綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

戰(zhàn)秋英

（安徽三石液壓機(jī)械有限公司， 安徽 淮北235000）

液壓支架是以高壓液體為動力，由金屬構(gòu)件、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它可實(shí)現(xiàn)支撐、切頂、自移和推溜等工序。液壓支架可與采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)組成回采工作面的綜合機(jī)械化設(shè)備。液壓支架電液控制系統(tǒng)由電子計算機(jī)、傳感器、液壓控制回路部件等部分組成，能夠按照生產(chǎn)條件的需要來控制液壓支架的自動工作。其核心是通過計算機(jī)程序控制的電子信號來驅(qū)動電液閥動作，將手動操作變?yōu)橛嬎銠C(jī)的電子信號操作，實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動循環(huán)控制，改善勞動條件，解決特殊地質(zhì)條件的生產(chǎn)工藝問題，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的自動化管理。

1 綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計

支架電液控制系統(tǒng)主要由主控制臺（MCU）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸控制單元和電液控制單元組成。主控制臺設(shè)在工作面運(yùn)輸巷內(nèi)，也可以根據(jù)具體情況不設(shè)主控制臺而只設(shè)支架控制器。

1.1 綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)組成原理

綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)組成原理如圖1所示。由在工作面布置的支架控制器、采煤機(jī)位置傳感器、行程傳感器、隔離耦合器、壓力傳感器、監(jiān)控主機(jī)、支架人機(jī)操作界面、電源、電磁先導(dǎo)閥、主閥、過濾元件、輔助器、連接器和電源電纜等組成。其中，電源箱可為工作面8～10架支架單元供電，不同電源組的控制器之間采用一個通信耦合器連接，每個電源箱都配置一個電源耦合器，其中支架人機(jī)操作界面、傳感器、支架控制器、控制電纜、主控制閥組、電磁組閥和輔助閥等組成每個液壓支架控制單元。

圖1 液壓支架電液系統(tǒng)的組成

1.2 主要元部件的作用

支架控制器是支架電液控制系統(tǒng)的核心部件，主要用來進(jìn)行支架的動作，傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信。工作面支架控制器使用連接器互聯(lián)形成工作面支架通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面數(shù)據(jù)傳輸。

隔離耦合器是用以實(shí)現(xiàn)綜采液壓支架控制器的電源組隔離和信號耦合。其中隔離耦合器利用光電隔離技術(shù)，使數(shù)字信號得到傳輸而對電氣信號進(jìn)行隔離，從而實(shí)現(xiàn)信號在整個系統(tǒng)中傳輸。

壓力傳感器是電液控制系統(tǒng)中用于反饋支架壓力工作狀態(tài)。直接安裝在采煤工作面的液壓支架上，用以檢測支架相關(guān)部分壓力，為支架控制器提供控制動作提供信號，實(shí)現(xiàn)綜采支架電液控制的閉環(huán)可控制。

行程傳感器是支架電液控制系統(tǒng)中用于反饋推移、拉溜工作狀態(tài)的元部件。用來檢測推移千斤頂?shù)男谐?，同時也提供支架控制器控制動作的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)綜采液壓支架的自動控制。

采煤機(jī)紅外線位置傳感器包括紅外線發(fā)送器和紅外線接收器兩部分。紅外線發(fā)送器安裝在采煤機(jī)身上，紅外線接收器安裝在液壓支架上。紅外線發(fā)送器不停地發(fā)送一定頻率的有固定編碼的紅外線信號，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行時，安裝在不同支架上的紅外線接收器會受到信號，將此信號通過RS232通信方式傳送給支架控制器，支架控制器通過判斷即可確定采煤機(jī)的當(dāng)前位置。

監(jiān)控主機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，是工作面綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)信息收集和傳輸信息的中心，由煤礦井下環(huán)網(wǎng)將綜采工作面數(shù)據(jù)送到外部，從而在地面監(jiān)控計算機(jī)上可以方便地監(jiān)控與查看井下工作面推進(jìn)度、傳感器狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)錯誤率等一系列數(shù)據(jù)參數(shù)。

電液控制閥組是支架控制系統(tǒng)的核心。目前使用的閥組有兩種，一是由電磁先導(dǎo)閥控制的閥組；二是由微型電機(jī)控制的電液閥組。

主控計算機(jī)一般布置在順槽巷道中，與工作面支架控制器網(wǎng)絡(luò)連接作為井下控制中心，作為工作面上一級控制機(jī)，使電液控制系統(tǒng)增加了一個層次和等級，擴(kuò)展充實(shí)了電液控制系統(tǒng)的功能。主控計算機(jī)運(yùn)行專用程序控制軟件，匯集存儲工作面的支架控制器采集和傳來的數(shù)據(jù)，隨時顯示這些數(shù)據(jù)參數(shù)，監(jiān)視支架的工況和動作狀態(tài)。

1.3 綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)組成

綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)中的核心部分主要由支架人機(jī)操作面、隔爆兼本安電源、支架控制器及電磁先導(dǎo)閥組成，液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。技術(shù)人員通過操作界面實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的人機(jī)交互對話，通過發(fā)出的信號和指令，使得控制器驅(qū)動電磁先導(dǎo)閥，由電磁先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換，主閥將液壓信號放大，實(shí)現(xiàn)液壓缸的動作控制，從而實(shí)現(xiàn)支架的動作控制。支架整個動作過程通過多個行程傳感器、壓力傳感器、角度傳感器等進(jìn)行檢測反饋，結(jié)合電液控制系統(tǒng)信號通過井下順槽的監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行集中控制與集中管理，實(shí)現(xiàn)工作面綜采液壓支架的自動控制。

圖2 液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 綜采液壓支架電液控制閥設(shè)計

2.1 電液控制閥的設(shè)計原理

電磁控制閥由電磁先導(dǎo)閥及主閥組成，在接到支架控制器給出的電信號后，電磁先導(dǎo)閥動作，控制主閥開啟，向所連接的液壓缸供液，使支架作相應(yīng)的動作。

2.2 電液控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計

電液控制閥總體由電磁先導(dǎo)閥和與相通的主閥所組成?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 控制閥結(jié)構(gòu)圖

其中主閥閥芯是液控二位三通換向閥，經(jīng)由控制壓力控制，用于煤礦液壓支架的控制，主閥由閥芯套、差動套、閥芯、閥座，復(fù)位彈等組成。負(fù)載采用液壓模擬加載，用閉環(huán)控制的比例溢流閥和比例定差減壓閥模擬提供負(fù)載。伺服閥回油阻力由溢流閥提供。由閉環(huán)控制的溢流閥模擬加載，可得阻力載荷穩(wěn)定性高，加載、卸載方便等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了在壓力管路上設(shè)置了壓力繼電器和電磁溢流閥，防止系統(tǒng)附件故障導(dǎo)致系統(tǒng)壓力超壓。當(dāng)系統(tǒng)超壓時，電磁溢流閥首先打開泄壓，若壓力進(jìn)一步上升，壓力繼電器發(fā)出切斷電機(jī)電源信號，保護(hù)整個液壓系統(tǒng)。為了防止系統(tǒng)突然出現(xiàn)的未明故障，溢流閥上的電磁閥受控于緊急卸荷開關(guān)，按壓緊急卸荷開關(guān)，液壓系統(tǒng)卸荷。

圖4 主閥閥芯結(jié)構(gòu)圖

其中主閥及先導(dǎo)閥的油路結(jié)構(gòu)，位置關(guān)系如圖5所示。

圖5 控制閥油路

2.3 電液控制閥的工作原理

電氣和液壓兩部分組成電液控制閥。通過支架控制器自動檢測和監(jiān)控，計算機(jī)按照內(nèi)儲的程序發(fā)出綜采液壓支架動作指令，使得先導(dǎo)閥動作，液壓信號首先驅(qū)動右邊的主閥動作，使立柱和千斤頂按照設(shè)定的順序動作。由壓力傳感器和位移傳感器反饋立柱和千斤頂?shù)墓ぷ鳡顩r到控制器，控制器按照反饋的信號決定控制下一個動作順序。

當(dāng)電磁先導(dǎo)閥a通電開啟而電磁先導(dǎo)閥b關(guān)閉時，先導(dǎo)閥a的控制口打開，此時先導(dǎo)閥a的進(jìn)液口與控制口相連，液壓油經(jīng)過控制口進(jìn)入主閥c，通過油壓作用開啟主閥c，主閥的控制口打開，油液經(jīng)過油路進(jìn)入推移千斤頂e的左腔，而此時先導(dǎo)閥b是關(guān)閉的，進(jìn)油口直接與回油口相連通，主閥d關(guān)閉，液壓油無法進(jìn)入推移千斤頂?shù)挠仪?，這樣推千斤頂?shù)淖笥覂汕恍纬蓧翰?，千斤頂便在液壓油的推動下向右運(yùn)動。

同樣，當(dāng)電磁先導(dǎo)閥b通電開啟而電磁先導(dǎo)閥a關(guān)閉時，先導(dǎo)閥b的控制口打開，此時先導(dǎo)閥b的進(jìn)液口與控制口相連，液壓油經(jīng)過控制口進(jìn)入主閥d，通過油壓作用開啟主閥d，主閥的控制口打開，油液經(jīng)過油路進(jìn)入推移千斤頂e的右腔，而此時先導(dǎo)閥a是關(guān)閉的，進(jìn)油口直接與回油口相連通，主閥c關(guān)閉，液壓油無法進(jìn)入推移千斤頂?shù)淖笄唬@樣推移千斤頂?shù)淖笥覂汕恍纬蓧翰?，千斤頂便在液壓油的推動下向左運(yùn)動。電液控制閥原理如圖6所示。

現(xiàn)階段我國支架電液控制生產(chǎn)批量不大，工藝要求高，因此降低成本，尤其是傳感器和電磁閥等元件是今后面臨的重要問題。本文結(jié)合綜采工作面實(shí)際現(xiàn)場情況，提出了綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)組成和工作原理設(shè)計，進(jìn)行了電液控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計、主閥閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計、電液控制閥的工作原理設(shè)計和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。實(shí)踐表明，提高了元器件的可靠性，提高了傳感器的抗干擾的能力，閥門和電子元器件等有足夠的使用壽命和抗污染力。對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)能力好，適用范圍擴(kuò)大。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠、功能較完善、成本較低，可滿足不同條件的工業(yè)現(xiàn)場，為我國煤礦綜采工作面自動化水平的提高作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，并使綜采工作面自動化水平得到顯著提高。

圖6 電液控制閥原理

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