技术条件进行 了改进提高 ，现该电液控制 系统的市场 占有率已达 8 0 ％以上 。 l O 4 国外发展现状 2 0世纪 7 0年代 中期 ， 英国煤炭局于首先提出研制 电子控制液压支架。 1 9 8 1年澳大利亚最先将电子控制的液压支架用于 科里曼尔煤矿长壁综采工作面。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。 1 9 8 3 年 3 月 英 国 原 伽 立 克 公 司 研 制 出 “ E L E C T R O F L E X” 电液控制系统投入试验 。 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， 该系统实现了全工作面集中控制。 德 国 2 0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 P a n e r ma 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 MA R C O公司合作研 制出 P M2电液控制系统 ， 1 9 9 0年又研制出更为先进的 P M3支架电液控制系先导阀是实现控制 的关键部件 ， 目前各公司的液压支架 电液控制系统 中的统 ，技术上 已相当可靠， 在全世界广泛推广应用。2 0世纪 9 0年代 后期威斯特伐利亚公司甩掉 MA R C O，自行改进推 出 P M 4系统 ， 而 MA R C O公司改进推 出P M3 1系统。 当前 国际上 主流 的液压支架电液控制器 主要有 德 国玛珂公 司的 P M3 1和 P M3 2型控制器 ，德国 D B T 公司的 P M4型控制器和美国的 J O Y公司的 R S 2 0型 3 种控制器 ， 这 3种控制器 占总数的 9 0 ％以上 ， 此外还有 德 国 的 E E P公 司的 P R1 1 6型控 制器 和 蒂芬 巴赫 的 A S G 5型控制器等。 5 电液控制系统的关键技术 1 电液阀的电液匹配问题。 电液控制阀中的电磁先导阀的使用可以利用较小 的电压和电流将 电液主阀打开 ，如果不使用电磁先导 阀仅使用 电磁铁 ，则整个电液控制系统就不能满足本 安要求 ， 无法实现井下的应用 ， 因为电液阀的主阀的开 启需要很大的力 ，电磁铁要产生这么大的力就需要很 大的电流 ， 不能满足 1 0 0 m A的本安电流要求。 电磁力推 动先导阀的阀芯 ， 从而对主阀的开启和关闭进行控制 ， 但是 ， 当电磁铁衔铁行程 比较长时 ， 电磁力及其磁力的 稳定性就无法保证。 2 压力损失问题。 系统 的动态性 能不仅受 到电液阀动 态性 能的影 下转第 3 3页 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l O ． 2 ． 2 0 1 2 4 结论 本文对镶装式硬质合金密封环在镶装和密封压力 条件下的变形规律进行了试验研究和数值研究 。研究 结果表明 1 镶装结构使密封环组件产生 了较大的力变形 ， 过盈量越大 ， 力变形越大。 2 密封压力使密封环端面产生了向内径收敛的 负锥度变形 ， 但变形很小 ； 随着密封压力的增 大 ， 变形 量呈线性增加 。 3 镶装过盈量 的大小对密封端 面密封压力变形 的影响较小。 4 秦 山一期核主泵三级流体 动压式机械密封静 环所采用的镶装式硬质合金环结构形式 ，能有效控制 硬质合金环密封端面的压力变形 ．提高机械密封的可 靠性。 本文的研究结果可为核主泵机械密封 的国产化应 用提供有益的理论基础和设计参考。 参考文献 【 1 】 温庆丰 ， 刘莹 ， 黄伟 峰 ， 等． 机械密封端 面材料 WC N i 硬质合 一 一 - - - 十一 - - 上接第 1 0页 响 ， 同时也会受到油液压力损失的影响 ， 油液 的压力损 失主要体现在油液泄漏 、快速移架过程中油源压力跟 不上以及回油背压等方面．这些对实现液压系统 的快 速响应都有很大的影响。 3 非线性因素对系统动态性能的影响。 影 响液压支架 电液控制系统的非线性 因素包括 负载的惯性 、 摩擦死区、 顶板下压时阀芯开启压力不稳 定等因素 ，以上因素作为影响支架电液控制系统动态 性能的关键技术 ，是支架 电液控制系统的发展过程 中 急待解决的问题。 6 国内支架电液控制系统技术落后的原因 我国液压支架电液控制系统 中的各个控制元件的 可靠性达不到要求 ， 无法适应矿井下恶劣的工作环境 。 从而造成整个 电液控制系统的可靠性 达不到要求 ； 此 外 ， 国内的加工水平较 国外较低 。 电子工艺水平落后 ， 我国制造的控制电路板在矿井下的稳定性无法得到保 证 ， 会出现不动作甚至无动作的情况 ； 我国对液压支架 的电液控制系统 的研究 比较分散 ， 各大煤矿企业 、 研究 单位没有很好的合作 ， 导致资金分配不合理 。 从而造成 了许多的重复性研究工作 。 带来了许多资金浪费。 金 的研究进展『 J 】 ． 粉末冶金材料科学与工程 ， 2 0 1 1 1 ． 【 2 】 李婕 ， 蔡 纪宁， 张秋翔， 等 ． 镶装式 密封环过盈 量的研 究【 J 】 ． 润 滑与密封。 2 0 0 9 1 1 1 ． [ 3 】 李婕， 蔡纪宁 张秋翔， 等． 机械密封环过盈联接的有限元分析 【 J 1 ． 润滑与密封， 2 0 0 9 8 ． [ 4 】 顾永泉． 流体动密封[ M】 ． 东营 石油大学 出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 5 】 欧 阳予． 秦 山核 电工程【 M 】 ． 北京 原子能出版社 , 2 0 0 0 ． 【 6 】 韩 晨， 戴一帆， 关朝亮． 复杂曲面碳 化钨密封零件精 密磨削实 验研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 l 9 ． [ 7 】 王玉明， 刘伟， 刘莹． 非接 触式机械密封基础研 究现状与展望 [ J 1 ． 液压气动与密封， 2 0 1 1 2 ． 【 8 】 贺宝海． 高压 条件下密封环变形的控制[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 6 1 ． [ 9 】 李鲲， 姚 黎明， 吴兆山， 等． 机械密封环端面变形研究【 J 】 ． 润 滑与 密封 ． 2 0 0 1 5 ． 『 l O ] 蔡永 宁， 潘晓梅， 彭旭东． 激光加工多孔端 面机 械密封变形 的 数值分析『J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 7 2 ． 【 l 1 】 郝木 明， 李香， 李鲲， 等． 端面弧形浅槽 机械密封温 度场及变 形研究[ J 】 ． 流体机械 ， 2 0 1 0 4 ． [ 1 2 】 洪先 志， 董宗 玉， 顾永泉． 机械密封端面力变形 的解析计算[ J ] ． 化工设计 ． 2 0 0 2 2 ． - - 一 十- - - 7 建议 经过近3 0多年的发展和努力。我国液压支架 电液 控制技术与国际先进水平相 比差距不断缩小 。作为一 项国民经济重大高新技术发展项 目，需要各大煤矿企 业和矿山机械研发单位通力合作 ， 集中各方面的优势 ， 集体攻坚 ，以提高我国对液压支架电液控制的技术水 平以及对核心技术的掌握能力 。 参 考 文 献 [ 1 】 伍小杰， 于月森， 彭利明， 徐亚军， 吴迪． 液压支架 电液控技术 的 现状及展望[ J ] ． 煤炭科 学技术 ， 2 0 0 9 1 ． 【 2 】 李炳涛． 国产高端 化液压支架的发展[ J 】 ． 煤矿机械， 2 0 0 8 9 ． 【 3 】 王 国法 ， 朱军 ， 张 良， 李首滨． 液压 支架电液控制 系统的分析 和展望[ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 0 9 2 ． [ 4 】 黄 自强， 何青则， 何振华． 液压支架的技术现状及发展趋势[ J 】 ． 山西机械 ． 2 0 0 0 4 ． 【 5 】 李首滨． 国产液压支架 电液控制系统技术现状【 J 1 ． 煤炭科学技 术 ， 2 0 1 0 1 ． 3 3