乳化液电液反冲洗过滤装置设计及研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 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。 论文作者签名釜煎 日期沏峰．5 ．，9 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ⑧学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签 名羔型丝日期 ■们q 、b ，‘D 导师签名窝节啊一 日期歹研℃一6 一，。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 乳化液电液反冲洗过滤装置设计及研究 摘要 近年来，随着科技进步以及煤矿高产、高效、安全的生产要求，数字 化工作面逐渐在国内煤矿实现。做为数字化工作面核心设备的液压支架电 液控制系统比传统的手动控制系统对液压介质提出了更高的要求。在液压 支架电液控制系统长期使用过程中，发现工作介质的质量往往成为影响系 统运行状况的重要因素。由于井下环境恶劣，电液控制系统的工作介质难 免受到污染，进而直接影响整个系统的运转，所以乳化液过滤就显得尤为 重要。根据国内外电液控制系统使用的经验，在乳化液供液管路上安装过 滤装置是保证乳化液质量的关键。目前国内外相应的过滤装置其工作原理 都大同小异，但由于设计加工及控制方式等不同，无法达到数字化工作面 高压、大流量以及实现远程控制等要求。鉴于此，对乳化液过滤装置进行 设计及研究具有相当重要的意义。 本文首先介绍了数字化工作面的基本组成及功能，阐述了其核心设备 液压支架电液控制系统中过滤装置的重要性，并介绍了目前几种常见的乳 化液过滤装置；结合国内数字化工作面实际工况，借鉴国内外的同类产品， 并针对其不足之处，设计了一套适用于数字化工作面液压支架电液控制系 统的乳化液电液反冲洗过滤装置来为工作面提供符合要求的乳化液。设计 J ● 部分主要包括对液压系统及控制系统的设计两部分。液压系统设计主要包 括液压回路、高压过滤器组件、大流量二通插装主阀、先导阀以及整体结 构等的设计，控制系统设计主要包括电气元件选型与控制系统电气线路的 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 硬件设计以及以实现压差、时间、手动三种控制方式的程序设计。 然后通过对过滤装置核心元件二通插装阀工作原理、应用的分 析，建立了先导阀控N - 通插装阀的数学建模，并在A M E S i m 环境下建 立其仿真模型，对其动态特性进行仿真研究，结果表明所设计的二通插装 阀具有启闭迅速、流量稳定、且在高压大流量场合下具有良好流量．压力 特性；对液压系统进行A M E S i m 建模与仿真研究，结果表明液压系统能 够在电磁先导阀的控制下进行正常过滤和反冲洗，并具有良好的流量一压 力特性，同时能够实时在线反冲清洗，不影响液压支架电液控制系统的正 常运行。 最后通过制作样机并进行性能试验及现场应用来验证所设计乳化液 电液反冲洗过滤装置能否达到设计要求。 关键词数字化工作面，液压支架电液控制系统，乳化液，反冲洗过滤， A M E S i m 仿真 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 D E S I G NA N DI 己E S E A R C H0 NT H EE L E C T R 0 一 H Y D R A U L I CB A C K F L U S H I N GF I L T E R O FE Ⅶ丁I ，S 1 0 N A BS T R A C T A l o n gw i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c eo v e rt h ey e a r sa n dt h er e q u i r e m e n to f h i g hy i e l d ，h i g he f f i c i e n ta n ds a f ec o a lp r o d u c t i o n ，t h ed o m e s t i cc o a lm i n e s b e g i nt ou s et h ed i g i t a lf a c eg r a d u a l l y ．A st h ec o r ee q u i p m e n to fd i g i t a l w o r k i n gf a c e ，t h eh y d r a u l i c s u p p o r te l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e mh a s h i g h e rr e q u i r e m e n to fh y d r a u l i cm e d i u mt h a nt h em a n u a lc o n t r o ls y s t e m ．I n t h ep r o c e s so f u s i n gt h eh y d r a u l i cs u p p o r te 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 t ’S f o u n dt h a tt h eq u a l i t yo ft h ew o r k i n gm e d i u mh a sb e c o m et h ei m p o r t a n tf a c t o r t h a ta f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ．B a s e do nt h eu s i n ge x p e r i e n c eo fd o m e s t i c e l e c t r i c l i q u i dc o n t r o ls y s t e m ，i n s t a l l i n gf i l t e ra tt h ef l u i dp i p e l i n eo fe m u l s i o n i sak e yw a yt oe n s u r et h eq u a l i t yo fe m u l s i o n ．T h ed o m e s t i ca n do v e r s e a s e m u l s i o nf i l t e r sa r ec o r r e s p o n d i n gt ot h e i rw o r k i n gp r i n c i p l e ，b u tt h ed i f f e r e n t d e s i g np r o c e s s i n ga n dc o n t r o lm o d e ，t h ef i l t e r sc a n ’tm e e tt h ed i g i t a lw o r k i n g f a c eh i g hp r e s s u r e rl a r g ef l o w ，a n dr e a l i z i n gr e m o t ec o n t r 0 1 ．I nv i e wo ft h i s ，i t h a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et od e s i g na n dr e s e a r c ho nt h ee m u l s i o nf i l t e r T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o m p o s i t i o na n df u n c t i o no ft h ed i g i t a l f a c e ，e x p o u n d st h ei m p o r t a n c eo ft h ef i l t e ri nt h ee l e c t r o h y d r a u l i ch y d r a u l i c 1 1 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 s u p p o r tc o n t r o ls y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h es e v e r a lc o m m o n e m u l s i o nf i l t e r s ．I n c o m b i n a t i o nw i t ht h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n so fd o m e s t i cd i g i t a lf a c e sa n d c o n s i d e r i n gt h es h o r t c o m i n g so f d o m e s t i ca n do v e rs e a ss i m i l a rp r o d u c t s g ，t h i s p a p e rd e s i g n sas u i t a b l ee m u l s i o ne l e c t r i ch y d r a u l i cb a c k w a s hf i l t e rf o rt h e d i g i t a lw o r kh y d r a u l i cs u p p o r te 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 n c l u d i n gt h e d e s i g no fh y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m ．T h ed e s i g nh y d r a u l i cs y s t e m m a i n l yi n c l u d e st h eh y d r a u l i cc i r c u i t ，h i g hp r e s s u r ef i l t e rc o m p o n e n t s ，b i gf l o w t w o - w a yc a r t r i d g ev a l v e ，p i l o tv a l v ea n dt h eo v e r a l ls t r u c t u r e ，a n dt h ed e s i g n o fc o n t r o ls y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h es e l e c t i o no ft h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n t s ， h a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o lc i r c u i ta n dt h es o f t w a r ew h i c hc a nr e a l i z e sc o n t r o l t h ef i l t e rb yt h r e ek i n d so fc o n t r o lm o d e d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ，t i m i n g ，m a n u a l ． T h r o u g ha n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o no ft w o w a y c a r t r i d g ev a l v ew h i c hi st h ec o r ec o m p o n e n to ft h ef i l t e r , t h i sp a p e re s t a b l i s h e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，a n dm a k e sm o d e li nA M E S i me n v i r o n m e n ta n d s i m u l a t i o nr e s e a r c ho ni t ’Sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t t h et w o w a yc a r t r i d g ev a l v ed e s i g n e do p e n sa n dc l o s e sr a p i d l y , h a sf l o w s t a b i l i t ya n dag o o df l o w - p r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i ci nh i ．g hp r e s s u r ea n d l a r g e f l o ws i t u a t i o n ．A n dt h e n ，t h i sp a p e rm a k e ss i m u l a t i o ns t u d yo ft h e h y d r a u l i cs y s t e mo ft h ef i l t e rd e v i c ei nt h eA M E S i me n v i r o n m e n t ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v i c ec a nr e a l i z et h en o m a lf i l t r a t i o na n db a c k f u s i n g c o n t r o l l e db yt h ep i l o tv a l v e ，h a sag o o df l o w - p r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c ，C a l l r e a l i z eb a c k - f l u s h i n go n l i n ea n di td o e s n ’ta f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h e I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 h y d r a u l i cs u p p o r tc o n t r o ls y s t e mw h e ni ti sb a c k w a s h i n g ． F i n a l l y ，t h r o u g hm a k i n gp r o t o t y p ep r o d u c t i o n ，e x p e r i m e n ta n d f i e l d a p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rv e r i f i e s t h e d e s i g n e df i l t e r c a nm e e tt h e d e s i g n r e q u i r e m e n t so rn o t ． K E YW O R D S D i g i t a lf a c e ，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 mo fh y d r a u l i c s u p p o r t ，E m u l s i o n ，B a c k - f l u s h i n gf i l t e r ，A M E S i ms i m u l a t i o n V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 数字化工作面简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．1 ．2 乳化液过滤装置的必要性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．1 ．3 研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 国内外发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 1 ．2 ．1 过滤技术发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．2 ．2 煤矿乳化液过滤装置发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 第二章乳化液电液反冲洗过滤装置液压系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 液压回路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．1 ．1 液压回路要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．1 ．2 液压回路及工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～9 2 ．2 高压过滤器设计计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 滤芯组件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 ．2 过滤器简体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 液压阀的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．1 主阀组件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．2 电磁先导阀及排污阀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 整体结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 第三章乳化液电液反冲洗过滤装置控制系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．1 控制方案确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．1 ．1 控制系统主要功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 V I l 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．1 ．2 控制参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 控制系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．1 控制系统电气元件选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．2 控制系统电气线路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 控制系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l 第四章关键元件及液压系统仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1A M E S i m 仿真平台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 二通插装阀动态特性A M E S i m 仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．2 ．1 二通插装阀工作原理及应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．2 二通插装阀数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．3 插装阀A M E S i m 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．4 仿真结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 液压系统A M E S i m 建模与仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 4 ．3 ．】过滤装置液压系统A M E S i m 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 4 ．3 ．2 仿真结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 第五章乳化液电液反冲洗过滤装置试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 ．1 试验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 ．2 试验内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 第六章结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 本文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．2 进一步工作与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6l 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 攻读硕士期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 8 V I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 课题背景及意义 1 ．1 ．1 数字化工作面简介 第一章绪论弟一早瑁记 近年来，随着科技进步以及煤矿高产、高效、安全的生产要求，数字化工作面逐 渐在国内煤矿实现。数字化工作面系统将工作面综采设备、井下各监控系统集成到同 一个信息监测和控制平台，将各子系统的实时数据进行集成、构建数据库，实现各子 系统数据共享，并通过现场控制总线对各个子系统进行集成控制。这也是煤矿未来发 展的重点方向。 数字化工作面系统主要由工作面自动化控制系统、工作面数据集成及监控系统、 工作面数据上传和地面监视系统三大部分组成，是以液压支架电液控制系统为主，整 合乳化液泵站、运输机、采煤机、供配电等控制系统并纳入矿井数字化系统，实现工 作面设备自动控制、工作面巷道监控、地面监视、以及数据、画面适时显示等功能[ 1 H 3 1 。 图】一l 为典型的数字化工作面系统框架图。 调度指挥中心 向 地面图像监视嚣 1 0 0 0 1 f 工业以太网 地面 冈现场 划总线 T C P ／Z P 网1 监视嚣I 井下丌． 液压支架控制嚣 隔爆摄像头 图l - 1 数字化工作面系统框架结构图 F i g ．1 1 D i g i t a lm i n g i n gs y s t e mf r a m e w o r ks t r u c t u r e 1 工作面自动化控制系统 鍪一一 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 将工作面各子系统 液压支架电液控制系统、采煤机控制系统、三机控制系统、泵 站控制系统、语音系统以及组合开关系统 进行集成，通过现场控制总线，实现生产系 统集成化控制和智能化控制。 2 工作面数据集成及监控系统 对综采工作面设备运行状况进行实时监控，对设备运行状态的实时和历史数据进 行全面分析，预防潜在隐患，保障设备开机率，降低非正常停机率，并能确认故障设 备的类型和位置，保障系统高效运行。 3 工作面数据上传及地面监控系统 通过井下工业环网，实现井下主控制计算机与地面计算机联网通信，将工作面各 子系统的实时数据、画面上传至井上，在地面计算机上显示，实现地面监视功能；并 可实现数据反向传输，对综采设备进行远程控制。 1 ．1 ．2 乳化液过滤装置的必要性 随着煤炭开采技术的不断进步，工作面向着高产高效化发展，液压支架要求实现 快速推进及快速移架，电液控制系统由于具有操作的便捷性和程序自动控制功能，为 工作面的快速推进提供了有力的技术保障并得到了广泛的应用【4 H 5 1 。目前国内3 , 1 - 数字 化、自动化、机械化综采工作面都是以液压支架电液控制系统为基础，因此支架电液 控制系统成为制约数字化工作面正常可靠运行的关键设备。 液压支架电液控制系统是液压支架控制方式之一，其核心是采用电液控阀组取代 传统操纵阀组，将人工手动操作变为可由计算机程序控制的电子信号。它既可以实现 单个液压支架的各个支护动作自动连续地动作，也可实现成组液压支架顺序协调地动 作，从而加快支护速度和效率，改善综采三机的联动关系，实现工作面液压支架自动 运行。目前，液压支架电液控制系统已经成为矿井高产高效的生产技术装备，截止到 2 0 1 2 年底，在我国综采工作面的使用量已经达到4 0 0 多套【6 1 。随着液压支架电液控制 系统的不断应用，工作环境对其工作可靠性的影响逐渐凸显出来。在长期使用过程中， 发现液压系统污染问题成为影响整个液压支架电液控制系统运行状况的重要因素。 液压系统中的污染源主要来自 1 残留在系统中的污染物，如在制造加工、装 配、运输等过程中，不可避免地残留一些污染物； 2 系统新生成的污染物，如液压 元件及管路在工作过程中，因磨损或者老化而产生的污染物； 3 系统外部侵入的污 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 染物，如因外界工作环境恶劣，灰尘、水等通过密封表面进入到系统，特别是当密封 面受到破坏或者系统检修时，污染物更容易侵入液压系统。 液压系统污染造成的危害 1 污染物颗粒会堵塞液压元件的节流缝隙，严重时 会卡死管路、阀门，引起运动的失灵，甚至可能酿成事故。 2 在液压缸中如果混入 污染物则会加速密封元件的磨损以及缸体内表面的划伤，使液压缸产生泄漏现象，导 致液压缸推力不足或者动作不稳定，爬行、速度下降，产生非正常的声响与振动。 3 若滤网被污染物颗粒堵塞，将导致液压泵吸油困难，回油不畅而产生噪声、振动，严 重时会击穿滤网，使其彻底失去过滤作用，造成液压传动系统的更加严重的污染。 4 破坏润滑油膜，增大元件的磨损。固体粒子会使润滑油膜破坏而失效，从而加剧元件 的磨损，导致油温的上升，使系统或元件的特性改变，引起传动精度的下降。 5 颗 粒污染物还会加速密封材料磨损。当零件的间隙被固体颗粒所淤塞，会产生磨损的连 锁反应，产生更多的颗粒，从而使整个液压系统的油液质量进一步恶化[ 7 1 。 乳化液泵为液压支架提供动力源，通常在工作面回风巷安装。由于井下环境恶劣， 粉尘大，湿度大，乳化液供液系统很容易受到污染。受到污染的乳化液进入液压支架 电液阀组及各个油缸，加剧了密封件磨损， 维修率增大，严重时使电磁阀组发生串液， 动作。 降低元件的使用寿命，使备件消耗增大， 支架动作缓慢，或者失去动作，无法正常 液压支架电液控制系统对乳化液的清洁度要求很高，根本原因是采用电液控制阀 组代替传统手动片阀组，电液阀组由电磁先导阀和液控主阀组成，是液压支架电液控 制系统的控制元件，通过它的动作实现液压支架的各个动作【8 1 。由于其先导阀的通径 和位移量都很小，对通过的乳化液清洁度有较高的要求。如果乳化液过滤精度达不到 要求，往往会使先导阀因串液或堵塞而动作失灵，从而导致液压支架无法正常动作。 目前所使用的电液阀组都要求乳化液经过过滤精度为2 5 I ，t m 过滤器的过滤。 综上所述，数字化工作面支架电液控制系统对于乳化液质量有较高的要求，特别 是对清洁度的要求。经过多年研究及现场使用经验，在乳化液供液管路安装高精度高 压过滤装置，提高乳化液清洁度，保证液压元件在高清洁度乳化液中运行，对于数字 化工作面支架电液控制系统正常运行，提高系统运行安全性、可靠性以及设备使用寿 命具有重要意义。 1 ．1 ．3 研究的目的和意义 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 鉴于乳化液的清洁度对液压支架电液控制系统工作可靠性的影响非常大，经过多 年现场使用经验，目前常用的液压支架过滤系统如图1 ．2 所示， 1 在乳化液泵站出 口设置过滤精度为4 0 p r o 高压过滤站； 2 在每台支架进液管路与电液阀组之间安装 过滤精度为2 5 p r o 的反冲洗过滤装置[ 9 1 - 【1 0 】 3 在电液阀组先导阀前安装过滤精度为 2 5 j a n 先导阀过滤器，可以更好地保护先导阀。 反冲洗过渡器 图1 - 2 液压支架过滤系统示意图 F i g ．1 - 2H y d r a u l i cs u p p o r tf i l t e r i n gs y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m 本文研究的目是在借鉴国内外同类产品、并结合国内煤矿实际工况设计一套适用 于数字化工作面的高压、大流量、高精度的乳化液过滤装置。该装置用于井下工作面 液压液压支架电液控制系统中，作为系统乳化液泵站出口的第1 级过滤，安装于泵站 与液压支架之间，可有效清除乳化液中对后续设备的有影响的杂质等污染物，提高乳 化液的清洁度，保护后续液压元件电液阀组、支架各种液压缸及阀类元件的目的， 保证液压支架电液控制系统长时间正常、可靠地运行I L 1 ] ’[ 1 3 】。 该装置能够安全、快速、可靠地对高压乳化液进行有效的精密过滤，并能在无需 停机、无需解体的情况下，在线对高压过滤器滤芯组件进行自动清洗；过滤精度可达 到2 5 1 a m ，流量2 0 0 0 L ／m i n ，最高耐压4 0 M P a ；具有自动反冲清洗功能，通过设定程序 可自动、定时或定期对滤芯进行反冲清洗，使其保持清洁状态，保证过滤工作正常进 行；可实现过滤装置状态数据实时显示，同时可将其实时数据通过井下环网与井下主 机共享或上传至地面调度试进行集中或远程控制。 1 ．2 国内外发展现状 I ．2 ．1 过滤技术发展 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 过滤与分离机械是对气体、液体、固体的单相或多相混合物进行净化分离或分级 的设备，经过多年发展，已经取得了一定的进步。近年来由于全球能源、环保等行业 的需求，过滤技术得到越来越多的重视。目前发达国家己形成了过滤与分离行业的企 业联合化，资本公众化，市场贸易、技术和信息一体化的格局[ 1 4 ] 。过滤设备进入高速 发展的时代，高科技、高性能的设备不断出现，其发展趋势主要有以下几个方面 1 高参数化发展。 a 大规格，生产规模不断扩大，需要具有更高单机处理 能力的设备 b 高速率，为提高工作效率，需要更高过滤速度的设备； c 高精 度，为提高处理物料的纯净度，需要精度更高的设备； d 高压力，为适应特殊场合， 过滤设备具有更高的耐压性。 2 多功能化发展。出现组合式多用途的过滤设备，例如一个过滤设备可具有过 滤、脱水、烘干等多种功能。 3 自动化控制发展。为了提高生产效率以及适应特殊场合，过滤设备向着全自 动无人值守，并能够连续作业的方向发展。 4 新型过滤材料发展。过滤材料作为过滤设备的核心，过滤材料既要适应复杂 的工况，又要具有良好的工作特性。近年来一些具有高精度、高强度、耐磨抗腐蚀的 过滤材料不断出现。 5 机型多样化发展。为有效分离一些难以分离的物料、微粒而研制新型专用过 滤设备。 近年来比较先进的过滤设备具有自动清洗过滤介质的功能，在各行业得到了广泛 地应用。普通过滤设备在过滤的过程中，液体中的杂质会被拦截而堆积在过滤介质表 面，使过滤阻力增加，过滤介质压降增大，过滤效率降低，因此需要定期对滤芯进行 清洗或更换。此过程既费时费力，又必须中断过滤，不能实现连续工作，从而影响整 个液压系统的连续工作【”】。而自清洗过滤设备具有自动在线排污，不影响正常过滤， 实现连续过滤；而且结构紧凑、运行平稳可靠、使用寿命远远大于传统过滤装置等优 点，可以解决这一系列问题【1 5 】。 自清洗过滤器可对过滤介质表面堆积的杂质进行自动清洗，同时能够保证过滤连 续进行。其形式多种多样，根所清洗方式的不同可分为吸污式 通过吸嘴利用高压吸 力使滤渣从过滤介质表面脱离并排出过滤器 、刷式或刮式 利用刷子或者刮板使过 滤介质表面滤渣脱离并排出过滤器 、反冲洗式 利用逆流液体反冲使滤渣脱离过滤 5 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 介质并排出过滤器 。表1 ．1 为常见自清洗过滤器的分类表。 袁1 - 1自清洗过滤器分类 T a b ．1 - T h es o r t so fs e l f - c l e a n i n gf i l t e r s 清洗方式清洁元件运动方式驱动方式 过滤介质 吸嘴 吸污式 吸污器 周向旋转运动；旋转运动本身液力、电机、磁力； 螺旋运动；直线运动气缸、磁力 通过丝杆可交换金属编织滤网、楔 刷式刷子、刮板等轴线上下运动旋转运动转变为直线运动 ；形网、盘片式、纤 维式等 电磁换向阀 反冲洗式逆流液体 机械切换 如手动球阀 1 ．2 ．2 煤矿乳化液过滤装置发展 煤矿井下工作面乳化液过滤，最开始使用筒式过滤器，这种过滤器随着过滤的进 行，乳化液中的杂质逐渐在滤网表面堆积，导致滤网两侧压降不断增大，同时过滤效 率也随之下降，需要人工定期对滤网进行清洗或者更换滤芯。这种方式主要有以下几 点缺点 1 需要配备专门人员定期进行维护，工作量大，自动化程度低； 2 清洗或更换滤芯时，必须停止液压系统工作，使采煤工作效率降低； 3 井下环境恶劣，清洗或更换滤芯时，容易对液压系统造成二次污染； 4 滤网堵塞情况不容易判断，易造成滤网因承受压差过大而失效。 近年来随着过滤技术的发展，煤矿出现了一种具有清洗功能的高压过滤装置。该 过滤比一般过滤器具有更高过滤精度和更大流量，考虑到井下使用条件，这种具有清 洗功能的高压过滤器多采用逆流液体来进行清洗滤网。它可通过人工观察过滤装置进 出口压力判断滤网的堵塞情况，并通过手动控制三通阀可实现逆流反冲清洗滤网。图 1 ．3 为两种常见的手动高压反冲过滤站实物图，采用两组过滤装置，每个过滤装置由 两个过滤单元和两个手动三通球形截止阀组成。正常过滤时，乳化液经过两个过滤单 元过滤后进入液压支架；反冲洗时，通过三通球阀关闭一个过滤单元，另一过滤单元 继续过滤，同时部分的液体逆流通过关闭的过滤单元的滤网，从而清洗滤网表面的杂 质与脏物。 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 图l - 3 手动反冲洗过滤站 F i g ．1 - 3 M a u a lb a c k w a s hf i l t e rs t a t i o n 考虑便于自动控制或者集成控制，近几年国内外一些煤机制造厂家研制出了一种 具有自动反冲清洗滤网的高压过滤站。这种过滤站是在手动控制反冲清洗过滤站的基 础上经过改进而来的。它采用压力传感器检测过滤站进出口压差，自动判断过滤装置 滤网的堵塞状况，并在适当时机控制反冲清洗