綜采工作面乳化液自動配比系統的設計與試驗

聶愛國

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

鑒于乳化液具有防銹、黏性小以及難燃的特點被廣泛應用于煤礦液壓支架、采煤機等設備的調高系統中，且應用于綜采工作面乳化液的濃度為3%～5%[1]。但是，目前應用于綜采工作面的乳化液配比系統存在自動化程度低、乳化液配比濃度不準確以及配比系統的適應性差等問題。因此，為滿足煤礦綜采工作面的生產需求，需嚴格控制乳化液的濃度及提升其配比系統的自動化程度。故，本文設計一款乳化液自動配比系統擬解決上述問題。

1 乳化液自動配比系統的總體設計

1.1 自動配比系統總體方案設計

目前，應用于綜采工作面的自動配比系統有齒輪泵調速自動配比系統、水力馬達驅動自動配比系統、雙缸定比自動配比系統以及文丘里自動配比系統[2]。經實踐調研可知，上述自動配比系統或多或少存在一定不足。為彌補上述各自動配比系統的不足，設計如圖1 所示的基于電磁閥乳化液自動配比系統。

如圖1 所示，基于電磁閥的乳化液自動配比系統的核心元器件為隔爆電磁閥、單向閥等。系統可根據工作面乳化液的濃度實時控制配比泵控制乳化油的流量對乳化液的濃度進行調整；為防止乳化液箱內的乳化液出現沉降的現象，在乳化液箱內設置有對應的內循環裝置，使得所得的乳化液更加均勻[3]。

1.2 關鍵元器件的選型

要求乳化液的濃度為3%～5%，乳化液箱的容量為150 L，綜采工作面對乳化液泵站所提供乳化液的最小工作壓力為0.5 MPa；最大工作壓力為2 MPa。結合綜采工作面在實際供液時流經流量計、單向閥等元器件存在壓力損失和相應的泄露系數等參數，所選乳化液自動配比系統的關鍵元器件如表1 所示。

圖1 基于電磁閥乳化液自動配比系統原理圖

表1 乳化液自動配比系統關鍵元器件選型一覽表

2 乳化液自動配比控制系統的設計

為確保乳化液自動配比系統所得配置的乳化液符合《煤炭安全規程》的相關要求，要求自動配比控制系統具備自動配比、遠程以及手動停止三種工作模式。其中，自動配比模式為該控制系統的核心。基于自動配比系統能夠實現對工作面乳化液濃度、乳化液箱液位、乳化油箱液位等關鍵參數的實時監測，并根據監測結果及時控制乳化油泵、配比泵等部件，確保乳化液濃度保持在3%～5%的范圍之內，乳化液、乳化油的液位處于安全范圍[4]。

此外，基于遠程控制模式能夠實現對乳化液自動配比系統啟停的遠程控制；基于手動控制能夠實現當出現緊急情況時，作業人員按下停止按鈕系統即可在第一時間停機。

2.1 乳化液自動配比系統硬件的設計

根據乳化液自動配比系統的功能及控制需求，選用PLC 控制器為該控制系統的核心控制器，且所選PLC 系列為西門子S7-200。根據控制要求得出PLC 的接線圖如圖2 所示。

如圖2 所示，根據控制要求，所選PLC 控制器設定了5 個輸入接口（I0.0-I0.4），4 個輸出接口（Q0.0-Q0.3）。各個接口所控制的功能如圖2 所示。

圖2 PLC 外部接線圖

2.2 乳化液自動配比控制系統軟件的設計

為滿足實際生產需求，特設計如圖3 所示的控制流程圖。

如圖3 所示，自動配比控制系統運行前先完成系統的初始化；初始化完成后分別對乳化液箱和乳化油箱的液位進行檢測，并基于檢測結果控制相應油泵或者乳化液泵動作；最后，判斷乳化液箱內乳化液的濃度是否在3%～5%的范圍之內，若乳化液濃度在范圍之內則控制系統無需動作任何部件，否則通過控制電磁閥的失電或者得電時間完成對油泵的開啟或者關閉時長，以達到對乳化液濃度調整的目的。

圖3 乳化液自動配比控制系統流程圖

3 乳化液自動配比系統的試驗

試驗目的：分析不同攪拌速度、攪拌器槳葉的安裝位置以及槳葉的數量對乳化液濃度及其乳化液質量的影響[5]。

其中，所考核攪拌速度分別為160 r/min、300 r/min 以及500 r/min；槳葉的安裝位置分別為距離攪拌槽底部1/3、1/4、1/5 的液面高度；槳葉的數量分別為2 片、3 片、5 片。

3.1 不同配置工況下混合時間的對比研究

本次試驗采用控制變量的原則，對不同攪拌速度、不同槳葉安裝位置以及不同數量的槳葉工況下配置濃度為4%乳化液所需時間進行研究。經試驗可知：攪拌速度越大其乳化液混合所需時間越少；槳葉中心距離攪拌槽底部的距離越高乳化液所需混合時間越多；槳葉數量越多乳化液所需混合時間越少。

3.2 攪拌速度對乳化液穩定性的試驗研究

為驗證不同攪拌速度下所得乳化液的穩定性。本次試驗基于160 r/min、300 r/min 以及500 r/min 三種攪拌速度下所得的乳化液，觀察乳化液每靜置24 h后測量乳化液的濃度，得出如圖4 所示的曲線。

圖4 不同攪拌速度下乳化液濃度的變化曲線

如圖4 所示，當攪拌速度為500 r/min 時，乳化液濃度在靜置168 h 后才出現明顯的下降，滿足《液壓支架（柱）用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》相關標準的規定。

4 結論

乳化液作為綜采工作面液壓支架、采煤機等大型機電設備的介質，由于其難燃、黏性小的特點被廣泛應用。但是，在實際應用中由于乳化液的濃度超出限值，加速了對大型機電設備液壓系統的損壞，進而降低了機電設備的使用壽命，在增加采煤成本的同時制約著工作面的采煤效率。基于PLC 的乳化液自動配比系統能夠根據實際生產需求對乳化液濃度進行實時調整，并得出當攪拌速度為500 r/min 時所得乳化液的穩定性才能夠滿足實際生產的要求。