CST液壓油冷卻系統升級改造及應用

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

隨著采煤技術的革新和國家發展的需求，如何提高煤炭開采效率及產量亟待解決[1-2]。國內許多大型礦井以“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，同時將日產量20 000 t以上和年產千萬噸以上作為煤炭開采的目標。作為長距離開采工作面中煤炭的主要運輸設備，帶式輸送機裝備本身的技術水平是綜采工作面安全性和開采效率的關鍵影響因素[3-6]。因此，年采煤量過千萬噸的帶式輸送機己經成為國內外帶式輸送機成套裝備的發展目標[7-8]。同時，由于綜采工作面正在以設備的大(重)型化、自動化及智能化為發展方向，大功率的重型帶式輸送機在綜采裝備的發展過程中占有舉足輕重地位，優化帶式輸送機性能對提高礦井生產效率和效益具有十分重要的意義[9-10]。通過研究、探索和總結發現，在CST各子系統中問題最為突出、最易造成生產影響的是液壓油冷卻系統[11-12]。

陜西黃陵二號煤礦井下原煤運輸系統的膠帶機均采用CST軟啟動方式，當膠帶機故障停機或者正常停機后，由于存在CST保護系統，只有當液壓油溫度降到45 ℃以下才可再次啟動CST，但膠帶機機頭硐室溫度較高，CST液壓油油溫很難在短時間內降到45 ℃以下，因此再次啟動每次消耗時間都在半小時以上，嚴重影響膠帶運輸機的開機速度和原煤運輸效率，因此亟需改進CST液壓油冷卻系統。在2005年皮帶安裝初期，二號煤礦采用冷卻風扇對CST油溫進行冷卻。2010年二號煤礦開始進行技術革新，把CST原廠配套的冷卻風扇改為由瑞典生產的阿法拉伐板式換熱器，該設備采用水介質冷卻CST液壓油油溫，與原先采用的風冷相比，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，造成水資源浪費十分嚴重。同時，膠帶運輸機功率隨著原煤運輸量的變化而變化，膠帶運輸機運轉功率升高則會導致液壓油油溫升高，因此需要操作人員根據液壓油溫度變化，適時調整閥門大小來控制冷卻水流量，保證CST的液壓系統運轉溫度始終保持在一定的范圍內。人工操作時，控制冷卻水流量變化較大，導致CST液壓系統溫度變化不規則，設備運轉狀態不穩定，時常發生由于系統溫度過高或過低而造成膠帶運輸機停機，從而影響礦井原煤運輸效率，進一步導致回采工作面、掘進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，通過在原設備基礎上進行簡單改造，解決設備設計缺陷問題，并且將此方案充分運用到綜采工作面皮帶機頭和主運輸皮帶機頭，提升設備性能，減少礦井水資源浪費，保證主運輸系統的穩定可靠運行，具有明顯的可行性、科學性，為CST運輸系統的高效使用和技術改造提供了數據依據。

1 CST冷卻系統的基本原理

1.1 風冷原理

在皮帶機啟動和停車過程中(加減速)，冷卻風扇一直運行。CST運轉過程中，在液壓溫度高于55 ℃時啟動冷卻風扇，直至液壓油溫度低于45 ℃停止運行。CST冷卻系統控制如圖1所示。

圖1 CST液壓油冷卻系統控制

1.2 水冷原理

利用冷卻風扇的位置安裝板式換熱器，同時將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(復用水)接到板式換熱器的進水口，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，促進水資源的二次利用。在CST開啟后，當液壓油溫度到達55 ℃后，冷卻水開啟，當液壓油溫度降低至45 ℃時，冷卻水關閉，保持CST液壓系統始終維持在恒定的溫度區間運轉，促進膠帶運輸機的正常運行。

1.3 風冷和水冷的對比

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

板式換熱器冷卻CST油溫，冷卻介質是水，相對空氣來說受環境影響較小，采用水冷方式的電動機和變頻器結構設計成熟、工作穩定、維護簡單。工作介質純凈水或者蒸餾水物理特性穩定，不易變質，維護成本低，冷卻效果好，但是水資源浪費嚴重。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改造，想通過某種設備既能使油溫保持在45～55 ℃之間，又能減少水資源浪費的局面。

圖2 改造前、改造后冷卻方案對比

2 CST液壓油冷卻系統改造實施過程

2.1 電路的實現

CST如何控制PLC，PLC如何控制電動閥，這就需要設計一種四組合開關。解決了配電室地方限制和其余電器開關不能控制電動閥的問題。

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24 V直流繼電器安裝在此防爆箱內，且電源模塊和交流電源之間連接有保險，電源模塊具有短路斷電保護，過載斷電保護的功能，同時運行性能可靠，使本開關防爆性能達到要求。根據CST工作原理設計供電線路，將電源模塊AB與繼電器J1-J4的線圈連接，繼電器J1-J4并聯；使用時，將PLC的控制點輸出模塊分別與J1-J4繼電器的線圈連接，繼電器J1-J4的第一觸點J1-1～J4-1分別于第一至第四電動閥連接，繼電器J1-J4的第二觸點J1-2～J4-2與PLC控制點輸入模塊連接，用CST在工作過程中油溫升高和降低的這一過程，設置CST中PLC控制模塊油溫控制輸出點，以控制24 V直流繼電器的導通和斷開，從而實現電磁閥的開啟和停止。結構圖和原理圖，如圖3和圖4所示。

圖3 內外部結構

圖4 電路原理

工作時，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控制模塊輸出點控制24 V直流繼電器的導通和斷開，由繼電器控制電動閥的開啟和停止，達到四組合開關的基本要求，并且24 V直流繼電器工作穩定可靠，故障率小，保證CST工作的穩定性。

2.2 水路的實現

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輸入端相連，開關的輸入端與板式冷卻器進水口的電動閥輸出端相連，將電動閥與CST控制箱控制的四組合開關相連。電動閥兩側用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置在冷卻器上端面，冷卻器的出水口和油管入口設置在冷卻器的下端面。

圖5 水路原理

根據需要，先修改PLC工作程序，將CST控制器中PLC程序修改為溫度達到55℃時輸出-啟動點和低于45 ℃輸出-斷開點。利用啟動點和斷開點來控制微型四組合開關的接通和斷開，實現電動閥的打開和關閉，使得油溫保持在45～55 ℃。冷卻水自動開停裝置當電動閥故障時，旁路閥門打開，冷卻水常流水降溫，促進設備運轉的穩定性，降低設備運轉期間的故障率。連接后的實物圖如圖6所示。

圖6 實物

2.3 控制的雙保險

考慮到電動閥在使用過程中可能存在故障，導致冷卻水無法進行降溫，影響設備正常運行，因此在每個電動閥兩側加裝旁路球閥。當電動閥故障時，開啟閥門，臨時采用冷卻水常流水降溫，提高工作可靠性。

2.4 程序的改進

根據CST工作原理，編寫電動閥控制程序。當CST溫度達到55 ℃時，電動閥打開；當CST溫度降到45 ℃時，電動閥關閉；當皮帶停機時，電動閥瞬間關閉，停止冷卻水的供給。

3 CST液壓油冷卻系統改造效益分析

3.1 經濟效益

CST液壓油冷卻系統改造節約了大量水資源，改變了膠帶運輸機開啟后冷卻水一直橫流的現象。改造后根據液壓系統溫度，平均每40～60 min，冷卻水開啟1次，開啟時間為1～3 min，對CST液壓油冷卻速度快，設備運行更加安全可靠。通過現場流量計采集數據，平均每天節約用水60 m3，每個月平均生產時間為28 d，每月節約用水約為1 680 m3，全年節約用水約為2 000 m3，可節約費用10萬元。現二號煤礦使用CST驅動膠帶運輸機有101膠帶運輸機機頭驅動，一部膠帶運輸機機頭驅動，二部膠帶運輸機機頭驅動，三部膠帶運輸機機頭驅動，北一一部膠帶運輸機機頭驅動，北一二部膠帶運輸機機頭驅動及兩綜采工作面順槽膠帶機機頭驅動、中部驅動，合計CST驅動裝置11臺。僅此一項，每年可節約費用約110萬元。年節約用水費用=CST軟啟動裝置數量×每天節約用水量×年生產天數×純凈水單價=11臺×60 m3/d×336 d×5元/m3≈110萬元。

3.2 社會效益

為降本增效工作開創了新方法。大量的水、電資源消耗是煤礦成本管理比較困難的兩個部分，可通過簡化系統，或者增加節能型設備來實現。本成果的設計充分利用PLC自動化控制程序，利用電動閥工作原理，改裝管路。按照冷卻水優化方案，優化供電系統，充分發揮現代化設備功能，并借助避峰填谷舉措，減少電能消耗。

4 結語

通過對CST液壓冷卻系統中各子系統進行優化改進，針對CST如何控制PLC，PLC如何控制電動閥問題，提出一種四組合開關設計，同時根據CST工作原理，編寫電動閥控制程序，有效解決膠帶機頭配電硐室空間限制和其余電器開關不能控制電動閥的問題，解決了液壓系統冷卻問題，提高了CST軟控系統及膠帶運輸機的運行效率。同時改造方案簡單，設計科學合理，在不改變系統使用功能和主要結構的情況下，對原有設備進行簡單改造，既解決了現場過程中影響生產的實際問題，降低了設備故障率，又為CST系統的優化改造提供了基礎參數論證和技術支持。在改造完成后的CST軟啟動裝置使用中，該系統在驅動性能、開機效率、綠色生產、成本控制等多個方面取得顯著成效。