綜采液壓支架電液控制系統設計與研究

戰秋英

（安徽三石液壓機械有限公司， 安徽 淮北235000）

液壓支架是以高壓液體為動力，由金屬構件、液壓系統和控制系統組成。它可實現支撐、切頂、自移和推溜等工序。液壓支架可與采煤機、刮板運輸機組成回采工作面的綜合機械化設備。液壓支架電液控制系統由電子計算機、傳感器、液壓控制回路部件等部分組成，能夠按照生產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程序控制的電子信號來驅動電液閥動作，將手動操作變為計算機的電子信號操作，實現液壓支架的自動循環控制，改善勞動條件，解決特殊地質條件的生產工藝問題，實現綜采工作面的自動化管理。

1 綜采液壓支架電液控制系統設計

支架電液控制系統主要由主控制臺（MCU）、遠程數據傳輸控制單元和電液控制單元組成。主控制臺設在工作面運輸巷內，也可以根據具體情況不設主控制臺而只設支架控制器。

1.1 綜采液壓支架電液控制系統組成原理

綜采液壓支架電液控制系統組成原理如圖1所示。由在工作面布置的支架控制器、采煤機位置傳感器、行程傳感器、隔離耦合器、壓力傳感器、監控主機、支架人機操作界面、電源、電磁先導閥、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的核心部件，主要用來進行支架的動作，傳感器的數據采集和數據通信。工作面支架控制器使用連接器互聯形成工作面支架通信網絡系統，實現工作面數據傳輸。

隔離耦合器是用以實現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，使數字信號得到傳輸而對電氣信號進行隔離，從而實現信號在整個系統中傳輸。

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

行程傳感器是支架電液控制系統中用于反饋推移、拉溜工作狀態的元部件。用來檢測推移千斤頂的行程，同時也提供支架控制器控制動作的依據，實現綜采液壓支架的自動控制。

采煤機紅外線位置傳感器包括紅外線發送器和紅外線接收器兩部分。紅外線發送器安裝在采煤機身上，紅外線接收器安裝在液壓支架上。紅外線發送器不停地發送一定頻率的有固定編碼的紅外線信號，當采煤機運行時，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的當前位置。

監控主機是整個系統的核心，是工作面綜采液壓支架電液控制系統信息收集和傳輸信息的中心，由煤礦井下環網將綜采工作面數據送到外部，從而在地面監控計算機上可以方便地監控與查看井下工作面推進度、傳感器狀態、網絡錯誤率等一系列數據參數。

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

主控計算機一般布置在順槽巷道中，與工作面支架控制器網絡連接作為井下控制中心，作為工作面上一級控制機，使電液控制系統增加了一個層次和等級，擴展充實了電液控制系統的功能。主控計算機運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據，隨時顯示這些數據參數，監視支架的工況和動作狀態。

1.3 綜采液壓支架電液控制系統組成

綜采液壓支架電液控制系統中的核心部分主要由支架人機操作面、隔爆兼本安電源、支架控制器及電磁先導閥組成，液壓支架電液控制系統結構如圖2所示。技術人員通過操作界面實現與系統的人機交互對話，通過發出的信號和指令，使得控制器驅動電磁先導閥，由電磁先導閥實現電液信號的轉換，主閥將液壓信號放大，實現液壓缸的動作控制，從而實現支架的動作控制。支架整個動作過程通過多個行程傳感器、壓力傳感器、角度傳感器等進行檢測反饋，結合電液控制系統信號通過井下順槽的監控主機進行集中控制與集中管理，實現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結構

2 綜采液壓支架電液控制閥設計

2.1 電液控制閥的設計原理

電磁控制閥由電磁先導閥及主閥組成，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，使支架作相應的動作。

2.2 電液控制閥的結構設計

電液控制閥總體由電磁先導閥和與相通的主閥所組成?？傮w結構設計如圖3所示。

圖3 控制閥結構圖

其中主閥閥芯是液控二位三通換向閥，經由控制壓力控制，用于煤礦液壓支架的控制，主閥由閥芯套、差動套、閥芯、閥座，復位彈等組成。負載采用液壓模擬加載，用閉環控制的比例溢流閥和比例定差減壓閥模擬提供負載。伺服閥回油阻力由溢流閥提供。由閉環控制的溢流閥模擬加載，可得阻力載荷穩定性高，加載、卸載方便等特點。其結構如圖4所示。為了在壓力管路上設置了壓力繼電器和電磁溢流閥，防止系統附件故障導致系統壓力超壓。當系統超壓時，電磁溢流閥首先打開泄壓，若壓力進一步上升，壓力繼電器發出切斷電機電源信號，保護整個液壓系統。為了防止系統突然出現的未明故障，溢流閥上的電磁閥受控于緊急卸荷開關，按壓緊急卸荷開關，液壓系統卸荷。

圖4 主閥閥芯結構圖

其中主閥及先導閥的油路結構，位置關系如圖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控，計算機按照內儲的程序發出綜采液壓支架動作指令，使得先導閥動作，液壓信號首先驅動右邊的主閥動作，使立柱和千斤頂按照設定的順序動作。由壓力傳感器和位移傳感器反饋立柱和千斤頂的工作狀況到控制器，控制器按照反饋的信號決定控制下一個動作順序。

當電磁先導閥a通電開啟而電磁先導閥b關閉時，先導閥a的控制口打開，此時先導閥a的進液口與控制口相連，液壓油經過控制口進入主閥c，通過油壓作用開啟主閥c，主閥的控制口打開，油液經過油路進入推移千斤頂e的左腔，而此時先導閥b是關閉的，進油口直接與回油口相連通，主閥d關閉，液壓油無法進入推移千斤頂的右腔，這樣推千斤頂的左右兩腔形成壓差，千斤頂便在液壓油的推動下向右運動。

同樣，當電磁先導閥b通電開啟而電磁先導閥a關閉時，先導閥b的控制口打開，此時先導閥b的進液口與控制口相連，液壓油經過控制口進入主閥d，通過油壓作用開啟主閥d，主閥的控制口打開，油液經過油路進入推移千斤頂e的右腔，而此時先導閥a是關閉的，進油口直接與回油口相連通，主閥c關閉，液壓油無法進入推移千斤頂的左腔，這樣推移千斤頂的左右兩腔形成壓差，千斤頂便在液壓油的推動下向左運動。電液控制閥原理如圖6所示。

現階段我國支架電液控制生產批量不大，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。本文結合綜采工作面實際現場情況，提出了綜采液壓支架電液控制系統組成和工作原理設計，進行了電液控制閥的結構設計、主閥閥芯結構設計、電液控制閥的工作原理設計和系統結構設計。實踐表明，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。對復雜地質條件的適應能力好，適用范圍擴大。該系統結構簡潔、性能可靠、功能較完善、成本較低，可滿足不同條件的工業現場，為我國煤礦綜采工作面自動化水平的提高作出應有的貢獻，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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