1、浙江大學機械與能源工程學院碩士學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究姓名：王揚彬申請學位級別：碩士專業(yè)：機械電子工程指導教師：楊華勇;徐兵20080501摘要現(xiàn)代煤礦開采已進入綜采時代，液壓支架得到了廣泛的應用，但液壓支架的核心一一電液控制系統(tǒng)掌握在國外少數(shù)幾個大公司手中。國內(nèi)主要液壓支架電液控制系統(tǒng)全部從國外引進，進口電液控制系統(tǒng)價格昂貴，維護維修成本高，導致液壓支架成本的急劇增加。電液控制閥國產(chǎn)化進而研發(fā)新的控制閥，成為當前提高國內(nèi)煤礦綜采比例的工作重心。傳統(tǒng)液壓閥設(shè)計計算采用集中參數(shù)計算，對閥道流場進行了簡化，使得無法準確得到液壓閥的壓力流量特性、動態(tài)特性等，不能完全描述液壓閥的性能。本課題

2、針對傳統(tǒng)理論計算方面的缺陷，采用有限元方式進行數(shù)值仿真研究，并利用數(shù)值計算的結(jié)果建立電磁閥數(shù)學模型，且數(shù)學模型得到物理樣機試驗的驗證。利用得到驗證的數(shù)學模型對電磁閥系統(tǒng)進行參、變量研究。根據(jù)課題的內(nèi)容和特點，本論文分以下五個章節(jié)來闡述相關(guān)內(nèi)容。第一章介紹液壓支架的研究現(xiàn)狀及應用前景，總結(jié)課題研究目的意義以及研究內(nèi)容。第二章對所研究的型液壓支架電磁閥結(jié)構(gòu)進行簡要介紹，分析其結(jié)構(gòu)特點。第三章對電磁鐵進行數(shù)值計算。主要計算不同參變量對電磁鐵靜態(tài)特性及動態(tài)特性的影響，對電磁鐵剩磁特性進行分析計算，分析總結(jié)電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值原則，。第四章對電磁閥內(nèi)部流場進行數(shù)值計算。主要計算先導閥及主閥在穩(wěn)態(tài)工況下流

3、場分布，能量損失、液動力、流量系數(shù)等。并通過對電磁閥不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究，找出對系統(tǒng)影響較大的參數(shù)及影響的原因。第五章建立電磁閥數(shù)學模型，并與物理樣機試驗數(shù)據(jù)進行對比分析研究。利用得到驗證的數(shù)學模型對電磁閥不同參、變量進行仿真研究，分析電磁閥結(jié)構(gòu)特點，獲得不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下電磁閥的動態(tài)性能。第六章總結(jié)了本論文的研究工作和成果，并對下一步的工作進行展望。關(guān)鍵詞：液壓支架電磁仿真系統(tǒng)仿真；（），（），；：【獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得逝姿盤堂或其

4、他教育機構(gòu)的學位或證二拈而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名：扔崩多簽字日期：月侈日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解盤姿盤塋有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)逝江盤生可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)書）學位論文作者簽名：揚力！鄉(xiāng)導師簽名：簽字日期：籮年莎月眵日簽字日期：，占月；日學位論文作者畢業(yè)后去向：工作單位：通訊地址：

5、電話：郵編：艘¨立磁月數(shù)值仿真研究第一章緒論液壓盤架足以一矧乳化液為動力，通過對電磁閥的控制實現(xiàn)支架的支撐、切頊、移絮和輸送機推移等的機械化設(shè)備。它能可靠而有效地支撐和控制。作面塒！板，隔離采空區(qū)，保證地下作業(yè)空間的安全。因此，以液壓支架為主盟設(shè)缶的綜合機械化系統(tǒng)的誕生和發(fā)展是煤礦生產(chǎn)發(fā)展坐上的一次重大擎命。液壓支架不儀從根本卜故靜了勞動條件和安全狀況，也為作面產(chǎn)量和效率的迅速提商奠定了基礎(chǔ)，是煤礦三產(chǎn)現(xiàn)代化的重要標志。液壓支架發(fā)展概況”世紀年代忉期可彎曲副板運輸機往西德的推廣，年代干期淺截采煤機械在英田的應用，為機械化采煤丌辟了廠闊的前景。然而，支護【作仍為于工操作，療動繁重，效率

6、低，嚴重地影響械效率的發(fā)揮。為丁解決這問題，固外從“十年代初開始著手研制液¨、支架。第個液支架工作面年存英國問世，隨厲在蘇聯(lián)、西德、同本、法國、美國、波蘭和羅馬尼亞等國家陸續(xù)應用和推廣。硝小同架液臟支架液、支架的出現(xiàn)，把剛采工作面的支護技術(shù)從手一支護發(fā)勝到機械化支護。液壓支架和可彎曲刮板運輸機、淺截式采煤機械（粟煤機，刨煤機）的配合使陽，使回采工藝過柞破煤、裝煤、運煤和支擴全部實現(xiàn)丁機械化，即所謂綜臺機械化采煤，簡稱為綜聚。綜采的出現(xiàn)，是煤炭工業(yè)的一次重大變革，它標志著煤炭工業(yè)機械化大生產(chǎn)的丌浙江大學碩上學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究始。綜合機械化采煤設(shè)備的應用，使采煤工作面實現(xiàn)

7、了高產(chǎn)、高效、安全、低耗的文明生產(chǎn)，使煤炭工業(yè)的面貌發(fā)生了深刻的變化。從圖、可以看出，隨著綜采機械化程度的提高，煤礦開采百萬噸死亡率呈下降趨判，。囂張臻一一、一一弋廣綜采比例，萬噸貯率入一澳大利亞美國波蘭南非俄羅斯中國簍踟。蠶賽螻張簍蜒側(cè)鑿圖年世界主要采煤國家百萬噸死亡率國有重點煤礦采煤機械化程度百萬噸死亡率一一斟繇訾斟獻鏟圖國內(nèi)采煤機械化程度與百萬噸死亡率關(guān)系我國在年由煤科院太原分院和鄭州煤機廠設(shè)計了型邁步式自移支架，從此開始了液壓支架的國產(chǎn)化道路，已先后試制了、型、型、型、一型、型、型、型等多種型式的液壓支架，并在開灤、大同、陽泉、鶴壁、徐州等局進行了試驗和使用，取得了較好的效果。年，北京

8、開采所、沈陽開采所、鄭州煤機廠在沈陽蒲河礦進行了我國第一套放頂煤液壓支架的工業(yè)性試驗，扎乙隊的柏渡女架鰱目數(shù)值仿真研，繼向研制出丁多種低位、中何和高位放項煤支架，成功地在緩傾斜厚煤層和急傾斜厚煤層水分層工作衄得到應用自年丌始，田產(chǎn)液臟支架得到全】的發(fā)展，到年，液支架的產(chǎn)量達到架。，液壓支架在煤礦莉，得仝【奇）。液壓支架電液控制系統(tǒng)發(fā)展概況電液控制系統(tǒng)在液壓支架中的應用，。期液二支架要采用手動直控操作系統(tǒng)，煤礦丌采業(yè)一世紀年代棚，始重視支架液先導控制的研究，在年代中后期。泛采用液壓多芯管先導控制系統(tǒng)。有了先導控制的基礎(chǔ)，從年代開始兩方采煤國家大力著手電液先甘程序控制的研究和使用，液壓支架進入電液

9、控制時代峨削液臟支架枉礦”中的應用！液壓支架電液控制系統(tǒng)液¨、支架的電液控制系統(tǒng)是由先進的電計算機技術(shù)與液嫗閥等液壓元器件相結(jié)合組成的，它是控制液堆支架實現(xiàn)其自動化運轉(zhuǎn)的核心。它代替了一般的液壓支架手動液口：操縱閥控制系統(tǒng)，從而使液壓立架的操作更加靈活、快捷。液雎支架電液控制系統(tǒng)十要由電液摔制閥組、支架控制器、傳感器、電源箱、插座和電纜等：【成。乜控閥組葉的電磁先導閥用于將乜信號轉(zhuǎn)換為液兒三信號，控制豐控閥和常閉截止叫，抒閩則將先導閩發(fā)出的液壓信學經(jīng)液壓放大后，控制年油缸的動作。支架控制器擁據(jù)預定的程序和備個傳感器反饋的信號，向各個先甘閥垃出電信號控制先導閥的動作。傳感器有、山傳感器

10、、位移傳感器和外傳感器。眶力傳感器用于檢測電爿降時的爪：位移他感器用十榆測移架步距：！外傳感器丌】檢測采煤機的位置。源箱具有防爆、本安、過壓、短路、過載保護等功能。圖電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖液壓支架的電液控制系統(tǒng)是當前國內(nèi)外工作面支護技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，具有如下優(yōu)點，】：（）它可以將支架的降架、拉架、升架、推移前部輸送機、拉后部輸送機、收護幫板、伸護幫板：噴霧灑水及放項煤等動作由原來的人工手動操作改為電液自動控制、程序化操作，能夠與高效采煤機相匹配加快工作面推進速度，顯著提高采煤工作面的生產(chǎn)效率。（）它可以實現(xiàn)跟機自動化作業(yè)、降低工人的勞動強度，改善工人的勞動條件，減少工作面的操作人員，改

11、變煤礦生產(chǎn)落后危險的社會形象。（）它可以解決特殊地質(zhì)條件和困難生產(chǎn)條件下的生產(chǎn)工藝問題。例如在薄煤層工作面人員無法在工作面內(nèi)操作的條件下，采用電液控制可以實現(xiàn)無人化工作面（需與刨煤機系統(tǒng)配合使用）。（）它可實現(xiàn)多架同時推輸送機并可定量推進，保證輸送機緩慢彎曲，避免中部槽連接處產(chǎn)生過大應力，延長輸送機的壽命，同時可以保護工作面輸送機的平直性，實現(xiàn)工作面的平直推移。（）它易于實現(xiàn)帶壓移架，對于保護頂板的穩(wěn)定性和防止冒頂事故非常有利。（）它可以較好地控制支架初撐力，顯著地改善支護效果和工作面管理水平。煤礦綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)的應用，大大地加快了工作面的移架、推溜速度，改善了采煤工作面頂板的支護狀

12、況，使工作面產(chǎn)量成倍增加，直接功效大幅度提高，安全狀況明顯改善，噸煤成本大幅度下降，為煤礦生產(chǎn)的高效、安全和煤礦工人勞動環(huán)境的改變提供了條件。綜采使煤礦實現(xiàn)了由手工操作向機械化的變革，電液控制系統(tǒng)使井下采煤實現(xiàn)由機械化向自動化的革命，也可稱為采煤技術(shù)的第二次改朝換代的重大改革，是煤礦世紀的高新技術(shù)。液壓支架電液控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，二十世紀年代中期，英國煤炭局首先提出研制電子控制液壓支架，年澳大利亞的科里曼爾煤礦最先將電子控制的液壓支架用于長壁綜采工作面。年底英國原道梯公司又為美國坎賽爾煤礦制造了兩按鈕式微處理機控制的液壓支架，于年投產(chǎn)。英國原伽立克公司年月研制出了“”電液控制系統(tǒng)在“”投入試驗。

13、年底英國原道梯公司又研制出第二代全工作面集中電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主控制臺及電源均布置在工作面運輸巷內(nèi)，可實現(xiàn)全工作面集中控制。德國從二十世紀年代初開始大力發(fā)展液壓支架電液控制系統(tǒng)。威斯特伐利亞公司與西門子公司于年間合作研制出德國第一套支架電子控制裝置一一系統(tǒng)，年又研制出支架電控系統(tǒng)。年威斯特伐利亞公司與公司合作研制出電液控制系統(tǒng)，年又研制出更為先進的支架電液控制系統(tǒng)，技術(shù)上己相當可靠，并在全世界推廣應用。年代后期威斯特伐利亞公司自行改進推出系統(tǒng)，而公司改進推出了系統(tǒng)。除此之外，日本三井三池株式會社、英國原米柯公司、德國原赫姆夏特公司（現(xiàn)合并為公司）、波蘭公司，法國、俄羅斯等國家也都先后研制成

14、功支架電液控制系統(tǒng)，并推廣使用。目前，國外液壓支架電液控制技術(shù)己發(fā)展到相當成熟的階段，發(fā)展十分迅速。美國、澳大利亞、南非等國家的煤礦新裝備的綜采工作面幾乎全部采用電液控制的液壓支架。國內(nèi)自二十世紀年代中期即開始研制液壓支架電液控制系統(tǒng)。年北京煤機廠與晉城礦務局共同研制出第一套型支架電液控制系統(tǒng)，在晉城古書院煤礦進行了井下工業(yè)性試驗，這是我國第一個應用到井下進行工業(yè)性試驗的液壓支架電液控制系統(tǒng)，但在試驗中存在很多問題，如電磁閥線圈燒壞，閥芯、閥桿時有卡滯現(xiàn)象。在基礎(chǔ)上改進的第二代一型支架電液控制系統(tǒng)（架），于年月至年月在井下進行工業(yè)性試驗，但隨后即被擱置一邊。鄭州煤機廠年月研制出卜型支架電液控制

15、系統(tǒng)，于年月在大同四臺礦完成架井下工業(yè)性試驗，在型的基礎(chǔ)上又經(jīng)過多次改進，于年浙江大學碩士學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究月開發(fā)出呱型支架電液控制系統(tǒng)，在邢臺煤礦進行井下工業(yè)性試驗并通過鑒定，從此即完全停止。煤科總院太原分院研制的型支架電液控制系糾，于年在大同礦務局馬脊梁礦進行了國內(nèi)第一個全工作面井下工業(yè)性試驗，并于年月通過鑒定，又于年在東勝補連塔煤礦進行了架試驗，但現(xiàn)已經(jīng)撤出。我國液壓支架電液控制系統(tǒng)研制已經(jīng)歷了十幾年時間，但功能性、準確度，特別是可靠性方面都不能實現(xiàn)批量工業(yè)性生產(chǎn)。至此，國內(nèi)不得不采用引進模式，來滿足國內(nèi)高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展需求。液壓支架電磁閥的發(fā)展概；，】在液壓支架電液控

16、制系統(tǒng)中，電磁閥組是關(guān)鍵的元件之一。它的功能是將電控系統(tǒng)發(fā)出的電信號有效地轉(zhuǎn)換為液壓信號，以控制支架液壓缸的動作，其性能及可靠性直接影響整個系統(tǒng)的性能和可靠性。長期以來，德國、公司和美國公司等歸屬的研發(fā)部門以及許多專家學者都致力于電磁閥組的研究和開發(fā)上。他們從電磁閥組的結(jié)構(gòu)工藝著手，對先導閥壓力損失和泄漏及其驅(qū)動元件等方面的問題都進行了大量而細致的實驗研究，同時，還應用計算機對先導閥內(nèi)部的流場進行模擬研究。特別是德國一些公司相繼研制出一批高性能、高可靠度的電磁閥組。在長期的研究中，這些國家積累了大量的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗。在國內(nèi)，對液壓支架的研究起步相對國外要晚，而對其中的電磁閥組的研究則

17、要更晚一些。這些研究主要是在煤炭科學研究總院各個專業(yè)研究所、骨干的支架制造廠及其一些液壓件廠中有見到。二十世紀年代中期煤炭科學總院上海分院董信根、芮豐等對國外礦用電磁先導閥的主要參數(shù)的確定和結(jié)構(gòu)特點進行了綜合分析；年煤炭科學研究總院太原分院田永順對型礦用電磁先導閥可靠性進行了研究分析；吳國強等人對液壓支架電液自動控制系統(tǒng)的工作原理及控制進行了國產(chǎn)化研究。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及數(shù)值計算技術(shù)研究的不斷深入，使得對于幾乎一切流體力學問題，包括液壓技術(shù)中的流體力學問題的研究成為可能。年底歐共體撤消了軟件對中國出口的禁令，商業(yè)軟件逐漸進入我國，這在一定程度上促進了我國工業(yè)界技術(shù)的應用推廣。國內(nèi)高校

18、及相關(guān)企業(yè)開始利用計算流體力學軟件對液浙江大學碩上學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究壓支架電磁閥的各種復雜的流動現(xiàn)象進行數(shù)值計算研究，分析了閥道流場分布、氣蝕產(chǎn)生現(xiàn)象及壓力損失等基礎(chǔ)性問題。如天地科技瑪珂電液控制有限公司利用計算流體力學軟件對電磁先導閥進行了流場計算、流量特性預測的數(shù)值計算研究【】；太原理工大學王芳、廉自生等人利用標準紊流模型模擬了液壓支架系統(tǒng)中電磁先導閥流道內(nèi)流體的流動狀態(tài)及閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力的情況【】。通過這些研究加深了國內(nèi)對液壓支架用電磁閥的設(shè)計理論的理解。本課題的研究意義及研究內(nèi)容本課題的研究意義煤炭是我國的主要能源，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)。我國煤炭資源

19、豐富，煤炭資源分布面積約多萬平方公里，占國土面積的。根據(jù)第三次全國煤炭資源預測與評價，全國煤炭資源總量萬億噸，煤炭資源潛力巨大，煤炭資源總量居世界第一。國務院制訂的能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要（）（草案）指出“要大力調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，堅持以煤炭為主體，電力為中心，油氣和新能源全面發(fā)展的戰(zhàn)略”。鑒于我國“多煤、貧油、少氣（天然氣）的特點，在今后相當長的一段時間內(nèi)，能源結(jié)構(gòu)仍然以煤炭為主，煤炭在一次能源消耗中占左右，在我國能源結(jié)構(gòu)上占主要地位，有舉足輕重的作用。根據(jù)“十一五”計劃，國家將建成個高效安全的現(xiàn)代化礦井，國家將加大對煤礦建設(shè)項目的支持力度，已先后有個煤炭建設(shè)項目，由國家開發(fā)銀行出具貸款承諾，還

20、將多個高檔普采工作面升為綜采工作面，多個普采工作面升為高檔普采工作面。這樣，中國大型煤礦采掘機械化程度將達到，中型煤礦的機械化程度將達到以上；大型煤礦國內(nèi)先進水平裝備率將達到，國際先進水平裝備率將達到；中型煤礦國內(nèi)先進水平裝備率將達到；小型煤礦機械化、半機械化程度將達以上。據(jù)此分析，隨著煤炭需求的急劇增長，上述煤礦采掘機械化指標還會有所突破，這為液壓支架的發(fā)展提供了廣闊的市場前景【】。作為綜采液壓支架的核心電液控制系統(tǒng)一直掌握在國外少數(shù)幾個大公司手中，如德國公司、公司、美國公司。進口電液控制系統(tǒng)價格昂貴，維護維修成本高，配件供應周期長，導致液壓支架成本的急劇增加。目前，中國國有重點煤礦的綜采工

21、作面數(shù)已超過個，全部靠進口國外的整套系統(tǒng)是不現(xiàn)實浙江大學碩士學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究的，這嚴重限制了液壓支架電液控制技術(shù)在煤礦開采中的推廣。因而，為了實現(xiàn)國家提出在“十一五”期間的目標，必須加大液壓支架電液控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化力度，降低液壓支架成本，為煤礦開采機械化打下基礎(chǔ)。近些年來國內(nèi)雖然對液壓支架的電液控制系統(tǒng)做了一些研究，但與國外比較除了在及材料方面的原因外，還存在以下幾個方面的差距：、國內(nèi)液壓支架閥類產(chǎn)品的設(shè)計思路還處于國外二十世紀年代水平，往往忽視了產(chǎn)品的維護維修性能，而國外同類產(chǎn)品則帶有更多的人性化特點，考慮安裝、操作使用的便利。、國內(nèi)設(shè)計手段還主要靠經(jīng)驗設(shè)計，對現(xiàn)代設(shè)計手段

22、利用很少，而電磁先導閥、大流量主閥等，對性能要求相對較高，且實驗存在一定難度，這就使得利用現(xiàn)代設(shè)計手段對電磁閥進行特性預測顯得尤為重要，而國外在這方面的應用已經(jīng)相當成熟。、國內(nèi)管理水平較低，成批生產(chǎn)產(chǎn)品保證不了加工質(zhì)量，達不到樣機的指標，因此工作面使用故障多，發(fā)揮不了應有的作用。電磁閥組是實現(xiàn)液壓支架電液控制的關(guān)鍵元件，電磁閥的性能好壞決定了電液控制系統(tǒng)的能否正常動作。然而，國內(nèi)對于電磁閥組的研究僅限于其流場研究，缺少對整個液壓支架電磁閥組系統(tǒng)全面的特性研究。液壓支架電液控制系統(tǒng)基礎(chǔ)原理，核心技術(shù)，研發(fā)工藝等問題仍未解決。由于液壓支架采用乳化液作為工作介質(zhì)，它是由的水與的乳化油配成，其物理特性

23、接近于水，電磁閥更容易產(chǎn)生氣穴、銹蝕等問題，因而，液壓支架用電磁閥不能簡單的引用油壓閥的設(shè)計準則，需要進行更多的基礎(chǔ)性研究工作。在過去，由于缺少相應的研究手段，對國外引進的產(chǎn)品只能照搬照抄，無法理解國外的產(chǎn)品的設(shè)計原理，參數(shù)選取的機理。所謂只能知其然，不知其所以然。若對國外產(chǎn)品進行試驗研究，雖然可以得到相關(guān)的參數(shù)，但試驗方法費用昂貴，而且只能表征初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，中間過程無法得知，因而也無法幫助研究人員了解問題的實質(zhì)。然而隨著計算機技術(shù)的推廣普及和計算方法的新發(fā)展，利用計算機數(shù)值仿真技術(shù)便可以更加有效和便捷的分析一些基礎(chǔ)性問題，縮小國內(nèi)外差距，從而加快液壓支架電液控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的進程。計算機

24、仿真技術(shù)的數(shù)值模擬相對于實驗研究有其獨特的優(yōu)點，如成本低，周期短，能獲得完整的數(shù)據(jù)，能模擬出實際運行過程中所測數(shù)據(jù)狀態(tài)。從某種意義上數(shù)值模擬比理論與試驗對問題的認識更為深刻、更為細致。它不僅可以了解問題的結(jié)果，而且可隨浙江大學碩士學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究時連續(xù)動態(tài)地、重復地顯示事物的發(fā)展，了解其整體與局部的細致過程。對于設(shè)計、改造等商業(yè)或?qū)嶒炇覒闷鸬街匾闹笇ё饔茫视嬎銠C數(shù)值仿真技術(shù)得到了越來越多的應用。本文主要運用算機數(shù)值仿真技術(shù)，采用數(shù)值仿真分析與實驗分析相結(jié)合的方法，分析所引進的液壓支架電磁閥組，建立液壓支架電磁閥組數(shù)學模型，并通過實測獲得相關(guān)的參數(shù)對數(shù)學模型進行修改，得到

25、驗證過的模型，并以此為模型研究液壓支架電液控制閥的設(shè)計原理及參數(shù)選擇機理，真正消化和吸收國外的先進的液壓支架電磁閥，從而一方面可以根據(jù)國內(nèi)的實際情況對其進行改進，設(shè)計滿足國內(nèi)需求的液壓支架電磁換向閥，另一方面把消化吸收得到的技術(shù)應用到新產(chǎn)品的開發(fā)中。本課題研究的內(nèi)容本文以電磁學、流體傳動與控制理論、流體力學等理論為基礎(chǔ)，采用理論分析，計算機仿真，有限元分析等方法進行研究。鑒于目前國內(nèi)液壓支架及電磁閥的研究現(xiàn)狀，本課題具體研究內(nèi)容包括：、針對目前我國液壓電液控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)和整理，分析當前我國在液壓支架電磁閥組研究方面存在的問題。、從電磁閥電磁鐵的工作特點入手，結(jié)合材料和磁路原理，對電

26、磁鐵進行磁路分析，研究本安電磁鐵設(shè)計思路及其參數(shù)選取特點，利用有限元分析結(jié)果導入，建立電磁鐵動態(tài)仿真模型，對電磁鐵的動態(tài)特性進行仿真分析。、針對電磁閥組先導閥及主閥進行流場仿真分析，研究流體在閥內(nèi)的流動狀態(tài)、研流量特性以及不同參、變量對電磁閥流場的影響，并計算電磁閥各個閥口的流量系數(shù)。、建立電磁閥組仿真模型，并與實驗數(shù)據(jù)進行比較分析，完善模型；對電磁閥進行系統(tǒng)仿真分析，研究電磁閥工作特性及結(jié)構(gòu)特點，研究不同參、變量對電磁閥性能的影響。壇架磴目數(shù)了真究第二章液壓支架電磁閥結(jié)構(gòu)介紹型電磁換向閥是先導式位三通電磁換向閥它足住吸收外先進÷構(gòu)的特點并結(jié)合我罔困情而研制的一種新型礦用液壓支架電磁

27、刪，它山乜磁先旨閥及大流量卜閥組成，按一定的程序通過控制各個液壓干斤頂，實現(xiàn)液壓支架的備順動作。電磁先導閥結(jié)構(gòu)介紹在液壓支架電液控制系統(tǒng)中，電磁先導閥是關(guān)鍵的元件之一，它由本安型電磁鐵作為電機槭轉(zhuǎn)換元件，驅(qū)動先導蜊工作。它的功能是將電控系統(tǒng)發(fā)出的信號有效地轉(zhuǎn)換為液壓信號，以抖！制主閥動作。其具體結(jié)構(gòu)如圖所示。幽電磁光導惻剖示目本安型電磁鐵圖電磁先導嗍宴物凹煤礦開采為了確保生產(chǎn)安全采用本安型電源，在的額定工作電壓，最大輸電流一般不得大于。因而，被本安型電源激勵的本安型電閥鐵驅(qū)動電流便不能很大，般不超過左右，以允許支架電液控制系統(tǒng)驅(qū)動盡可能多的電磁閥刊時作，提高支架電液控制系統(tǒng)的性能。本安型電磁鐵

28、線圈屬于鐵芯電感，匝數(shù)比常規(guī)電磁鐵要大十倍，線圈電感很大。當乜路斷路時，線幽產(chǎn)很高的反電動勢，不僅延長放電時問，影響電磁蒯復位動態(tài)特性，同時可能造成電路斷路火花。能量足夠大的斷路電火花可能點燃爆炸性氣伴程和物，引起爆炸。為了保證電磁鐵的隔爆性能要求，在線圈繞完后，整體用黑色聚丙烯加熱包裹同化，隔絕屯火花與可燃性氣體的接觸。同時，對安皺在先導閥殼體內(nèi)的電路板的感什元什用環(huán)氧樹脂膠封為一體。¨生電閥敬值仿真”、先導閥乖體先導閥奉體由緩沖器奉體、大攤打、；臟；、閥鷹、小推桿、壓力腔閥芯、復位彈簧等組成。其具體結(jié)構(gòu)如崮所小。幽【磁先導刪結(jié)不意剛緩沖彈簧；緩沖器本體：犬攤憶一川油腔閥芯；閥鷹：

29、一壓力腔閥芯；一復位彈簧；頂塊；卜小推豐：蚓定節(jié)流先導閥工作過程：當控制器發(fā)出控制信號時，電磁鐵得電，推動緩沖器奉體向前運動，此時緩沖彈簧山于受到一定的預緊力的作用，緩沖彈簧像剛體樣，把電磁力傳遞到大推桿上，大推樸推動回油腔閥芯向前運動，小推桿受到米自回油卒閥芯的作用力也推動壓力腔閥芯克服復位彈簧力向自運動，卣罕關(guān)閉與口之間的回路，同時打丌與口之間的回路。當彈簧力繼續(xù)增人，超過緩沖彈簧預緊力時，克服緩沖彈簧預緊力作用，緩沖彈簧受到壓縮，儲存多余電磁鐵輸?shù)哪芰浚彌_器繼續(xù)向前運動直到與緩沖器襯食相接觸。當控制器發(fā)山斷丌指令時，電磁鐵失乜，山丁感應電流的作用，電磁鐵輸力緩慢減小。此時，儲存在緩沖器

30、的能鼙克服電磁力迅速推開電磁鐵，確保電磁鐵能常打開。“運行一定距離之后，電磁力迅速減小，此時在復位彈簧力及液壓力的作用下，電磁先導閥完傘關(guān)閉與的回路。、閥口型式在乜磁先導削結(jié)構(gòu)中可采剛多種閥口型，以達到所要的功能。在磁先導閥中，常位論被盤磷目數(shù)值仿真研采用球密封型式和錐面密封型式，采州的是金屬一金脯密封，但這些類型的閥口對產(chǎn)品加精度要求較島，否則會存在漏現(xiàn)魏，而這些問題在液壓支架閥是不允許存在的，哲則容易造成嚴雨的生產(chǎn)事戰(zhàn)。在本型電磁先導閥采盤閥閥幾型式，閥門采川是軟硬密封，在壓力腔閥芯及回油腔閥芯巾填充聚甲醛高分子材料，它具冉優(yōu)良的力學性能，比強度，比剛度達，并具有良好的白滑性、耐磨性、耐摩

31、擦性、耐蠕變性和耐疲勞強度，這些優(yōu)趣的性能使得聚甲醛高分千材料成為液壓支架先導閥密？的瞧蚶材料。在先導閥淵座二祀用金屬材料，通過這種軟硬配合的密封型式，使得閥】不存在泄露現(xiàn)象。大流量主閥結(jié)構(gòu)介紹大流量閥是液控化三通換向閥，縫由控制二力控制的井在安全操作冉血當控制壓力降低時自動夫州液掙換向吲，卡要用丁煤礦邁步式液壓支架的擰制，以便伸或縮回立柱液缸。出丁支架沿【作向在水平巷道安裝并閂當支架隨著：怍的變化而移動，這就需要頻繁的切換。，）外存上作面要施加的支棒力需要很高的液體壓力，從而換向閥總體受到的很高的、力交變找荷，對閥座產(chǎn)生比較高的壓力。本型號大流量卜閥采用插裝型式，它由，閥套、挖制活塞、閥座、

32、閥芯、閥座、復他彈簧等組成地。其中幽油接可由控制活棗關(guān)，任油口關(guān)卅閉后，閥芯打丌接通高壓進油川到負載之間的回路。其具體結(jié)構(gòu)如圖所示。彈簧蚓人流封土閥結(jié)構(gòu)不意酬左閥套；一控制活塞；一左閥座：一閥套；一閥芯；一閥座；一復位人學刪。學位镕女披磁目數(shù)值仿真研究、上閥工作過程當控制囂發(fā)控制指令時，先導閥磁鐵得咆，接通口與控制之叫的回蹄，閥控制腔壓力緩慢上升，推動控制話雍運動與有閥鷹起關(guān)閉負栽【】和回油之州的回路。隨厲控制腔壓力迅速升高達到二右，此時閥芯克服流體靜壓力及復位彈簧力推動閥芯運動，接通高厄油口與負載臼之的網(wǎng)路。在閥芯打”過程中，控制腔壓力卜爿比較緩慢，因而，閥芯存外啟時日較長。當控制器發(fā)出斷丌

33、指令時，電磁鐵失電，先導閥關(guān)閉，接通控制腔與回油】之間的回路。控制腔壓力緩慢下降，閥芯慢慢復位，商至關(guān)閉。當閥芯完仝關(guān)閉后，控制腔臟力迅速下降，當壓力降到一定值時控制活塞向后運動，接通負載口與回油口之間的同路。幽電磁換向蚓油路示意幽、閥型式目前圜內(nèi)液壓支架所采用的大流量主閥主耍足錐閥形式，采州會屬一會屆密封，由于鋼材材或質(zhì)母不過關(guān)，極易因密封面的腐蝕導致內(nèi)泄露。當前部分產(chǎn)品采用下面密封，以“煤研二二號”做閥顰，解決了內(nèi)泄露的問題，但存在閥摯損壞牢較高的現(xiàn)象。為了解決這些問題，小型號大流量主閥胤座乏用的芷聚甲醛，并采用。定的技術(shù)手段減小悶芯關(guān)閉瞬間的速度，減輕關(guān)閉瞬間閥芯對閥莊的沖擊，椿護閻座。

34、舀實際應川過程中，這種型式的閥鷹小存在內(nèi)泄露及刪畢擬壞蘋高的現(xiàn)象。浙江大學碩士學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究液壓支架電磁閥結(jié)構(gòu)特點型電磁換向閥是國內(nèi)目前性能穩(wěn)定并批量用于礦井生產(chǎn)，已經(jīng)可以替代國外同類型產(chǎn)品，這是由于在設(shè)計過程中吸收了國外產(chǎn)品的優(yōu)點，解決以往液壓支架電磁閥存在的可靠性問題。它具有以下特點：、不存在銹蝕卡死問題。先導閥是液壓支架電磁閥的關(guān)鍵元件，零件尺寸較小，若出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象就有可能產(chǎn)生卡死，無法控制主閥動作。在先導閥所有關(guān)鍵零件均采用黃銅加工，黃銅良好的抗銹蝕性能使得先導閥的可靠性得到很大提高。、軟硬密封，密封性好。閥芯與閥座的密封采用軟硬密封型式，即閥芯或閥座采用聚甲醛高分

35、子材料。當閥口關(guān)閉時，利用流體的靜壓力作用在閥芯上使得高分子材料受壓出現(xiàn)微小變型，密封性能顯著提高。當密封腔壓力越高時，作用在閥芯上的靜壓力越大，密封效果越好，使閥口得到零泄露的密封效果。、二級減壓，減小氣蝕的可能性。液壓支架的工作介質(zhì)為水與乳化油的乳化液，其物理性能接近于水，容易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。先導閥采用二級減壓設(shè)計，在先導閥的進液口增加一個固定節(jié)流口，減小了閥口的壓降，從而減小出現(xiàn)氣蝕的可能性。、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，有效保護閥座材料。液壓支架在工作過程中要隨著工作面的變化而移動，使得大流量主閥頻繁的開關(guān)，當主閥關(guān)閉時，如果關(guān)閉速度過快會對閥座產(chǎn)較大的撞擊力，可能破壞采用高分子材料的閥座。在設(shè)計時合

36、里控制先導閥回油速度，使得閥芯的速度在控制在較小范圍之內(nèi)。浙江大學碩士學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究第三章液壓支架電磁閥電磁鐵數(shù)值分析電磁鐵作為液壓閥的驅(qū)動部件，是液壓閥應用最多的電機械轉(zhuǎn)換器，其功能是將輸入的電壓信號，轉(zhuǎn)換成力信號輸出。在電磁鐵的設(shè)計中，合理地選擇電磁鐵的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，將直接影響其工作特性和技術(shù)經(jīng)濟指標。但是，由于磁路的非線性和存在著漏磁通，使磁路計算問題變得非常復雜和困難。在傳統(tǒng)設(shè)計中一般采用經(jīng)驗公式，對各個結(jié)構(gòu)參數(shù)作用評估往往不夠具體和準確，因此有必要精確分析各參數(shù)作用，為性能優(yōu)化提供完整依據(jù)。磁場是一個空間的點函數(shù)，在磁場內(nèi)的不同位置上，磁感應強度和磁場強度具有不同的

37、值與方向。因此，很難用簡單的、便于求解的數(shù)學模型表達出來。為了便于計算，前人把磁場在空間分布特征轉(zhuǎn)化成磁路模型進行計算，但又存在著如何正確應用集中參數(shù)代替分布參數(shù)的處理問題。為了求出經(jīng)過簡化后得到的計算磁路的近似數(shù)學模型，許多人進行過各種不同的嘗試。然而應用這些數(shù)學表達式進行磁路計算，仍然很繁瑣，且計算準確度也差。當磁路具有形狀復雜的磁極時，就更難找到一個合適的磁導計算公式，除了采用作圖法或磁位網(wǎng)格法外，別無他法。然而這兩種方法的計算工作量非常大，手算是不現(xiàn)實的團，。隨著電磁理論、數(shù)值數(shù)學和計算機科學的發(fā)展，出現(xiàn)了電磁場有限元數(shù)值計算，它是具有強大生命力的邊緣學科。它是以電子計算機為工具，應用

38、各種離散化數(shù)值計算方法，對各種電磁場問題進行數(shù)值實驗、計算模擬和分析研究，以解決各種實際問題。電磁場有限元數(shù)值計算的出現(xiàn)，不僅豐富電磁場研究手段，開拓了新的研究方向，而且由于其強大的數(shù)值運算能力，可以計算用解析方法不能求解的方程，解決了某些電磁理論無法解決的問題。因此，本章采用該方法對電磁鐵進行仿真分析，并與系統(tǒng)仿真軟件相結(jié)合，實現(xiàn)電磁、機械聯(lián)合仿真，提高了仿真結(jié)果的準確性特別是瞬態(tài)過程結(jié)果的準確性。鐵磁材料磁特性分析【：。鐵磁材料是液壓閥電磁鐵的主要材料，對磁性材料的選擇直接決定著電磁鐵的性能指標。由于鐵磁材料的磁導率與其中的磁通密度或磁場強度有關(guān)而非恒定值，使得電磁鐵磁路分析成為非線性問題

39、。鐵磁材料的性能需通過磁化曲線、磁滯曲線及有關(guān)參數(shù)進行了解，以便根據(jù)不同的需要合理地選取鐵磁材料。虧孺口也一¨鄉(xiāng)一尻厶么一圖鐵磁材料曲線圖磁滯曲線如圖所示，曲線為鐵磁材料的曲線。鐵磁材料從，開始磁化，圖中段隨著外磁場的增大，鐵磁材料的磁感應強度急劇增大，表現(xiàn)出較高的導磁能力和較小的磁阻，所以通常要求材料工作在點附近。當時，隨著外磁場的增大磁感應強度增長極慢，鐵磁材料內(nèi)部的磁場達到了飽和值。在磁飽和區(qū)域，導磁系數(shù)下降，磁阻增大。曲線。為鐵磁材料的導磁系數(shù)隨外磁場變化曲線，鐵磁材料在磁化起始階段及進入磁飽和后，導磁系數(shù)均不大，但在附近，導磁系數(shù)達到最大值。可見，在磁化過程中鐵磁材料的導磁

40、系數(shù)是隨磁場強度而變的。如圖所示，如果將外磁場減小，磁感應強度并不沿原來的曲線原路返回，而是沿曲線下降，即使磁化場減小到零時，磁感應強度仍保留一定的數(shù)值，表示磁化場為零時的磁感應強度，稱為剩余磁感應強度（）。當反向磁化場達到某一數(shù)值時，磁感應強度才降到零。強制磁感應強度降為零的外加磁場的大小。，稱為矯頑力。當反向繼續(xù)增加磁化場，反向磁感應強度很快達到飽和（、）點，再逐漸減小反向磁化場時，磁感應強度又逐漸增大。反復若干循環(huán)后，可得到一個近似對稱于原點的閉合曲線，即磁滯回線。鐵磁材料在反復磁化過程中，必然克服阻力做功，鐵心發(fā)熱。這種在反復磁化過程中的能量損失叫磁滯損耗。磁滯損耗正比于交變磁化的頻率

41、、鐵心的體積和磁滯回線所包圍的面積。其大小與鐵磁材料的性質(zhì)、磁化頻率、磁感應強度的最大值有關(guān)。工程上常用下列公式來計算磁滯損耗。品（）式中：鐵芯的磁滯損耗，為與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，指數(shù)與有關(guān)，當時，當時。因此，為了減少磁滯損失，應當選擇遲滯回線狹窄的材料作為鐵芯。電磁鐵靜態(tài)特性分析在銜鐵的實際運動過程中，只存在動態(tài)吸力特性，靜態(tài)吸力特性是只是銜鐵緩慢移動的一種特例而已。由于動態(tài)吸力特性要受到電磁鐵所牽引的負載等因素的影響，以至于同一種結(jié)構(gòu)參數(shù)的電磁鐵也會有不同的吸力特性，因而習慣上常以靜態(tài)吸力特性作為電磁鐵的基本特性。本節(jié)利用有限元分析軟件進行數(shù)值分析，研究電磁鐵靜態(tài)特性，并對重要結(jié)構(gòu)進行參數(shù)

42、化分析，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對電磁鐵靜態(tài)輸出力的影響。磁場有限元分析方法，】麥克斯韋奠定了經(jīng)典電磁場理論，提出了電磁場普遍規(guī)律的數(shù)學描述麥克斯韋方程組。這些電磁場的基本方程組為解決電磁場工程技術(shù)問題提供了理論基礎(chǔ)，近代電磁場數(shù)值分析也是以此為依據(jù)而發(fā)展起來的。通常，電磁場基本方程組的積分形式為蟲乓（，莉（）蟲一瓦一；兵蟲蟲（）（）（）式中：、，和分別為磁場強度、磁感應強度、電場強度、電位移、電流密度、和電荷密度。為閉合曲線；為由所界定的曲面；為由所界定的體積。浙江大學碩士學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究電磁場各有關(guān)物理量之間的關(guān)系是由電磁場的輔助方程來表示的，對于各向同性媒質(zhì)，其關(guān)系式是：（

43、）式中：介電常數(shù)一磁導率曠電導率麥克斯韋方程組是電磁場矢量之間的表達式，如果直接用來求解電磁場問題，在數(shù)學上存有較大困難。因此在分析電磁場問題時，一般引入位函數(shù)來作為求解的輔助量。考慮到分析磁場為穩(wěn)定磁場且結(jié)構(gòu)為軸對稱型，其標量磁位方程可寫為丟（壺警）毫（差）一（）式中：標量磁位邊界條件是求解電磁場問題的關(guān)鍵。在平面電磁場問題中，設(shè)求解區(qū)域為，它的邊界為計算所采用的變量為，邊界條件通常分兩種不同情況給出。第一類邊界條件為：在邊界上滿足己知物理量廠（，）對于平面穩(wěn)定磁場問題，第一類邊界條件用標量磁位函數(shù)給出，有以下形式標量磁位：（）第二類邊界條件為：滿足物理量在邊界上的法向?qū)?shù)未丘（，）對于平面

44、穩(wěn)定電磁場問題，第二類邊界條件用標量磁位函數(shù)給出，有以下形式標量磁位：挲一（）、式中：磁通密度矢量的法向分量浙江大學碩士學位論文液壓支架電磁閥數(shù)值仿真研究式（）與邊界條件式（）、（）合在一起，描述了電磁鐵的磁場特性，是仿真模型的基礎(chǔ)。麥克斯韋方程組描述了電磁場的磁場特性，但由于磁場是非線性的，這些微分方程組無法得到解析解，只能通過數(shù)值計算的方法借助計算機求解微分或積分形式的磁場位勢方程，得到磁場的分布規(guī)律。目前常用的分析計算方法有有限差分法（）、有限元法（）及邊界元法（）。一般說來，是一種相當成熟的經(jīng)典方法，而比具有更廣泛的適用范圍、更高的精度以及更好的經(jīng)濟適用性，特別適用于具有復雜介質(zhì)中的場

45、分析。有限元法是近幾十年來在工程技術(shù)各個領(lǐng)域中廣泛應用的科學，是以變分原理為基礎(chǔ)建立起來的。有限元法是一種基于能量原理的數(shù)值方法，是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。運用有限元法可以處理幾何形態(tài)復雜的非線彈性問題，因其理論依據(jù)的普遍性，不僅廣泛地被應用于各種結(jié)構(gòu)工程，而且已被普遍推廣并成功地用來解決其它工程領(lǐng)域中的問題，例如熱傳導、滲流、流體力學、空氣動力學、土壤力學、電磁場工程問題等。電磁場分析軟件簡介】當今工業(yè)應用中的電磁元件，如傳感器，調(diào)節(jié)器，電動機，變壓器，以及其他工業(yè)控制系統(tǒng)比以往任何時候都使用得更加廣泛。由于設(shè)計者對性能與體積設(shè)計封裝的希望，因而先進而便于使用的數(shù)字仿真技術(shù)的需求也顯著的增長。在工程人員所關(guān)心的實用性及數(shù)字化功能方面，的產(chǎn)品遙遙領(lǐng)先其他的一流公