綜采工作面乳化液自動(dòng)配液系統(tǒng)的應(yīng)用研究

何勇華

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

作為液壓支架的工作介質(zhì)，乳化液直接影響到綜采工作面液壓支架的使用壽命，濃度過低會(huì)影響抗硬水能力、防銹效果和潤滑性；濃度過高會(huì)增加生產(chǎn)成本、降低消泡能力和增大對(duì)橡膠密封材料的溶脹性。

綜采工作面自動(dòng)化程度的提高離不開工作面乳化液泵站系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，傳統(tǒng)的泵站系統(tǒng)未對(duì)乳化液配比進(jìn)行有效的控制，沒有乳化液濃度檢測裝置，也就沒有較可靠的乳化液自動(dòng)配比裝置，大部分綜采工作面的乳化液泵站系統(tǒng)完全采用人工進(jìn)行乳化液的配比，不僅需要占用大量的人力去搬運(yùn)乳化油，而且在將乳化油向液箱內(nèi)灌注過程中，也無法有效地控制乳化液的濃度。

為了有效地為煤礦用戶解決目前這一難題，采用乳化液自動(dòng)配液站方案，將乳化液自動(dòng)配比、乳化液濃度的檢測和電控等相關(guān)技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)乳化液的自動(dòng)配比。

1 綜采工作面乳化液配比現(xiàn)狀

由于成本等方面的原因，多數(shù)綜采工作面采用的傳統(tǒng)乳化液泵站系統(tǒng)僅僅起到了向工作面提供高壓乳化液的功能，而乳化液的自動(dòng)配比、乳化液濃度檢測以及自動(dòng)加水等功能均需要人工進(jìn)行，而且傳統(tǒng)的泵站系統(tǒng)對(duì)液箱也沒有液位的監(jiān)視，一旦發(fā)生液箱液位過低的情況，很可能會(huì)造成泵站系統(tǒng)由于吸空而導(dǎo)致泵站損壞。

1.1 配比情況

我國煤礦安全規(guī)程對(duì)綜采工作面液壓支架用乳化液濃度作出了規(guī)定，要求濃度須保持在3%～5%之間，但是由于沒有一種合適的乳化液濃度自動(dòng)配比裝置，除了一些采購進(jìn)口泵站系統(tǒng)的綜采工作面，多數(shù)工作面仍然采用人工配比乳化液，而人工配液時(shí)無法精確掌握水與乳化油的用量，從而導(dǎo)致配比后的乳化液濃度無法達(dá)到要求。

圖1 人工配液濃度曲線

圖1是對(duì)人工配液進(jìn)行的濃度在線監(jiān)測曲線，從圖1中可以看到，剛開始時(shí)乳化液濃度達(dá)到了8%～9%，隨著綜采工作面液壓支架的不斷用液，乳化液濃度開始緩慢下降，但也一直保持在5%以上，故人工配液存在很大的誤差。

1.2 濃度在線檢測

乳化液檢測方法分為非在線檢測和在線檢測兩大類，非在線檢測又分為手動(dòng)檢測法與自動(dòng)檢測法。手動(dòng)檢測法采用折光法的糖量儀，依靠人眼讀取糖量儀上的刻度值再乘以相應(yīng)的系數(shù)即為被測液體的濃度，此方法由于是人工讀數(shù)方式，受到人眼讀取誤差和光線等條件制約，獲取的濃度值偏差會(huì)較大。自動(dòng)檢測法是采用電子儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測并進(jìn)行顯示，此方法可獲得較為準(zhǔn)確的乳化液濃度值，但此方法采用的儀表是非在線方式，且該儀表不具有數(shù)據(jù)輸出接口，無法對(duì)測得的乳化液濃度值進(jìn)行保存與傳輸。

在線檢測有較多的方法，主要的原理是超聲法與光學(xué)法。目前煤礦用戶用得最多的是采用手持式的折光儀進(jìn)行濃度檢測，該方式不僅誤差大，而且無法實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2 乳化液自動(dòng)配比裝置

2.1 文丘里式自動(dòng)配比裝置工作原理

文丘里式乳化液自動(dòng)配比裝置采用射流泵原理，高速水流由噴嘴噴出形成高速射流，在吸油腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，并在大氣壓的作用下將乳化油從油箱吸入吸油腔，與高速水流混合后從出液口流出。通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口量可以達(dá)到控制吸油速度和調(diào)節(jié)乳化液濃度的目的。文丘里式自動(dòng)配比裝置工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 文丘里式自動(dòng)配比裝置工作原理示意圖

2.2 齒輪泵自動(dòng)配比裝置工作原理

齒輪泵乳化液自動(dòng)配比裝置則采用液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪泵的工作方式，當(dāng)水進(jìn)入自動(dòng)配比裝置后驅(qū)動(dòng)水輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪泵吸取乳化油，乳化油與水混合后從出液口流出，改變節(jié)流閥的開口量可以調(diào)節(jié)乳化液濃度。齒輪泵自動(dòng)配比裝置工作原理示意圖如3所示。

圖3 齒輪泵自動(dòng)配比裝置工作原理示意圖

2.3 文丘里式自動(dòng)配比裝置與齒輪泵自動(dòng)配比裝置比較

雖然兩種乳化液自動(dòng)配比裝置的工作原理不同，但二者存在一個(gè)共同點(diǎn):通過調(diào)節(jié)吸油口節(jié)流閥的開口量控制進(jìn)油量，進(jìn)而控制乳化液濃度。由于高壓水流速與吸油口真空度以及吸油口真空度與乳化油進(jìn)油量之間都不是線性關(guān)系，當(dāng)高壓水流速發(fā)生變化時(shí)，兩種自動(dòng)配比裝置配制乳化液的濃度都會(huì)發(fā)生改變。通過配比試驗(yàn)對(duì)兩種自動(dòng)配比裝置的穩(wěn)定范圍和配比效果進(jìn)行比較。文丘里式自動(dòng)配比裝置進(jìn)水壓力與濃度變化曲線和齒輪泵自動(dòng)配比裝置進(jìn)水壓力與濃度變化曲線如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，進(jìn)水壓力在0.38～0.43MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，文丘里式自動(dòng)配比裝置的濃度最穩(wěn)定。而齒輪泵自動(dòng)配比裝置沒有出現(xiàn)非常穩(wěn)定的區(qū)域，配制濃度一直在小范圍內(nèi)波動(dòng)，但總體波動(dòng)量小于文丘里式自動(dòng)配比裝置。由于兩種自動(dòng)配比裝置對(duì)進(jìn)水壓力都比較敏感且兩者的進(jìn)水壓力都比較低，因此實(shí)際使用需要在進(jìn)水口處安裝定壓減壓閥。

圖4 文丘里式自動(dòng)配比裝置進(jìn)水壓力與濃度變化曲線

圖5 齒輪泵自動(dòng)配比裝置進(jìn)水壓力與濃度變化曲線

通過對(duì)兩種乳化液自動(dòng)配比裝置的比較，齒輪泵自動(dòng)配比裝置的實(shí)際應(yīng)用效果要好于文丘里式自動(dòng)配比裝置，因此本系統(tǒng)采用齒輪泵自動(dòng)配比裝置。

3 自動(dòng)配比及檢測裝置

自動(dòng)配比及檢測裝置主要包含自動(dòng)加油功能、自動(dòng)加水功能、自動(dòng)配比功能和自動(dòng)控制及檢測功能4部分功能，能夠?qū)崿F(xiàn)加油的自動(dòng)控制、加水的自動(dòng)控制、乳化液自動(dòng)配比的自動(dòng)控制以及乳化液濃度的在線檢測，實(shí)現(xiàn)原來由操作工人手動(dòng)完成的加油工作、加水工作和乳化液的檢測等工作的自動(dòng)化，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。自動(dòng)配比及檢測裝置工作原理如圖6所示。

3.1 自動(dòng)加油

傳統(tǒng)的泵站系統(tǒng)沒有自動(dòng)加油功能，完全靠工人將乳化油從油桶內(nèi)通過手動(dòng)方式向油箱或乳化液箱內(nèi)倒入，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且在配比時(shí)不能有效地將乳化油與清水充分地混合在一起，因此不能得到濃度準(zhǔn)確的乳化液。本裝置采用了一臺(tái)自動(dòng)加油泵及油箱，通過加油泵將乳化油從油桶內(nèi)抽到乳化油箱內(nèi)，油箱內(nèi)安裝一個(gè)液位傳感器，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油箱內(nèi)乳化油液位高低進(jìn)行檢測，檢測到的油位信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的控制器上，再由控制器對(duì)儲(chǔ)油箱的油位進(jìn)行判斷，如果儲(chǔ)油箱內(nèi)油位低于設(shè)定值，控制器會(huì)自動(dòng)打開加油泵，將油桶內(nèi)的乳化油向儲(chǔ)油箱內(nèi)抽入，直到儲(chǔ)油箱內(nèi)的油位達(dá)到設(shè)定值的上限，控制器會(huì)自動(dòng)停止加油泵運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加油功能。

圖6 自動(dòng)配比及檢測裝置工作原理

3.2 自動(dòng)加水

由于齒輪泵式自動(dòng)配比裝置需要較為穩(wěn)定的水壓，因此采用增壓泵從清水箱將清水抽出，再通過過濾器向乳化液箱內(nèi)加水，本安控制器控制電動(dòng)閥開啟與關(guān)閉實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加水功能。由于綜采工作面支架用乳化液在運(yùn)行過程中壓力較高，如果液體內(nèi)有較大顆粒雜質(zhì)，將在高壓下對(duì)支架產(chǎn)生破壞，因此必須采用過濾器將清水的雜質(zhì)進(jìn)行過濾，過濾器精度為25μm，該過濾器能保證進(jìn)行乳化液箱清水的潔凈度。

3.3 自動(dòng)配比

采用齒輪泵配比裝置實(shí)現(xiàn)乳化液的自動(dòng)配比，由加水部分提供較為穩(wěn)定的清水動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)齒輪泵將乳化油從儲(chǔ)油箱內(nèi)抽出，清水與乳化油經(jīng)過配比器后充分混合在一起，通過乳化液濃度傳感器后流入到乳化液箱內(nèi)。在乳化液箱內(nèi)安裝液位傳感器，當(dāng)液位傳感器檢測到液箱內(nèi)液位低于設(shè)定值低限時(shí)，自動(dòng)打開增壓泵及電動(dòng)閥開啟自動(dòng)配比功能，直到液箱內(nèi)乳化液的液位達(dá)到設(shè)定值的高位值時(shí)，停止自動(dòng)配比過程。

3.4 自動(dòng)控制與檢測

本安控制器內(nèi)核ARM具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理及控制能力，采用該控制器作為控制系統(tǒng)核心。分別在乳化液箱內(nèi)及儲(chǔ)油箱內(nèi)安裝液位傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化液液位和乳化油油位的檢測，并將液位值傳輸給本安控制器，本安控制器通過邏輯運(yùn)算后向增壓泵、加油泵和電動(dòng)閥發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)加油及自動(dòng)配比的自動(dòng)控制 (通過向開關(guān)輸出無源干節(jié)點(diǎn)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的啟停控制)。

本系統(tǒng)采用折光法的濃度傳感器，在自動(dòng)配比裝置出口處安裝乳化液濃度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)配比后的乳化液濃度進(jìn)行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)顯示在本安控制器上，控制器能夠?qū)θ榛旱臐舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過本安控制器可以對(duì)乳化液的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，如果濃度值沒有達(dá)標(biāo)，需人工對(duì)配比裝置的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 應(yīng)用情況

本系統(tǒng)在寧煤集團(tuán)的羊場灣礦、靈新礦和陽煤集團(tuán)的新元礦、新景礦、陽煤一礦投入了使用，通過煤礦用戶的實(shí)際使用，得到了一致好評(píng)。圖7為在上位機(jī)采集到的乳化液濃度值曲線，從圖7中可以看出，乳化液濃度值一直穩(wěn)定保持在3%，不僅反映了自動(dòng)配比的準(zhǔn)確性，同時(shí)也保證了乳液濃度傳感器檢測的濃度值也是準(zhǔn)確的。

圖7 乳化液自動(dòng)配比濃度

5 結(jié)論

自動(dòng)配液系統(tǒng)不僅解決了綜采工作面乳化液濃度的在線檢測問題，也實(shí)現(xiàn)了綜采工作面乳化油自動(dòng)加油和自動(dòng)配比等功能，該系統(tǒng)大大提高了配比過程的自動(dòng)化，降低了工人在乳化液配比過程中的工作量。在實(shí)際使用過程中，操作人員的工作完全由自動(dòng)控制裝置完成后，操作人員只需定期對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行巡視及檢修即可。

該系統(tǒng)不僅可以作為泵站系統(tǒng)的一部分實(shí)現(xiàn)乳化液自動(dòng)配比功能，而且也可以作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)對(duì)目前還采用手動(dòng)配比綜采工作面進(jìn)行改造，只需增加很少一部分設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)配比的自動(dòng)化，改造費(fèi)用及對(duì)原泵站系統(tǒng)的變更較小，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，具有很好的推廣意義。

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