支架用阀类元件性能测试系统设计与仿真研究.pdf

component perance test software in LABVIEW2011, which set data acquisition, data processing, graphics display, data query, report generated as a whole, and complete perance test about different types of valve components in hydraulic support. Through experiment analyzed for test system static characteristics, the results show that the static characteristics of each channels are in good condition. Finally, based on laboratory equipment. FCYCS-F comprehensive experiment plat, established the hardware test plat for function verification, experiments show that the functions of the test system could satisfy the requirement of national standard examination. Key wordshydraulic; support; valve; detection;AMESim; LABVIEW ThesisApplication Research 目录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 课题的研究背景及意义.............................................................................................. 1 1.1.1 课题研究背景................................................................................................... 1 1.1.2 课题研究目的及意义........................................................................................2 1.2 课题国内外研究现状.................................................................................................. 3 1.2.1 现代测试技术研究现状及发展趋势................................................................3 1.2.2 液压仿真技术研究及发展趋势........................................................................5 1.3 课题研究内容..............................................................................................................6 1.4 小结..............................................................................................................................7 2 检测参数确定及系统总体方案............................................................................................. 8 2.1 安全阀性能测试..........................................................................................................8 2.1.1 安全阀的结构及工作原理................................................................................8 2.1.2 安全阀测试项目及主要参数............................................................................9 2.2 换向阀性能测试........................................................................................................10 2.2.1 换向阀的结构及工作原理..............................................................................10 2.2.2 换向阀测试项目及主要参数..........................................................................11 2.3 液控单向阀性能测试................................................................................................ 12 2.3.1 液控单向阀结构及工作原理..........................................................................12 2.3.2 液控单向阀测试项目及主要参数..................................................................12 2.4 截止阀性能测试........................................................................................................14 2.4.1 截止阀结构及工作原理..................................................................................14 2.4.2 截止阀测试项目及主要参数..........................................................................14 2.5 测试系统总体方案.................................................................................................... 15 2.5.1 硬件系统设计................................................................................................. 16 2.5.2AMESim 建模仿真验证................................................................................. 16 2.5.3 测试系统软件设计..........................................................................................17 2.6 小结............................................................................................................................18 3 系统硬件设计.......................................................................................................................19 3.1 液压模块....................................................................................................................19 3.1.1 液压回路设计................................................................................................. 19 3.1.2 关键元件选型................................................................................................. 20 目录 II 3.1.3 管道计算......................................................................................................... 22 3.2 测量模块....................................................................................................................24 3.2.1 传感器的选型与安装......................................................................................24 3.2.2 调理电路设计................................................................................................. 24 3.2.3 数据采集卡选型............................................................................................. 26 3.2.4 工控机选型..................................................................................................... 26 3.3 电气控制模块............................................................................................................26 3.4 小结............................................................................................................................27 4 液压支架阀类元件性能仿真分析....................................................................................... 28 4.1 先导式溢流阀公称流量启溢闭特性仿真.................................................................28 4.2 电液换向阀压力流量特性仿真.................................................................................30 4.3 电液换向阀内泄漏特性............................................................................................ 33 4.4 液控单向阀压力流量特性仿真.................................................................................36 4.5 截止阀压力流量特性仿真........................................................................................ 39 4.6 小结............................................................................................................................41 5 测试系统软件设计...............................................................................................................42 5.1 测试软件总体结构.................................................................................................... 42 5.2 项目管理和运行菜单................................................................................................ 44 5.2.1 项目管理......................................................................................................... 44 5.2.2 运行菜单......................................................................................................... 44 5.3 软件设计主程序........................................................................................................45 5.4 设置模块....................................................................................................................46 5.4.1 参数设置......................................................................................................... 46 5.4.2 报表存储路径................................................................................................. 48 5.5 测试项目模块............................................................................................................48 5.5.1 特性试验......................................................................................................... 48 5.5.2 耐久性能试验................................................................................................. 49 5.5.3 密封试验......................................................................................................... 50 5.5.4 强度试验......................................................................................................... 51 5.6 数据管理模块............................................................................................................52 5.6.1 数据查询......................................................................................................... 53 5.6.2 报表生成......................................................................................................... 53 5.7 小结............................................................................................................................55 6 测试系统性能分析与功能验证........................................................................................... 56 目录 III 6.1 测试系统性能分析.................................................................................................... 56 6.1.1 测试系统静态特征参数..................................................................................56 6.1.2 静态特性实验方法..........................................................................................57 6.1.3 各测试通道精度分析......................................................................................58 6.2 功能验证....................................................................................................................61 6.3 小结............................................................................................................................63 7 结论与展望...........................................................................................................................64 7.1 结论............................................................................................................................64 7.2 展望............................................................................................................................64 致谢..........................................................................................................................................66 参考文献..................................................................................................................................67 附录..........................................................................................................................................70 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题的研究背景及意义 液压支架是煤矿综采工作面支护系统的核心设备，在煤炭开采过程中有着非常重要 的地位，用来支护煤层顶板、维护安全作业空间、推移工作面采运设备等，最大程度的 保障了井下工作人员和开采设备的安全[1]。支架用阀类是液压支架各项动作的关键控制 元件，其性能的好坏直接影响液压支架的工作状态。因此，对支架用阀类元件性能的检 测显得非常必要。 1.1.1 课题研究背景 煤炭资源是我国的优势矿产资源，已探明储存量位居世界前列，改革开放以来煤炭 资源作为我国的基础能源强有力了推动经济的快速发展，并且在今后很长一段时间内煤 炭资源将依然在我国能源消耗结构中占据最大比重[2]。 近些年随着煤炭资源的不断开采， 矿井深度逐年增大，当前，我国 95的煤炭开采是矿井作业，复杂的工况环境进一步加 大了开采的难度，从而对矿井支护系统的性能提出了更高的要求[3]。与此同时矿井支护 系统中所用阀类元件的性能指标不断向高压力、大流量方向发展。液压支架作为矿井支 护系统的核心设备，其作用主要是安全有效的支撑巷道工作面顶板，隔离采空区，最大 限度的保障工作人员和生产设备的安全[4]， 其性能的好坏影响井下煤炭生产的安全进行。 液压支架阀类元件是液压支架的核心控制部件，不同阀类元件之间相互配合完成液 压支架的升降、移位等动作。由于液压支架工作压强大、工作环境恶劣，液压支架阀类 元件经常会出现磨损、疲劳、变形、腐蚀等故障，加上液压冲击现象都会影响到阀类元 件的性能[5-6]。阀类元件性能不达标会对液压系统的稳定性和安全性产生巨大的影响，直 接、间接导致液压支架出现故障，从而引起安全事故。液压支架故障是引起煤矿顶板事 故的主要原因之一。顶板事故是指在煤炭开采过程中煤层顶板的意外冒落，可能造成工 作人员伤亡、生产设备损坏、巷道塌方、生产终止等事故。虽然顶板事故造成的伤亡人 数不如瓦斯爆炸、水灾、火灾等重大事故伤亡人数多，但是顶板事故发生频率高，是在 生产过程中需要监督检查的工作重点[7]。 统计煤矿事故发生的数据可以知道，煤矿顶板事故多发生在工作面回采、巷道掘进 时工作面切眼等过程，其事故数量占总顶板事故比例的 95以上。在国家煤矿安全监察 局公布的一组数据显示，2001 到 2013 年间发生的煤矿事故中顶板事故所占比例高达事 故总数的 47.9， 由顶板事故造成的工作人员伤亡数量占全部伤亡人数的 24.5[8]。 仅在 20122014 年共发生顶板事故 81 起，其中 2012 年全年煤矿顶板安全事故 32 起，死亡 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 93 人，2013 年全年煤矿顶板安全事故 32 起死亡 50 人，2014 年全年煤矿顶板安全事故 17 起，死亡 51 人[9]。 由煤矿顶板事故引发的人员伤亡数字触目惊心，因此，为保障煤炭开采过程中支护 系统安全可靠的运行，确保工作人员和生产设备的安全，提高生产效率，依照国家标准 对支架用阀类元件进行性能测试显得尤为重要。 1.1.2 课题研究目的及意义 支架阀类元件性能测试是液压支架整机性能测试中很重要部分之一。目前主要的性 能测试方式包括阀类元件的出厂性能试验和正常使用过程中定期维护检修两种[10]。由于 支架阀类元件结构和性能测试方法的特殊性，阀类元件性能实时在线监测不易实现。 目前，对阀类元件的性能测试方式主要是基于液压试验台，然而，由于煤矿地质条 件的影响，不同架型的液压支架参数相差很大，阀类元件的性能测试所用液压试验台没 有统一的参数指标， 很多煤矿企业液压试验台只能完成国家标准中要求的个别测试项目， 例如安全阀密封试验和强度试验、换向阀换向性能试验、密封性试验等，远没有达到国 家标准的要求，给支护系统的安全运行带来隐患。 在调研过程中发现神东集团大柳塔煤矿维修中心现有的液压支架阀类元件性能测试 试验台是由生产工人自行设计，无法保证测试精度，且测试功能比较单一，无法完成国 家标准 GB25974.3-2010煤矿用液压支架第 3 部分液压控制系统及阀中要求的大部 分性能试验。通过增压泵实现增压，且只能完成简单的阀类元件密封和强度试验，试验 过程中需要实验人员手动调节改变系统压力、流量，实验数据由精度不高的表盘显示， 需要人工读取仪表数据并手动记录和绘制实验曲线，自动化程度较低、只能对被试元件 性能有一个粗略评价、 实验人员工作量比较大， 测试效率较低无法满足煤矿生产的需求。 本课题以国家标准 GB25794.3-2010 为理论依据，以支架用阀类元件（安全阀、换 向阀、液控单向阀、截止阀）为研究对象，基于现代测试技术、传感器技术、液压仿真 技术和虚拟仪器技术开发用于支架阀类元件性能检测的测试系统，集信号采集、数据处 理、图形显示、数据存储和报表生成为一体。它有以下特点 （1）液压试验台采用模块化思想。液压模块由两台电机和柱塞泵组成，可满足系 统流量在被试阀公称流量范围内梯度变化；测试模块之间相互独立，不同测试模块的被 试阀在出口处共用一个流量传感器，节约了资源和占地空间；该试验台可完成国家标准 中所要求的阀类元件绝大多数性能测试项目，提高了测试效率； （2）液压试验台选用高精度的压力、流量、温度传感器，并设计稳定性能较好的 信号调理电路，保证测试精度满足国家标准要求； （3）充分发挥了计算机数据采集速度快、存储容量大、运算处理能力强等优点， 并且实时显示实验数据曲线。操作界面简单，实验人员不需要专业培训即可完成阀类元 1 绪论 3 件性能测试试验； （4）在开发软件中添加数据离群点剔除处理，剔除实验数据中影响较大的干扰信 号，提高测试精度。 （5）基于虚拟仪器开发软件 LABVIEW2011，完成传感器校正、信号采集、数据处 理、曲线绘制、数据存储、数据查询、数据报表生成等一系列功能，从而减少工作人员 的工作量，降低了劳动强度，提高了测试效率； 综上所述，本课题研发的支架用阀类元件性能测试系统充分发挥了计算机的优势， 提高了阀类元件性能试验台精度、测试效率，为我国煤矿液压支架阀类元件性能测试方 法提供了新的技术手段，具有重要的现实意义。 1.2 课题国内外研究现状 1.2.1 现代测试技术研究现状及发展趋势 测试技术是指人们借助于一定的装置，从被测对象中提取特征量，经过信号处理后 在特定装置中显示，它是人们认识客观事物并掌握其客观规律的一种科学方法。现代测 试技术是融合了计算机技术、智能传感技术、信息处理技术等众多领域与学科的应用学 科。它是衡量一个国家科学技术水平和现代化程度不可或缺的重要指标之一。目前现代 测试技术的应用重心主要在非电量的测量和传感器的应用方面[11]。现代测试技术普遍应 用于工业生产、现代化农业、国防建设、医疗、交通运输、环境保护等方面，并且越来 越多的出现在人们日常生活中。测试系统是用来对被测特性定量测试或定性评价的仪器 或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环境和假设的集合，是用来获取测试 结果的整个过程[12]。现代测试系统主要是由激励装置、测试对象、信号采集设备、信号 调理电路、数据分析处理等几部分构成[13]。 高性能测试仪器仪表是保障测试精度的关键因素之一，因此，国外企业对于测试测 量仪器的研发非常重视。 “工业 4.0”给测量设备提供了新的发展机遇，新型高性能、高 精度的测量设备不断涌现，例如便携式测试仪、视觉在线测试仪、机器人在线检测、微/ 纳米级检测等等[14]。从最近几年的发展来看，国外测量仪器生产厂家将研究的重点放在 新的半导体材料的使用、高端专用芯片的研发和全新测量方法的研究上，力图继续保持 领先的优势[15]。 我国测试测量技术起步比较晚，基础相对薄弱，加之我国现代化程度不高，在过去 的很长一段时间内测试测量技术发展缓慢。改革开放以来，随着我国现代化建设步伐的 不断加快，测试测量技术也迎来了新的发展机遇，得益于“中国制造 2025”国家战略目 标的推动，过去的几年中，我国的测试测量仪器行业发展迅速，其中一些高端测试仪器 的技术指标已经达国际领先水平，例如多功能示波器、射频微波信号发生器、PXI 模块 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 化测量仪器、高灵敏度荧光检测器等。但是就整体而言，测量仪器在稳定性、可靠性、 精度等方面与国外同类产品相比还有不小的差距。相信随着国家重视力度的不断增大， 在不久的将来，我们在测试测量仪器方面必将有一定的话语权[16]。 信号处理是测试测量的关键环节之一，近年来，多数据融合、模糊信息识别处理和 神经网络技术在理论研究上有了新的突破，实践证明，将这些新的信息处理方法应用于 现代测试技术中将很大程度上提高测试系统的性能[17]。例如利用多传感器数据融合技术 提高测试系统的可靠性与精度；利用神经网络在拓扑结构、权重自适应的灵活特性，完 成测试仪器的标定和实验数据的故障诊断等。新的信息处理技术方兴未艾，必将给现代 测试技术带来新的革命。 现代测试技术在液压系统中也有广泛的应用，通常将测试技术和控制技术在液压系 统中的应用叫做液压测控技术。传统的液压测控技术以静态特性测试为主，仅能满足一 些必要的工作应力和环境模拟，经过近十年的发展，现在已经发展到完成动态特性、微 观特性以及系统匹配性能的测试。测试设备也从最开始的以手动操作、二次仪表显示， 到现在的以计算机为中心，集数据处理、分析、报表打印为一体的测试系统[18]。国内液 压测试技术主要是利用计算机实现不同测试项目中压力、流量、温度、转速、频率等参 数的采集以及控制。液压测试技术发展的标志之一是液压试验台的精度等级。这几年我 国在液压测试系统研究方面有了很大的发展，例如以上海交大为主设计研发的 B 级精度 液压阀计算机测试系统；华中理工大学设计研发的液压泵、液压缸、电液伺服阀计算机 测试系统；北京理工大学设计研发的液压马达传动计算机测试系统；广州机床研究所研 发设计的液压泵性能实时监测系统等[19]。 工业现代化的发展趋势不仅给现代测试技术提供了便利的发展条件，与此同时也提 出了更高的要求，从目前情况来看，虚拟仪器的开发和利用将会成为现代测试技术的的 发展方向[20]。 20 世纪 80 年代中期美国国家仪器公司推出虚拟仪器，目前市场上已经出现 LABVIWE、HPVEE 等成熟的的开发系统，并在虚拟仪器智能测试方面积累了一定的经 验。虚拟仪器是利用计算机显示器模拟传统测试测量仪器的控制界面，并且按照用户的 需求显示测试结果，由 I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，并将信号输送到计 算机，利用计算机强大的数据处理能力完成各项测试功能[21]。虚拟仪器是由硬件平台和 应用软件两部分构成的，其系统结构如图 1.1 所示。 1 绪论 5 图 1.1 虚拟仪器组成结构 由图可知虚拟仪器主要是数据采集、数据处理、数据显示显示三部分组成。 虚拟仪器优势主要表现在以下几个方面[22-23] （1）打破传统测试方法，充分发挥了计算机强大的硬件、软件资源来完成测试功 能； （2）用户可以根据自己的需求在软件设计中定义测试仪器，利用软件完成传统仪 器不可能完成的硬件测试功能，即所谓的“软件就是仪器”； （3）虚拟仪器采用模块化设计结构，系统具有良好的开放性和可扩展性； （4）虚拟仪器基于计算机网路技术和接口技术，具有方便、灵活的能力； （5）强大的信号处理、分析功能可实现各种测试功能。 1.2.2 液压仿真技术研究及发展趋势 由于流体非线性的特点，自 20 世纪 50 年代液压仿真技术出现以来，液压仿真技术 发展缓慢，随着计算机技术、数学建模方法、控制理论的不断发展，液压仿真技术日益 成熟， 现已成为工业生产产品设计中必不可少的技术手段。 随着机电一体化技术的发展， 液压传动技术与控制系统在大型机械装备中的重要性进一步提高，末端执行机构对动作 的快速性，准确性和稳定性要求的不断增加也对液压系统动作的控制精度、复杂程度、 动态响应特性提出了更高的要求。通过软件仿真可有效缩短设计周期，减少试验成本以 及试验工程中存在的不确定的安全隐患，通过仿真数据的分析评价，为液压系统及整机 的优化提供理论依据[24-25]。目前市面上常用的液压系统仿真软件主要有 fluidSim、 HyPneu、AMESIim、MATLAB 等[26]。 AMESim（Advanced Modeling Environment for Pering Simulation of Engineering System）系统建模仿真平台是法国 Imaging 公司在 1995 年推出的主要用于液压/机械系 统建模、仿真及动力学分析软件[27]。能够实现对机械、电气、液压、气动等多个领域的 西安科技大学全日