液压支架关键部件测试系统的研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 Keywordshydraulic；column；valve；detection；MCU；AMESim；LabVIEW ThesisApplication Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 论文研究背景及意义....................................................................................................1 1.2 论文国内外研究现状....................................................................................................3 1.2.1 液压系统与部件检测的研究现状...................................................................... 3 1.2.2 液压仿真技术研究与应用 ................................................................................ 4 1.2.3 自动检测系统研究现状......................................................................................6 1.3 论文主要研究内容........................................................................................................7 2 检测参数确定及测试系统总体方案.....................................................................................9 2.1 液压支架的组成与工作原理........................................................................................9 2.2 立柱性能检测..............................................................................................................10 2.3 支架用阀类元件性能检测..........................................................................................12 2.3.1 安全阀结构及主要检测参数............................................................................ 13 2.3.2 液控单向阀结构及主要检测参数.................................................................... 14 2.3.3 换向阀结构及主要检测参数............................................................................ 16 2.3.4 截止阀结构及主要检测参数............................................................................ 17 2.4 测试系统总体方案......................................................................................................19 2.5 本章小结......................................................................................................................19 3 试验台液压系统设计与仿真分析........................................................................................20 3.1 液压系统总体设计方案..............................................................................................20 3.1.1 试验台设计任务与目标.................................................................................... 20 3.1.2 立柱试验台液压系统组成与工作过程............................................................ 21 3.1.3 阀类试验台液压系统组成与工作过程............................................................ 22 3.2 液压系统关键元件选型与计算..................................................................................25 3.3 液压系统性能验算......................................................................................................29 3.4 立柱试验台液压系统仿真分析..................................................................................30 3.5 阀类试验台液压系统仿真分析..................................................................................34 3.5.1 先导式溢流阀公称流量启闭特性仿真分析.................................................... 34 3.5.2 截止阀压力流量特性仿真分析........................................................................ 36 3.5.3 液控单向阀正向开启压力特性仿真分析........................................................ 38 3.5.4 电液换向阀压力流量特性仿真分析................................................................ 40 3.6 本章小结......................................................................................................................41 4 检测系统硬件设计................................................................................................................43 万方数据 目录 Ⅱ 4.1 检测系统硬件总体设计方案......................................................................................43 4.2 传感器的选型和安装..................................................................................................43 4.2.1 传感器的选用原则............................................................................................ 43 4.2.2 传感器的选择和安装........................................................................................ 44 4.3 采集装置硬件设计......................................................................................................44 4.3.1 硬件设计原则.................................................................................................... 45 4.3.2 采集装置主控芯片选则.................................................................................... 45 4.3.3 电源选择与 5V 转换电路设计..........................................................................47 4.3.4 信号调理电路的设计........................................................................................ 48 4.3.5 采集通道电路设计............................................................................................ 49 4.3.6 串行通信电路设计............................................................................................ 50 4.3.7 其他辅助电路设计............................................................................................ 50 4.4 硬件抗干扰措施..........................................................................................................51 4.5 本章小结......................................................................................................................52 5 检测系统软件设计................................................................................................................53 5.1 检测系统软件总体设计方案......................................................................................53 5.2 下位机软件设计..........................................................................................................53 5.2.1 主程序设计........................................................................................................ 54 5.2.2 信号采集与处理子程序设计............................................................................ 54 5.2.3 串口通信程序设计............................................................................................ 55 5.3 上位机软件设计..........................................................................................................55 5.3.1 系统软件项目管理............................................................................................ 57 5.3.2 系统登录和检测软件主界面............................................................................ 58 5.3.3 基本参数设置与上下位机通信........................................................................ 59 5.3.4 检测项目程序.................................................................................................... 60 5.3.5 数据管理程序.................................................................................................... 62 5.4 本章小结......................................................................................................................63 6 检测系统性能分析与功能实验验证....................................................................................64 6.1 检测系统静态特性分析..............................................................................................64 6.1.1 静态特性实验设备及方法................................................................................ 64 6.1.2 静态特性实验.................................................................................................... 65 6.2 检测系统功能验证实验..............................................................................................69 6.2.1 实验设备............................................................................................................ 69 6.2.2 实验验证............................................................................................................ 72 万方数据 目录 III 6.3 本章小结......................................................................................................................73 7 结论与展望............................................................................................................................74 7.1 结论..............................................................................................................................74 7.2 展望..............................................................................................................................74 致 谢.........................................................................................................................................76 参考文献...................................................................................................................................77 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 液压支架是综合化机械采煤的关键设备，与采煤机、工作面刮板输送机配套使用， 解决了机械化采煤工作面顶板管理落后于采煤工作的矛盾， 提高了采煤和运输设备的效 能，减轻了煤矿工人的劳动强度，改善了安全生产条件[1]。液压支架的可靠性对综采工 作面的安全影响很大。立柱和阀类元件是液压支架的关键执行元件，立柱性能和相关阀 类性能的好坏关系到液压支架的支撑稳定性和安全可靠性。 因此保证立柱和阀类元件性 能可靠是非常重要的。 1.1 论文研究背景及意义 我国是世界上以煤炭为主的消费大国，据不完全统计，2016 年原煤产量 34.1 亿吨， 2017 年原煤产量 35.2 吨，预计到 2018 年，我国原煤产量将达到 40 亿吨，2020 年产量 将突破 45 亿吨。随着我国经济和现代工业的蓬勃发展，煤炭作为国民经济建设的主要 能源具有重要的战略地位，同时安全与生产的矛盾则更加尖锐[2]；综采设备自动化程度 的不断提升为原煤产量的稳固增长提供了有力保障， 而液压支架重量约占综采设备总量 的 8090，费用占比约为 6090，且近些年随着优质浅埋煤层的开采趋于尾声， 国家对中小煤矿进行大规模资源整合，煤矿开采步入深度化、规模化和复杂化阶段，开 采难度也随之增大，液压支架将不断朝着高压力、高负荷、大流量方向发展，因而对液 压支架的可靠性和安全性、以及相关元件的技术指标提出了更高的要求，其支护安全性 和可靠性直接影响综合机械化采煤的成败[3]。 立柱和相关阀类元件是液压支架的重要组成部分，也是液压支架的关键执行元件。 在液压支架立柱回路中， 通过立柱和阀类元件的相关动作完成液压支架的降架升架和移 架等主要动作。由于液压支架长期处于恶劣的工况、高强度载荷，其所用立柱和相关阀 类元件会出现机械变形、疲劳磨损、密封失效和液压冲击等故障[4]。因此当立柱和阀类 元件的性能不达标会直接或间接导致液压支架事故的发生， 从而影响煤矿的正常生产和 工作人员的生命安全。液压支架故障最显著的特征就是顶板事故的发生。顶板事故是指 在综合机械化采煤中，因顶板冒落而导致人员伤亡、综采设备损坏、生产停止等事故[5]。 根据国家安全生产监督管理总局网等网站公布的煤矿灾害事故案例， 据统计 20052014 年间我国所有煤矿的灾害事故中，虽然顶板事故造成的伤亡人数远不如瓦斯类、水灾等 事故，但顶板事故发生次数最为频繁，总计 991 起占事故总数的 39.80[6]。 为保证支架工作的安全性和可靠性，避免发生重大事故，支架生产企业和煤矿企业 在支架生产和检修过程中都需要定期对液压支架进行检测， 立柱和阀类元件是检测的重 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 点和关键。 通过对支架生产企业和煤矿维修企业调研中发现很多企业目前采用的立柱性 能检测试验台和阀类元件试验台还比较落后，实验过程由实验人员操作、控制，无法监 督随意性大；保压时间无法保证，实验数据手工抄录，试验报表不规范、可信度差，实 验数据不便于管理；试验所用仪表多为机械仪表，由于测量范围大，测量分辨率低；只 能完成国家标准 MT419-1995液压支架用阀和立柱中规定的个别项目，不能完成标 准 GB25974.2-2010煤矿用液压支架第 2 部分立柱和千斤顶技术条件 、 GB25974.3-2010煤矿用液压支架第 3 部分液压控制系统及阀中规定的部分试验， 且大多数试验台承载压力低、流量小，自动化程度还不够高，检测精度和效率还有待提 高等。图 1.1 和 1.2 分别为目前一些支架生产企业和维修企业常见的立柱试验台和阀类 元件试验台。针对目前存在的问题，为保证支架安全，综采工作面高效生产，研究立柱 和阀类试验台液压系统与检测系统是很有必要的。 图 1.1 支架立柱试验台控制系统图 1.2 支架用阀类试验台 目前对立柱和阀类元件性能检测分为出厂检验、型式检验以及维修后的检验。对于 大型企业而言其检测系统比较完善且有专业的检测人员和维修人员， 但对于大部分中小 煤矿和一些中小型煤矿设备生产企业以及立柱和阀类元件元件维修企业而言， 使用专用 的检测装备比如整架试验台，其采购成本和维护费用往往比较昂贵，对其发展和运营是 一种无形的负担，而其现有的检测装备或多或少存在一些问题，相关性能的检测手段、 方法相对落后，还不太完善，大多数试验台只针对某一具体的元件或几类液压元件进行 性能测试。 此外由于立柱和阀类元件结构和检测方法的特殊性再加之矿井工作环境的恶 略性，对其相关工作状态实时监测十分困难。 现代测试技术、计算机技术、智能传感器和虚拟仪器技术的不断发展，给现代检测 系统带来新的发展方向和活力[7]。特别是以计算机为核心的现代检测系统，充分发挥了 计算机对数学运算与信号处理的强大功能，可以最大限度的获取信息，为液压支架检测 系统的研究提供了有利的条件。基于单片机技术、虚拟仪器技术和现代检测技术的检测 系统，充分发挥计算机的强大功能，使用计算机完成调节工况、信号采集、记录数据以 及试验数据后处理等工作，这是传统检测系统不能实现的。 万方数据 1 绪论 3 针对上述问题，本文研究分析了立柱和阀类元件的工作原理和检测方法，设计立柱 和阀类元件试验台液压系统和检测系统，对提高立柱和阀类元件的检测范围、检测效率 具有重要意义，为中小型煤矿企业、煤矿设备生产企业以及维修企业降低了检测成本， 提供了便利手段，也为煤矿井下安全开采提供技术保障，为其他产品试验台的设计开发 提供参考依据，具有重要的现实意义。 1.2 论文国内外研究现状 1.2.1 液压系统与部件检测的研究现状 由于液压技术与液压系统有许多突出的优点，从民用到国防，从农业机械到工程机 械，由一般系统到精度很高的系统，都得到了广泛的应用，且不断地发挥着重要作用。 液压技术是推动国民经济快速、高效、科学发展的一项必不可少的重要技术，也是实现 生产自动化、提高生产效率的重要手段[8]。液压系统的检测主要是对动力元件、执行元 件和控制元件的检测。现代检测技术在液压系统中有着广泛的应用，并且随着随着液压 系统的复杂化和对液压检测精度要求的提高， 对液压系统与关键部件的检测要求越来越 严格。 在国外，由于微机和电子技术发展较早、较快，水平较高，对液压系统与部件的检 测系统研究比较全面和成熟。 欧美等一些先进煤矿生产大国十分重视综采工作面液压设 备与部件检测系统的研究和与应用。如 Eickhoff 集团设计研发的检测系统可以完成对采 煤机截割部、牵引部以及液压系统和各检测点温度、电流、压力及流量等主要参数的检 测和显示[9]； 美国人 Steele,J.P.H 借助非线性耦合及神经网络方法， 检测并分析了柱塞泵 所涉及的性能参数包括温度、压力、流量等，完成了对于柱塞泵水压中存在的气穴检测 [10]；A.F.C.Kanters 和 M Visscher 首次通过检测液压缸的内泄漏量和往复摩擦力来研究 液压缸密封装置的性能，并设计出相应的液压缸往复密封试验台[11]。Jianmin Zeng 研发 的液压缸加速寿命试验台，在以某具体油液温度下，通过改变运行速度作为加速应力， 对液压缸进行加速寿命试验，通过对试验数据的分析，可以判断液压缸加速寿命，为液 压缸的相关性能评价提出了参考依据[12]。 我国的液压检测技术经历了从机械仪表测试，人工记录数据，到与计算机相结合的 过程。经过我国科研人员不断努力，国内有多家院校和研究机构进行了液压系统与部件 检测的研究，并取得了一定的成绩，有许多研究成果已经得到的应用。如煤科院太原分 院设计开发的的 LPC 流量压力检测系统，用于对液压系统温度、油压、流量转速等参 数的检测，并可以实现对采煤机液压系统等故障诊断分析[13]；西安科技大学李曼等人设 计研发的基于 LabVIEW 的乳化液泵性能检测系统，完成了对乳化液泵相关参数的检测 和存储[14]； 煤科院北京研究所朱军等人通过将超声传感器安装在立柱液压缸端盖外表面 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 用于检测液压支架立柱位移[15]；燕山大学的杨超对液压泵、马达性能检测部分采用 NI 成套虚拟仪器系统进行二次开发，选用 LabVIEW 为开发平台编写的上位机软件，替代 了各类仪器仪表，实现了测试系统的智能化和虚拟化，可以满足多个检测参数的同时检 测[16]；太原理工大学的薛志勇基于微机控制技术、液压传动理论，以 VC6.0 为开发 平台完成了，包含传感器、信号调理电路、数据采集卡等设计的液压支架动态特性检测 系统，可以对支架动态压力、流量等数据的采集并反馈到计算机进行处理，便可得到支 架不同工况对应的的流量压力变化情况[17]；燕山大学的金光俊基于 LabVIEW8.20 编程 软件研制了一套由计算机辅助测试系统集中控制的液压综合试验台， 该测试平台可以完 成液压泵、液压马达、液压缸和液压阀进行测试，并具有采集数据、处理数据，得出检 测报告等功能[18]； 煤炭科学研究总院检测研究分院的孙红波等人研制出一种新型测试大 流量安全阀（尤其是 250L/min 以上）动态性能的试验装置，可以对大流量安全阀进行 动态特性实验分析，可以生成安全阀的流量、压力时间特性曲线[19]。太原理工大学的樊 瑞龙应用模块化设计思想设计了支架电液换向阀试验台的液压系统， 对试验台测控系统 的硬件做了详细设计， 并以 LabVIEW 为开发平台完成了虚拟仪器测控系统软件的开发， 该试验台测控系统可以对电液换向阀进行特性试验和输出检测结果[20]； 广东工业大学的 张志勇针对多路阀试验中所存在的问题，设计研发了多路阀试验台系统，该试验台由液 压系统、试验台硬件结构和测控系统组成，可以完成多路阀试验，为多路阀试验台的研 制提供了参考思路和一定的理论指导[21]； 南京理工大学的刘洪春对液压缸侧向力试验装 置进行了设计和研发，并完成了液压缸综合试验台样机的加工、装配和搭建，对完善液 压缸试验装置具有重要意义[22]。 1.2.2 液压仿真技术研究与应用 随着机电液一体化设备的蓬勃发展，液压装置在现代装备中的应用越来越广泛，液 压装置在现代机械设备中所占造价比重通常可以达到 2030，在某些特定领域甚至 超过 50[23]。因而对液压系统设计和分析的过程中，运用计算机仿真技术的价值和意义 是不言而喻的，其已成为设计人员在使用仿真软件中必不可少的技术手段。通过使用计 算机仿真软件可以有效缩短液压系统或液压元件的设计时间， 避免重复试验和加工带来 的经济损失，缩短产品研发周期，可以提前预测所涉及系统的整体性能，进而可以优化 系统，提高系统的稳定性。 液压仿真技术从诞生到现在已经历了 40 多年的发展， 在我国也有 30 多年的发展历 程。随着计算机应用技术、算法与控制理论以及可靠性理论等相关学科的快速发展，液 压仿真软件越来越成熟，已成为设计人员必不可少的工具。目前最为常用的液压系统仿 真软件 DSHplus、20-sim、MATLAB/Simulink 和 AMEsim。 AMEsim 是法国 IMAGIN 公司开发的一款功能很强大的系统仿真软件， 通过图形化 万方数据 1 绪论 5 开发环境建模，可以对机械、液压、气动、电气等领域仿真，用于解决实际问题中所涉 及系统工程的建模、 仿真和动态性能分析。 在运用 AMEsim 进行相关领域的工程仿真时， 使用者只需要拖动相应库中的图标，加以简单的连线，再赋予特定的参数，就可以迅速 完成仿真模型的搭建，对于模型库中没有现成的元件模型，用户可根据自己的需要从 HCD 元件库和机械库中选择元件搭建相应的物理模型， 便于对系统进行优化设计[24][25]。 意大利学者 M. Antonelli、 A. Baccioli 等人运用 AMESim 搭建了 ORC 装置瞬态模型， 通过仿真得出了 ORC 装置最佳的工作条件[26]；顾海荣、肖崇宇等人基于 AMESim 建立 液压铣床仿真模型，研究了液压系统溢流压力不同时铣床的切削特性。结果表明，当最 大输出转矩设置在一个较低的水平上时， 发动机效应铣刨鼓的切割速度稳定性显著地受 到溢流压力设置的限制，铣刨油缸的切削转速会发生波动，交变负载和理想的溢流压力 设定应确保溢流阀不会溢出所有正常工作状态，提高了液压铣床的切割速度稳定性[27]； 天地科技股份有限公司的刘峰基于 AMESim 仿真对短壁采煤机液压系统进行建模。调 整单向节流阀的开口大小参数， 通过仿真分析得到了摇臂下降时不抖动的单向节流阀开 口调定参数，为短壁采煤机液压系统中单向节流阀的优化和设计提供了参考依据[28]；中 国矿业大学的畅军亮利用 ADAMS 系统动力学分析软件和 AMESim 仿真软件，采用联 合仿真方式建立了高压大流量安全阀的质量弹簧系统仿真模型， 通过改变安全阀阀芯弹 簧刚度， 有效提高了安全阀的动态性能， 为高压大流量安全阀的优化提供了参考依据[29]。 兰州理工大学的张远深、 马忠孝等人通过 AMESim 软件建立了 DBE-30 型电磁溢流阀的 仿真模型，通过仿真研究，得到了动态阻尼孔直径对其动态性能影响较大[30]；西安科技 大学的李曼、曲江民运用 AMESim 中的 HCD 库搭建了电液换向阀性能试验仿真平台， 通过分析仿真结果，得出了不同工作压力、油液温度和阀芯与阀体间隙直径下对电液换 向阀内泄漏量有影响，为确定液压支架合理的工作压力、油液温度和电液换向阀的选型 提供了参考依据[31]；太原理工大学的贺志凯的应用 AMESim 软件建立了立柱液控单向 阀的卸载冲击仿真模型,通过改变液控口阻尼孔直径、阀芯锥角、立柱直径、负载大小以 及供液管路直径等参数大小，通过仿真分析得出了上述参数对立柱卸载冲击影响明显， 为液压支架相关零部件设计、制造与选型提供了参考依据，其建模及仿真方法也为其他 同类型的液压系统动态特性仿真分析提供了参考依据[32]。 随着对液压系统的建模、算法的深入研究和仿真模型库的不断完善，仿真系统的精 度和可靠性进一步提高，系统工作能更真实的反应实际情况。未来随着对多媒体技术地 不断吸收， 如果结合到仿真系统的实时动作和结果分析中可以更加生动直观地表示液压 传动的内容，使用者可以更好的理解液压系统。液压仿真技术在液压系统的搭建和仿真 中会扮演更加重要的角色。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 1.2.3 自动检测系统研究现状 自动检测系统的发展经历了三个阶段。 第一阶段为了满足某种测试目的而专门设计 制造的专用系统，因而柔性差。以标准化接口系统诞生和使用为标志，出现了以积木概 念为特点的第二代检测系统。与第三代检测系统相比，前两代检测系统都使用传统的检 测设备，计算机仅做一些数据的整理和计算，整个检测过程只是简单的模仿人工检测， 未能充分发挥计算机作为中央控制器的作用。 计算机技术和微电子技术的迅速发展和普 及很大程度上促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术。第三代自动检测系统中，以计算 机为核心，将虚拟仪器技术和检测系统有效的结合起来，检测系统硬件的诸多功能已经 逐渐被测试软件所代替。先进的检测系统不仅需要满足复杂多变的不同测试的需求，而 且应有广泛的兼容性与完备的功能扩展性，其中检测仪器的可互换性、检测系统的可重 配置以及测试程序的可移植性等，使得仪器的结构概念和设计观点等都发生了重大变 化。以软件为核心的柔性重构技术在检测系统中起到越来越重要的作用。随着现代科学 技术的发展， 检测指标、 检测项目以及检测范围的增加， 对检测仪器和检测系统的精度、 灵敏度和速度等方面均提出了更高的要求[33]。因此，现实的需求使得检测系统逐渐朝着 智能化、自动化、网络化和虚拟化方向发展。 虚拟仪器概念首次由美国 NI 公司提出，通过近 30 多年发展，已形成了诸多基于总 线的测试仪器。 虚拟仪器充分发挥了计算机强大的软件功能， 通过与所需硬件有机结合， 从而完成对被测量的采集、分析、判断、显示以及数据储存[34]。虚拟仪器由硬件平台和 应用软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主要由计算机、I/O 接口设备组成，计算机一般 为 PC 机或工作站，是硬件平台的重要组成部分。虚拟仪器的软件由应用程序和 I/O 接 口仪器驱动程序组成。 其中应用程序主要由实现虚拟仪器前面板程序和定义测试功能的 流程图软件程序组成，I/O 接口仪器驱动程序主要用于硬件设备驱动、通信等。虚拟仪 器目