CST液壓油冷卻系統(tǒng)升級改造及應(yīng)用

王 成，雷騰飛

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727306)

0 引言

隨著采煤技術(shù)的革新和國家發(fā)展的需求，如何提高煤炭開采效率及產(chǎn)量亟待解決[1-2]。國內(nèi)許多大型礦井以“一井一面”、超長工作面和大采高等作為主要的煤炭開采方式，同時(shí)將日產(chǎn)量20 000 t以上和年產(chǎn)千萬噸以上作為煤炭開采的目標(biāo)。作為長距離開采工作面中煤炭的主要運(yùn)輸設(shè)備，帶式輸送機(jī)裝備本身的技術(shù)水平是綜采工作面安全性和開采效率的關(guān)鍵影響因素[3-6]。因此，年采煤量過千萬噸的帶式輸送機(jī)己經(jīng)成為國內(nèi)外帶式輸送機(jī)成套裝備的發(fā)展目標(biāo)[7-8]。同時(shí)，由于綜采工作面正在以設(shè)備的大(重)型化、自動(dòng)化及智能化為發(fā)展方向，大功率的重型帶式輸送機(jī)在綜采裝備的發(fā)展過程中占有舉足輕重地位，優(yōu)化帶式輸送機(jī)性能對提高礦井生產(chǎn)效率和效益具有十分重要的意義[9-10]。通過研究、探索和總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在CST各子系統(tǒng)中問題最為突出、最易造成生產(chǎn)影響的是液壓油冷卻系統(tǒng)[11-12]。

陜西黃陵二號煤礦井下原煤運(yùn)輸系統(tǒng)的膠帶機(jī)均采用CST軟啟動(dòng)方式，當(dāng)膠帶機(jī)故障停機(jī)或者正常停機(jī)后，由于存在CST保護(hù)系統(tǒng)，只有當(dāng)液壓油溫度降到45 ℃以下才可再次啟動(dòng)CST，但膠帶機(jī)機(jī)頭硐室溫度較高，CST液壓油油溫很難在短時(shí)間內(nèi)降到45 ℃以下，因此再次啟動(dòng)每次消耗時(shí)間都在半小時(shí)以上，嚴(yán)重影響膠帶運(yùn)輸機(jī)的開機(jī)速度和原煤運(yùn)輸效率，因此亟需改進(jìn)CST液壓油冷卻系統(tǒng)。在2005年皮帶安裝初期，二號煤礦采用冷卻風(fēng)扇對CST油溫進(jìn)行冷卻。2010年二號煤礦開始進(jìn)行技術(shù)革新，把CST原廠配套的冷卻風(fēng)扇改為由瑞典生產(chǎn)的阿法拉伐板式換熱器，該設(shè)備采用水介質(zhì)冷卻CST液壓油油溫，與原先采用的風(fēng)冷相比，冷卻水冷卻效率高，液壓油溫溫度下降快，但冷卻水流大小難以控制，造成水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。同時(shí)，膠帶運(yùn)輸機(jī)功率隨著原煤運(yùn)輸量的變化而變化，膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率升高則會(huì)導(dǎo)致液壓油油溫升高，因此需要操作人員根據(jù)液壓油溫度變化，適時(shí)調(diào)整閥門大小來控制冷卻水流量，保證CST的液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度始終保持在一定的范圍內(nèi)。人工操作時(shí)，控制冷卻水流量變化較大，導(dǎo)致CST液壓系統(tǒng)溫度變化不規(guī)則，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不穩(wěn)定，時(shí)常發(fā)生由于系統(tǒng)溫度過高或過低而造成膠帶運(yùn)輸機(jī)停機(jī)，從而影響礦井原煤運(yùn)輸效率，進(jìn)一步導(dǎo)致回采工作面、掘進(jìn)工作面工作效率降低。

文中通過論證分析，從水路、電路兩方面考慮，通過在原設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單改造，解決設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷問題，并且將此方案充分運(yùn)用到綜采工作面皮帶機(jī)頭和主運(yùn)輸皮帶機(jī)頭，提升設(shè)備性能，減少礦井水資源浪費(fèi)，保證主運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，具有明顯的可行性、科學(xué)性，為CST運(yùn)輸系統(tǒng)的高效使用和技術(shù)改造提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 CST冷卻系統(tǒng)的基本原理

1.1 風(fēng)冷原理

在皮帶機(jī)啟動(dòng)和停車過程中(加減速)，冷卻風(fēng)扇一直運(yùn)行。CST運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在液壓溫度高于55 ℃時(shí)啟動(dòng)冷卻風(fēng)扇，直至液壓油溫度低于45 ℃停止運(yùn)行。CST冷卻系統(tǒng)控制如圖1所示。

圖1 CST液壓油冷卻系統(tǒng)控制

1.2 水冷原理

利用冷卻風(fēng)扇的位置安裝板式換熱器，同時(shí)將CST液壓油冷卻油泵的排油管和CST液壓油回油管分別和板式換熱器的吸油口、回油口對接，其次將冷卻水(復(fù)用水)接到板式換熱器的進(jìn)水口，出水連接膠管可以將冷卻水用來全斷面噴霧或者滅塵使用，促進(jìn)水資源的二次利用。在CST開啟后，當(dāng)液壓油溫度到達(dá)55 ℃后，冷卻水開啟，當(dāng)液壓油溫度降低至45 ℃時(shí)，冷卻水關(guān)閉，保持CST液壓系統(tǒng)始終維持在恒定的溫度區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，促進(jìn)膠帶運(yùn)輸機(jī)的正常運(yùn)行。

1.3 風(fēng)冷和水冷的對比

由于風(fēng)冷方式是一種被動(dòng)散熱方式，其冷卻效能完全由外界環(huán)境條件決定，如氣流、溫度和濕度等，冷卻效果受環(huán)境影響較大，冷卻風(fēng)扇散熱片容易被煤泥堵塞，導(dǎo)致冷卻效果差，不適用于煤礦井下封閉環(huán)境中的大功率用電設(shè)備。

板式換熱器冷卻CST油溫，冷卻介質(zhì)是水，相對空氣來說受環(huán)境影響較小，采用水冷方式的電動(dòng)機(jī)和變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成熟、工作穩(wěn)定、維護(hù)簡單。工作介質(zhì)純凈水或者蒸餾水物理特性穩(wěn)定，不易變質(zhì)，維護(hù)成本低，冷卻效果好，但是水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。改造前、改造后冷卻方案如圖2所示。因此，在板式換熱器上繼續(xù)改造，想通過某種設(shè)備既能使油溫保持在45～55 ℃之間，又能減少水資源浪費(fèi)的局面。

圖2 改造前、改造后冷卻方案對比

2 CST液壓油冷卻系統(tǒng)改造實(shí)施過程

2.1 電路的實(shí)現(xiàn)

CST如何控制PLC，PLC如何控制電動(dòng)閥，這就需要設(shè)計(jì)一種四組合開關(guān)。解決了配電室地方限制和其余電器開關(guān)不能控制電動(dòng)閥的問題。

選擇Ⅰ類隔爆箱，防爆箱外形尺寸為300 mm×200 mm×180 mm(長×寬×高)，把電源模塊(24 V直流)和4個(gè)24 V直流繼電器安裝在此防爆箱內(nèi)，且電源模塊和交流電源之間連接有保險(xiǎn)，電源模塊具有短路斷電保護(hù)，過載斷電保護(hù)的功能，同時(shí)運(yùn)行性能可靠，使本開關(guān)防爆性能達(dá)到要求。根據(jù)CST工作原理設(shè)計(jì)供電線路，將電源模塊AB與繼電器J1-J4的線圈連接，繼電器J1-J4并聯(lián)；使用時(shí)，將PLC的控制點(diǎn)輸出模塊分別與J1-J4繼電器的線圈連接，繼電器J1-J4的第一觸點(diǎn)J1-1～J4-1分別于第一至第四電動(dòng)閥連接，繼電器J1-J4的第二觸點(diǎn)J1-2～J4-2與PLC控制點(diǎn)輸入模塊連接，用CST在工作過程中油溫升高和降低的這一過程，設(shè)置CST中PLC控制模塊油溫控制輸出點(diǎn)，以控制24 V直流繼電器的導(dǎo)通和斷開，從而實(shí)現(xiàn)電磁閥的開啟和停止。結(jié)構(gòu)圖和原理圖，如圖3和圖4所示。

圖3 內(nèi)外部結(jié)構(gòu)

圖4 電路原理

工作時(shí)，液壓油溫度由CST控制箱中的溫度傳感器傳輸給PLC控制模塊，PLC控制模塊輸出點(diǎn)控制24 V直流繼電器的導(dǎo)通和斷開，由繼電器控制電動(dòng)閥的開啟和停止，達(dá)到四組合開關(guān)的基本要求，并且24 V直流繼電器工作穩(wěn)定可靠，故障率小，保證CST工作的穩(wěn)定性。

2.2 水路的實(shí)現(xiàn)

按照圖5裝置連接的原理圖，將溫度傳感器輸出端與PLC輸入端相連，將PLC輸出端與四組合開關(guān)輸入端相連，開關(guān)的輸入端與板式冷卻器進(jìn)水口的電動(dòng)閥輸出端相連，將電動(dòng)閥與CST控制箱控制的四組合開關(guān)相連。電動(dòng)閥兩側(cè)用φ32 mm水管相連形成旁路，最后將φ32 mm與φ159 mm管路原來的冷卻水閥門相連接。板式冷卻器的進(jìn)水口與給水管路連接，出水口與高壓膠管連接，且冷卻器的入水口和油管出口設(shè)置在冷卻器上端面，冷卻器的出水口和油管入口設(shè)置在冷卻器的下端面。

圖5 水路原理

根據(jù)需要，先修改PLC工作程序，將CST控制器中PLC程序修改為溫度達(dá)到55℃時(shí)輸出-啟動(dòng)點(diǎn)和低于45 ℃輸出-斷開點(diǎn)。利用啟動(dòng)點(diǎn)和斷開點(diǎn)來控制微型四組合開關(guān)的接通和斷開，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥的打開和關(guān)閉，使得油溫保持在45～55 ℃。冷卻水自動(dòng)開停裝置當(dāng)電動(dòng)閥故障時(shí)，旁路閥門打開，冷卻水常流水降溫，促進(jìn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)期間的故障率。連接后的實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 實(shí)物

2.3 控制的雙保險(xiǎn)

考慮到電動(dòng)閥在使用過程中可能存在故障，導(dǎo)致冷卻水無法進(jìn)行降溫，影響設(shè)備正常運(yùn)行，因此在每個(gè)電動(dòng)閥兩側(cè)加裝旁路球閥。當(dāng)電動(dòng)閥故障時(shí)，開啟閥門，臨時(shí)采用冷卻水常流水降溫，提高工作可靠性。

2.4 程序的改進(jìn)

根據(jù)CST工作原理，編寫電動(dòng)閥控制程序。當(dāng)CST溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，電動(dòng)閥打開；當(dāng)CST溫度降到45 ℃時(shí)，電動(dòng)閥關(guān)閉；當(dāng)皮帶停機(jī)時(shí)，電動(dòng)閥瞬間關(guān)閉，停止冷卻水的供給。

3 CST液壓油冷卻系統(tǒng)改造效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

CST液壓油冷卻系統(tǒng)改造節(jié)約了大量水資源，改變了膠帶運(yùn)輸機(jī)開啟后冷卻水一直橫流的現(xiàn)象。改造后根據(jù)液壓系統(tǒng)溫度，平均每40～60 min，冷卻水開啟1次，開啟時(shí)間為1～3 min，對CST液壓油冷卻速度快，設(shè)備運(yùn)行更加安全可靠。通過現(xiàn)場流量計(jì)采集數(shù)據(jù)，平均每天節(jié)約用水60 m3，每個(gè)月平均生產(chǎn)時(shí)間為28 d，每月節(jié)約用水約為1 680 m3，全年節(jié)約用水約為2 000 m3，可節(jié)約費(fèi)用10萬元。現(xiàn)二號煤礦使用CST驅(qū)動(dòng)膠帶運(yùn)輸機(jī)有101膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)，一部膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)，二部膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)，三部膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)，北一一部膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)，北一二部膠帶運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)及兩綜采工作面順槽膠帶機(jī)機(jī)頭驅(qū)動(dòng)、中部驅(qū)動(dòng)，合計(jì)CST驅(qū)動(dòng)裝置11臺。僅此一項(xiàng)，每年可節(jié)約費(fèi)用約110萬元。年節(jié)約用水費(fèi)用=CST軟啟動(dòng)裝置數(shù)量×每天節(jié)約用水量×年生產(chǎn)天數(shù)×純凈水單價(jià)=11臺×60 m3/d×336 d×5元/m3≈110萬元。

3.2 社會(huì)效益

為降本增效工作開創(chuàng)了新方法。大量的水、電資源消耗是煤礦成本管理比較困難的兩個(gè)部分，可通過簡化系統(tǒng)，或者增加節(jié)能型設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。本成果的設(shè)計(jì)充分利用PLC自動(dòng)化控制程序，利用電動(dòng)閥工作原理，改裝管路。按照冷卻水優(yōu)化方案，優(yōu)化供電系統(tǒng)，充分發(fā)揮現(xiàn)代化設(shè)備功能，并借助避峰填谷舉措，減少電能消耗。

4 結(jié)語

通過對CST液壓冷卻系統(tǒng)中各子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，針對CST如何控制PLC，PLC如何控制電動(dòng)閥問題，提出一種四組合開關(guān)設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)CST工作原理，編寫電動(dòng)閥控制程序，有效解決膠帶機(jī)頭配電硐室空間限制和其余電器開關(guān)不能控制電動(dòng)閥的問題，解決了液壓系統(tǒng)冷卻問題，提高了CST軟控系統(tǒng)及膠帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行效率。同時(shí)改造方案簡單，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，在不改變系統(tǒng)使用功能和主要結(jié)構(gòu)的情況下，對原有設(shè)備進(jìn)行簡單改造，既解決了現(xiàn)場過程中影響生產(chǎn)的實(shí)際問題，降低了設(shè)備故障率，又為CST系統(tǒng)的優(yōu)化改造提供了基礎(chǔ)參數(shù)論證和技術(shù)支持。在改造完成后的CST軟啟動(dòng)裝置使用中，該系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)性能、開機(jī)效率、綠色生產(chǎn)、成本控制等多個(gè)方面取得顯著成效。