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华中科技大学 硕士学位论文 煤矿液压支架用阀试验台测控系统的设计与实现 姓名何海洋 申请学位级别硕士 专业机械电子工程 指导教师贺小峰 20060427 I 摘摘 要要 液压支架用阀作为煤矿液压支架的关键控制元件， 其性能指标不断向高压大流量方 向发展，以达到煤矿综采高产高效的要求，而国内缺乏相应试验设备。因此，煤矿液压 支架用阀试验台的研制为液压支架用阀提供了必备的试验条件， 具有重要的工程应用价 值，必将为液压支架的发展作出贡献。 本文主要从以下几个方面对液压支架用阀试验台的测控系统进行了设计与实现 以试验标准和液压支架用阀工作原理为基础设计了试验台液压测试回路， 并建立了 测控系统硬件和软件体系结构。 以软起动方式设计了大功率电机拖动系统，以对液压泵站进行控制；完成计算机接 口电路的设计，包括 I/V 信号转换和电磁阀驱动电路；为了提高测试系统的稳定性、可 靠性和测试精度，本文具体分析了系统干扰来源，提出了相应的抗干扰措施，并设计了 硬件滤波电路和数字滤波算法模块。 按照模块化设计思想对测控系统软件进行了设计与实现。详细分析 ActiveDAQ 控 件编程技术；对实时数据采集技术进行了分析比较，并提出了应用 ActiveDAQ 控件进 行 Windows 环境下高精度实时数据采集的方案； 采用线性拟合和线性插值算法对测试数 据进行了后期处理，并提出了应用文件管理系统进行数据管理的适用方法。 最后，本文对软件系统进行了验证试验，证明测控系统软件满足要求。 关键词关键词测控系统 液压支架用阀 电机拖动系统 计算机接口电路 抗干扰 控件编程 数据处理 II Abstract As the key control components of coal mining shield support, valves for shield support are steadily developing to high pressure and mass flow to meet the high yield and efficiency requirements of comprehensive coal mining. However, there is a shortage of corresponding test equipments. Thersfore, the development of the test rig of valves for coal mining shield support will provide the necessary test conditions, and the research is of great value for engineering application and will contribute to the progress of shield support. The paper mainly focusses on the design and realization of the measurement and control system for the test rig of valves for shield support. Its main contents are as follows. According to the test criteria and operating principle of valves for shield support, a hydraulic test circuit is designed for valves for shield support, and structures of the software and hardware for the measurement and control system are devised In this paper, the following hardware is designed a drag system for high power electric motor to control hydraulic pump station, computer interface circuit including an I/V conversion circuit and a driving circuit for electromagnetic valves. To enhance the stability, reliability and testing precision of the testing system, the origins of disturbance is analyzed, and the relevant anti-disturbance measurements are presented. In accordance with modular programming s, software for the test and control system is designed and realized. The paper fully analyses the ActivDAQ control programming technology, and applies it for high accuracy real-time data acquisition in Windows environment based on analyzing and comparing real-time data acquisition technology. The paper adopts linear fitting and linear interpolation technology for data processing, and put forward a of data management by file management system. Finally, the paper tests the software of the measurement and control system, and verifies that the software can meet the requirements. Key Words measurement and control system valves for shield support drag system for electric motor computer interface circuit anti-disturbance ActiveDAQ control programming data processing 独创性声明独创性声明 本人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取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学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。 保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景、目的和意义课题背景、目的和意义 随着综采设备的普及，煤矿工作面所用设备、元器件的技术指标不断向高压力、大 流量方向发展， 以达到高产高效的要求。 液压支架作为煤矿工作面所用的关键设备之一， 控制其工作的液压支架用阀也不断向高压力、大流量方向发展，而相关标准中针对高压 力、大流量的检测要求也更加严格，因此，相应的检测试验手段需不断提高。在此形势 下，郑州煤矿机械有限责任公司原有的检测设备已不能满足要求，因此委托华中科技大 学机械学院对其原有的液压支架用阀试验台进行重新设计，以满足其生产要求，本课题 来源于此。 郑州煤矿机械有限责任公司原有的试验台试验承载压力低、流量小，只能通过增压 缸增压完成简单的密封和强度试验等出厂试验项目，采用的测试手段比较原始，需要试 验人员手动调节实验压力和流量，人工读取仪表显示的试验数据，采用古老的绘图仪绘 制实验曲线，人工参与过多，试验过程繁琐，试验人员劳动强度大，测试效率和测量精 度低。对于其开发的大流量、高压力液压支架用阀，则只能送往国家煤矿支护质量检测 监督中心检验，该中心只能对压力不超过 32MPa、流量小于 300 L/min 的阀进行型式试 验，显然也难以满足高压大流量液压支架用阀的型式试验要求 本课题旨在严格依据煤炭工业部的测试标准，研制压力和流量分别为 56MPa 和 560L/min 的液压支架用阀性能检测设备， 完成型式试验和出厂试验， 得到各项性能指标。 同时试验台要具有前瞻性， 虽然郑州煤矿机械有限责任公司生产的液压支架用阀压力和 流量均没有达到 56MPa 和 560L/min， 但试验设备提供的压力和流量应满足此要求， 以适 应以后生产开发的需要。 此检测设备属于超高压大流量范畴，相关技术资料很少，经研究分析，本课题研究 的检测设备采用 CATComputer Aided Testing 计算机辅助测试试验台的形式，在满足 高压大流量的基础上实现测控系统的自动化。 本文负责完成试验台测控系统的设计与实现，它集计算机、自动控制、测试、数字 信号处理和可靠性等诸多技术为一体，由计算机对各实验参数，如压力、流量等进行数 据采集、量化和处理并输出测试结果 [1]。它具有以下显著优点 1 计算机具有快速的数据采集、运算处理和存储功能，保证测试的实时性。 2 系统硬件全部由集成电路组成，并采取多种抗干扰及保护措施，保证了测试的 2 稳定性和可靠性。 3 采用软件编程，可对测试数据进行误差消除，从而获得较高的测试精度。 4 整个系统在软件的支持下，可完成传感器校准、数据采集与处理、特性曲线的 绘制、打印输出和数据存盘等，因而减少了测试人员的工作量，降低劳动强度。 5 系统总体构成由通用的接口连接，软件由各模块组成，所以软硬件方面都具有 很大的柔性，特别适用于小批量，多品种产品的测试。 液压支架用阀 CAT 测控系统的开发和应用，意义体现在 1 克服了传统人工测试方法效率低、精度低的不足，提高测试的自动化和智能化 程度； 2 为液压支架用阀的设计提供可靠的试验数据和相关技术资料； 3 有利于提高转向系统液压元件的产品质量； 4 加速液压产品更新换代的速度。 总之，此测控系统充分发挥了计算机的优势，提高液压支架用阀的测试效率，增加 试验结果的准确度，为我国煤矿液压支架用阀的研发、生产提供了必要的试验条件，因 而有重要的现实意义。 1.2 CAT 的研究与发展概况的研究与发展概况 1.2.1 概述概述 测试一般泛指生产和科学实验中经常进行的满足一定准确度要求的试验性测量过 程，它的基本任务是获取有用的信息 [2]。完整的测试系统一般由以下四大功能块组成 试验的执行、信号的采集和控制、信号的分析与处理以及结果的表达与输出 [3] 。 测试技术已在农业生产、科学研究、国内外贸易、国防建设、交通运输、医疗卫生、 环境保护和人民生活等各个方面起着越来越重要的作用， 成为国民经济发展和社会进步 的一项必不可少的重要基础技术。因而，使用先进的测试技术也就成为经济高度发展和 科学技术现代化的重要标志之一。下面从测试技术的发展、数据采集技术、CAT 技术在 液压领域的应用及我国液压 CAT 的现状等几个方面简要介绍其研究与发展概况 [48] 。 1.2.3 测试技术的发展概况测试技术的发展概况 随着生产和科学技术的发展，测试技术大致经历了三个主要的发展阶段 （1）由人 用测试工具、测量仪器所完成的人工测试阶段。其优点是利用人的主观能动性，使测试 3 具有良好的灵活性和适应性；缺点是测试质量和效率不能得到保证。 （2）利用自动调节 装置或程序控制，由传感器将被测量转换为电量，并进行自动显示和记录的自动测试阶 段。其优点是提高了测试的准确性、可靠性和效率；缺点是装置中的硬件逻辑只能做简 单的运算，通用性较差。 （3）利用计算机及其外部设备取代人的动作、感觉功能和人的 部分思维功能的计算机辅助测试（CAT）阶段。其优点是用软资源提高了测试的准确性、 可靠性，系统总逻辑由软逻辑和硬逻辑组成，具有良好的柔性，特别使用于小批量，多 品种产品的测试；缺点是测试设备复杂、价格昂贵。 测试技术进入 CAT 阶段，大致经历了三代，其主要特征如下 [5] 1）第一代 CAT 系统以数据自动采集、自动分析为主要特征 优点是数据分析速度快，测试结果准确；缺点是系统都是由分立元件和中小规模集 成电路组成，其可靠性不高，适应性不强，且大多为专用系统，各仪器间、仪器与计算 机间接口复杂，适应性不强，改变测试内容一般需要重新设计电路，系统欠通用性和灵 活性。 2）第二代 CAT 系统主要以标准化接口总线为特征 在测试系统中，标准化接口把各有关设备和器件（计算机、程控器件、可控开关等） 连接起来， 如 60 年代后期出现了 CAMAC 标准接口系统， 70 年代初期出现了 GP－IB 通用 接口系统， 80 年代后期出现了 VXI 总线接口系统。 这大大增强了系统的通用性和灵活性， 使得更改和增加测试内容极为方便；其不足之处是没有充分发挥软件功能，整个系统和 它的工作过程基本上还是对人工测试的模拟。 3）第三代 CAT 系统以虚拟仪器为主要特征 虚拟仪器的大部分功能，如数据存储、谱分析、PID 调节、小波分析、非线性校正、 波形显示、绘图输出等，均由软件实现；硬件主要起到一个连接外界信号的媒介作用。 它可能对仪器构成和发展产生变革性的冲击和影响，但该类系统还处于开始发展阶段， 同时它还存在着工作频率不高等缺点。 目前，第三代 CAT 系统在国外已有产品进入市场，例如美国 HP 公司的 VEE（可视化 工程环境）和 NI 公司的 LabVIEW 开发系统，但国内应用最广的还是第二代 CAT 系统。 1.2.4 数据采集技术的新发展数据采集技术的新发展 数据采集模块主要完成测试系统信号的采集和控制， 数据采集的组成见图1.1所示。 4 图 1.1 使用数据采集卡的数据采集系统 电子技术的发展，使数据采集技术在硬件方面有了很大进步，下面针对信号调理、 DSP 技术、扫描列表和 FIFO 技术阐述数据采集技术的新发展 [9]。 1 信号调理 由于数据采集系统的应用范围越来越宽， 所涉及到的测量信号和信号源的类型越来 越多，系统对测量的要求也越来越高，因此一般的采集模板难以满足各方面的要求。 为了满足多种多样的测量情况，并可按实际需要进行灵活方便地组合，在现代数据 采集中出现了功能单一、形式多种多样的信号调理系列产品，它的主要作用是将来自传 感器的信号进行放大、线性化、滤波、同步采样保持、隔离，并为传感器提供必要的激 励信号和多种快捷的连接方法。 其好处是用户在组成自己的系统时， 只要按需要选取 1～ 2 种信号调理产品，就可组成自己所希望的系统，系统需要改变时，只需改变信号调理 模块和传感器即可。 2 DSPDigital Singnal Processor技术 DSP 是专为数据采集而设计的专用 CPU，在数据处理方面比主机 CPU 更快，一般安 装在 A/D 输入卡中，它将模数转换后的数据信号进行数据处理，处理后的数据再送往微 机进行记录、显示。 一般无 DSP 的采集卡，采集过程中主机的 CPU 要完成数据采集、数据转换、数据显 示、存盘等工作，采集方式大部分都采用中断方式，这样采样速率很难达到 500KHz 以 上；加上 DSP 后，数据采集及中断响应等工作都由 DSP 来完成，采集后的数据经 DSP 处 理，另外还采用扫描列表及 FIFO 技术，处理后的数据以数据块的形式再送往主机，主 机的工作仅做存盘或显示，因此采集速率大为提高。 3 扫描列表 扫描列表实际是板上的一段内存空间， 在此内存中按扫描顺序放入所需工作的通道 号、增益、输入输出的极性等参数，其作用有二其一，在采集板卡内加上扫描列表后， 扫描参数都在板上，扫描按扫描列表值进行控制，无需主机 CPU 进行干预，从而减轻了 主机 CPU 的工作量，提高了采集速率；其二，扫描的顺序由扫描列表确定，要改变扫描 顺序或不同通道的扫描速率，只需改变扫描列表即可。 4 FIFO 技术 5 在数据采集工作中，板卡将已经调理的信号进行 A/D 转换成数字信号，这些数字信 号在主机 CPU 的控制下，由板卡传送至主机内存，然后由主 CPU 进行分析、处理、存盘。 数据由板卡传送到主板的速率将直接影响到采集速度，严重时甚至会丢失数据，为此在 采集系统内往往采用 DMA 方式，使数据传输率大为提高，采集的速率也提高一大步，但 是当采集速率再提高时，容易产生丢失数据现象，特别是在 Windows 环境下，DMA 方式 对编程非常不利。为此采用了 FIFO 技术，所谓 FIFO 即在采集板卡上设一先进先出寄存 器,所采集的数据暂时存放在 FIFO 中，FIFO 与主机内存统一编址，当数据存到 FIFO 空 间的 1/2 时，向 CPU 发出中断请求，CPU 响应后，以内存 I/O 方式将数据传送至其他内 存中。使用了 FIFO 后有两个突出的优点1有利于 Windows 环境下编程；2由于申 请中断时 FIFO 仍有 1/2 空间可继续存放采集的数据， CPU 有一段缓冲时间， 这样保证了 所采集的数据在传输时不会因 CPU 忙，未及时响应而造成数据丢失，提高了数据采集系 统的可靠性。 1.2.4 CAT 技术在液压领域的应用概况技术在液压领域的应用概况 20世纪70年代末至80年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术和集成传感器技术 为电子技术和液压技术的结合奠定了基础，产生了液压 CAT 技术，它大大地提高了测试 的灵活性和精度等级，使得以往难以实现的动态性能测试也变成了可能。CAT 技术在液 压领域中的应用主要包括以下几个方面 ]10[ 1 CAT 在液压产品质量控制方面的应用 现在很多液压元件生产厂家，都配备有相应的计算机辅助性能测试系统。因为现代 科技要求产品不仅有高的静态性能，而且还要有较良好的动态性能。传统的测试方法不 仅效率低下，而且测试精度不高，只有配备高精度的数据采集和高速的数据传输测试系 统，才能对液压产品进行更精确可靠的动态特性试验。 CAT 技术在液压产品质量控制方面的应用，有昆山液压元件厂应用的新国际 B 级精 度液压阀试验台 CAT 系统等。本试验台也属于此范畴。 2 CAT 技术在系统辨识中的应用 在液压系统中，一些实际的软参量（如摩擦系数、流量系数、阻尼系数等）很难确 定，从理论上难以推导元件或系统的动态数学模型，只有先通过计算机辅助测试得到试 验数据，再经过系统辨识方法才能确定上述软参量以及系统的数学模型。 在进行系统辨识时， 为系统引入幅值极小的输入信号， 让其在不影响系统正常运行 的前提下，产生一定的输出响应量，这种响应输出也是很微弱的，往往淹没在噪声中， 只有采用高精度的 A/D 转换和信号放大等装置以及相应处理方法的计算机测试系统， 才 6 能在噪声中提取出预想的信号，从而较准确地确定其数学模型。 CAT 技术在系统辨识中的应用，有西北工业大学研制的电液伺服在线识别系统 ]11[ 。 3 CAT 技术在液压控制系统中的应用 在计算机控制的液压系统中， 计算机是控制系统中的一个环节， 它可起到数字控制 器的作用。在此类控制系统中，计算机通过传感器检测被控对象输出的反馈量，然后与 设定量进行比较，得到偏差量，计算机再根据一定的控制规律和控制算法由偏差量算得 控制量，并输出给被控对象，完成对被控对象的控制 ]12[ 。 CAT 技术在液压控制系统中的应用， 有北京机械工业自动化研究所的液压泵和液压 马达实验台计算机辅助测试系统； 我校研制的电液伺服阀 CAT 系统以及重型越野车油气 弹簧 CAT 系统等。 4 CAT 技术在液压系统状态监控与故障诊断中的应用 大型的液压设备与系统要求集成监控和诊断功能。监控意指确定状态和检测故障， 诊断则意指隐含分析和定位故障， 主要目的都是用以提高设备与系统运行过程的可靠性 和安全性，提高产品质量，减少维护费用和生产费用。 监控任务主要由三部分组成 ]13[ 信号拾取、信号处理和监控决策，这些都要借助计 算机系统才能实现。 计算机辅助监控和诊断系统使用计算机对输入过程通道选定的观测 点进行数据采集，并选用一定的方法进行分析和处理，从而得到系统运行的相关信息， 为系统维护人员提供参考。 CAT 技术在故障诊断中的应用，有广东机床研究所液压泵性能和噪声计算机实时监 测系统；北京理工大学研制的电液伺服阀故障诊断专家系统；北京航空航天大学研制的 电液伺服阀实时故障诊断系统等。 1.2.4 我国液压我国液压 CAT 技术的现状技术的现状 国内液压计算机辅助测试起步较晚，液压试验技术的开发及试验台的建设从 60 年 代开始，其典型代表是 609 研究所开发的 SF01 型伺服阀试验台及北京起重机厂建造的 油泵油马达实验台。 经过 40 多年的发展，液压试验技术已取得很大进步，首先表现在液压 CAT 技术的 引入。 1985 年， 北京机床研究所等单位应用单板计算机对电液伺服阀进行了静态特性测 试； 尔后， 上海交通大学与昆山液压件厂合作于 1987 年为武汉钢铁公司开发出采用 MOR －Z80B 八位计算机为主机的 CAT 液压阀试验台；在 1989 年上海 704 研究所为武钢研制 了采用苹果机为主机的伺服阀试验台，但因技术缺陷至今尚未投产应用 ]14[ 。 液压试验技术发展的另一个标志是试验台按国家所规定的精度等级标准制造。自 7 从 1988 年国家颁布了 JB/JQ 试验标准后，国家液压元件检测中心就率先制造了符合 B 级精度要求的液压泵、液压阀、液压缸试验台，并配备较先进的 CAT 系统；此后，上海 船舶设备研究所（SMERI）研制出 B 级精度的液压元件 CAT 试验台；我校也研制出液压 泵和马达特性智能 CAT 系统，液压缸和电液伺服阀 CAT 系统；上海交通大学和昆山液压 元件厂共同研制出新国际 B 级精度液压阀实验台 CAT 系统； 中国矿业大学北京校区研制 出液压元件试验台 CAT 系统等等。这使得更多的液压元件制造公司或厂家，把 CAT 技术 大量地应用于新产品开发试验和产品的出厂试验中， 液压元件试验台 CAT 系统的研制在 国内出现了一片繁荣景象。正是在这样的大背景下，郑州煤矿机械有限责任公司提出了 研制采用CAT技术的液压支架用阀综合性能试验台的项目， 以满足其新元件开发的要求。 1.3 本文的主要研究内容本文的主要研究内容 本文主要介绍液压支架用阀综合性能试验台测控系统的研究和相关软件的设计。 第一章主要介绍课题的来源、目的和意义，以及 CAT 的研究发展概况在液压技术 中的应用和国内对液压元件试验台 CAT 的研制进展情况， 同时介绍了数据采集技术的新 进展。 第二章主要介绍液压支架系统的工作原理和液压支架用阀在液压支架系统中的作 用，结合试验标准分析测试项目，确定试验参数，在此基础上设计出液压测试回路，并 对测控系统进行了总体设计。 第三章根据液压支架用阀测控系统总体设计情况， 分析其硬件系统的具体设计与实 现，包括关键元器件的选择、泵站电机拖动系统的设计、计算机接口电路的设计和系统 抗干扰设计，为软件设计提供可靠的基础。 第四章介绍了液压支架用阀试验台测控系统软件的具体设计与实现， 包括人机界面 设计和界面功能的实现，最后探讨了功能实现中用到的控件编程、实时数据采集、数据 处理以及数据管理等关键技术 第五章对测控系统软件进行初步调试和分析。 8 2 液压支架用阀试验台测控系统总体方案设计液压支架用阀试验台测控系统总体方案设计 2.1 概述概述 总体方案设计是液压支架用阀试验台测控系统设计的关键一环， 它的好坏直接影响 到整个测控系统的投资、 性能及实施方法的有效性， 它由液压支架用阀的实际工作环境、 作用以及试验标准共同决定。本章基于液压支架系统中液压支架的工作原理，分析了液 压支架用阀的工作环境和作用， 结合试验标准对液压支架用阀性能测试的要求确定了试 验台需要完成的测试功能和试验参数， 并最终确定液压支架用阀试验台测控系统总体方 案，为后续工作奠定基础。 2.2 液压支架工作原理和液压支架用阀的作用液压支架工作原理和液压支架用阀的作用 液压支架一般由顶梁、底座、立柱、推移装置、操纵装置和其他辅助装置等组成。 顶梁和底座通过数根立柱支撑，构成一个可动的刚性架体，支架就依靠立柱的升降来支 撑顶板，维护一定的工作空间。 液压支架在工作过程中，不仅要能够可靠地支撑顶板，而且能随着回采工作面的推 进向前移动。这就要求液压支架必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利 用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图 2-1 所示，工 作过程分析如下 ]1715[ 1 支架升降 液压支架的升降是依靠立柱来实现的。立柱是支撑在顶梁和底座之间的液压缸，其 动作由控制阀（液控单向阀和安全阀）与换向阀进行控制。支架升降时，立柱的动作包 括三个过程 （1）泵压撑顶，支架对顶板急增阻阶段 使换向阀 6 处于升柱位置， 由泵站输来的高压液体经液控单向阀 5 进入立柱的活塞 腔，而立柱活塞有杆腔排液，于是立柱带动顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板后， 立柱活塞有杆腔的压力达到泵站的工作压力时，油泵自动卸载，液控单向阀关闭，从而 使立柱活塞无杆腔的液体被封闭，这就是泵压撑顶，支架对顶板急增阻阶段。 9 （2）溢流承载，支架对顶板急增阻和恒阻阶段 支架初撑后，随着顶板下沉，对支架的压力增加。但由于液体的压缩性很小，立柱 活塞无杆腔被封闭的液体压力将迅速升高，呈现增阻状态。当活塞无杆腔液体的压力超 过安全阀 4 的动作压力时，高压液体就经安全阀溢出，立柱下缩，直到顶板压力减小， 当立柱活塞无杆腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀又关闭，停止溢流，支 架恢复正常工作。由于安全阀动作压力的限制，立柱就呈现出恒阻状态，这一过程称为 溢流承载，支架对顶板急增阻和衡阻阶段。 （3）解锁降柱，支架对顶板无作用阶段 当换向阀 6 处于降架位置时，高压液体进入立柱的活塞有杆腔，同时，打开液控单 向阀 5，立柱活塞无杆腔排液，于是立柱或支架卸载下降。 2 支架推移 推移动作包括移支架和输送机。虽然随着支架型式的不同，移架与推溜方式各不一 样，但其基本原理都相同。即支架的推移动作都是通过液压千斤顶的推拉来完成的。图 2-1 为支架与输送机互为支点的推移方式，其移架与推溜共用一个千斤顶 2，该千斤顶 的两端分别与支架底座和输送机相连。当支架卸载，并向移架千斤顶的活塞杆腔输入高 压液体，而活塞端腔回液时，就以输送机为支点，拉架前移；当支架支撑顶板，并向千 斤顶的活塞杆端腔进液， 活塞杆腔排液时， 就以支架为支点， 把输送机推移到新的位置。 由以上分析可知 支架或立柱工作时， 其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段。 开始升柱至单向阀关闭时的初撑阶段， 初撑结束至安全阀卸载前的增阻阶段和安全阀出 现脉动卸载时的恒阻阶段。 这表明 液压支架在额定工作阻力以下工作时， 具有增阻性， 图 2.1 液压支架的工作原理图 1.输送机 2.推移千斤顶 3.立柱 4.安全阀 5.液控单向阀 6.换向阀 7.过滤器 8.截止阀 10 以保证支架对顶板的有效支撑作用；在达到额定工作阻力时，具有恒阻性，以限制支架 的最大支撑力；在超过额定工作阻力时，又具有可压缩性，使支架在保持恒定阻力下能 随顶板下沉而压缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能，恒阻性与可压缩 性主要靠安全阀来实现，系统各个阶段的可靠连接依靠换向阀的性能。 对于高产高效工作面液压支架，支架工作原理和图 2.1 基本相同，所不同的是使用 的阀类元件为高压大流量阀，因此对阀的性能要求基本相同。 2.3 液压支架用阀试验标准和测控系统执行的测试功能液压支架用阀试验标准和测控系统执行的测试功能 根据液压支架的工作原理和对实际工况的分析， 煤炭工业部制定了 MT419-1995 液 压支架用阀国家标准，按照标准要求，要进行的试验项目分为型式试验和出厂试验， 具体包括 ]15[ 1）液压元件阻力损失主要测试液体通过液压元件时损失的压力。由液压支架用 阀的工作原理可知，该指标过大时，容易引起操作缓慢，不能为支架系统提供足够的初 撑力。 2）液控单向阀卸载时的瞬态冲击主要测试高压液体从立柱下腔经单向阀排出瞬 间，系统压力产生的振动。当冲击过大时，很容易引起系统液压元件（尤其是安全阀） 的损坏，立柱下方无法保压。 3）安全阀启溢闭特性测试主要测试当顶板快速来压时，安全阀的反应速度和稳 定性。即安全阀要快速通过大量液体，而同时立柱还要维持稳定的支撑阻力。 4）液压元件循环寿命试验主要测试液压元件的可靠性。对于庞大而复杂的综采 设备来讲，不仅要求液压支架性能好，密封可靠，还要求经久耐用。支架质量大、数量 多、体积大，运输困难，不宜上井检修，因此要求液压支架能在井下长期可靠的工作。 试验标准要求循环往复的模拟煤矿井下的操作过程， 对液压元件使用寿命进行严格的考 核。 5）液压元件的密封和强度试验由液压支架的工作原理可知，支架工作过程中需 要强大的支撑力，这就要求液压元件有良好的密封性能，同时满足一定的强度，以便承 受强大的液压冲击。 2.4 试验性能指标的确定试验性能指标的确定 根据 MT419－1995 标准和厂方要求，确定试验性能指标如下 11 系统泵站压力0～56MPa 系统泵站流量560min/L 工作介质 采用 MT76 规定的乳化液与中性水按 5 95 重量比配置而成的乳化液 介质温度 10～50C 介质过滤精度0.125mm 测量精度等级C 级 2.5 液压支架用阀试验台液压系统设计液压支架用阀试验台液压系统设计 2.5.1 液压系统方案的确定液压系统方案的确定 对于压力为 56MPa、流量为 560min/L的高压大流量系统而言，液压系统的设计相 1．油源 5、6.截止阀 7.节流阀 8.溢流阀 10.二位三通电磁阀 11.两位两通电磁阀 15.高压流量传感器 17.立柱液压阀 18.稳压罐 33.低压小流量传感器 34.低压大流量传感器 35.压力传感器 42.两位两通电磁阀 图 2.2 型式试验台液压原理图 12 当关键， 按照煤炭工业部关于液压支架用阀 MT419－1995 标准中关于性能参数的测试要 求， 以及厂方的实际要求， 采用模块化设计思路， 分 6 个模块分别完成不同项目的试验， 确定液压系统原理如图 2.2 和图 2.3 所示。 1、2.油源 9.溢流阀 12.三位四通电磁阀 14.增压缸 18.稳压罐 28.液控单向阀 35.压力传感器 40.两位两通电磁阀 41.溢流阀 图 2.3 密封和强度试验台液压原理图 2.5.2 液压系统的工作原理液压系统的工作原理 本文研制的试验台主要由高压乳化液泵站、压力调节系统、流量调节系统、增压装 置及测控系统组成。泵站由 7 台三柱塞泵（P56MPa，Q80L/min，配套电机功率 90KW） 构成；应用变频调速技术控制其中 1 台泵的流量，然后通过泵之间不同的组合满足不同 13 流量要求； 压力调节则采用自行研制的溢流阀实现； 增压系统采用双向增压回路来实现； 对于试验台中所用到的高压大流量电磁阀（两位两通，两位三通）采用插装阀结构，选 用的先导阀可用于乳化液介质且具有耐高压特性。当要进行相关元件的相应试验时，选 择对应的试验模块，计算机按试验要求的逻辑顺序控制相应的电磁阀动作，同时采集所 需的压力与流量值，从而完成各项试验。 前 4 个模块组成液压支架用阀的型式试验台，完成型式试验，其中模块 1 完成的试 验内容包括①安全阀的溢流启溢闭特性试验，②安全阀的寿命试验；模块 2 完成的试 验内容包括①液控单向阀的阻力损失－流量特性试验；模块 3 完成的试验内容包括 ①液控单向阀的瞬态冲击试验， ②液控单向阀的寿命试验； 模块 4 完成的试验内容包括 ①换向阀的阻力损失－流量特性试验，②换向阀的寿命试验，③截止阀的阻力损失－流 量特性试验，④截止阀的寿命试验。 模块 5 和模块 6 组成液压支架用阀的密封和强度试验台 1 和 2，以完成出厂试验， 其中模块 5 完成的试验内容包括安全阀、换向阀、截止阀的密封和强度试验；模块 6 完成的试验内容包括液控单向阀的开启压力、关闭压力、控制压力的测定、密封和强 度试验。 2.6 液压支架用阀试验台测控系统总体设计液压支架用阀试验台测控系统总体设计 液压系统回路提供了试验条件，而液压系统的控制、信号的检测、数据的采集等功 能要靠测控系统来实现，测控系统主要由软件和硬件两部分组成。软件是应用高级语言 编写的能对试验数据进行采集、传输和处理的程序，编译后能为计算机所理解执行；硬 件则包括控制液压系统工作的电气控制部分和协调整个试验系统的计算机控制部分。 整 个试验过程的数据采集、传输和处理通过软件对硬件协调控制来完成,下面分硬件和软 件对测控系统进行总体设计。 2.6.1 液压支架用阀试验台测控系统硬件系统结构设计液压支架用阀试验台测控系统硬件系统结构设计 2.6.1.1 需求分析需求分析 前面按照相关标准分析了本测控系统的试验项目， 并在此基础上设计了液压系统回 路，为试验提供了必备的条件，要完成这些试验项目，就必须对以下参数进行数据采集 和控制 测控系统的输入量 14 1 型式试验台8 路压力传感器信号4～20mA、4 路流量传感器信号4～20mA、 1 路行程开关信号 2 密封和强度试验台 14 路压力传感器信号4～20mA 3 密封和强度试验台 22 路压力传感器信号4～20mA 测控系统的输出量 1 型式试验台8 路控制液压系统电磁阀的开关量信号 2 密封和强度试验台 17 路控制液压系统电磁阀的开关量信号 3 密封和强度试验台 25 路控制液压系统电磁阀的开关量信号 2.6.1.2 测控系统控制方案的确定测控系统控制方案的确定 控制方