液压支架电磁阀数值仿真研究

1、浙江大学机械与能源工程学院硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究姓名：王扬彬申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：杨华勇;徐兵20080501摘要现代煤矿开采已进入综采时代，液压支架得到了广泛的应用，但液压支架的核心一一电液控制系统掌握在国外少数几个大公司手中。国内主要液压支架电液控制系统全部从国外引进，进口电液控制系统价格昂贵，维护维修成本高，导致液压支架成本的急剧增加。电液控制阀国产化进而研发新的控制阀，成为当前提高国内煤矿综采比例的工作重心。传统液压阀设计计算采用集中参数计算，对阀道流场进行了简化，使得无法准确得到液压阀的压力流量特性、动态特性等，不能完全描述液压阀的性能。本课题

2、针对传统理论计算方面的缺陷，采用有限元方式进行数值仿真研究，并利用数值计算的结果建立电磁阀数学模型，且数学模型得到物理样机试验的验证。利用得到验证的数学模型对电磁阀系统进行参、变量研究。根据课题的内容和特点，本论文分以下五个章节来阐述相关内容。第一章介绍液压支架的研究现状及应用前景，总结课题研究目的意义以及研究内容。第二章对所研究的型液压支架电磁阀结构进行简要介绍，分析其结构特点。第三章对电磁铁进行数值计算。主要计算不同参变量对电磁铁静态特性及动态特性的影响，对电磁铁剩磁特性进行分析计算，分析总结电磁铁结构参数的取值原则，。第四章对电磁阀内部流场进行数值计算。主要计算先导阀及主阀在稳态工况下流

3、场分布，能量损失、液动力、流量系数等。并通过对电磁阀不同结构参数进行研究，找出对系统影响较大的参数及影响的原因。第五章建立电磁阀数学模型，并与物理样机试验数据进行对比分析研究。利用得到验证的数学模型对电磁阀不同参、变量进行仿真研究，分析电磁阀结构特点，获得不同结构参数下电磁阀的动态性能。第六章总结了本论文的研究工作和成果，并对下一步的工作进行展望。关键词：液压支架电磁仿真系统仿真；（），（），；：【独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其

4、他教育机构的学位或证二拈而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：扔崩多签字日期：月侈日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盘姿盘茔有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：扬力！乡导师签名：签字日期：箩年莎月眵日签字日期：，占月；日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：

5、电话：邮编：艘立磁月数值仿真研究第一章绪论液压盘架足以一矧乳化液为动力，通过对电磁阀的控制实现支架的支撑、切顼、移絮和输送机推移等的机械化设备。它能可靠而有效地支撑和控制。作面埘！板，隔离采空区，保证地下作业空间的安全。因此，以液压支架为主盟设缶的综合机械化系统的诞生和发展是煤矿生产发展坐上的一次重大擎命。液压支架不仪从根本卜故静了劳动条件和安全状况，也为作面产量和效率的迅速提商奠定了基础，是煤矿三产现代化的重要标志。液压支架发展概况”世纪年代忉期可弯曲副板运输机往西德的推广，年代干期浅截采煤机械在英田的应用，为机械化采煤丌辟了厂阔的前景。然而，支护【作仍为于工操作，疗动繁重，效率低，严重地影

6、响械效率的发挥。为丁解决这问题，固外从“十年代初开始着手研制液、支架。第个液支架工作面年存英国问世，随厉在苏联、西德、同本、法国、美国、波兰和罗马尼亚等国家陆续应用和推广。硝小同架液脏支架液、支架的出现，把刚采工作面的支护技术从手一支护发胜到机械化支护。液压支架和可弯曲刮板运输机、浅截式采煤机械（粟煤机，刨煤机）的配合使阳，使回采工艺过柞破煤、装煤、运煤和支扩全部实现丁机械化，即所谓综台机械化采煤，简称为综聚。综采的出现，是煤炭工业的一次重大变革，它标志着煤炭工业机械化大生产的丌浙江大学硕上学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究始。综合机械化采煤设备的应用，使采煤工作面实现了高产、高效、安全、低耗

7、的文明生产，使煤炭工业的面貌发生了深刻的变化。从图、可以看出，随着综采机械化程度的提高，煤矿开采百万吨死亡率呈下降趋判，。嚣张臻一一、一一弋广综采比例，万吨贮率入一澳大利亚美国波兰南非俄罗斯中国篓踟。蚕赛蝼张篓蜒侧凿图年世界主要采煤国家百万吨死亡率国有重点煤矿采煤机械化程度百万吨死亡率一一斟繇訾斟献铲图国内采煤机械化程度与百万吨死亡率关系我国在年由煤科院太原分院和郑州煤机厂设计了型迈步式自移支架，从此开始了液压支架的国产化道路，已先后试制了、型、型、型、一型、型、型、型等多种型式的液压支架，并在开滦、大同、阳泉、鹤壁、徐州等局进行了试验和使用，取得了较好的效果。年，北京开采所、沈阳开采所、郑州

8、煤机厂在沈阳蒲河矿进行了我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验，扎乙队的柏渡女架鲢目数值仿真研，继向研制出丁多种低位、中何和高位放项煤支架，成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水分层工作衄得到应用自年丌始，田产液脏支架得到全】的发展，到年，液支架的产量达到架。，液压支架在煤矿莉，得仝【奇）。液压支架电液控制系统发展概况电液控制系统在液压支架中的应用，。期液二支架要采用手动直控操作系统，煤矿丌采业一世纪年代棚，始重视支架液先导控制的研究，在年代中后期。泛采用液压多芯管先导控制系统。有了先导控制的基础，从年代开始两方采煤国家大力着手电液先甘程序控制的研究和使用，液压支架进入电液控制时代峨削液脏支架枉矿

9、”中的应用！液压支架电液控制系统液、支架的电液控制系统是由先进的电计算机技术与液妪阀等液压元器件相结合组成的，它是控制液堆支架实现其自动化运转的核心。它代替了一般的液压支架手动液口：操纵阀控制系统，从而使液压立架的操作更加灵活、快捷。液雎支架电液控制系统十要由电液摔制阀组、支架控制器、传感器、电源箱、插座和电缆等：【成。乜控阀组叶的电磁先导阀用于将乜信号转换为液儿三信号，控制丰控阀和常闭截止叫，抒闽则将先导闽发出的液压信学经液压放大后，控制年油缸的动作。支架控制器拥据预定的程序和备个传感器反馈的信号，向各个先甘阀垃出电信号控制先导阀的动作。传感器有、山传感器、位移传感器和外传感器。眶力传感器用

10、于检测电爿降时的爪：位移他感器用十榆测移架步距：！外传感器丌】检测采煤机的位置。源箱具有防爆、本安、过压、短路、过载保护等功能。图电液控制系统网络结构框图液压支架的电液控制系统是当前国内外工作面支护技术发展的主要方向之一，具有如下优点，】：（）它可以将支架的降架、拉架、升架、推移前部输送机、拉后部输送机、收护帮板、伸护帮板：喷雾洒水及放项煤等动作由原来的人工手动操作改为电液自动控制、程序化操作，能够与高效采煤机相匹配加快工作面推进速度，显著提高采煤工作面的生产效率。（）它可以实现跟机自动化作业、降低工人的劳动强度，改善工人的劳动条件，减少工作面的操作人员，改变煤矿生产落后危险的社会形象。（）它

11、可以解决特殊地质条件和困难生产条件下的生产工艺问题。例如在薄煤层工作面人员无法在工作面内操作的条件下，采用电液控制可以实现无人化工作面（需与刨煤机系统配合使用）。（）它可实现多架同时推输送机并可定量推进，保证输送机缓慢弯曲，避免中部槽连接处产生过大应力，延长输送机的寿命，同时可以保护工作面输送机的平直性，实现工作面的平直推移。（）它易于实现带压移架，对于保护顶板的稳定性和防止冒顶事故非常有利。（）它可以较好地控制支架初撑力，显著地改善支护效果和工作面管理水平。煤矿综采液压支架电液控制系统的应用，大大地加快了工作面的移架、推溜速度，改善了采煤工作面顶板的支护状况，使工作面产量成倍增加，直接功效大

12、幅度提高，安全状况明显改善，吨煤成本大幅度下降，为煤矿生产的高效、安全和煤矿工人劳动环境的改变提供了条件。综采使煤矿实现了由手工操作向机械化的变革，电液控制系统使井下采煤实现由机械化向自动化的革命，也可称为采煤技术的第二次改朝换代的重大改革，是煤矿世纪的高新技术。液压支架电液控制系统研究现状，二十世纪年代中期，英国煤炭局首先提出研制电子控制液压支架，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。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，于年投产。英国原伽立克公司年月研制出了“”电液控制系统在“”投入试验。年底英国原道梯公司又研制出第二代全工

13、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。德国从二十世纪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年间合作研制出德国第一套支架电子控制装置一一系统，年又研制出支架电控系统。年威斯特伐利亚公司与公司合作研制出电液控制系统，年又研制出更为先进的支架电液控制系统，技术上己相当可靠，并在全世界推广应用。年代后期威斯特伐利亚公司自行改进推出系统，而公司改进推出了系统。除此之外，日本三井三池株式会社、英国原米柯公司、德国原赫姆夏特公司（现合并为公司）、波兰公司，法国、俄罗斯等国家也都先后研制成功支架电液控制系统，并推广使用。目前

14、，国外液压支架电液控制技术己发展到相当成熟的阶段，发展十分迅速。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。国内自二十世纪年代中期即开始研制液压支架电液控制系统。年北京煤机厂与晋城矿务局共同研制出第一套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，这是我国第一个应用到井下进行工业性试验的液压支架电液控制系统，但在试验中存在很多问题，如电磁阀线圈烧坏，阀芯、阀杆时有卡滞现象。在基础上改进的第二代一型支架电液控制系统（架），于年月至年月在井下进行工业性试验，但随后即被搁置一边。郑州煤机厂年月研制出卜型支架电液控制系统，于年月在大同四台矿完成架井下工

15、业性试验，在型的基础上又经过多次改进，于年浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究月开发出呱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。煤科总院太原分院研制的型支架电液控制系纠，于年在大同矿务局马脊梁矿进行了国内第一个全工作面井下工业性试验，并于年月通过鉴定，又于年在东胜补连塔煤矿进行了架试验，但现已经撤出。我国液压支架电液控制系统研制已经历了十几年时间，但功能性、准确度，特别是可靠性方面都不能实现批量工业性生产。至此，国内不得不采用引进模式，来满足国内高产高效矿井的发展需求。液压支架电磁阀的发展概；，】在液压支架电液控制系统中，电磁阀组是关键的元件之一。

16、它的功能是将电控系统发出的电信号有效地转换为液压信号，以控制支架液压缸的动作，其性能及可靠性直接影响整个系统的性能和可靠性。长期以来，德国、公司和美国公司等归属的研发部门以及许多专家学者都致力于电磁阀组的研究和开发上。他们从电磁阀组的结构工艺着手，对先导阀压力损失和泄漏及其驱动元件等方面的问题都进行了大量而细致的实验研究，同时，还应用计算机对先导阀内部的流场进行模拟研究。特别是德国一些公司相继研制出一批高性能、高可靠度的电磁阀组。在长期的研究中，这些国家积累了大量的理论知识和丰富的实践经验。在国内，对液压支架的研究起步相对国外要晚，而对其中的电磁阀组的研究则要更晚一些。这些研究主要是在煤炭科学

17、研究总院各个专业研究所、骨干的支架制造厂及其一些液压件厂中有见到。二十世纪年代中期煤炭科学总院上海分院董信根、芮丰等对国外矿用电磁先导阀的主要参数的确定和结构特点进行了综合分析；年煤炭科学研究总院太原分院田永顺对型矿用电磁先导阀可靠性进行了研究分析；吴国强等人对液压支架电液自动控制系统的工作原理及控制进行了国产化研究。随着计算机技术的飞速发展以及数值计算技术研究的不断深入，使得对于几乎一切流体力学问题，包括液压技术中的流体力学问题的研究成为可能。年底欧共体撤消了软件对中国出口的禁令，商业软件逐渐进入我国，这在一定程度上促进了我国工业界技术的应用推广。国内高校及相关企业开始利用计算流体力学软件对

18、液浙江大学硕上学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究压支架电磁阀的各种复杂的流动现象进行数值计算研究，分析了阀道流场分布、气蚀产生现象及压力损失等基础性问题。如天地科技玛珂电液控制有限公司利用计算流体力学软件对电磁先导阀进行了流场计算、流量特性预测的数值计算研究【】；太原理工大学王芳、廉自生等人利用标准紊流模型模拟了液压支架系统中电磁先导阀流道内流体的流动状态及阀芯所受稳态液动力的情况【】。通过这些研究加深了国内对液压支架用电磁阀的设计理论的理解。本课题的研究意义及研究内容本课题的研究意义煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物质基础。我国煤炭资源丰富，煤炭资源分布面积约多万平方公里

19、，占国土面积的。根据第三次全国煤炭资源预测与评价，全国煤炭资源总量万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量居世界第一。国务院制订的能源中长期发展规划纲要（）（草案）指出“要大力调整优化能源结构，坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展的战略”。鉴于我国“多煤、贫油、少气（天然气）的特点，在今后相当长的一段时间内，能源结构仍然以煤炭为主，煤炭在一次能源消耗中占左右，在我国能源结构上占主要地位，有举足轻重的作用。根据“十一五”计划，国家将建成个高效安全的现代化矿井，国家将加大对煤矿建设项目的支持力度，已先后有个煤炭建设项目，由国家开发银行出具贷款承诺，还将多个高档普采工作面升为综采工作面，

20、多个普采工作面升为高档普采工作面。这样，中国大型煤矿采掘机械化程度将达到，中型煤矿的机械化程度将达到以上；大型煤矿国内先进水平装备率将达到，国际先进水平装备率将达到；中型煤矿国内先进水平装备率将达到；小型煤矿机械化、半机械化程度将达以上。据此分析，随着煤炭需求的急剧增长，上述煤矿采掘机械化指标还会有所突破，这为液压支架的发展提供了广阔的市场前景【】。作为综采液压支架的核心电液控制系统一直掌握在国外少数几个大公司手中，如德国公司、公司、美国公司。进口电液控制系统价格昂贵，维护维修成本高，配件供应周期长，导致液压支架成本的急剧增加。目前，中国国有重点煤矿的综采工作面数已超过个，全部靠进口国外的整套

21、系统是不现实浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究的，这严重限制了液压支架电液控制技术在煤矿开采中的推广。因而，为了实现国家提出在“十一五”期间的目标，必须加大液压支架电液控制系统的国产化力度，降低液压支架成本，为煤矿开采机械化打下基础。近些年来国内虽然对液压支架的电液控制系统做了一些研究，但与国外比较除了在及材料方面的原因外，还存在以下几个方面的差距：、国内液压支架阀类产品的设计思路还处于国外二十世纪年代水平，往往忽视了产品的维护维修性能，而国外同类产品则带有更多的人性化特点，考虑安装、操作使用的便利。、国内设计手段还主要靠经验设计，对现代设计手段利用很少，而电磁先导阀、大流量主阀等

22、，对性能要求相对较高，且实验存在一定难度，这就使得利用现代设计手段对电磁阀进行特性预测显得尤为重要，而国外在这方面的应用已经相当成熟。、国内管理水平较低，成批生产产品保证不了加工质量，达不到样机的指标，因此工作面使用故障多，发挥不了应有的作用。电磁阀组是实现液压支架电液控制的关键元件，电磁阀的性能好坏决定了电液控制系统的能否正常动作。然而，国内对于电磁阀组的研究仅限于其流场研究，缺少对整个液压支架电磁阀组系统全面的特性研究。液压支架电液控制系统基础原理，核心技术，研发工艺等问题仍未解决。由于液压支架采用乳化液作为工作介质，它是由的水与的乳化油配成，其物理特性接近于水，电磁阀更容易产生气穴、锈蚀

23、等问题，因而，液压支架用电磁阀不能简单的引用油压阀的设计准则，需要进行更多的基础性研究工作。在过去，由于缺少相应的研究手段，对国外引进的产品只能照搬照抄，无法理解国外的产品的设计原理，参数选取的机理。所谓只能知其然，不知其所以然。若对国外产品进行试验研究，虽然可以得到相关的参数，但试验方法费用昂贵，而且只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助研究人员了解问题的实质。然而随着计算机技术的推广普及和计算方法的新发展，利用计算机数值仿真技术便可以更加有效和便捷的分析一些基础性问题，缩小国内外差距，从而加快液压支架电液控制系统国产化的进程。计算机仿真技术的数值模拟相对于实验研究有其

24、独特的优点，如成本低，周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中所测数据状态。从某种意义上数值模拟比理论与试验对问题的认识更为深刻、更为细致。它不仅可以了解问题的结果，而且可随浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究时连续动态地、重复地显示事物的发展，了解其整体与局部的细致过程。对于设计、改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用，故计算机数值仿真技术得到了越来越多的应用。本文主要运用算机数值仿真技术，采用数值仿真分析与实验分析相结合的方法，分析所引进的液压支架电磁阀组，建立液压支架电磁阀组数学模型，并通过实测获得相关的参数对数学模型进行修改，得到验证过的模型，并以此为模型研究液压支

25、架电液控制阀的设计原理及参数选择机理，真正消化和吸收国外的先进的液压支架电磁阀，从而一方面可以根据国内的实际情况对其进行改进，设计满足国内需求的液压支架电磁换向阀，另一方面把消化吸收得到的技术应用到新产品的开发中。本课题研究的内容本文以电磁学、流体传动与控制理论、流体力学等理论为基础，采用理论分析，计算机仿真，有限元分析等方法进行研究。鉴于目前国内液压支架及电磁阀的研究现状，本课题具体研究内容包括：、针对目前我国液压电液控制系统的发展现状进行总结和整理，分析当前我国在液压支架电磁阀组研究方面存在的问题。、从电磁阀电磁铁的工作特点入手，结合材料和磁路原理，对电磁铁进行磁路分析，研究本安电磁铁设计

26、思路及其参数选取特点，利用有限元分析结果导入，建立电磁铁动态仿真模型，对电磁铁的动态特性进行仿真分析。、针对电磁阀组先导阀及主阀进行流场仿真分析，研究流体在阀内的流动状态、研流量特性以及不同参、变量对电磁阀流场的影响，并计算电磁阀各个阀口的流量系数。、建立电磁阀组仿真模型，并与实验数据进行比较分析，完善模型；对电磁阀进行系统仿真分析，研究电磁阀工作特性及结构特点，研究不同参、变量对电磁阀性能的影响。坛架磴目数了真究第二章液压支架电磁阀结构介绍型电磁换向阀是先导式位三通电磁换向阀它足住吸收外先进构的特点并结合我罔困情而研制的一种新型矿用液压支架电磁删，它山乜磁先旨阀及大流量卜阀组成，按一定的程序

27、通过控制各个液压干斤顶，实现液压支架的备顺动作。电磁先导阀结构介绍在液压支架电液控制系统中，电磁先导阀是关键的元件之一，它由本安型电磁铁作为电机槭转换元件，驱动先导蜊工作。它的功能是将电控系统发出的信号有效地转换为液压信号，以抖！制主阀动作。其具体结构如图所示。幽电磁光导恻剖示目本安型电磁铁图电磁先导嗍宴物凹煤矿开采为了确保生产安全采用本安型电源，在的额定工作电压，最大输电流一般不得大于。因而，被本安型电源激励的本安型电阀铁驱动电流便不能很大，般不超过左右，以允许支架电液控制系统驱动尽可能多的电磁阀刊时作，提高支架电液控制系统的性能。本安型电磁铁线圈属于铁芯电感，匝数比常规电磁铁要大十倍，线圈

28、电感很大。当乜路断路时，线幽产很高的反电动势，不仅延长放电时问，影响电磁蒯复位动态特性，同时可能造成电路断路火花。能量足够大的断路电火花可能点燃爆炸性气伴程和物，引起爆炸。为了保证电磁铁的隔爆性能要求，在线圈绕完后，整体用黑色聚丙烯加热包裹同化，隔绝屯火花与可燃性气体的接触。同时，对安皱在先导阀壳体内的电路板的感什元什用环氧树脂胶封为一体。生电阀敬值仿真”、先导阀乖体先导阀奉体由缓冲器奉体、大摊打、；脏；、阀鹰、小推杆、压力腔阀芯、复位弹簧等组成。其具体结构如崮所小。幽【磁先导删结不意刚缓冲弹簧；缓冲器本体：犬摊忆一川油腔阀芯；阀鹰：一压力腔阀芯；一复位弹簧；顶块；卜小推丰：蚓定节流先导阀工作

29、过程：当控制器发出控制信号时，电磁铁得电，推动缓冲器奉体向前运动，此时缓冲弹簧山于受到一定的预紧力的作用，缓冲弹簧像刚体样，把电磁力传递到大推杆上，大推朴推动回油腔阀芯向前运动，小推杆受到米自回油卒阀芯的作用力也推动压力腔阀芯克服复位弹簧力向自运动，卣罕关闭与口之间的回路，同时打丌与口之间的回路。当弹簧力继续增人，超过缓冲弹簧预紧力时，克服缓冲弹簧预紧力作用，缓冲弹簧受到压缩，储存多余电磁铁输的能量，缓冲器继续向前运动直到与缓冲器衬食相接触。当控制器发山断丌指令时，电磁铁失乜，山丁感应电流的作用，电磁铁输力缓慢减小。此时，储存在缓冲器的能鼙克服电磁力迅速推开电磁铁，确保电磁铁能常打开。“运行一

30、定距离之后，电磁力迅速减小，此时在复位弹簧力及液压力的作用下，电磁先导阀完伞关闭与的回路。、阀口型式在乜磁先导削结构中可采刚多种阀口型，以达到所要的功能。在磁先导阀中，常位论被盘磷目数值仿真研采用球密封型式和锥面密封型式，采州的是金属一金脯密封，但这些类型的阀口对产品加精度要求较岛，否则会存在漏现魏，而这些问题在液压支架阀是不允许存在的，哲则容易造成严雨的生产事战。在本型电磁先导阀采盘阀阀几型式，阀门采川是软硬密封，在压力腔阀芯及回油腔阀芯巾填充聚甲醛高分子材料，它具冉优良的力学性能，比强度，比刚度达，并具有良好的白滑性、耐磨性、耐摩擦性、耐蠕变性和耐疲劳强度，这些优趣的性能使得聚甲醛高分千材

31、料成为液压支架先导阀密？的瞧蚶材料。在先导阀渊座二祀用金属材料，通过这种软硬配合的密封型式，使得阀】不存在泄露现象。大流量主阀结构介绍大流量阀是液控化三通换向阀，缝由控制二力控制的井在安全操作冉血当控制压力降低时自动夫州液挣换向吲，卡要用丁煤矿迈步式液压支架的拧制，以便伸或缩回立柱液缸。出丁支架沿【作向在水平巷道安装并闩当支架随着：怍的变化而移动，这就需要频繁的切换。，）外存上作面要施加的支棒力需要很高的液体压力，从而换向阀总体受到的很高的、力交变找荷，对阀座产生比较高的压力。本型号大流量卜阀采用插装型式，它由，阀套、挖制活塞、阀座、阀芯、阀座、复他弹簧等组成地。其中幽油接可由控制活枣关，任油

32、口关卅闭后，阀芯打丌接通高压进油川到负载之间的回路。其具体结构如图所示。弹簧蚓人流封土阀结构不意酬左阀套；一控制活塞；一左阀座：一阀套；一阀芯；一阀座；一复位人学删。学位镕女披磁目数值仿真研究、上阀工作过程当控制嚣发控制指令时，先导阀磁铁得咆，接通口与控制之叫的回蹄，阀控制腔压力缓慢上升，推动控制话雍运动与有阀鹰起关闭负栽【】和回油之州的回路。随厉控制腔压力迅速升高达到二右，此时阀芯克服流体静压力及复位弹簧力推动阀芯运动，接通高厄油口与负载臼之的网路。在阀芯打”过程中，控制腔压力卜爿比较缓慢，因而，阀芯存外启时日较长。当控制器发出断丌指令时，电磁铁失电，先导阀关闭，接通控制腔与回油】之间的回路

33、。控制腔压力缓慢下降，阀芯慢慢复位，商至关闭。当阀芯完仝关闭后，控制腔脏力迅速下降，当压力降到一定值时控制活塞向后运动，接通负载口与回油口之间的同路。幽电磁换向蚓油路示意幽、阀型式目前圜内液压支架所采用的大流量主阀主耍足锥阀形式，采州会属一会届密封，由于钢材材或质母不过关，极易因密封面的腐蚀导致内泄露。当前部分产品采用下面密封，以“煤研二二号”做阀颦，解决了内泄露的问题，但存在阀挚损坏牢较高的现象。为了解决这些问题，小型号大流量主阀胤座乏用的芷聚甲醛，并采用。定的技术手段减小闷芯关闭瞬间的速度，减轻关闭瞬间阀芯对阀庄的冲击，椿护阎座。舀实际应川过程中，这种型式的阀鹰小存在内泄露及删毕拟坏苹高的

34、现象。浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究液压支架电磁阀结构特点型电磁换向阀是国内目前性能稳定并批量用于矿井生产，已经可以替代国外同类型产品，这是由于在设计过程中吸收了国外产品的优点，解决以往液压支架电磁阀存在的可靠性问题。它具有以下特点：、不存在锈蚀卡死问题。先导阀是液压支架电磁阀的关键元件，零件尺寸较小，若出现锈蚀现象就有可能产生卡死，无法控制主阀动作。在先导阀所有关键零件均采用黄铜加工，黄铜良好的抗锈蚀性能使得先导阀的可靠性得到很大提高。、软硬密封，密封性好。阀芯与阀座的密封采用软硬密封型式，即阀芯或阀座采用聚甲醛高分子材料。当阀口关闭时，利用流体的静压力作用在阀芯上使得高分子

35、材料受压出现微小变型，密封性能显著提高。当密封腔压力越高时，作用在阀芯上的静压力越大，密封效果越好，使阀口得到零泄露的密封效果。、二级减压，减小气蚀的可能性。液压支架的工作介质为水与乳化油的乳化液，其物理性能接近于水，容易出现气蚀现象。先导阀采用二级减压设计，在先导阀的进液口增加一个固定节流口，减小了阀口的压降，从而减小出现气蚀的可能性。、结构设计合理，有效保护阀座材料。液压支架在工作过程中要随着工作面的变化而移动，使得大流量主阀频繁的开关，当主阀关闭时，如果关闭速度过快会对阀座产较大的撞击力，可能破坏采用高分子材料的阀座。在设计时合里控制先导阀回油速度，使得阀芯的速度在控制在较小范围之内。浙

36、江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究第三章液压支架电磁阀电磁铁数值分析电磁铁作为液压阀的驱动部件，是液压阀应用最多的电机械转换器，其功能是将输入的电压信号，转换成力信号输出。在电磁铁的设计中，合理地选择电磁铁的结构和参数，将直接影响其工作特性和技术经济指标。但是，由于磁路的非线性和存在着漏磁通，使磁路计算问题变得非常复杂和困难。在传统设计中一般采用经验公式，对各个结构参数作用评估往往不够具体和准确，因此有必要精确分析各参数作用，为性能优化提供完整依据。磁场是一个空间的点函数，在磁场内的不同位置上，磁感应强度和磁场强度具有不同的值与方向。因此，很难用简单的、便于求解的数学模型表达出来。为

37、了便于计算，前人把磁场在空间分布特征转化成磁路模型进行计算，但又存在着如何正确应用集中参数代替分布参数的处理问题。为了求出经过简化后得到的计算磁路的近似数学模型，许多人进行过各种不同的尝试。然而应用这些数学表达式进行磁路计算，仍然很繁琐，且计算准确度也差。当磁路具有形状复杂的磁极时，就更难找到一个合适的磁导计算公式，除了采用作图法或磁位网格法外，别无他法。然而这两种方法的计算工作量非常大，手算是不现实的团，。随着电磁理论、数值数学和计算机科学的发展，出现了电磁场有限元数值计算，它是具有强大生命力的边缘学科。它是以电子计算机为工具，应用各种离散化数值计算方法，对各种电磁场问题进行数值实验、计算模

38、拟和分析研究，以解决各种实际问题。电磁场有限元数值计算的出现，不仅丰富电磁场研究手段，开拓了新的研究方向，而且由于其强大的数值运算能力，可以计算用解析方法不能求解的方程，解决了某些电磁理论无法解决的问题。因此，本章采用该方法对电磁铁进行仿真分析，并与系统仿真软件相结合，实现电磁、机械联合仿真，提高了仿真结果的准确性特别是瞬态过程结果的准确性。铁磁材料磁特性分析【：。铁磁材料是液压阀电磁铁的主要材料，对磁性材料的选择直接决定着电磁铁的性能指标。由于铁磁材料的磁导率与其中的磁通密度或磁场强度有关而非恒定值，使得电磁铁磁路分析成为非线性问题。铁磁材料的性能需通过磁化曲线、磁滞曲线及有关参数进行了解，

39、以便根据不同的需要合理地选取铁磁材料。亏孺口也一乡一尻厶么一图铁磁材料曲线图磁滞曲线如图所示，曲线为铁磁材料的曲线。铁磁材料从，开始磁化，图中段随着外磁场的增大，铁磁材料的磁感应强度急剧增大，表现出较高的导磁能力和较小的磁阻，所以通常要求材料工作在点附近。当时，随着外磁场的增大磁感应强度增长极慢，铁磁材料内部的磁场达到了饱和值。在磁饱和区域，导磁系数下降，磁阻增大。曲线。为铁磁材料的导磁系数随外磁场变化曲线，铁磁材料在磁化起始阶段及进入磁饱和后，导磁系数均不大，但在附近，导磁系数达到最大值。可见，在磁化过程中铁磁材料的导磁系数是随磁场强度而变的。如图所示，如果将外磁场减小，磁感应强度并不沿原来

40、的曲线原路返回，而是沿曲线下降，即使磁化场减小到零时，磁感应强度仍保留一定的数值，表示磁化场为零时的磁感应强度，称为剩余磁感应强度（）。当反向磁化场达到某一数值时，磁感应强度才降到零。强制磁感应强度降为零的外加磁场的大小。，称为矫顽力。当反向继续增加磁化场，反向磁感应强度很快达到饱和（、）点，再逐渐减小反向磁化场时，磁感应强度又逐渐增大。反复若干循环后，可得到一个近似对称于原点的闭合曲线，即磁滞回线。铁磁材料在反复磁化过程中，必然克服阻力做功，铁心发热。这种在反复磁化过程中的能量损失叫磁滞损耗。磁滞损耗正比于交变磁化的频率、铁心的体积和磁滞回线所包围的面积。其大小与铁磁材料的性质、磁化频率、磁

41、感应强度的最大值有关。工程上常用下列公式来计算磁滞损耗。品（）式中：铁芯的磁滞损耗，为与材料性质有关的系数，指数与有关，当时，当时。因此，为了减少磁滞损失，应当选择迟滞回线狭窄的材料作为铁芯。电磁铁静态特性分析在衔铁的实际运动过程中，只存在动态吸力特性，静态吸力特性是只是衔铁缓慢移动的一种特例而已。由于动态吸力特性要受到电磁铁所牵引的负载等因素的影响，以至于同一种结构参数的电磁铁也会有不同的吸力特性，因而习惯上常以静态吸力特性作为电磁铁的基本特性。本节利用有限元分析软件进行数值分析，研究电磁铁静态特性，并对重要结构进行参数化分析，研究不同结构参数变化对电磁铁静态输出力的影响。磁场有限元分析方法

42、，】麦克斯韦奠定了经典电磁场理论，提出了电磁场普遍规律的数学描述麦克斯韦方程组。这些电磁场的基本方程组为解决电磁场工程技术问题提供了理论基础，近代电磁场数值分析也是以此为依据而发展起来的。通常，电磁场基本方程组的积分形式为虫乓（，莉（）虫一瓦一；兵虫虫（）（）（）式中：、，和分别为磁场强度、磁感应强度、电场强度、电位移、电流密度、和电荷密度。为闭合曲线；为由所界定的曲面；为由所界定的体积。浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究电磁场各有关物理量之间的关系是由电磁场的辅助方程来表示的，对于各向同性媒质，其关系式是：（）式中：介电常数一磁导率旷电导率麦克斯韦方程组是电磁场矢量之间的表达式，

43、如果直接用来求解电磁场问题，在数学上存有较大困难。因此在分析电磁场问题时，一般引入位函数来作为求解的辅助量。考虑到分析磁场为稳定磁场且结构为轴对称型，其标量磁位方程可写为丢（壶警）毫（差）一（）式中：标量磁位边界条件是求解电磁场问题的关键。在平面电磁场问题中，设求解区域为，它的边界为计算所采用的变量为，边界条件通常分两种不同情况给出。第一类边界条件为：在边界上满足己知物理量厂（，）对于平面稳定磁场问题，第一类边界条件用标量磁位函数给出，有以下形式标量磁位：（）第二类边界条件为：满足物理量在边界上的法向导数未丘（，）对于平面稳定电磁场问题，第二类边界条件用标量磁位函数给出，有以下形式标量磁位：挲

44、一（）、式中：磁通密度矢量的法向分量浙江大学硕士学位论文液压支架电磁阀数值仿真研究式（）与边界条件式（）、（）合在一起，描述了电磁铁的磁场特性，是仿真模型的基础。麦克斯韦方程组描述了电磁场的磁场特性，但由于磁场是非线性的，这些微分方程组无法得到解析解，只能通过数值计算的方法借助计算机求解微分或积分形式的磁场位势方程，得到磁场的分布规律。目前常用的分析计算方法有有限差分法（）、有限元法（）及边界元法（）。一般说来，是一种相当成熟的经典方法，而比具有更广泛的适用范围、更高的精度以及更好的经济适用性，特别适用于具有复杂介质中的场分析。有限元法是近几十年来在工程技术各个领域中广泛应用的科学，是以变分原理为基础建立起来的。有限元法是一种基于能量原理的数值方法，是处理连续介质问题的一种普遍方法。运用有限元法可以处理几何形态复杂的非线弹性问题，因其理论依据的普遍性，不仅广泛地被应用于各种结构工程，而且已被普遍推广并成功地用来解决其它工程领域中的问题，例如热传导、渗流、流体力学、空气动力学、土壤力学、电磁场工程问题等。电磁场分析软件简介】当今工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以及其他工业控制系统比以往任何时候都使用得更加广泛。由于设计者对性能与体积设计封装的希望，因而先进而便于使用的数字仿真技术的需求也显著的增长。在工程人员所关心的实用性及数字化功能方面，的