液压换向阀机械部分设计

本科毕业设计(论文)题目：液压换向阀机械部分设计 院 系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 1209331069 姓 名： 呼庆伟 指导教师： 张户芳 2015年 12月摘 要实现煤炭工业的安全、高效、集约化生产,对综采工作面生产装备的自动化程度的要求越来越高。电液换向阀是液压电液控制系统中的核心控制部件,其性能的优劣直接关系着整个综采工作面的安全和生产效率。为配合电液换向阀的研制和满足其高效的出厂或维修后性能试验,本文研制了一台高效率、高精度、智能化的电液换向阀性能测试试验台。本文主要进行了以下几个方面研究:根据煤炭行业关于液压电液换向阀的试验标准,结合实际需要,确定了电液换向阀的试验内容、方法及要求指标,提出了试验台的性能要求,制定了试验台的总体设计方案。对试验台测控系统的硬件部分做了详细设计,对工控机、传感器、数据采集卡等关键元件做了选型分析;设计了信号调理电路,包括:I/V转换电路和电脉冲信号衰减电路设计。设计了系统接口与执行元件间的驱动和隔离电路。分析了系统干扰的产生机理和类型,并对系统进行了抗干扰设计。本文以LabVIEW软件为开发平台,采用模块化的设计思想,完成对虚拟仪器测控系统软件的 发与实现,完成了数据输入和输出、数据处理、数据存储与显示、试验报表生成及打印和人机界面设计等功能模块的设计。设计了多通道循环数据采集VI,实现对试验压力信号采集;详细分析对比计数器输入和模拟输入两种测量电压脉冲信号的方法,并制定了用计数器输入测量电压脉冲的方案;研究了应用剔出粗大误差、平均值滤波和LabVIEW自带滤波器进行数据处理的方法。采用面向对象的设计思想,进行虚拟仪器软面板设计,制定了虚拟仪器测控系统人机界面的设计方案。最后,对试验台及其测控系统进行了试验验证,证明其满足要求。关键词:电液换向阀,试验台,液压系统,虚拟仪器,测控系统AbstractTo achieve the safety of coal industry, high efficiency, intensive production, production automation equipment requirements of fully mechanized mining face increasingly high. The electro-hydraulic valve control hydraulic control system is the core component of hydraulic power, its performance is directly related to the safety and efficiency of fully mechanized mining face. To cooperate with the development of electro hydraulic directional control valve and meet the efficient factory or repair after the performance test, this paper developed the characteristics of electro-hydraulic reversing valve test bench of a high efficiency, high accuracy and intelligent. This paper mainly studies the following aspects:According to the coal industry of hydraulic electro-hydraulic valve test standard, combined with actual needs, determine the electrohydraulic valve test content, methods and requirements, and puts forward the requirements of performance test bench, formulate the overall design scheme of the test rig.The test-bed control system hardware is designed in detail, of industrial control computer, sensors, data acquisition card and other key components do selection analysis; signal conditioning circuit is designed, including I / V conversion circuit and electric pulse signal attenuation circuit design. The drive and isolation circuit between the system interface and the executive component is designed. The mechanism and types of the system interference are analyzed, and the anti jamming Design of the system is carried out.The by the software of LabVIEW as the development platform, adopts the idea of modular design, completion of the virtual instrument measurement and control system software development and implementation, completed the data input and output, data processing, data storage and display, test report generation and printing and the man-machine interface design, function module design. Multi channel data acquisition VI is designed, the test pressure signal acquisition; method of detailed analysis and comparison of counter input and analog input voltage of two kinds of measuring pulse signal, and to develop the counter input pulse voltage measurement scheme; to study the application of excised gross error, the average value filter and LabVIEW built-in filter for data processing method. Based on the idea of object-oriented design, virtual instrument soft panel design, set design of man-machine interface of virtual instrument measurement and control system.Finally, the test bench and control system was tested and proved that it could meet the requirements.key word:Electro hydraulic directional valve test bench hydraulic system virtual instrument measurement and control system目 录1. 绪论11.1引言11.2课题研究背景和意义22.试验台试验内容与总体设计42.1电液换向阀概述42.2试验台试验内容及方法62.2.1试验内容62.2.2试验方法及要求指标73.试验台液压系统103.1液压系统模块103.2液压系统工作原理163.3液压缸的设计183.3.1双向增压缸设计183.3.2双作用指示缸设计213.4液压系统分析与验算223.4.1压力损失分析与验算223.4.2液压冲击分析与计算234.试验台验证与调试274.1试验条件274.2试验操作过程284.3验证结果分析315.结论32参考文献：331. 绪论1.1引言煤炭工业是我国国民经济的基础产业,在国民经济中具有重要的战略地位。在我国化石能源资源探明储量中,煤炭占90%以上,是我国的主要能源。我国煤矿主要是井工生产,生产条件复杂、环境恶劣,与其它行业相比,煤矿安全尤为重要,是煤炭生产的头等大事。因此,能否实现煤炭工业的安全、高效、集约化生产,直接关系到我国国民经济的能源供给问题。煤炭综采成套装备是实现煤炭安全、高效、高回收开采的重要保障和先决条件。我国是世界产煤大国,约占世界煤炭产出量42%左右,我国煤矿开采装备制造业生产能力和规模堪称世界最大,已能提供中低端系列煤炭综采成套装备,但高端煤炭综采成套装备技术水平却远落后于世界先进水平,主要原因是其核心装备智能控制系统以及装备智能化所需关键零部件的发展缓慢。因此,大力发展煤炭综采智能控制系统及装备是煤炭综采智能化发展的需要,也是国家煤炭行业发展的需要。智能控制系统可实现工作面工况条件、设备运行参数、状态及健康状况的智能化监测;并通过数据、视频、音频、通讯的一体化,实现井下工作面生产的集中自动化监测、控制和地面调度中心的集中管理;根据开采工艺,实现液压支架电液控制跟机移架自动化、综采设备智能化控制,确保工作面各设备协调、连续、高效、安全运行,做到采煤机智能化、生产自动化、管理信息化、工作面数字化、操作少人化。智能化综采工作面集控与通讯系统。1.2课题研究背景和意义伴随着计算机及自动化技术的快速发展和普及应用,使液压电液控制技术在煤矿生产中得到了良好的使用,为实现安全、高效和自动化提供了条件。如果说综采技术实现了井下煤矿采由手工操作向机械化的变革,那么电液控制技术则实现了机械化向自动化的变革。液压电液控制系统成为综釆工作面智能化控制系统的主要组成部分,是保证综采工作面高效集约化生产的重要技术设备之一,是煤矿21世纪的高新技术。电液控制系统技术的核心是通过电液换向阀,用计算机程序控制电子信号操作替代过去的手工控制操作。不同位置的传感器将支架的工作状态和参数的信号传输给计算机,计算机将根据不同的工作状态和综釆工艺的要求,对电液换向阀发出控制信号,实现对液压支架的控制。由此看出,电液换向阀是液压支架电液控制系统的执行元件,控制着液压支架的一系列动作,是实现综采工作面自动化生产的关键部件之一。电液换向阀作为电液控制系统的核心,其性能好坏直接影响着整个电液控制系统乃至整个综采工作面智能化生产系统工作性能,对煤矿安全、高效集约化生产至关重要。电液换向阀结构复杂、精密度高,且应用环境恶劣,属高难技术。之前,对电液换向阀及电液控制系统的研究和生产制造,基本上被欧美等发达国家垄断,制约我国综采技术由机械化向自动化迈进。近年来,我国相关科研院所、高校和企业在吸收国外先进技术的基础上,对电液换向阀的设计理论、研究方法、制造工艺和应用材料等方面的关键技术进行了攻关和研究。最终,实现了电液换向阀的国产化,并实现了批量的生产,但其工作性能和可靠性较进口产品尚有差距,在使用过程中常出现阀芯别卡、动作不灵活,密封性差,容易泄露,和使用寿命短等问题。所以,配合电液换向阀的研制、生产或者维修过程中,对电液换向阀的性能测试工作也显得非常重要。2.试验台试验内容与总体设计分析和了解电液换向阀在液压支架电液控制系统中的作用和工作原理,研究电液换向阀的结构组成和性能特点,根据MT419-1995液压支架用阀国家标准及行业内的相关标准,确定电液换向阀的试验内容和方法,提出电液换向阀试验台的性能要求,并依此制定出合理的试验台总体设计方案,为整个课题的研究奠定了良好的基础。2.1电液换向阀概述电液换向阀为液压支架电液控制系统的核心部件,是电液控制系统的执行元件。电液控制阀通常是由电磁先导阀和液控主阀组合而成,由电磁先导阀控制压力油对液控主阀起先导控制作用。电磁先导阀是以电磁铁作为电-机转换装置,可将控制电信号转化为液信号,打开先导阀阀芯,使先导阀进入工作状态,先导阀高压进油口与回油口隔断,与控制油口接通并输出高压控制液体,高压控制液体进入液控主阀控制液口推动液控主阀阀芯打开,使液控主阀高压进液口与回油口隔断,与控制油口接通并输出高压控制液到相应动作执行机构(立柱或千斤顶),控制支架进行相应动作。停止电磁先导阀通电,先导阀芯复位,高压油口与回油口接通,与控制油口隔断,导致液控主阀阀芯复位,高压油口也与其回油口接通,与控制油口隔断,支架不动作。图2-1为某液压支架电液换向阀组实物图,图2-2为电液换向阀组应用回路图,图2-3为液控主阀结构简图。电液换向阀主要技术参数见表2-1。 图2-1液压支架电液换向阀组实物图图2-2电液换向阀组应用回路图图2-3液控主阀的结构简图表2-1电液换向阀主要技术参数2.2试验台试验内容及方法2.2.1试验内容根据我国煤炭行业标准MT419-1995液压支架用阀中关于电液换向阀试验的标准和要求,电液换向阀的试验项目包括:换向性能、控制压力测定、压力损失流量特性曲线、寿命试验、强度试验以及密封性试验等测试项目。其中,换向性能和密封性试验为出厂性能测试必检项目,其余试验项目均属于型式试验。本试验台不仅需要满足电液换向阀快速、高效的出厂性能测试而且还要满足液压支架电液换向阀的研制中设计定型,型式定型的需要。因此,需要完成对电液换向阀的出厂性能试验和型式试验。另外,把电液换向阀的的先导阔的电磁力有效性测试也作为试验项目之一。最终需完成的试验项目确定为换向性能、控制压力测定、压力损失一流量特性曲线、高低压密封性、寿命试验、强度试验以及先导阀电磁力有效性等七个试验项目。2.2.2试验方法及要求指标根据标准MT419-1995液压支架用阀和行业内关于液压支架电液换向阀试验的标准和规定,结合电液换向阀设计的相关要求,制定了本试验台对电液换向阀上述试验项目的试验方法描述如下:(1)换向性能试验调节油源,使其压力和流量分别为被试阀的公称压力和公称流量,向被试阀供液。反复给电磁阀通电,观察并记录被试阀开启和关闭是否正常,动作是否灵活,换向是否准确,有无别卡。(2)控制压力测定调节油源,使其压力和流量分别为被试阀的公称压力和公称流量,给电磁阀通电,使液控主阀动作,记录主阀动作时,先导阀的工作液的控制压力,每个阀测量3次。控制压力应满足电液换向阀的设计要求。(3)阻力损失一流量特性试验调节油源流量,使通过被试阀的流量在被试阀的公称流量范围内进行变化,记录在不同流量时,被试阀进液口和出液口的压力差(即进回液阻力损失),并画出进回液阻力损失流量特性曲线图。要求进回液阻力损失不允许超过7MPa。(4)密封性试验非工作状态密封被试阀处于非工作状态(电磁阀断电状态),堵死回液口。向进液口分别以其公称压力(高压密封试验)和2 MPa压力(低压密封试验)供液,连续供液2min,监测各通液口密封情况。要求各通液口不允许有泄露。工作状态密封被试阀处于工作状态(电磁阀通电状态),并把该工作口堵死。向进液口分别以其公称压力(高压密封试验)和2 MPa压力(低压密封试验)供液,连续供液2min,检查各通液口密封情况。要求各通液口不允许有泄露。(5)强度试验试验方法同密封试验,但给被试阀供液压力为其公称压力的1.5倍,稳压2min。要求各通液口不允许有泄露,阀零件不允许损坏。(6)寿命试验以被试阀的公称流量向其某一工作位供液,带压力达到公称压力时,控制被试阀换向,向另一工作位置充液,当该工作位液口压力达到公称压力时,再次换向,完成一个循环,反复循环30000次,寿命试验后,密封试验要求合格。(7)先导阀电磁力有效性测定调节油源,使其压力和流量分别为被试阀的公称压力和公称流量,向被试阀供液。向电磁阀提供的驱动电压在额定电压的一定范围内浮动,观察电磁先导阀阀芯能否正常打开。要求电压在额定电压允许范围内浮动,电磁阀芯仍能正常工作。3.试验台液压系统试验台液压系统为被试阀提供各种测试项目的试验液压环境,是液压试验台最根本的组成部分。试验台液压系统的科学性、合理性及可靠性,直接关系着电液换向阀试验的规范性和准确性。3.1液压系统模块本试验台需要实现电液换向阀的换向性能、密封性能、寿命、强度、阻力损失流量特性、液控压力测定以及先导阀电磁力有效性测定等七个项目的试验。为保证对液压支架用阀的试验液压回路设计规范,原煤炭工业部制定的MT419-1995液压支架用阀国家标准对液压支架用阀的各种试验都规定了基本的液压回路。在遵循标准中的回路规范的基础上,根据上一章介绍的电液换向阀各项试验的方法及要求,经过认真地分析研究,本文采用模块化的设计方法对试验台的液压系统进行设计。本文液压系统的初步拟定方案的思路是:根据国家标准中对换向阀的不同试验项目的液压回路的规定,把试验台液压系统以试验项目为单位分模块进行设计。虽然本试验台测试的试验项目比较多,但是国家标准中规定的液压回路只有两个,每个液压回路可以满足多个试验项目要求。如图3-1为国家标准中对换向性能试验、寿命试验和控图3-1换向阀试验液压回路图1制压力测定试验所规定的标准液压回路。如图3-2为国家标准中对密封性试验、强度试验和阻力损失一流量特性曲线试验所规定的标准液图3-2换向阀试验液压回路图2压回路。对比两图可以发现,两回路的结构和组成基本相同,唯一的不同是在换向性能试验、寿命试验和控制压力测定试验的回路中增设了一个用以指示被试阀换向的液压虹。所以,可以对两回路进行综合,既满足国家标准中的液压回路要求,又可降低成本。而本试验台液压系统的设计中应该考虑的是:试验台所测试的七个试验项目所需的系统供液的压力和流量都不尽相同,如换向性能、寿命、阻力损失一流量特性曲线等试验需要系统提供的被试阀公称压力和公称流量,而密封性和强度试验对流量没有要求,所以从试验台性能和经济方面综合考虑,液压系统的需要采取多种供液方式；对于小流量的试验采用小流量乳化液泵,为使供液压力达到额定要求,系统需要设置增压部分;由于电液换向阀是由电磁先导阀和液控主阀两部分组成,为了提高试验的合理性和准确性,需要对先导阀的控制液路进行测试。根据上述分析,本文以功能为单位把液压系统分为被试阀部分、液压源部分、增压部分和试验部分等四个模块进行了设计。(1)被试阀模块液压支架电液换向阀由电磁先导阀和主阀两部分组成。电磁先导阀和主阀均可以看成是由两个两位三通阀组成一个三位四通阀,而每个两位三通阀又各有“零”位和工作位,有进液口 P、回液口 0和一个工作口。故电液换向阀可以等效为由一个三位四通的电磁先导阀控制的一个三位四通阀。为能对先导阀的两个出液口的压力进行测试,及时的反映试验时电磁先导阀的通断情况,在试验台上为主阀和电磁先导阀之间加装了可以引出辅助油口的连接板。主阀和电磁先导阀通过连接板连接,其等效原理图如图3-3所示.图3-3电压阀等效原理图除被试阀的四个液口外,电磁先导阀和主阀之间连接板又引出了电磁先导阀的两个出液口,故系统设有与被试阀油口相对应的P、T、A、B、a、b六个出液口,分别设有压力表和压力传感器,在回液管路设有流量计。为满足换向性能试验和寿命试验需要,试验台的台面上装设了一个双作用指示液压社。(2)液压源模块由于不同的试验项目对供液的压力和流量不同,所以试验台需配备多个不同液压源。根据试验方法及要求,电液换向阀的换向性能试验、压力损失一流量特性试验和寿命试验需要液压源提供被试阀的公称压力和公称流量,所以试验台需配备高压大流量乳化液泉,本试验台选用的是常应用在煤矿综采和高档普采工作面的BRW型乳化液菜,其公称压力为3L5MPa,流量为400L/min,配套电机的功率为32Kw。电液换向阀的密封试验和强度试验对液压源提供的流量没有要求,从经济角度考虑,降低试验成本,此两项试验采用小流量泵为液压系统供液。本试验台配备低压乳化液菜一台,其额定压力和流量分别为4MPa和15L/min,配备电机功率1.6Kw,用于低压密封试验。(3)增压模块由于高压密封和强度试验需液压源供液压力分别为31.5MPa和47.25MPa,低压乳化液粟不能满足试验要求,所以在液压回路中设计增压模块。液压回路以一台高压油泵、一个三位四通电磁换向阀、一个双向增压紅、单向阀(吸排液阀)为主要部件组成了系统的增压模块,原理图如下图所示。本文选用电机功率4Kw的高压油泵,油泵出口压力由高压溢流阀2调定或卸荷。油泵输出的液压油通过三位四通电磁阀3换向,循环驱动双向增压缸4将系统中乳化液压力增压为油泵输出压力的6倍。(4)试验模块按照国家标准MT419-1995液压支架用阀中关于换向阀试验的试验要求,电液换向阀的各试验项目都有其标准的液压回路规定,故本液压系统试验部分采用模块化设计。模块一,如图3-1所示,用于电液换向阀换向性能、寿命试验项目。模块二,如图3-2所示,用于电液换向阀f封性、强度、阻力损失流量特性试验项目。本试验台是为配合液压支架电液换向阀的研制,并满足对其快速、高效的性能测试,开发研制的一台液压支架电液换向阀智能试验设备。试验台需实现对电液换向阀的换向性能、密封性能、寿命、强度、阻力损失一流量特性、液控压力测定以及先导阀电磁力有效性测定等试验,并且要实现试验台的计算机测控系统对试验的数据采集、处理、分析和过程的控制。因此,本试验台液压系统不仅要符合行业对相关试验回路规定的标准和本试验台测试功能的需要,而且还要为实现计算机对试验台测控提供条件。本试验台液压系统,采用了传感器和机械仪表并联的方式对压力、流量釆集点的信号进行采集,釆用电磁阀作为液压回路的控制元件。试验台具体液压系统原理图如图3-5所示。图3-5液压系统原理图3.2液压系统工作原理在被试阔的先导阀和主阀直接装置连接板块后,放置到试验台相应位置.被试阀的P、T 口和两工作液口分别与试验台的P、T、A、B 口对应连接,连接板的两个引出液口分别与试验台a、b 口连接。(1)换向性能试验。电磁阀9 -2、9-3通电,启动乳化液泵1给被试阀提供其额定压力和流量,电磁阀9-5、9-6通电,接通双作用指示液压虹,给被试阀来回通电(或用手来回按动被试阀按钮)切换其工作位,观察指示液压赶运动情况,分析并记录被试阔换向动作是否灵活,有无别卡现象等。(2)控制压力测定试验电磁阀9 -2、9-3通电,启动乳化液泵1给被试阀提供其额定压力和流量,电磁阀9-5、9-6通电,接通双作用指示液压紅,给被试阀的工作位A (或B)通电(或用手按动被试阀该工作位按钮),当主阀阀芯打开(或指示液压缸开始移动)瞬间,观察并记录a 口(或b 口)压力,即为主阀控制压力。(3)压力损失流量特性试验电磁阀9-2、9-3通电,启动乳化液泵1,给被试阀某一位(如A位)通电(或用手常按被试阀该位按钮),调节节流阀15,使被试阀的流量在其公称流量范围内逐渐变化。并记录被试阀在流经不同流量时,P 口和A口两侧压力的差值,并绘制压力损失一流量特性曲线。进回液口阻力损失不允许超过7MPa.(4)高压密封试验中位密封:启动油粟2,电磁阀11通电,使双向增压紅对系统增压,调节溢流阀5-4,P 口压力为被试阀公称压力时,关闭油粟2,给电磁阀9-3通电,待压力稳定后保压2min。计算机记录P 口压降。电磁阀9-7通电,卸掉压力;工作位密封:给被试阀通电使某工作液口(如A 口)与进液口 P接通,启动油菜2,电磁阔11通电,使双向增压虹给系统增压,调节溢流阀54,当P 口压力为被试阀公称压力时,关闭油泵2,给电磁阀9-3通电,待压力稳定后保压2min。计算机记录P 口压降。电磁阀9-7通电,卸掉压力。密封试验中,各通液口均不允许有压降。(5)低压密封试验中位密封:启动乳化液菜3,调节溢流阀5-3,P口压力为2MPa时,关闭乳化液菜3,给电磁阀9-3通电,待压力稳定后保压2min。计算机记录P 口压降。电磁阔9-7通电,卸掉压力。工作位密封:给被试阔通电使某工作液口(如A口)与进液口P连接,启动乳化液粟3,调节溢流_ 5-3,P 口压力为2MPa时,关闭乳化液菜3,给电磁阀9-3通电,待压力稳定后保压计算机记录P 口压降。电磁阀9-7通电,卸掉压力。密封试验,各通液口均不允许有压降。(6)寿命试验电磁阀9-2、9-3通电,电磁阔9-5、9-6通电,接通双作用指示液压赶,启动乳化液粟1给被试阀的公称流量向其某一工作位供液,当计算机检测到该工作位液口压力达到公称压力时,控制被试阀换向,向另一工作位置充液,当该工作位液口压力达到公称压力时,再次换向,完成一个循环,反复循环30000次,寿命试验后,密封试验要求合格。(7)强度试验与密封试验过程相同,但试验压力应为被试阀工程压力的1.5倍,保压2min.各通液口均不允许泄液,阀零件不准许损坏。3.3液压缸的设计由图3-6可知,本试验台液压系统用到双向增压和双作用指示两个液压虹,由于本液压系统高压、大流量的特点和对液压虹的特殊性要求,需自行设计液压缸。因此本文对两个液压缸进行了主尺寸参数计算、选材和结构设计。3.3.1双向增压缸设计电液换向阀的寿命试验和高压密封试验对系统供液压力要求分别为47.25MPa和31.5MPa,这两项试验对液压系统供液流量没有要求,若系统供液源选用小流量的乳化液粟,而该粟的额定压力仅为4MPa,不能满足试验要求,即使选用高压大流量粟供液,其额定压力为31.5MPa,也不能满足寿命试验需要的压力要求。本文通过高压油菜和连续双向增压缸来实现对系统的增压。在这里本文对增压虹的设计做详细说明。增压缸工作原理图如图3-6所示,油粟输出的油压/V三位四通的电磁换向阀进入油虹中间大腔,由于活塞比活塞杆的的承压面积大,有公式(3-1)和(3-2)可知,在油虹两侧的小腔输出与油压P0成一定比例的高压乳化液P。油压P0大小由高压油粟输出口溢流阀调定。油压图3-6双向增压缸工作原理图P0推动液压虹活塞向一侧运动时,该侧小腔内高压乳化液通过该侧的排液阀输出,另一侧小腔内体积增大,乳化液箱内液体通过吸液阀进入油缸小腔,以备该侧高压乳化液输出使用。通过电磁换向阀控制增压赶活塞来回循环移动,实现增压虹高压乳化液的连续输出。P = Pok (3-1) (3-2)式中,k增压比; D液压缸活塞的直径; d为活塞杆的直径;本文设计的液压缸的增压比k= 4 : 1,选取增压缸活塞直径D= 110mm,由公式(3-1)和(3-2),计算可得活塞杆直径d= 49.19mm,圆整到标准值d= 50mm.因为试验台液压系统工作压力很高,故赶筒壁厚5的计算公式选用厚壁缸筒计算公式: （3-3）式中,D为缸筒内径; p为缸筒材料的需用应力;. Pmax为筒内最高工作压力; p=p/n，n为安全系数,这里为不对称交变载荷,取n= 5。增压缸筒材料选用选用抗拉强度p1000mpa的高强度27SiMn无缝钢管材料。缸内径D取为活塞直径D=110m,由公式(3-3)计算,可得缸壁厚度8mm。增压缸两侧小缸体与缸筒之间采用高强度的钢丝连接,并用周向紧定螺钉加固。因此,为保证能够连接可靠,取缸筒壁厚度为= 14mm。由此可得,缸筒外径D1=D+2=138mm。为保证液压缸两侧高压小缸的可靠性,缸筒材料选用40CrNiMo材料,由公式(3-3)计算,可得缸壁厚度17.5mm。这里我们选取缸壁厚度= 22.5mm.由此可得,高压缸筒外径d1=d+2= 95mm。活塞杆的材料选用45号钢,表面进行强化及耐腐烛处理。活塞与缸筒之间以及活塞杆与小缸体内壁之间均采用组合式密封,增压缸两侧加装了导向环。3.3.2双作用指示缸设计该液压缸是在电液换向阀的换向性能、液控力测定和寿命试验中,用来指示换向阀动作的双作用双出杆液压缸,并不对外做功。所以,为减少成本,不妨将活塞及活塞杆的尺寸取小一些,活塞直径(缸筒内径)D=100mm,活塞杆直径d=40mm。缸筒材料选用抗拉强度p1000mpa的高强度27SiMn无缝钢管材料。试验用到指示缸时,液压系统供液压力一般为被试阀的公称压力31.5MPa,本文在设计时,取指示缸缸筒最高工作压力为40MPa。由公式(3-3)计算,可得缸壁厚度10.4mm,选取=12mm.缸筒外径D1=D+2=124mm。标准要求换向阀寿命试验时,被试阀每个工作位过液量要达到3L,所以指示缸的活塞从一端到另一端的过液量也为3L.由公式:式中,S活塞的行程;V为油缸过液量;D为活塞直径;d活塞杆直径;经计算得活塞行程S=357mm,圆整为标准值S=360mm。试验中,输入缸内的流量q为400L/min,根据公式得,活塞运动速度v0.2m/s，所以缸体两端均设置了缓冲装置,减小活塞换向所产生的冲击。 （3-5）式中,Q流量;A流通截面面积;V活塞运动速度;D活塞直径;d活塞杆直径;缸体与两端盖间采用燥接法连接,保证液缸高压工作可靠性;缸内的密封均釆用组合式密封;缸体的两端活塞杆伸出位置安装防尘圈;缸筒与活塞间安装导向环;进回液口采用快速接头形式。3.4液压系统分析与验算为保证液压系统参数的合理和性能的可靠,本文对液压系统进行了压力损失和液压冲击两方面的分析和验算。3.4.1压力损失分析与验算液压系统的压力损失主要由管路的沿程损失,局部损失、控制元件的压力损失三部分组成。 (3-6)式中,p系统压力损失;Pt沿程压力损失;Pj 局部压力损失;pv控制元件的压力损失;(1)沿程压力损失：沿程压力损失计算公式 (3-7)式中l管长; D管径; 流体密度; V流体平均流速; 沿程阻力系数;计算可得=0.0196经式(3-7)计算得:系统主管沿程压力损失pt=0.23MPa。(2)控制元件的压力损失和局部压力损失本试验台液压系统中产生控制元件压力损失及局部压力损失主要在过滤器、电磁换向阀和流量计等部位。(3)总压力损失由式(3-6)可知,总压力损p=0.23MPa+0.1MPa+0.3MPa+0.2MPa = 0.83MPa。总压力损失系统额定压力为31.5Mpa的2.6%,并不算大。3.4.2液压冲击分析与计算3.4.2.1液压冲击的产生原因及危害本液压系统可能引起液压冲击的因素有:(1)换向阀阀门的突然启闭。(2)液压缸活塞的惯性力。(3)某些液压元件动作不够灵敏。液压冲击可能造成的危害有:(1)液压冲击的瞬时压力峰值有时可达正常工作压力的好几倍,会对液压系统的管道、密封装置或液压元件造成损坏。(2)可能导致某些液压元件产生误动作,影响液压系统工作的稳定性和可靠性,甚至会造成设备故障,发生事故。(3)可能引起液压设备的振动,产生噪声。振动可能使连接件松动,造成漏油。还可能引起压力阀调节压力的改变,使油温升高。3.4.2.2液压冲击的计算方法压力冲击波的峰值压力Pmax=p+p (3-13)式中:P系统的正常工作压力;p冲击压力的最大升高值;.由于液压冲击是一个非定常的动态过程,其影响因素较多,故很难精确计算Ap,一般采用近似计算或通过试验确定。下面介绍近似计算的方法。(1)迅速关闭或打开液流通道形成的液压冲击计算当直接冲击(tT)时,管内压力最大升高值p为:p = T/tv (3-15)3.4.2.3液压冲击控制方法(1)应用蓄能器消除液压冲击系统本试验台液压系统中电磁换向阀瞬间的切换容易产生液压冲击。乳化液的弹性模量E0=1.95x109Pa.密度= 998kg/m3,管道材料的弹性模量E= 210x109Pa,管道内径d= 0.05m,管道壁厚= 0.008m。由式(3-16)计算得,冲击波在管内的传播速度=1359m/s。若系统不采取控制液压冲击措施,在电磁换向阀突然切换,瞬间通断液路时,由式(3-14)计算得压力最大升高值约为p= 4.6MPa,再由式(3-13)可得系统的压力冲击波的峰值压力Pmax=51.85MPa。如图3-5所示,在主供液路上靠近冲击源并联一个蓄能器,其不仅缩短压力冲击波传播的距离和相应的传播时间,还可以吸收冲击压力。(2)应用小流量电磁阀卸荷,减少高压卸荷时的液压冲击在做阀的密封性或寿命试验时,电磁阀与被试阀之间的高压液需保压一段时间,若使用大流量电磁_直接卸荷,高压液体瞬间卸荷会产生一定液压冲击,振动和噪声。所以系统在供液管路与回液管路间用一小流量的电磁换向阔用于卸荷,使卸荷过程较为平缓,减少卸荷过程产生的液压冲击。(3)应用缓冲装置控制液压虹内的液压冲击如图3-8所示为本文双作用缸釆取的恒节流面积缓冲装置结构示意图。在液压缸端部设计恒节流面积槽,当活塞运动到端部时,强迫活塞与虹盖间的油液从小孔中流出,并通过节流阀控制液压赶端部的排油速度,从而使活塞缓慢、平稳地在端部移动,避免活塞到达液压缸端部时的撞击和液压冲击。(4)合理的设计和选择管路减小液压冲击由液压冲击的相关计算公式可知,管道直径越大,管内液体流速越低,冲击波的传播速度也越小。管道长度越短,冲击波的传播时间越短。因此,在进行管路设计时,适当地加大其直径。设计试验台布局时,尽量地缩短系统中管道的长度。4.试验台验证与调试电液换向阔试验台及其测控系统搭建完成后,进行了部分试验项目的试验,对试验台及其测控系统的功能进行了验证。由于试验台部分元器件尚未安装到位和受被试阀的实际条件所致,本文并没有对试验台的全部试验项目进行性能测试。但是本试验台各个的试验项目均是通过系统的软硬件完成对试验台各测试点的信号采集、处理和分析以及对试验台的各开关、电磁阀的控制,工作原理都是相同的。所以,本文以电液换向阀的换向性能、控制压力测定和密封性三个试验为例进行了小流量试验,可以达到对试验台及测控系统一定的验证目的。4.1试验条件(1)最高压力:50MPa,试验压力范围:1-50MPa;(2)电机功率(油泵): 4KW(3)小流量乳化液泵主要技术参数功 率:1.6KW 最高压力:6MPa额定压力:4MPa 额定流量:15L/min(4)油介质:46#耐磨液压油(5)液介质:3%-5%乳化液介质过滤精度:0.125mm环境温度:10-50C,湿度:10%-85%RH;(6)电源:AC380V10% (三相四线制)50HZ2%4.2试验操作过程在被试阀的先导阀和主阀直接装置连接板块后,放置到试验台相应位置,进、回液分别与系统P、T 口连接,两工作液口分别与系统A、B连接,连接板的两个引出液口分别与系统a、b 口连接。(1)启动系统。工控机打开后自动启动“电液换向阀试验台测控系统”,进入测控系统主界面。(2)录入试验信息根据试验要求和行业相关标准,对“换向性能及控制压力测定”和“密封试验”的参数进行设定。(3) 换向性能及控制压力测定试验在系统的主界面,点击“换向性能及控制压力测定试验”菜单,进入“换向性能及控制压力测定试验”界面,如图6-3所示。该界面提供了 “手动试验”和“自动试验”两种测试功能。手动试验在试验界面输入被试阀的编号信息“择供液2路”,启动高压油泵,点击增压社开关,调节高压溢流阀5-4,使供液P 口压力为31.5MPa。点击“手动试验”按钮进行试验的手动操作。然点击“A接通油虹”、B接通油缸”。点击“A位开关”按钮,观察指示缸(或A 口压力表),指示虹动作(A 口压力达到31.5MPa)瞬间,点击“A位控制压力采集”按钮,计算机记录换向阀控制压力值,并与额定值进行比较,在设定的允许误差范围内,即为合格(绿灯亮),否则不合格(红灯亮)。用同样方法测定B位控制压力。往复进行上述操作,观察a或b 口压力,若反映不灵敏,则先导阀换向性能不合格,勾选相应的“阀芯别卡框”,红灯亮,反之合格,绿灯亮。用类似的方法亦可判断主阀的换向性能。试验结束后,点击“保存结果”按钮,保存试验数据,输入下一被试阀信息,进行下一个试验。若需要重新进行试验,可以点击“复位”按钮,清除试验数据,按上述操作重新试验。自动试验在试验界面,若点击“自动试验”按钮,系统将按照上述方法进行自动试验。需要说明的是,按照试验标准要求,换向性能试验和控制压力测定试验液压系统的供液压力和流量均应为被试阀的额定值,而收客观条件所限,本验证均是小流量试验,所以在上述手动试验中选用“供液2路”,并使用了增压系统。而在自动试验默认液压系统提供的是被试阀的额定压力和流量,所以选用供液1路。试验过程如图6-3所示.(4)密封性试验在测控系统主界面,点击“密封性试验菜单”,进入密封性试验界面,如图6-4所示。在该界面可以进行中位和工作位的高、低压密封试验。中位低压密封试验在密封性试验界面,输入被试阀信息。单击“T 口封闭”按钮,点击“低压启动”按钮,启动低压乳化液菜,调节溢流阀5-4至P 口压力为4MPa,点击中位低压试验板块的“开始试验”按钮,系统自动记录并显示保压前压力,进行保压计时并显示时间进度,待设定保压时间到后,系统显示保压后压力和保压前后压差,系统自动比较实际压降和设定压降值,合格绿灯亮,反之不合格红灯亮。单击“P 口卸载”按钮,卸载系统压力。单击“保存结果”按钮,系统将保存试验数据。若需要重新试验,单击“复位按钮”,系统自动清空试验数据,已被重新试验。中位高压密封试验在密封性试验界面,输入被试阀信息。单击“T 口封闭”按钮,点击“油泵启动”按钮,启动油菜,单击“增压缸控制按钮”给系统增压,调节溢流阀5-4至P 口压力为31.5MPa,点击中位低压试验板块的“开始试验”按钮 始中位高压密封试验,后续试验过程同中位低压密封试验。工作位密封试验工作位的高、低压密封试验与中位试验的步骤除需要操作被试阀开关外,其他过程基本相同。现以A工作位的高压密封试验为例说明。在密封性试验界面,输入被试阀信息。单击“A为开关”按钮,点击“油菜启动”按钮,启动油菜,单击“增压缸控制按钮”给系统增压,调节溢流阀5-4至P 口压力为3L5MPa,点击中位低压试验板块的“开始试验”按钮,系统自动记录并显示保压前压力,进行保压计时并显示时间进度,待设定保压时间到后,系统显示保压后压力和保压前后压差,系统自动比较实际压降和设定压降值,合格绿灯亮,反之不合格红灯亮。试验完成后,单击“A为开关”按钮卸载系统压力。4.3验证结果分析上述某液压支架用电液换向阀的试验结果与阀的实际参数一致,性能相符。试验数据釆集实时性强,测量数据准确,数据误差在允许范围之内,达到试验台规定的测试精度,系统抗干扰滤波效果均较好。试验时,点击相应控制按钮,试验台的动作的电磁阀、开关等执行元件能及时作出响应,达到试验台设计方案规定要求。试验台液压系统回路及其液压元件均满足点电液换向阀各试验项目要求。在试验时,在切换电磁阀时,测量压力出现了瞬间的波动,是由于在液压系统回路出现的脉动所致,因此,在液压系统的现场调试时,要注意釆取必要措施减小系统回路脉动的干扰。综上所述,试验台及其测控系统基本满足设计要求。5.结论液压支架电液控制系统是保证综采工作面高效集约化生产的重要技术设备,而电液换向阀是液压支架电液控制系统的核心控制元件,所以对其工作性能要求很高。本文结合电液换向阀的工作原理和试验标准,阐述了电液换向阀的试验内容和方法。液压系统中的工作压力和流量分别由手动溢流阀和手动节流阀调定的,在各项试验开始前都必须对系统的压力和流量进行手动调节,尤其在流量一阻力特性试验中需要手动操作变换流量的大小,制约着整个试验台测控系统的自动化程度。使用电液比例溢流阀和流量阀替代手动阀,可以实现测控系统对液压系统压力和流量的自动控制。本试验台只得到了部分功能的验证,由于试验台压力髙、流量大且液压系统较为复杂,尤其寿命试验中需要对被试阀进行30000次重复换向试验,对试验台的可靠性要求极高,所以其工作性能能否满足要求,要在今后使用的过程中继续检验和不断的改进、完善。参考文献：1王金华.我国大采高综采技术与装备的现状及发展趋势J.煤炭科学技术,2006(1): 5-7.3李效甫.综釆液压支架电液控制系统J.煤矿开釆,2001(2): 05-06.4张宏.高压高水基液压阀的理论及设计方法研究D.太原:太原理工大学,2008.5安春梅.高压髙水基液压阀综合试验台计算机控制系统D.太原:太原理工大学,2011.6程俊兰,吴晓明.21世纪的液压技术发展展望J.通用机械,2003(3):13-147谢宏晓.煤矿液压支架用阀试验台及其关键元件的研制D.武汉:华中科技大学,2006.8Huang cheng-qing etc. Muti-channel Data Sampling System of EEG based oil LabVIEW.2003 NI website9Dongfeng Shi, Nabil N. 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