綜采工作面乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

聶愛國(guó)

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)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(diǎn)被廣泛應(yīng)用于煤礦液壓支架、采煤機(jī)等設(shè)備的調(diào)高系統(tǒng)中，且應(yīng)用于綜采工作面乳化液的濃度為3%～5%[1]。但是，目前應(yīng)用于綜采工作面的乳化液配比系統(tǒng)存在自動(dòng)化程度低、乳化液配比濃度不準(zhǔn)確以及配比系統(tǒng)的適應(yīng)性差等問題。因此，為滿足煤礦綜采工作面的生產(chǎn)需求，需嚴(yán)格控制乳化液的濃度及提升其配比系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。故，本文設(shè)計(jì)一款乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)擬解決上述問題。

1 乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)配比系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

目前，應(yīng)用于綜采工作面的自動(dòng)配比系統(tǒng)有齒輪泵調(diào)速自動(dòng)配比系統(tǒng)、水力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)配比系統(tǒng)、雙缸定比自動(dòng)配比系統(tǒng)以及文丘里自動(dòng)配比系統(tǒng)[2]。經(jīng)實(shí)踐調(diào)研可知，上述自動(dòng)配比系統(tǒng)或多或少存在一定不足。為彌補(bǔ)上述各自動(dòng)配比系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)如圖1 所示的基于電磁閥乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)。

如圖1 所示，基于電磁閥的乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)的核心元器件為隔爆電磁閥、單向閥等。系統(tǒng)可根據(jù)工作面乳化液的濃度實(shí)時(shí)控制配比泵控制乳化油的流量對(duì)乳化液的濃度進(jìn)行調(diào)整；為防止乳化液箱內(nèi)的乳化液出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象，在乳化液箱內(nèi)設(shè)置有對(duì)應(yīng)的內(nèi)循環(huán)裝置，使得所得的乳化液更加均勻[3]。

1.2 關(guān)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(duì)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(jié)合綜采工作面在實(shí)際供液時(shí)流經(jīng)流量計(jì)、單向閥等元器件存在壓力損失和相應(yīng)的泄露系數(shù)等參數(shù)，所選乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件如表1 所示。

圖1 基于電磁閥乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)原理圖

表1 乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)關(guān)鍵元器件選型一覽表

2 乳化液自動(dòng)配比控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為確保乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)所得配置的乳化液符合《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求，要求自動(dòng)配比控制系統(tǒng)具備自動(dòng)配比、遠(yuǎn)程以及手動(dòng)停止三種工作模式。其中，自動(dòng)配比模式為該控制系統(tǒng)的核心。基于自動(dòng)配比系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面乳化液濃度、乳化液箱液位、乳化油箱液位等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)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(nèi)，乳化液、乳化油的液位處于安全范圍[4]。

此外，基于遠(yuǎn)程控制模式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)啟停的遠(yuǎn)程控制；基于手動(dòng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，作業(yè)人員按下停止按鈕系統(tǒng)即可在第一時(shí)間停機(jī)。

2.1 乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

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

如圖2 所示，根據(jù)控制要求，所選PLC 控制器設(shè)定了5 個(gè)輸入接口（I0.0-I0.4），4 個(gè)輸出接口（Q0.0-Q0.3）。各個(gè)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(dòng)配比控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

為滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，特設(shè)計(jì)如圖3 所示的控制流程圖。

如圖3 所示，自動(dòng)配比控制系統(tǒng)運(yùn)行前先完成系統(tǒng)的初始化；初始化完成后分別對(duì)乳化液箱和乳化油箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，并基于檢測(cè)結(jié)果控制相應(yīng)油泵或者乳化液泵動(dòng)作；最后，判斷乳化液箱內(nèi)乳化液的濃度是否在3%～5%的范圍之內(nèi)，若乳化液濃度在范圍之內(nèi)則控制系統(tǒng)無需動(dòng)作任何部件，否則通過控制電磁閥的失電或者得電時(shí)間完成對(duì)油泵的開啟或者關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)，以達(dá)到對(duì)乳化液濃度調(diào)整的目的。

圖3 乳化液自動(dòng)配比控制系統(tǒng)流程圖

3 乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)的試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模悍治霾煌瑪嚢杷俣取嚢杵鳂~的安裝位置以及槳葉的數(shù)量對(duì)乳化液濃度及其乳化液質(zhì)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(shù)量分別為2 片、3 片、5 片。

3.1 不同配置工況下混合時(shí)間的對(duì)比研究

本次試驗(yàn)采用控制變量的原則，對(duì)不同攪拌速度、不同槳葉安裝位置以及不同數(shù)量的槳葉工況下配置濃度為4%乳化液所需時(shí)間進(jìn)行研究。經(jīng)試驗(yàn)可知：攪拌速度越大其乳化液混合所需時(shí)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(shí)間越多；槳葉數(shù)量越多乳化液所需混合時(shí)間越少。

3.2 攪拌速度對(duì)乳化液穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證不同攪拌速度下所得乳化液的穩(wěn)定性。本次試驗(yàn)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(cè)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(dāng)攪拌速度為500 r/min 時(shí)，乳化液濃度在靜置168 h 后才出現(xiàn)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4 結(jié)論

乳化液作為綜采工作面液壓支架、采煤機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備的介質(zhì)，由于其難燃、黏性小的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但是，在實(shí)際應(yīng)用中由于乳化液的濃度超出限值，加速了對(duì)大型機(jī)電設(shè)備液壓系統(tǒng)的損壞，進(jìn)而降低了機(jī)電設(shè)備的使用壽命，在增加采煤成本的同時(shí)制約著工作面的采煤效率。基于PLC 的乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求對(duì)乳化液濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并得出當(dāng)攪拌速度為500 r/min 時(shí)所得乳化液的穩(wěn)定性才能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。