薄煤层液压支架电液控制系统研制.pdf

At h e s i ss u b m i t t e dt o Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fM a s t e r D e s i g no fE l e c t r o - h y d r a u l i cC o n t r o lS y s t e mf o r H y d r a u l i cS u p p o r t si nT h i nC o a lS e a m B y L i uB o S u p e r v i s o r P r o f ．L i uW u f a M a s t e ro fE n g i n e e r i n g 一一 S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g M a y , 2 0 1 3 学位论文原创性声明 ＼删 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者乒＼储 日期芦f 多年暨月弓尸日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 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；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者甚m 日期≯口B 年多月弓1 日 摘要 摘要 我国薄煤层含量约占煤炭总含量的2 0 ％左右【3 0 】，如何有效地开采这些资源 是许多矿井尤其是衰老矿井亟待解决的问题，而且对于高瓦斯矿井来说，开采薄 煤层还可以作为主采煤层的解放层【2 】，所以开发适用于薄煤层的液压支架电液控 制系统是目前充分利用日益减少的煤矿资源一个良好途径，具有良好的市场前 景。 本课题首先总体分析了液压支架各组成部件的功能、液压原理、需执行的动 作与系统的整体架构，在此基础上提出采用三个子系统来实现薄煤层开采问题。 由于其中两个子系统为成熟系统，完成选型后着重分析了液压支架电液控制系统 的设计。 论文从硬件、软件、结构三大方面对薄煤层液压支架电液控制系统进行研究 硬件方面，根据本安设备的要求，依据G B 3 8 3 6 系列标准，开发一个基于 A R M 的液压支架控制器与其子系统电磁阀驱动器，完成了控制器与电磁阀驱动 器的硬件开发，其它直接采用现有的解决方案。 软件方面，采用软件分层设计思想解决系统中各种数据的统一封装和处理问 题，方便数据流的统一控制和管理；采用模块化设计减小代码间的耦合度，并使 程序具有良好的可移植性。并着重对电磁阀驱动器软件进行了分析与设计。 结构方面，隔爆类产品主要依靠结构来完成防爆要求，隔爆外壳是结构设计 的难点，是保证隔爆类产品防爆性能的主要手段，必须满足G B 3 8 3 6 ．2 的要求。 本文着重对隔爆外壳的设计进行了相关研究，为隔爆类外壳的设计提供了设计依 据。 该课题的成功实施，为薄煤层的开采提供了自动化的解决办法，目前已完成 产品的认证所需的安标试验，取得安标证后可直接应用于煤矿井下薄煤层的开 采，同时设计时由于考虑了对中厚煤层，厚煤层的兼容，对其开采也完全满足要 求，可有效地达到工作面减人增效的目的，大大减少工作面的人力投入。 关键词薄煤层，液压支架，电液控制系统 A B S T R A C T A B S T R A C T 。J №c o a ls e a m sc o n t e n to fa b o u t2 0 ％o ft h et o t a la m o u n to ft h ec o a li nC h i n a ． H o wt oe f f e c t i v e l ye x p l o r et h e s er e s o u r c e si so n eo ft h ee m e r g e n t p r o b l e m sf o rm a n y m i n e s ，e s p e c i a l l ya g i n gm i n e s ．B e s i d e st h i s ，f o rt h eh i g hg a sm i n e s ，t h i ns e a mm i n i n g C a na l s os e r v ea st h el i b e r a t e ds e a mo ft h ep r i m a r ym i n i n gc o a lb e d ．T h u s ，i ti sa g o o d w a y t om a k ef u l lu s eo fd w i n d l i n gc o a lr e s o u r c e sb yd e v e l o p i n gt h ee l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i cs u p p o r ta p p l i e dt ot h i nc o a ls e a m s ，a n di th a sa p r o p e r m a r k e tp r o s p e c t s ． T h es t u d yf i r s t l yc o n c e m sw i t ht h eo v e r a l la n a l y s i so ft h ef u n c t i o no fe a c h c o m p o n e n to ft h eh y d r a u l i cs u p p o r t ，t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l e ，a c t i o n st ob ec o m p l e t e d ， a n dt h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m ．B a s e do nt h i s ，a d o p t i n gt h r e es u b s y s t e m s t oa c h i e v et h et h i nc o a ls e a mm i n i n gi sp r o p o s e d ．B e c a u s et w oo ft h es u b s y s t e m sa r e m a t u r e ，t h es t u d yf o c u so nt h ea n a l y s i so fd e s i g no ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e mf o rh y d r a u l i cs u p p o r ta f t e rt y p es e l e c t i o n ． F o rh a r d w a r e ，i na c c o r d a n c e 谢n 1t h er e q u i r e m e n t so ft h ei n t r i n s i c a l l ys a f e e q u i p m e n ta n dt h eG B 3 8 3 6s e r i e ss t a n d a r d s ，ah y d r a u l i cs u p p o r tA R M - b a s e d c o n t r o l l e ra n di t ss u b s y s t e m ss o l e n o i dv a l v ed r i v ea r ed e v e l o p e d ．t h eh a r dw a r e su s e d f o rt h ec o n t r o l l e ra n di t ss u b s y s t e m ss o l e n o i dv a l v ed r i v ea r ea l s oe x p l o i t e d ，a n dt h e e x i s t i n gs o l u t i o np r o g r a m sC a nb eu s e df o ro t h e rp a r t s ． F o rs 0 1 ．a r e ，t h ed e s i g n i n gi d e ao fn - l a y e r ss o f t w a r ei s a d o p t e dt os o l v et h e u n i f i e dp a c k a g i n ga n dp r o c e s s i n ga l lk i n d so fd a t ai nt h es y s t e m ，w h i c hi sc o n v e n i e n t f o rt h eu n i f i e dc o n t r o la n dm a n a g e m e n to ft h ed a t as t r e a m ．T h em o d u l a rd e s i g ni s a d o p t e dt or e d u c et h ec o u p l i n gd e g r e eb e t w e e nt h ec o d e ，w h i c hm a k e st h ep r o g r a m h a sg o o dp o r t a b i l i t y ．T h e nt h es t u d yf o c u so nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g nf o rt h es o R w a r e o ft h es o l e n o i dv a l v ed r i v e ． F o rs t r u c t u r e ，b e c a u s ef l a m e p r o o fp r o d u c t sm a i n l yr e l yo nt h es t r u c t u r et o c o m p l e t et h ee x p l o s i o n - p r o o fr e q u i r e m e n t s ，f l a m e p r o o fe n c l o s u r ei so n eo ft h e d i f f i c u l t i e si ns t r u c t u r a ld e s i g n ，a n di ti sm a i nm e a s u r et og u a r a n t e et h ef l a m e p r o o f p r o d u c t s ’f u n c t i o no fe x p l o s i o n - p r o o f ．T h er e q u i r e m e n to fG B 38 36s e r i e ss t a n d a r d s m u s tb em e t ．T h es t u d yf o c u so nr e s e a r c ho nt h ed e s i g no ff l a m e p r o o fe n c l o s u r ea n d p r o v i d e sd e s i g nb a s i sf o rt h ed e s i g no ff l a m e - p r o o fe n c l o s u r e ． T h eS u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no ft h es t u d yp r o v i d e sa l la u t o m a t e ds o l u t i o nf o r t h i ns e a mm i n i n g ．A tp r e s e n t ，t h es t a n d a r d t e s t i n g o fp r o d u c t s r e q u i r e d f o r T T A B S T R A C T a u t h e n t i c a t i o nh a sb e e nc o m p l e t e d ．T h es y s t e mC a l lb ed i r e c t l ya p p l i e dt om i n i n go f t h i ns e a mi nu n d e r g r o u n dm i n ea f t e ra c h i e v i n gt h es t a n d a r dc a r d ．A tt h es a m et i m e ， d u et ot h ec o n s i d e r a t i o no ft h ec o m p a t i b i l i t y 、析mt h em i d d l et 1 1 i c kc o a ls e a ma n d t h i c kc o a ls e a md u r i n gt h ed e s i g n ，t h es y s t e mc a na l s om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e m i n i n go f t h e s es e a m s ．I te f f e c t i v e l ya c h i e v e st h ep u r p o s eo fr e d u c i n gw o r k f o r c e a n di n c r e a s i n ge f f i c i e n c y ，g r e a t l yr e d u c i n gt h ei n v e s t m e n to fm a n p o w e ro nt h e w o r k i n gs u r f a c e ． K e y w o r d s T h i nC o a lS e a m ，H y d r a u l i cS u p p o r t s ，E l e c t r o - h y d r a u l i cC o n t r o lS y s t e m I I I 目录 目录 1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引。言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．3开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．4 国外支架电液控制系统发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．5国内支架电液控制系统发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．6 本课题研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 2 薄煤层液压支架电液控制系统总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 液压支架各部件功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．1顶梁⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2 掩护梁⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．3 底座⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．3 前、后连杆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．6 推杆【1 7 】【18 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．5 活动侧护板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．7 调底千斤顶⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．8喷雾系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 2 ．3 液压支架液压原理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．4 液压支架动作分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4 ．1 单架单动作与组合动作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4 ．2 单架自动降移升⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4 ．3 成组单动作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4 ．4 成组自动控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．4 ．5 自动跟机功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．4 ．6 自动补压功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 3 2 ．4 ．7 闭锁及紧急停止功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．5 系统总体架构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．5 ．1 工作面支架控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 T V 目录 2 ．5 ．2 井下中央操作站系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．5 ．3 地面工作站⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．5 ．4 三级结构的相互关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．5 ．5 工作面组网形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．6 整体方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．6 ．1 液压支架电液控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17 2 ．6 ．2 工作面视频监控系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19 2 ．6 ．3 工作面集中通讯控制一体化系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 电液控制系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 硬件需求分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．1 工作环境温度要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 ．2 相对湿度要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 2 3 ．1 ．3 周围空间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 2 3 ．1 ．4 功能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．2 硬件设计依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．1 行业标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 ．2国家标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．3 防爆型式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．4 本安型电气设备要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 控制器硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．5 ．1 支架控制器性能指标要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．5 ．2 支架控制器方案比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．5 ．3 支架控制器总体结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 3 ．5 ．4 控制器本安参数核算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．5 ．5 控制器外围接口定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．5 ．6 急停与闭锁设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．5 ．7 人机界面设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．5 ．8 控制器的电源结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．5 ．9 电源变换电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 3 ．5 ．1 0C P U ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 3 ．5 ．1 1 复位 系统监测电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 V 目录 3 ．5 ．1 2 声光报警电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．5 ．1 3 键盘电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．5 ．1 4O L E D 电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 3 ．5 ．1 5C A N 收发模块电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 3 ．5 ．1 6 架间通讯电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 3 ．6电磁阀驱动器硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 3 ．6 ．1 方案选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 3 ．6 ．2 子系统原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 4 3 ．6 ．3 硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 3 ．7 其它元件的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 3 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 4 电液控制系统的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．1 控制器系统的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．2电磁阀驱动器软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 4 ．2 ．1 通信系统程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 1 4 ．2 ．2串口驱动程序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 4 ．2 ．3 电磁阀开关控制和反馈监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5电控控制系统隔爆类产品结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．1隔爆兼本安外壳设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．1 ．1 隔爆的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．1 ．2 隔爆外壳的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 5 5 ．2 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 6 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．1 研究工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．2 本文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 个人简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 在学期间发表的学术论文与研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 Ⅵ 1 绪论 1绪论 1 ．1 引言 液压支架电液控制系统是实现综采工作面生产自动化的核心组成部分。综采 工作面的自动化程度，不仅反映了国家的煤矿综采装备技术水平，同时亦是国家 科技进步水平和科技实力的体现。然而，一直以来液压支架电液控制技术为德国 及美国的专有与专利技术，在技术上进行封锁n 1 ，其运行与维修资料严重匮乏。 研发拥有我国完全自主知识产权的液压支架电液控制系统，不仅可以打破国外的 技术垄断，而且还将为创建我国煤炭行业重大装备自主品牌奠定坚实的基础。 为了掌握具有完全自主知识产权的液压支架电液控制技术，实现液压支架自 动化控制核心技术的国产化，形成产业化生产能力，在河南省科技厅的支持和指 导下，郑煤机集团于2 0 0 7 年6 月立项开始该项目的研究，并以省重大科技专项 “6 米以上大采高高可靠性液压支架及电液控制系统研制”在2 0 0 9 年1 1 月1 4 日上午通过省科技厅组织的中国工程院院士李培根、张勇传等国内知名专家组成 专家组的鉴定及验收。 但是，煤炭是不可再生资源，随着中厚煤层的综合机械化程度的大幅度提高 及大规模的开采，原煤田中开采条件较好的煤层逐渐枯竭，薄煤层综合机械化开 采成为一个研究的重要课题n 1 。纵观我国的国有煤矿，统配8 6 个矿务局 煤业集 团 的5 8 6 个煤矿中，有8 0 个局 煤业集团 4 5 5 个煤矿存在薄或者超薄煤层n ∞晗u 。 地方煤炭管理局小型矿井，其存在薄或超薄煤层的比例更大，并且绝大多数的矿 井均伴有超薄煤层资源n 3 2 1 1 。这些资源主要集中在东南沿海地区的广西、广东、 福建、江苏等地；中南部的四川省东部和重庆市等地；中原一带的山东等省n 3 3 及黑龙江等老矿区。 用于薄煤层的液压支架由于高度低，存在操作空间小，不便维护的问题。如 何研制大量采用传感器获取液压支架乃至工作面的工作状态的薄煤层液压支架 电液控制系统是本论文的研究重点。 1 ．2 研究现状 目前，经过严格的汇报、质询、讨论鉴定等程序，国内通过项目鉴定的液压 支架电液控制系统有两家，分别是由中国煤炭科工集团天地科技股份有限公司控 股的北京天地玛珂电液控制系统有限公司自主开发的电液控制系统，其通过由煤 炭工业协会组织的“液压支架电液控制系统的研制与应用“ 鉴定；由郑州煤矿机 1 1 绪论 械集团股份有限公司自主开发的电液控制系统，通过河南省科技厅组织的“6 米 以上大采高高可靠性液压支架及电液控制系统研制”鉴定。 二者都在近两年来大面积在国内推广，已部分取代德国的进口电液控制系 统，并基本将美国的电液控制系统挤出中国市场。 此外，四川神坤装备股份有限公司、山西平阳广日机电有限公司等几家国内 公司已成功研制液压支架电液控制系统。 到目前为止，市场上国内主流并有销售业绩的几家，分别为北京天地玛珂、 郑州煤机、四川神坤三家，基本上占据了国产电控的销售全部，已初步具备与进 口电控分庭抗礼的能力。 理论研究方面，主要有两篇文献对液压支架电液控制系统作了相应的研究。 参考文献3 以Z Y 9 4 0 0 ／2 S ／6 2 型掩护式液压支架为控制对象，比较完整的设计了 液压支架控制系统，该篇论文主要进行了以下研究工作液压支架控制系统整体 方案设计；建立液压支架控制系统的硬件系统；液压支架控制系统软件设计；液 压支架控制系统上位机监控软件设计，基本上完成了大致的设计流程，但是其采 用了较通用的P L C 作为支架控制器，由于其2 4 VD C 供电电压与通用性设计，没 有考虑到煤矿井下的防爆要求，事实上无法用在煤矿井下，不具有事实上的可操 作性；并且P L C 作为通用的可编程控制器，虽然具有开发周期短，编程较容易实 现的特点，但其由于不是专门为此开发，所以体积相对来说，比现有的控制器大 两三倍，无法适用于煤矿井下控制。 参考文献4 对液压支架的工况和各动作类型进行了分析，设计了支架控制系 统的动作参数，通过对液压系统的建模仿真确定相关的时间参数；提出采用双 C A N 总线构建系统的网络结构，并分别对两条总线进行实时调度设计，完成相应 的协议的设计，并最终完成该系统控制硬件和软件的设计H 1 。相对文献3 来说， 其开始采用A R M 来搭建控制器的核心，但是对其硬件需求没有一个详细的分析， 全文仅仅着重于其总线的搭建，并且同样地对防爆方面没有任何的考虑，可以说， 仅仅是实现了试验室的基本模拟。 1 ．3 开采现状 我国的煤炭资源丰富，赋存多样化，储存量巨大。依据我国煤层厚度划分标 准，小于0 ．8 m 属于极薄煤层，厚度0 ．8 ～1 ．3 m 以下为薄煤层，1 ．3 ～3 ．5 m 为中 厚煤层，3 ．5 m 以上为厚煤层。勘探及开采资料表明，我国约占全国总可采储量 的2 0 ％的薄煤层可采储量约为6 0 亿吨，且分布广泛，薄煤层特点是煤层薄，开 采空间小，工作条件恶劣，掘进率高，受地质构造影响大，回采率低，经济效益 差同时薄煤层开采受政策、技术、装备等诸多因素影响，多年来在各煤矿未得到 2 1 绪论 应有的重视，除特殊短缺煤种外，大部分薄煤层被暂时放弃，丢薄保厚的情况时 有发生，因而造成采储比例失调，缩短了矿井服务年限，给煤炭工业的可持续发 展带来了很大隐患，特别是进入市场经济后，煤炭企业为了追求好的经济效益， 使得很多矿区薄煤层开采处于停滞甚至倒退状态n 副。 薄煤层开采的产量比重在7 0 年代以前，保持在1 6 - - 一1 7 ％之间，与薄煤层储 量相近，8 0 年代以来，中厚煤层和厚煤层机械化装备不断发展，厚煤层采煤工 艺也不断进步 如放项煤开采方法及大采高一次采全高 ，但薄煤层产量比重逐 步下降，1 9 8 8 年降至1 0 ．9 3 ％，1 9 9 6 年为7 ．3 2 ％，到1 9 9 7 年薄煤层产量仅占 6 ．7 3 ％。随着我国倡导建设节约型社会，走可持续发展道路的目标，以及我国煤 机行业技术水平、采矿技术水平及采矿人员素质的不断提高，薄及较薄煤层的开 采装备、技术研究已渐渐引起人们关注n 朝。 2 0 1 2 年7 月，郑煤机组织了对薄煤层开采现状的考察，主要考察范围涉及 了东北龙煤集团的4 个子公司。龙煤集团除鹤岗分公司没有薄煤层采面外，其它 几家分公司基本上已进入薄煤层开采期。目前，采高在0 ．9 5 米以上的薄煤层上 综采已比较成熟，采用液压支架 滚筒采煤机 刮板输送机的方式，基本月单工作 面出煤产量已在3 万吨以上，并朝5 万吨发展。 对于采高在0 ．7 “ - 0 ．9 5 米的薄煤层，目前主要采取单体支柱 采煤机 输送机 的高档普采方式，已实现了月单工作面出煤2 万吨以上。这种方式要求顶、底板 要好 输送机上方无支护 ，但目前来看，0 ．7 ．- 一0 ．9 5 的薄煤层顶、底板由于为 岩层，所以基本上都比较好。但是，单体支护方式对采煤工人来说比较恶劣。第 一，由于单体支柱的乳化液不回收，造成工作面地面潮湿；第二，采面高度低， 所以采面人员基本靠爬行，下肢易得职业病；第三，支护可靠性较差，支护机械 化自动化程度低。所以，在注重工人的安全的将来，高档普采的方式在以后的过 程中会渐渐减少。 总的来说，薄煤层开采存在以下特点 1 作业空间小、工作条件恶劣。 2 机械化程度低。 3 掘进率高、半煤岩掘进问题突出。 4 单产低、经济效益差、投入产出比高。 5 赋存状况较复杂。 6 矿压显现一般比较缓和。 薄煤层开采不利因素主要体现在以下几点 1 机械化程度低。采煤工作面空间狭小，给设计、制造与井下移动设备带 来诸多困难。像0 ．7 米以下的煤层还在采用单体支柱支撑项板，工作条件差。 3 1 绪论 2 产出效率低。由于煤层厚度变化、断层等地质构造，对薄煤层开采影响 较大，生产能力低，一般薄煤层单产只为中厚煤层的l ／3 或更少砼1 。 3 投入产出比高。因为效率低，掘进率高，其开采成本明显高于中厚煤层， 而经济效益不如中厚煤层瞳2 2 | 。 可见，发展机械化、实现综合机械化采煤，是实现薄煤层开采高产高效的唯 一出路，我国在这方面一直在不断努力。 1 ．4 国外支架电液控制系统发展概况 2 0 世纪5 0 年代，液压支架遥控技术被英国列入了研究计划，同世纪7 0 年 代中期，英国煤炭局提出研制电子控制液压支架；1 9 8 1 年澳大利亚的科里曼尔 煤矿最先将电子控制的液压支架用于长壁综采工作面；1 9 8 3 年底英国原道梯公 司又为美国坎赛尔煤矿制造了两按钮式微处理机控制的液压支架，于1 9 8 4 年投 产；英国原伽立克公司1 9 8 3 年3 月研制出“E L E C T R O F L E X ”电液控制系统在 “H e m H e a t h ”投入试验；1 9 8 5 年底英国原道梯公司又研制出第二代全工作面集 中电液控制系统，该系统的主控制台及电源均布置在工作面运输巷内，可实现全 工作面集中控制n2 l 。 德国8 0 年代初开始大力发展液压支架电液控制系统，威斯特伐利亚公司与 西门子公司于1 9 7 8 - - - 1 9 8 4 年间合作研制出德国第一套支架电子控制装置 P a n e r m a t i c E 系统，1 9 8 6 年又研制出P a n e r - m a t i c S 5 支架电控系统，1 9 8 7 年威斯特伐利亚公司与M A R C O 公司合作研制出P M 2 电液控制系统，1 9 9 0 年又研 制出更为先进的P M 3 支架电液控制系统，技术上已相当可靠，在全世界推广应用； 9 0 年代后期威斯特伐利亚公司甩掉M a r c o ，自行改进推出P M 4 系统n2 1 ，而M a r c o 公司到目前为止已更新改代为P M 3 2 系统。 此外，英国原米柯公司、日本三井三池株式会社、德国原赫姆夏特公司Ⅱ2 1 现 合并为D B T 公司，2 0 0 6 年1 2 月被比塞洛斯国际公司收购 、俄罗斯意尔玛等也 都研制成功支架电液控制系统，并推广使用。 美国1 9 8 4 年在西弗吉尼亚州拉弗里吉煤矿装备了第一个使用原英国道梯公 司制造的装有电液控制系统的液压支架的高产高效工作面，并取得成功。到1 9 9 4 年，全美国8 1 个综采工作面中已有7 3 个装备了电液控制的液压支架，占全部综 采工作面的9 0 ％以上，到1 9 9 6 年，比例数又上升到9 2 ．7 ％n 刳。 目前，国外液压支架电液控制技术已发展到相当成熟的阶段，发展十分迅猛， 美国、澳大利亚、南非等国家的煤矿新装备的综采工作面几乎全部采用电液控制 的液压支架u 2 | 。 2 l 世纪初，在国内煤矿形势转好时，德国的D B T 、E E P 、T i e f e n b a c h 、M a r c o 4 1 绪论 大批进入国内市场，同时出口到俄罗斯的的高端液压支架被俄罗斯意尔玛的电液 系统分去一勺羹。但价格昂贵，维护成本高，配件采购周期长。 这期间的电液控制系统基本运用在大采高支架上，很少运用在投入高、产出 低的薄煤层支架上。 1 ．5 国内支架电液控制系统发展概况 我国从2 0 世纪8 0 年代中期开始研制。1 9 9 1 年北京煤机厂研制出第一套B M J I 型支架电液控制系统，在晋城古书院煤矿进行了井下工业性试验，并于1 9 9 2 年 4 月通过初步鉴定，在此基础上改进的第二代B M J I I 型支架电液控制系统 2 0 架 ，于1 9 9 2 年1 2 月至1 9 9 5 年5 月在井下进行工业性试验，但从此即被撂置一 边‘1 引。 郑州煤机厂1 9 9 1 年5 月研制出D Y Z K I 型支架电液控制系统，于1 9 9 2 年5 月在大同四台矿完成2 0 架井下工业性试验，在此基础上又经过多次改进，于1 9 9 3 年9 月开发出D Y Z K - I I 型支架电液控制系统，在邢台煤矿进行井下工业性试验并 通过鉴定，从此即完全停止，国家为上述两厂支架电液控制系统科研项目投入的 经费近3 0 0 万元。n 2 1 煤科总院太原分院研制的Y L T 型支架电液控制系统，于1 9 9 6 年在大同矿务 局马脊梁矿进行了国内第一个全套工作面井下工业性试验，并于1 9 9 7 年7 月通 过鉴定，又于1 9 9 8 年在东胜补连塔煤矿进行了1 6 架试验，现己撤出，国家和协 作单位先后为该项目投入科研经费达5 0 0 多万元。n 2 1 上个世纪国内兴起的这股液压支架电液控制系统研制潮以失败告终，其主要 原因有以下几点 1 受当时基础工业水平的制约，电子元器件的可靠性、材料、加工水平与 国外存在较大差距，造成整个系统井下工作不稳定。 2 批量生产产品达不到样品的加工质量与指标，因此在井下使用故障较多， 没有达到应有的作用。 3 煤矿处于低谷，经济困难，机械化自动化装备资金短缺，电控市场缺少 市场刺激。 进入2 l 世纪后，煤炭形势转暖。高产高效、自动便捷的采煤要求在各