液压缸精准推移试验系统设计研究_孟令宇.pdf
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1、液压缸精准推移试验系统设计研究孟令宇1,2,周如林1,郭资鉴1(1.北京天玛智控科技股份有限公司,北京101399;2.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京100083)摘要:综采工作面液压支架连续动作后产生位置偏移,影响采煤机截割效率。针对上述问题,在对综采工作面液压系统进行机理分析的基础上,建立了系统压力、流量与液压缸位移之间的耦合关系,设计并搭建了一种以乳化液/纯水为传动介质的液压缸精准推移试验平台,可以完成液压缸偏载、侧向加载等试验。该试验平台由液压测试系统、油压调节系统、电气控制系统、数据采集系统、上位机软件、加载试验台架等组成,其中油压调节机构调整液压缸工作姿态,数据采集系
2、统实时监测测试液压缸压力、流量、位移、温度等数据,加载试验台架将液压支架、刮板输送机及采煤机等效为质量可调的重物。试验台采集频率 2000Hz,公称压力 31.5MPa,公称流量 400L/min,测试液压缸缸径 100240mm、行程 4001800mm,工作阻力不低于 100kN,可满足不同工作状态下推移液压缸动作机理研究。经测试,系统流量为 126L/min 时,推移液压缸位移控制误差接近 20%;系统流量为 50L/min 时,推移液压缸位移控制误差稳定在 7%以内。试验结果表明液压缸伸、收瞬态动作在工作过程中可以忽略,位移控制误差主要由阀类控制部件响应延迟导致,且随着系统流量的增加,
3、控制误差呈线性关系增加,验证了双速调压阀大流量快速动作,小流量精准调节控制方案的可行性。液压缸精准推移试验系统适用于液压缸精确控制及液压缸集群协同控制研究,为实现高压大流量综采工作面液压支架精准控制提供试验手段。关键词:液压缸;位移精准控制;压力-流量耦合;压力检测中图分类号:TH137.5;TB42文献标志码:A文章编号:02532336(2023)06023709Design and research of hydraulic cylinder precise control test systemMENGLingyu1,2,ZHOURulin1,GUOZijian1(1.Beijing
4、Tianma Intelligent Control Technology Co.,Ltd,Beijing 101399,China;2.School of Mechanical Electronic&Information Engineering,ChinaUniversity of Mining&Technology-Beijing,Beijing 100083,China)Abstract:Thepositiondeviationafterthecontinuousactionofthehydraulicsupportinthefully-mechanizedminingfaceaffe
5、ctsthemin-ingefficiencyoftheshearer.Inviewoftheaboveproblems,themechanismofthehydraulicsystemofthefully-mechanizedminingfaceisanalyzed,thecouplingrelationshipbetweenthesystempressure,flowandthedisplacementofthehydrauliccylinderisestablished,andahydrauliccylinderprecisedisplacementtestplatformwithemu
6、lsion/purewaterasthetransmissionmediumisdesignedandbuilt,whichcancarryouteccentricloadandlateralloadexperimentsofthetesthydrauliccylinder.Thetestplatformiscomposedofhydraulictestsys-tem,oilpressureregulationsystem,electricalcontrolsystem,dataacquisitionsystem,uppercomputersoftwaresystem,loadingtestb
7、ench,etc.Theoilpressureregulationmechanismadjuststheworkingattitudeofthehydrauliccylinder,thedataacquisitionsystemmonitorsandteststhepressure,flow,displacement,temperatureandotherdataofthehydrauliccylinderinrealtime,andtheloadingtestbenchequatesthehydraulicsupport,scraperconveyorandshearerasadjustab
8、leweight.Dataacquisitionfrequencyofthehydrauliccylinderprecisecon-troltestsystemis2000Hz,thenominalpressureis31.5MPa,thenominalflowis400L/min,thetesthydrauliccylinderhasacylinderdiameterof100-240mm,astrokeof400-1800mm,andtheworkingresistanceislargerthan100kN,whichcanachievetheworking收稿日期:20220329责任编
9、辑:周子博DOI:10.13199/ki.cst.2022-0448基金项目:中国煤炭科工集团科技创新创业基金资助项目(2020-TD-MS009);北京天玛智控科技股份有限公司资助项目(2022TM010-J1,2022TM015-J1)作者简介:孟令宇(1990),男,山东金乡人,助理研究员,博士研究生。E-mail:第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023孟令宇,周如林,郭资鉴.液压缸精准推移试验系统设计研究J.煤炭科学技术,2023,51(6):237245.MENGLingyu,ZHOURulin,G
10、UOZijian.DesignandresearchofhydrauliccylinderprecisecontroltestsystemJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(6):237245.237mechanismofthehydrauliccylinderundervariableworkingconditions.Whenthesystemflowis126L/min,thedisplacementcontroler-rorofthetestedhydrauliccylinderiscloseto20%;whenthesystemflowis50L/m
11、in,thedisplacementcontrolerrorofthetestedhydraul-iccylinderisstablewithin7%.Theexperimentalresultsshowthatthetransientactionofhydrauliccylinderextensionandretractioncanbeignoredintheworkingprocess,andthedisplacementcontrolerrorismainlycausedbytheresponsedelayofvalvecontrolcomponents,andthecontrolerr
12、orincreaseslinearlywiththeincreaseofsystemflow,whichverifiesthefeasibilityofthehighflowrapidactionandsmallflowpreciseregulationcontrolschemeofthetwospeedpressureregulatingvalve.Thehydrauliccylinderprecisecontroltestsystemisapplicabletotheresearchontheprecisecontrolofhydrauliccylinderandthecoordinate
13、dcontrolofhydrauliccylindercluster,andprovidesanexperimentalmethodforrealizingtheprecisecontrolofhydraulicsupportinhigh-pressureandlargeflowfully-mechanizedminingface.Key words:hydrauliccylinder;precisedisplacementcontrol;pressureflowcoupling;pressuredetection0引言推移液压缸是智能化采煤工作面的关键设备之一,其与电磁换向阀组成的执行机构在
14、少人化、无人化采煤中起到至关重要的作用1-3。目前主要通过磁致伸缩传感器测量的位置信息与设定目标值进行对比,由控制器发出指令控制电磁换向阀对推移液压缸进行位置闭环控制4。由于电磁换向阀、液路中辅助阀等部件响应延迟、管路弹性模量小、惯性负载大等因素,导致推移液压缸控制误差大5-6。当工作面采煤机完成一刀割煤,推移液压缸完成拉架动作后,液压支架不能维持一条直线,从而影响下一刀割煤进程。因此,推移液压缸的精确控制对于智能化采煤工作面建设具有重要意义7-8。近年来,综采工作面供液系统逐渐向高压大流量方向发展,这一发展趋势进一步加大了推移液压缸控制误差,成为制约无人化采煤发展的主要障碍9-10。由煤炭科
15、学研究总院起草颁布的 GB25974.12010煤矿用液压支架第 1 部分:通用技术条件11和 GB25974.22010煤矿用液压支架第 2部分:立柱和千斤顶技术条件12对推移液压缸出厂要求做出了明确规定,但针对液压缸控制方面没有要求。随着高产高效及少人化、无人化工作面目标的提出,需要对推移液压缸精确控制进行研究,但是现有的试验设备主要是针对液压缸出厂检验,包括空载行程试验、最低启动压力试验、密封性能试验、中心过载试验、耐久测试等13-14,而研究液压缸精准推移试验设备发展相对滞后,不能满足液压缸精确推移需求。航空航天、电力机车等高端装备领域虽然成功研制电液伺服控制系统动态特性测试试验台,但
16、试验介质为油液,控制对象是具有自反馈的电液伺服阀,不适用于煤矿井下以高水基为工作介质的开关阀控制系统15-16。针对推移液压缸工作机理及液压支架跟机自动化控制模型,国内外学者展开了广泛而深入的研究。王国法等17根据液压支架在空间和功能的不同属性,制定了“单架控制组控制群控制”三级协同控制策略和实现方法;周如林等18-19对综采工作面液压支架液压系统进行了模块化、参数化分析,提出一种基于压力检测的电液位置控制系统,以普通电液控换向阀为控制元件,通过压力实时监测来分析和预判液压缸的行程,从而实现对多级液压缸联合控制的准确判定;王云飞20进行了液压支架群多缸协同控制系统建模与分析,利用联合仿真模型对
17、多缸协同系统的拉架和推溜过程的控制方法进行了验证,控制精度稳定在 2mm 以内;王峰21提出了一种液压支架精确推移控制方案,该方案通过引入推移控制逻辑阀,优化电液控制系统自动推移控制流程,实现移架、推溜动作精确控制及销轴间隙自动消除功能;李森22提出采用惯性导航技术测量刮板输送机平直度来定量描述工作面直线度的方法,满足了自动化开采模式下综采工作面自动连续推进的要求。上述文献从理论上对推移液压缸及液压缸集群精准控制进行了系统上的研究及试验验证,但是试验条件与液压缸真实运行环境有较大差异,没有模拟液压支架等惯性负载及液压缸运行姿态对推移系统带来的影响。本试验台将液压支架、刮板输送机及采煤机等效为质
18、量可调的重物,并通过油压调节机构对推移液压缸工作姿态进行模拟,适用于推移千斤顶精确控制及千斤顶集群协同控制研究,同时可以完成 GB25974.12010 规定的千斤顶出厂试验,为推移千斤顶及液压缸集群精确控制提供试验条件。1液压缸动作机理分析综采工作面液压系统可以简化为阀控缸系统,液压缸主要是由电液控换向阀进行动作控制,其液压系统原理如图 1 所示。当液压缸伸出时,电磁换2023年第6期煤炭科学技术第51卷238向阀 2-1 通电,高压液通过过滤器 1、电磁换向阀 2-1 和液控单向阀 3 进入液压缸下腔。液压缸上腔的液体通过电磁换向阀 2-2 和回液断路阀 5 流回液箱。液压缸伸出到指定位置
19、后,电磁换向阀 2-1 断电复位,液控单向阀 3 锁住液压缸下腔,保持液压缸位置。当液压缸收回时,电磁换向阀 2-2 通电,一路高压液通过过滤器 1 和电磁换向阀 2-2 进入液压缸上腔,另一路高压液联通液控单向阀 3,液压缸下腔中的液体通过液控单向阀 3、电磁换向阀 2-1 和回液断路阀 5流回液箱。mFp2A2p2p2pinp1A1p1主进液主回液Q2Q1poutQ112-13452-21过滤器;2换向阀;3液控单向阀;4液压缸;5回液断路阀图1液压缸液压系统原理Fig.1Schematicofhydraulicsystemofhydrauliccylinder推移液压缸配套液压阀均为固定
20、开口开关式阀芯结构,包含液控向阀、电液控换向阀,其具体参数可以通过流阻试验拟合得出,采用固定节流模拟。稳态时液压缸行程变化方程:L=t2t1QAdt(1)LQA式中:为液压缸行程;为泵站流量;为压力腔面积;t1、t2为任意两个时刻。液压缸上下腔力平衡方程:p2A2 p1A1F=ma(2)p1p2A1A2Fma式中:、为液压缸上、下腔压力;、为液压缸上下腔面积;为工作阻力;为等效质量;为液压缸启动时加速度。阀口流量方程:Q=CVA2p=kpp(3)QCVApkp式中,为阀口流量;为阀口流量系数;为压力腔面积;为介质密度;为等效压降;为等效综合流量系数。式(1)和式(3)建立了液压缸行程与等效压降
21、之间的关系,压降可由传感器测量得到,是通过压力实现液压缸精确控制的理论基础。2试验台组成及工作原理液压缸精准推移测试系统是一种集数据采集、压缩、存储和分析为一体的工业实时高速采集与分析试验平台。试验平台将液压支架、刮板输送机及采煤机等效为质量可调的重物,通过油压调节机构对液压缸工作姿态进行调整,可对测试液压缸进行偏载、侧向加载试验,实时监测测试液压缸压力、流量、位移、温度等数据,建立系统压力、流量与液压缸位移之间的耦合关系。试验台通过双速调压阀对系统流量进行调节,实现测试液压缸大流量快速动作,小流量精准调节控制。双速调压系统工作原理如图 2 所示。以液压缸伸出过程为例,电磁换向阀 1 左位通电
22、,电磁换向阀7 断电,双速调压阀 2 处于大流量接通状态,高压液通过双速调压阀进入测试液压缸下腔,活塞杆快速伸出,活塞杆上腔液体通过液控单向阀 3 流回液箱,当伸出位置接近设定位置后,电磁换向阀 7 通电,双速调压阀转至小流量状态,活塞杆慢速伸到设定位置。172346581三位四通电磁换向阀;2双速调压阀;3液控单向阀;4安全阀;5位移传感器;6测试液压缸;7两位两通电磁换向阀;8液箱图2双速调压系统Fig.2Twospeedpressureregulatingvalve试验台由液压测试系统、油压调节系统、电气控制系统、数据采集系统、上位机软件和加载试验台架 6 部分组成。2.1液压测试系统液
23、压测试系统主要由纯水泵站、测试液压缸、抬孟令宇等:液压缸精准推移试验系统设计研究2023年第6期239底液压缸、电液控换向阀(主阀)、液控单向阀、安全阀、球阀、交替单向阀、回液断路阀组成。测试液压系统原理图如图 3 所示,配套设备参数见表 1。液压测试系统关键部件功能如下,400L/min纯水泵站 1 为测试系统供液,上位机控制电液控换向阀 3 通断从而控制测试液压缸 12 和抬底液压缸 13 伸收动作,液控单向阀 8-1、8-2 分别对抬底液压缸、测试液压缸供液腔进行闭锁,安全阀 9-1、9-2 分别保证测试液压缸、抬底液压缸由于泵压不稳或负载突变造成的压力超调低于系统极限压力 50MPa,
24、交替阀 7 和双速调压阀 6 与抬底液压缸形成联动效果,当抬底液压缸动作时,双速调压阀可在大流量与小流量之间进行切换,测试液压缸在大流量状态下快速运行到接近目标位置,小流量状态调节到目标位置。试验台测试策略如图 4 所示。RP显示器采集卡上位机鼠标键盘电源控制1312压力传感器表压力显示13254444467889910101111MC1 推溜C2 拉架1纯水泵;2球阀;3电液控换向阀(主阀);4压力传感器;5单向阀;6双速调压阀;7交替阀;8液控单向阀;9安全阀;10位移传感器;11流量传感器;12测试液压缸;13抬底液压缸图3液压测试系统Fig.3Hydraulictestsystem以测
25、试液压缸进行拉架动作为例,对整个测试系统进行分析。纯水泵 1 对系统进行供液,高压液经过球阀 2 到达 12 功能主阀 3 入口,上位机发出指令 C2 口接通供液,C1 口接通回液,高压液一路通过双速调压阀 6 进入测试液压缸下腔,另一路接通液控单向阀 8-2,打通测试液压缸上腔与回液口 C1 之间回路,测试液压缸伸出。在进行拉架动作的整个过程中,测试系统对主阀前后压力,测试液压缸上下腔压力、测试液压缸位置以及测试路进液流量进行数据采集,生成压力、流量、位移曲线。2.2油压调节系统油压调节系统主要由泵及电机、风冷却器、油缸、表 1 配套设备参数Table 1 Equipment paramet
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