水基电液比例控制技术在煤矿应用展望

王统诚

摘 要：根据煤矿液压系统智能化发展需求和电液比例控制技术基础，提出水基电液比例控制技术在煤矿综采液压系统推广应用的观点。阐述了电液比例控制技术发展趋势，以及水基电液比例控制技术的现状。阐述了水基比例控制技术在煤矿综采液压系统的适用性和先进性。分析了现有水基电液换向阀的结构特点和工作原理，以及其在精准控制方面的不足。分析了直动式和先导式水基比例控制阀的结构和动作特点，提出了潜在的水基比例电液控制方案。最后从技术和应用角度对水基电液比例控制技术在煤矿的应用做出积极展望。

关键词：比例控制；液压支架；综采自动化

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0引言

随着煤矿智能化的发展，安全、高效、绿色开采的定义随着技术更迭有了新的诠释。煤矿工作面智能液压系统尚处概念落实和初期开发阶段，有较多的基础和共性技术急需解决，其中就包含以精准供液和精准动作为导向的高水基电液比例控制技术。目前，水基电液比例控制技术在一些行业已开始应用，但在煤矿行业尚处起步阶段，其设计结构原理及工作方式较传统电液换向阀区别较大，需要在环境适应性和结构可靠性方面进一步发展，通过吸收和创新实现对现有电液换向阀的升级替代。

1水基电液比例控制技术概述

电液比例阀是一种精确的液压控制装置，在普通压力阀、流量阀和方向阀上广泛应用，用比例电磁铁或者步进电机替代原有的控制部分，按输入的电气信号连续地、按比例地对液流的压力、流量或方向进行远距离控制。电液比例阀一般都具有压力补偿性能，输出压力和流量可以不受负载变化的影响。目前油基比例阀成熟且应用广泛，但水基比例阀由于其特殊的工况和液质条件技术发展较为缓慢，目前仅在钢铁行业、海洋工程等行业有小范围的应用。

与常用的开关型控制阀相比，广义上的电液比例阀可以根据信号进行液流方向和流量控制，进而影响液压执行元件的速度、精度和响应特性，因此比例型控制阀在中高端液压行业中逐步替代原有的开关型控制阀，形成高水平液压控制系统对主机性能增益。比例控制技术起源于军事，航空领域的高精度、快响应电液控系统设备，经过半个世纪的发展，电液伺服技术日趋成熟，水基电液伺服产品方兴未艾。

二十世纪七十年代是油基电液比例技术的黄金发展期，涌现了众多带有内反馈的比例液压元件，电液比例元件也引入闭环控制，逐步推广应用到更多领域。1985年左右，电液比例元件进一步发展，引入了流量、压力、位移反馈及电校正等新的技术手段，使比例阀动态响应和稳定性有了很大提升。与此同时，具有插装结构的电液比例控制结构逐步出现，以此开发出了各种规格的比例插装阀，比例插装技术成为主流发展方向。21世纪初期，电液比例技术开始应用于工程机械领域，具备负载敏感控制及负载适应控制功能的液压元件实现了对传统产品全面替代。

水基电液比例阀与上世纪八十年代逐步开始研究开发，研究主要集中在以德国和日本为代表的发达国家，开发了水液压泵、水液压马达、水基控制阀等一系列产品，形成了初代水基控制技术与产品体系。现阶段非煤行业比例阀已有成熟产品，但具备加工制造技术水平的企业较少，较为知名的有德国Tiefenbach（蒂芬巴赫）和Hauhinco（豪辛柯）公司。Tiefenbach公司的二通水压比例阀，该阀通径DN25-DN100，最高控制压力32MPa，采用多比例阀协同控制实现主阀芯位置精确控制，额定流量为400-6000L/min。Hauhinco公司同样采用多级先导协同控制策略。

目前以油基为主的液压系统地位不可撼动，但水基液压在部分特殊行业中发展势头旺盛。目前煤矿综采工作面是最大的高水基液压应用工况之一，由于综采液压系统规模庞大，油基介质经济性较差，且煤矿液压系统不可避免的跑冒滴漏势必造成不可逆转的环境污染，煤矿综采液压巨系统以水基或以乳化液为代表的高水基液体作为工作介质，煤矿液压系统的升级必然助推水基液压控制技术的发展，煤矿综采工作面环境及其液压支架系统如图1所示。

图1 煤矿综采工作面环境及其液压支架系统

2水基比例控制技术在煤矿应用场景

电液技术作为连接现代微电子技术和大功率控制设备之间的桥梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一，水基电液比例控制阀是综采工作面液压支架实现精确控制的核心元部件，是综采工作面连续高效开采的重要保障，是LASC等工作面找直技术作用得以充分体现的基础条件。

目前煤矿综采液压系统采用乳化液作为工作介质，具备高水基属性，在部分先进煤矿则采用了超纯水作为工作介质，进一步提升介质环保性，但也给液压控制提出更高要求。现阶段煤矿领域液压系统控制阀均为开关控制，控制精度低、累计误差大，严重制约了液压支架的动作控制效果，特别是推溜拉架等对精度要求较高的动作受制于液压控制方法，极大影响了智能化和自动化设备释放运行潜力，

现有煤矿液压支架电液控制换向阀如图2所示。因此，水基比例控制技术是煤矿综采工作面智能化开采得以实现必须攻克的关键技术之一。

图2 现有煤矿液压支架电液控制换向阀

当前随着采煤技术的不断提高，液压支架电液控制系统也取得了长足发展。智能化、高压大流量化、精确化、低能耗化成为目前支架用电液控制系统的主要发展方向，水基电液比例阀概念应运而生，成为国内外煤矿液压控制技术企业和高校竞相研究的方向。

3现有水基电液换向阀分析

支架电液控换向阀是电液控制系统的核心部件，根据不同的设计原则，各厂家支架控制器的结构型式有所不同，但组成结构组成大致一致主要包括：电磁先导阀，阀芯、先导过滤器，进回液单向阀等。近年来随着电液控综采工作面推广应用，为适应不通过煤层液压支架的要求，电液控换向阀压力等级不断提升从最早的31.5MPa，目前额定压力已经达到40MPa；流量参数从125～1000L/min，可以满足不同液压支架的需要。

3.1 现有开关式电液控换向阀结构特征

典型中厚煤层电液控换向阀结构如图4-4-6所示，阀组由六部分组成：①电磁先导阀、②阀体、③DN10小阀芯、④DN20大阀芯、⑤过滤器、⑥单向阀等组成。主控阀芯整体采用插装式结构，具有18个工作口，进液胶管直径DN25，回液胶管直径DN32，控制前立柱升降，后立柱升降，拉架、推溜的功能口为DN20接口，采用DN20阀芯；其余的功能口为DN10接口，均采用DN10小阀芯，电液控换向阀组结构如图3所示。

图3 电液控换向阀组结构

3.2电液换向阀工作原理

主阀的每个功能口由一个开关电磁阀、一个两位三通先导阀和一个液控两位三通换向阀组成，电液控换向阀组可以同时动作1片阀的两个功能口同时供液，电液控换向阀组原理见图4。

图4 电液控换向阀组原理

高压液体从P口进入后，分为两路，一路是向主阀供液，另一路是向电磁先导阀供液。供给电磁先导阀的液体首先进入过滤器过滤，然后到达电磁先导阀的P口。主阀的回液来自两路，一路是主阀回液，另一路是电磁先导阀回液。电磁先导阀的回液经过回液单向阀进入主回路中，该阀在此起到回液断路阀的作用。电液控换向阀单阀芯动作如图5所示。

图5 电液控换向阀控制原理

“零”位时，电磁铁电路断开，无输出力，此时先导阀工作口A与高压液体P隔开，而与回液口R相通；同时主阀阀芯在弹簧力的作用下也处于“零”位，工作口与高压液体P隔开，与回液口R相通。

“工作位置”，电磁铁通电，产生磁力，吸引压杆，开启先导阀，先导阀进入工作状态。此时先导阀工作口A与高压液P相通，与回液口R隔开，向主阀芯的控制口输入高压液体。高压液体推动主阀芯的活塞和阀杆，将主阀的工作口与回液口R断开，与高压液体P口接通，工作口输出高压液体，进入工作状态。

3.3 现有电液控换向阀分析

由上述分析可知，开关型换向阀无法通过阀口开度控制对流量进行精准控制，简而言之，该种控制方式只能实现1或0的位置控制。由于开关型电液换向阀在液压支架的动作幅度控制上的不足，比例电液换向阀较现有电液控换向阀优势明显，水基比例控制技术将逐步对现有技术产品实现替代。

4 水基电液比例阀分析

目前国内外水基比例阀产品多以二位二通为主，其主要特征为独立为一条流道实现比例控制，无法兼顾工作流道的回液，其机能限制并不能直接应用于支架液压控制系统中，但通过改造部分流道结构仍可实现对进液的比例控制。目前水基比例控制阀基本分为直动式和先导式两种结构，两种结构各有优劣，但都能实现基本的比例控制。

4.1 直动式水基电液比例阀

直接控制座位阀基于电磁压力和平衡水压力合力进行流量控制，直动水基比例阀液压符号如图7所示，典型直动式比例阀如图8所示。输入电压控制电磁铁行程，通过放大顶杆进行力的放大传递，控制阀芯运动的大小,进而限制液体流道，同时通过位移传感器实现相对闭环控制，实时校正机械位移，实现对流量的精准控制。该结构主要适用于小流量液压控制回路，其优势在于结构紧凑，控制简单，具有位移反馈通道，与现有电磁换向阀控制结构相近，具备较好的适用性，同时也可作为先导级用于大功率的比例控制回路。

      

图7 直动水基比例阀液压符号          图8 典型直动式比例阀

4.2 先导型水基电液比例阀

先导型水基比例阀包含先导级和功率级两部分，先导级左右在于调节功率级输入的控制液体流量压力，实现对功率级阀芯的动作幅度控制，进而对功率级阀芯的流量进行控制，先导式比例换向阀液压机能符号如图9所示，典型先导式比例阀结构如图10所示。先导型水基比例阀的先导级部分实现了电磁到小流量控制液的控制方式转变，功率级部分实现了小流量控制液控制大流量开口度，整阀三级控制，并通过位移传感器进行功率阀芯动作幅度反馈，实现对最终开口度的闭环控制。

    

图9先导式比例换向阀液压机能符号       图10典型先导式比例阀

先导式比例换向阀可以实现对大通径流道的比例控制，但其三级控制的方式势必造成一定的控制误差和响应迟滞，基于位移传感器的闭环控制一定程度上缓解了上述问题。先导式比例换向阀压力与流量性能参数适用于煤矿综采工况，但其体积较大，造价较高，无法在井下规模使用，不过该方案为煤矿综采工作面液压支架精准控制液压元器件开发提供了一种可行的实践方向。

4.3水基电液比例阀特点

（1）输入电信号到位移信号的转变

比例控制的输入是控制电信号，通过电压或电流的大小和通断，控制电磁铁或步进电机行程，进而达到电信号转化为机械位移信号，实现对阀芯开度的控制。

（2）基于阀芯行程位置对流量控制

无论是直动型还是先导型电液比例阀，均是通过对阀芯位置的控制实现通道开口度控制，直动型电液比例阀通过放大顶杆控制阀芯开启度，而先导型电液比例阀通过先导液控制阀芯开启度。

（3）流量控制与压差的关联性

比例方向阀的名义流量值是在进出口压差1MPa情况下的数据，而一个液压系统的进出口压差是由系统压力和负载力量决定的，往往不是一个恒定值，因此不能用名义流量来确定负载运行速度,要经过计算来确定通过阀产品的压差后才能终确定通过阀的实际流量。比例阀的应用场台,有时是变负载的，为了使通过比例阀的流量恒定,这时可以在比例阀下游回路增加压力补偿器,使的比例阀节流口两端的压差恒定在1MPa,从而实现流量恒定,进而实现速度恒定。

（4）具备基于位移传感器的闭环控制

位移传感器用来检测阀芯移动位置，从而保证阀芯开口量(或压力弹簧的压缩量)，当位移传感器检测的阀芯位置与输入信号比对后，发现误差后，通过反馈信号，自动的调整输出电流，使阀芯到达正确的位置。通常带传感器的比例阀产品，它的重复精度、频率响应都会高于不带传感器的比例阀产品，死区也相对的更小。

5 结论

随着科技的发展，近年来液压产品的应用突破了传统的仅仅作为传动的应用，通过与电气技术的有机配合,大量应用于闭环系统的位置和速度、同步控制， 为液压产品的发展拓宽了应用领域。适用煤矿综采场景的水基电液比例控制技术已经开始发展，但尚未成熟，需要经历较长的发展期才可以实现对现有电液换向阀的替代。智能化的煤矿必然需要建立智能化的液压系统，水基电液比例控制技术是其必不可少的一环，届时将带来液压支架控制效率的提升和控制方式的变革。

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作者简介：王统诚(1992— )，山东泰安人，助理工程师，硕士，现主要从事综采液压系统研究及液压元器件开发,