綜采工作面乳化液自動配液系統(tǒng)的應用研究

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，濃度過低會影響抗硬水能力、防銹效果和潤滑性；濃度過高會增加生產(chǎn)成本、降低消泡能力和增大對橡膠密封材料的溶脹性。

綜采工作面自動化程度的提高離不開工作面乳化液泵站系統(tǒng)的自動化程度，傳統(tǒng)的泵站系統(tǒng)未對乳化液配比進行有效的控制，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)完全采用人工進行乳化液的配比，不僅需要占用大量的人力去搬運乳化油，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，采用乳化液自動配液站方案，將乳化液自動配比、乳化液濃度的檢測和電控等相關(guān)技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)乳化液的自動配比。

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，而乳化液的自動配比、乳化液濃度檢測以及自動加水等功能均需要人工進行，而且傳統(tǒng)的泵站系統(tǒng)對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，很可能會造成泵站系統(tǒng)由于吸空而導致泵站損壞。

1.1 配比情況

我國煤礦安全規(guī)程對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配比裝置，除了一些采購進口泵站系統(tǒng)的綜采工作面，多數(shù)工作面仍然采用人工配比乳化液，而人工配液時無法精確掌握水與乳化油的用量，從而導致配比后的乳化液濃度無法達到要求。

圖1 人工配液濃度曲線

圖1是對人工配液進行的濃度在線監(jiān)測曲線，從圖1中可以看到，剛開始時乳化液濃度達到了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檢測法與自動檢測法。手動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較大。自動檢測法是采用電子儀表進行數(shù)據(jù)檢測并進行顯示，此方法可獲得較為準確的乳化液濃度值，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，無法對測得的乳化液濃度值進行保存與傳輸。

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

2 乳化液自動配比裝置

2.1 文丘里式自動配比裝置工作原理

文丘里式乳化液自動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。文丘里式自動配比裝置工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 文丘里式自動配比裝置工作原理示意圖

2.2 齒輪泵自動配比裝置工作原理

齒輪泵乳化液自動配比裝置則采用液壓馬達帶動齒輪泵的工作方式，當水進入自動配比裝置后驅(qū)動水輪旋轉(zhuǎn)，帶動齒輪泵吸取乳化油，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。齒輪泵自動配比裝置工作原理示意圖如3所示。

圖3 齒輪泵自動配比裝置工作原理示意圖

2.3 文丘里式自動配比裝置與齒輪泵自動配比裝置比較

雖然兩種乳化液自動配比裝置的工作原理不同，但二者存在一個共同點:通過調(diào)節(jié)吸油口節(jié)流閥的開口量控制進油量，進而控制乳化液濃度。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油量之間都不是線性關(guān)系，當高壓水流速發(fā)生變化時，兩種自動配比裝置配制乳化液的濃度都會發(fā)生改變。通過配比試驗對兩種自動配比裝置的穩(wěn)定范圍和配比效果進行比較。文丘里式自動配比裝置進水壓力與濃度變化曲線和齒輪泵自動配比裝置進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，進水壓力在0.38～0.43MPa范圍內(nèi)變化時，文丘里式自動配比裝置的濃度最穩(wěn)定。而齒輪泵自動配比裝置沒有出現(xiàn)非常穩(wěn)定的區(qū)域，配制濃度一直在小范圍內(nèi)波動，但總體波動量小于文丘里式自動配比裝置。由于兩種自動配比裝置對進水壓力都比較敏感且兩者的進水壓力都比較低，因此實際使用需要在進水口處安裝定壓減壓閥。

圖4 文丘里式自動配比裝置進水壓力與濃度變化曲線

圖5 齒輪泵自動配比裝置進水壓力與濃度變化曲線

通過對兩種乳化液自動配比裝置的比較，齒輪泵自動配比裝置的實際應用效果要好于文丘里式自動配比裝置，因此本系統(tǒng)采用齒輪泵自動配比裝置。

3 自動配比及檢測裝置

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

3.1 自動加油

傳統(tǒng)的泵站系統(tǒng)沒有自動加油功能，完全靠工人將乳化油從油桶內(nèi)通過手動方式向油箱或乳化液箱內(nèi)倒入，不僅勞動強度大，而且在配比時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確的乳化液。本裝置采用了一臺自動加油泵及油箱，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)安裝一個液位傳感器，該傳感器可以實現(xiàn)對油箱內(nèi)乳化油液位高低進行檢測，檢測到的油位信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的控制器上，再由控制器對儲油箱的油位進行判斷，如果儲油箱內(nèi)油位低于設(shè)定值，控制器會自動打開加油泵，將油桶內(nèi)的乳化油向儲油箱內(nèi)抽入，直到儲油箱內(nèi)的油位達到設(shè)定值的上限，控制器會自動停止加油泵運行，實現(xiàn)自動加油功能。

圖6 自動配比及檢測裝置工作原理

3.2 自動加水

由于齒輪泵式自動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閥開啟與關(guān)閉實現(xiàn)自動加水功能。由于綜采工作面支架用乳化液在運行過程中壓力較高，如果液體內(nèi)有較大顆粒雜質(zhì)，將在高壓下對支架產(chǎn)生破壞，因此必須采用過濾器將清水的雜質(zhì)進行過濾，過濾器精度為25μm，該過濾器能保證進行乳化液箱清水的潔凈度。

3.3 自動配比

采用齒輪泵配比裝置實現(xiàn)乳化液的自動配比，由加水部分提供較為穩(wěn)定的清水動力源，驅(qū)動齒輪泵將乳化油從儲油箱內(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，當液位傳感器檢測到液箱內(nèi)液位低于設(shè)定值低限時，自動打開增壓泵及電動閥開啟自動配比功能，直到液箱內(nèi)乳化液的液位達到設(shè)定值的高位值時，停止自動配比過程。

3.4 自動控制與檢測

本安控制器內(nèi)核ARM具有較強的數(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)及儲油箱內(nèi)安裝液位傳感器，實現(xiàn)對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算后向增壓泵、加油泵和電動閥發(fā)出控制指令，實現(xiàn)加油及自動配比的自動控制 (通過向開關(guān)輸出無源干節(jié)點控制信號實現(xiàn)對泵站的啟?？刂?。

本系統(tǒng)采用折光法的濃度傳感器，在自動配比裝置出口處安裝乳化液濃度傳感器，實現(xiàn)對配比后的乳化液濃度進行檢測，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)進行存儲，通過本安控制器可以對乳化液的濃度數(shù)據(jù)進行歷史數(shù)據(jù)查詢，如果濃度值沒有達標，需人工對配比裝置的調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。

4 應用情況

本系統(tǒng)在寧煤集團的羊場灣礦、靈新礦和陽煤集團的新元礦、新景礦、陽煤一礦投入了使用，通過煤礦用戶的實際使用，得到了一致好評。圖7為在上位機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%，不僅反映了自動配比的準確性，同時也保證了乳液濃度傳感器檢測的濃度值也是準確的。

圖7 乳化液自動配比濃度

5 結(jié)論

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

該系統(tǒng)不僅可以作為泵站系統(tǒng)的一部分實現(xiàn)乳化液自動配比功能，而且也可以作為一個獨立系統(tǒng)對目前還采用手動配比綜采工作面進行改造，只需增加很少一部分設(shè)備即可實現(xiàn)配比的自動化，改造費用及對原泵站系統(tǒng)的變更較小，既經(jīng)濟又實用，具有很好的推廣意義。

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