乳化液自动配比系统的设计与研究
(推荐)乳化液自动配比
目录1 绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.1.1乳化液简介 (1)1.1.2乳化液在煤矿中的应用 (2)1.1.3乳化液在煤矿应用过程中出现的问题 (3)1.2国内外研究历史、现状及发展趋势 (4)1.2.1乳化液配比 (4)1.2.2乳化液浓度检测 (7)1.2.3乳化液自动配比与浓度检测 (9)1.3课题研究的目的和意义 (9)1.4主要研究内容 (10)1.5本章小结 (10)2 乳化液质量控制技术分析 (11)2.1乳化液质量 (11)2.1.1乳化液质量指标 (11)2.1.2乳化液质量影响因素分析 (12)2.2乳化液的制备过程及质量控制 (12)2.2.1乳化液制备原料 (12)2.2.2乳化液制备原料的相互适应性 (15)2.2.3乳化液配比及质量保证 (16)2.2.4乳化液混合乳化及质量控制 (16)2.3乳化液的存储、使用及质量控制 (18)2.4人员素质与乳化液质量控制 (20)2.5本章小结 (22)3 乳化液自动配比与浓度检测系统总体设计 (23)3.1系统功能分析 (23)3.2系统总体设计 (24)3.3系统工作过程分析 (25)3.3.1系统工作原理 (25)3.3.2系统控制原理 (26)3.4子系统总体设计 (27)3.4.1乳化液自动配比装置总体设计 (27)3.4.2乳化液浓度检测装置总体设计 (27)3.5本章小结 (28)4 乳化液自动配比与混合乳化装置设计 (29)4.1容积式自动配比原理与在线管道多级混合方法 (29)4.1.1容积式自动配比原理 (29)4.1.2在线管道多级混合方法 (29)4.2水力式容积配比方案设计 (30)4.2.1椭圆齿轮流量计介绍 (30)4.2.2液压齿轮泵介绍 (31)4.2.3配比装置设计计算与使用说明 (32)4.2.4配比装置运行实验及分析 (36)4.3柱塞式容积配比方案介绍 (41)4.4混合乳化装置设计 (42)4.4.1三通混合元件设计选用 (42)4.4.2静态混合器设计选用 (43)4.5本章小结 (45)5 乳化液浓度检测部分设计 (46)5.1检测原理方案介绍 (46)5.2方案选择 (47)5.3乳化液折射特性实验研究 (48)5.3.1实验材料及仪器 (48)5.3.2实验过程 (48)5.3.3实验数据及处理 (48)5.4棱镜反射法方案检测系统详细设计 (52)5.4.1测量原理详细分析 (52)5.4.2测量装置光学系统及元件设计 (52)5.5本章小结 (58)6 结论与展望 (59)参考文献 (61)致谢 (63)附录装置实物图 (65)1 绪论介绍了乳化液的基本知识和其在煤矿生产中的应用及存在的问题。
矿用乳化液自动配比系统的设计与应用
矿用乳化液自动配比系统的设计与应用摘要：乳化液作为综采工作面液压支护机具的驱动介质，其浓度是乳化液性能的一个重要指标，适当与否直接影响到液压支护机具的工作寿命和生产成本。
浓度过低会使液压元件的润滑性、防锈性和稳定性大幅降低，同时影响设备使用寿命和安全生产。
浓度过高会使乳化油用量增加，增加生产成本。
因此，为了延长液压支护设备的使用寿命和降低生产成本，必须严格控制乳化液的浓度，因此乳化液自动配比系统的设计至关重要。
关键词：乳化液；综采工作面；液压支护机具；浓度；自动配比0引言随着煤矿综采设备自动化程度的不断提高，在综采工作面中大量使用乳化液作为驱动介质的液压支护机具。
乳化液的配比浓度直接影响到支护机具支护顶升效果，直接关系到井下生产安全。
目前，采煤工作面乳化液的配比大都靠手工，根据操作者的经验进行配比，然后用糖量仪测量乳化液浓度，要达到一个合理的浓度则十分困难、繁琐。
现有的乳化液自动配比系统大多根据流体力学或容积特性自动配比，即采用机械装置配比，结构简单，成本低廉，但其配比控制原理为开环控制，配比精度不高，乳化液浓度波动大，同样也会影响液压支护机具的使用寿命和生产成本。
我国《煤矿安全规程》规定：矿用乳化液浓度一般在3％～5％之间，准确、稳定、快速、高效、无需人工配液的乳化液自动配比系统尤其重要。
1矿用乳化液自动配比系统1.1系统组成该系统主要由 PLC 控制开关、乳化液浓度传感器、泵、电磁流量计、流量调节阀、信号采集部分、液箱等构成。
系统结构布置图见图1所示，其中虚线框内是集成在一个结构箱体内的。
图1 系统结构布置图1.2系统工作原理控制开关具有PLC控制和给各执行元件供电功能，系统所有信号接进PLC，由PLC分析后发出相应的输出信号控制整个系统，使纯水箱自动补水，自动配液，自动调整浓度等。
配液系统起动后，以纯水量为基准，浓度传感器的反馈信号实时经PLC计算后控制油路流量调节阀的开口，从而控制油量大小，进而控制浓度大小，使系统形成一个闭环控制系统。
福城乳化液自动配比系统说明l
乳化油自动配比系统设计思路随着矿用机械装备的不断发展，采煤机械自动化程度也在不断提高。
液压支架作为最重要的采煤设备，在矿井生产中发挥着越来越重要的作用。
在大量使用乳化水作为工作介质的液压支架系统中，水质的质量、成分对于液压支架的正常运行和使用寿命都有着很大的影响。
大部分矿井的地下水达不到合格工业用水的标准，水质比较差。
在这种工况下，因水质原因造成采煤设备特别是电动机的冷却系统、液压支架的阀组、千斤顶、立柱等液压部件的损坏大量增加。
其主要原因是：煤矿矿井水中除含有以煤、岩粉、铁锈为主的悬浮物外，还含有钙硬度、镁硬度、碱度、硫酸盐、氯离子等，用于煤矿生产用水，给井下设备带来一系列问题，主要表现在如下几个方面：高硬度高碱度矿井水容易形成碳酸钙、碳酸镁、硫酸钙等盐结晶并附着，堵塞机组冷却水管，致使液压支架的阀组、千斤顶、立柱等设备的维修周期和使用年限缩短，甚至无法正常使用，增加了设备维修及维护工作量，设备维修配件投入的大，不仅导致采煤成本的增加，也增加了安全隐患。
同时，高矿化度的矿井水用于乳化液配比：由于硬度高，对乳化液质量要求跟家严格，否则将导致乳化液不稳定，用量增加，且易发生析皂反应，形成不溶于水的脂肪酸钙，粘附着腐蚀产物、煤岩粉等进入液压支架系统。
针对煤矿井下液压设备的工况要求，结合煤矿作业特点，我公司研制出“乳化液地面自动配比系统”，该技术包括两个部分：一是水质达标，矿井水在地面进行深度处理，达到初级纯水指标，可满足普通液压支架特别是最近出现的高端电液控制液压支架工作用水的需求。
二是乳化液地面自动配比，并敷设专门的管路为井下乳化液泵站供乳化液，解决多年以来乳化液井下人工（或自动）配比浓度不均，1导致液压系统得不到相应的保护而出现的系列问题。
乳化液自动配比方案：山东内蒙能源福城煤矿乳化液自动配比系统福城煤矿基本信息：福城煤矿设计年产原煤450万吨。
地面标高+1242米，井下两个综采工作面，分别在+945水平和+740水平，正常生产乳化液最大用水量为8.0 t/h。
乳化液自动配比及输送装置方案
乳化液自动配比及输送系统1 立项背景乳化液作为液压传动的一种工作介质，由于它的粘度小、防腐、防锈、润滑、难燃、价廉等特点在煤矿井下得到了广泛的推广和应用。
随着煤炭行业迅速发展，综采工作面高产高效的要求，乳化液的需求量也随之增加。
带动乳化液配比方法也由人工配比逐渐向自动化配比方向发展。
从乳化液使用过程中存在的问题，可以看出绝大部分原因是由乳化液浓度不合要求引起。
而乳化液的浓度作为衡量乳化液配制质量的一个重要指标，主要决定于乳化液的配比方法。
乳化液的配比方法与煤矿生产的效益和自动化水平的提高密切联系，为适应综采工作面高产高效的发展以及能够配制出高质量的乳化液，国内外乳化液的配比已经由人工地面混和、手控配液，发展到自动配液。
入混合室在该处造成真空，将抽吸乳化油到主喷射流中，使中性水与乳化油充分混合成一定浓度的乳化液。
为调节浓度，在被引射的乳化油管路上设置了可变节流装置。
这种方式依靠操作者按经验调节浓度，所配制的乳化液精度也很差。
分散型自动配液。
一般采用以浮子阀取代了手控配液方式中的截止阀，自动根据液位配制乳化液，在低液位时系统连通，向乳化液箱注液；当液位达到控制的最高液位时系统自动关闭，停止向乳化液箱注液。
在注液过程中能自动完成乳化油和中性水的混和，并且浓度按使用要求可以调节，配比稳定，工作性能及动作稳定、可靠，使用寿命长。
该方法操作简单方便，已开始在乳化液泵站上推广使用，无锡煤矿工程机械装备有限公司生产的VRB乳化液泵站、GRB乳化液泵站都使用了这种配液方式。
针对目前煤矿以上乳化液配比方法的不足的现状，本课题研究开发了乳化液自动配比系统，提出了无人值守自动乳化液配比装置。
该系统不仅能够实现乳化液配比的全自动化，而且所配乳化液的质量较高，浓度能够满足《煤矿安全规程》的要求。
解决了目前困挠煤矿生产的乳化液配比问题，它既可以独立使用进行乳化液配制也可以与大型乳化液泵站配合使用向综采工作面提供动力乳化液。
这对于提高煤矿生产的效益具有极为重要的意义。
乳化液浓度自动检测及其配比系统
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５ ２・
煤
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２０ ０６年第 ３期
乳 化 液 浓 度 自动 检 测 及 其 配 比系统
王 晓 丽
（ 西安工业学 院 机电学院 ， 陕西 西安 ７０ ５ ） １０ ４ 制 核心 的乳 化液 浓度 检测 与 自动配 比系统 ， 系统 可 实现对 乳 化液浓 该
维普资讯
２０ ０６年第 ３期
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２ 系统 结构 及 工作原 理
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图 １ 系统 结 构 示 意 图
系统 的工作 原 理 是 ： 根据 乳化 液 的设 定 浓 度值 以及浓 度传 感器 检测 到 的实 际浓度 值计 算 出浓度偏 差 ， 过一 定 的控 制算 法 ， 出 步进 电机 的 转 速 ， 通 得 利 用 Ｈ ６２ Ｙ ２０计 数 卡 向步 进 电机 发 送 合 适 的 脉 冲 ， 控 制 步进 电机 的转 速 ， 而控 制 了乳 化 油 向乳 化液 箱 进
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煤矿乳化液水处理及自动配比控制系统-控制系统论文-工程论文
煤矿乳化液水处理及自动配比控制系统-控制系统论文-工程论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——【摘要】本文针对传统的乳化液人工配比并且用光折射计判断乳化液浓度高低的方式中存在的配比精度低、效率低下、乳化液稳定性差等问题，研发一种通过“PLC+计量泵”自动完成乳化液配比的控制系统。
该系统通过PLC进行运算和逻辑控制，采用电磁式计量泵控制投加时间及单次投加量实现定量投加，操作员仅需输入目标浓度即可完成自动配比，能够实现一键启停。
通过这种方式进行乳化液的配比，可实现投入少量成本即可高效获得高精度的乳化液配比浓度，方便快捷。
【关键词】乳化液配比；PLC；自动化；高精度；计量泵根据隆德煤矿业主提供资料及调查发现，目前我国95%以上的矿山工作面使用液压支护设备，以保证采煤面的不塌陷。
乳化液是煤矿液压支架和液压支柱的传动介质，在液压系统中起血液作用，并且在铝金属及其合金的加工行业中，乳化液的应用也是极其广泛的，能够起到防腐保护、润滑的作用。
乳化液通过水和乳化油配比而成，浓度要求3%~5%，乳化液配比浓度受很多因素的影响，包括水压、水质、流量、配比装置准确度等。
传统的乳化液配比方式采用人工投加水和乳化油的方式，判断乳化液浓度采用光折射计判断浓度高低，该种配比方式存在配比精度不高，效率低等问题。
为提高煤矿设备自动化程度，提高配比精度及效率，研制一套乳化液自动配比装置实现乳化液配比具有一定的必要性与经济性。
1与当前国内外同类研究、技术比较现有的乳化液配比主要通过两种方式完成。
第一种是人工完成配比，人工定量添加水和乳化油完成配比，配比浓度靠取样用光折射计人工观察，其精度不高，效率低，受人为因素影响较大；第二种通过“PLC+变频器+计量泵”完成配比，该方式通过PLC作为控制中心，变频器调速完成乳化液配比，该方式精度较高，效率高，但花费成本也高。
本文提出的应用于乳化液自动配比的“PLC+计量泵”控制系统具有效率高、精度高、成本低并且能够实现一键启停，自动化程度较高。
乳化液自动配液系统的设计与实现
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乳化 液作 为煤 矿液压设 备的 “ 血液 ” ，具有 十分 重要的 作用 。乳 化 液浓 度 在 很 大 程度 上 影 响 其 使 用性 能 ，我 国 《 煤矿安全规程》 规定 ：矿用乳 化 液浓度 一般 在 ３ ％ ～５ ％ 之问。乳化液 浓度过 高成 本增加 ，但 如果浓 度 过低 ，会 使
煤
第４ ７ 卷 第７ 期
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工
矿用乳化液自动配比系统的设计
为涡轮流量计，通过其输出的电压值确定此时乳化 油的实时流量。
3） 本自动配比系统的核心乳化液浓度传感器选 用GND15型乳化液浓度传感器，该传感器经过现场
的标定,能够准确测岀实时的乳化液浓度值。
2.2 PLC的选型 本系统的核心控制元件为PLC控制器。结合以
减小时，乳化液的浓度值减小。
乳化液自动配比系统控制原理：在乳化液箱的
线路中安装有乳化液浓度传感器16,该传感器采集
收稿日期：2018-06-01 作者简介:燕国栋(1983—),男，本科，毕业于中国矿业大学采矿 工程专业，机电助理工程师，从事矿山机电方面的工作
1,8—电动机;2—离心水泵;3—电磁截止阀;4一单向阀； 5,13—压力表;6—电液比例调速阀;7,14—流量传感器； 9一齿轮泵;10—过滤器；11 一溢流阀:12,17-液位传感器；
化液浓度值的目的。本文主要研究对象为基于PLC 控制的乳化液浓度自动配比系统。
1基于PLC乳化液自动配比系统的概述 1.1基于PLC自动配比系统的工作原理
该自动配比系统主要有PLC控制器、供油系 统、供水系统以及相关的传感器等部件组成。其中， 该配比系统中供油系统油箱的大小根据实际工作面 乳化液的需求量决定。基于PLC的乳化液自动配比 系统结构原理图如1所示。
往经验，本自动配比系统采用的PLC型号为德国西 门子公司的S7-200系列CPU224型PLC[41O该型号 PLC具有良好的人机界面可供选择，而且可以根据 用户的需求对其进行扩展使用同。该PLC的系统组 成如图3所示。
控制按钮对应;Q0.0控制系统的电磁比例调速阀实 现对乳化油流量的控制；Q0.1实现对离心水泵电机 的控制；Q0.2实现对乳化油油泵电机的控制；Q0.3
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乳化液自动配比系统的设计与研究
煤矿综采工作面是我国重要能源煤炭开采的工作平台。
煤矿用乳化液是在综采工作面上工作的液压掩护支架等液压设备的重要工作介质。
综采工作面工作覆盖范围大,因此对乳化液的消耗量大,同时液压设备工作时对乳化液浓度精度有较高要求。
在大流量的工作背景下,乳化油浓度过高,会大大增加乳化液的成本,降低乳化液的消泡能力,增加橡胶等材质的密封设备的溶胀性,当乳化液发生气泡空蚀和密封设备损坏时,更会降低采煤设备的使用寿命;同时系统一旦发生泄漏高比例的乳化油会对环境造成极大的污染。
反之,如果乳化油浓度过低,则会降低乳化液的抗硬水性,润滑性和耐腐蚀性。
综采工作面上每年有大量单体液压支柱因为缸筒和活塞腐蚀严重而损坏。
因此如何配置浓度精准的乳化液对综采工作面有极大的研究意义。
现有的乳化液配比系统大多采用浓度传感器测量所配置乳化液浓度信号并进行反馈调控的闭环浓度控制系统。
但由于综采工作面覆盖范围广,响应时间和反馈时间都比较长,且乳化油的亲水性导致浓度传感器浓度测量困难,测量精度不高等原因,导致现有的闭环控制系统不能很好的达到乳化液自动配比系统的精度要求。
在此基础上,作者提出一种以柱塞泵为执行元件,实时流量为反馈信号的闭环控制乳化液自动配比系统。
具体方案如下:计算选型两效率高的三柱塞泵分别输送静压水和乳化油,通过开关进行乳化液不同配比浓度的模式选择。
在确定好配比浓度后,变频器以初始频率启动两电动机,电动机带动柱塞泵工作。
设计选择高精度的涡轮流量传感器进行静压水路的实时流量监测,将采集到的流量信号输送至可编程控制系统中,系统根据流量与电动机频率间的关系,计
算得出油路电动机应调节的频率,并将这一信号反馈给油路控制变频器,进行油路电动机的变频调速。
将系统的反馈信号测量采集点控制在静压水泵的输出口附近,通过控制输入系统中的乳化油和静压水的体积比,实现乳化液配比系统的精度要求。
使用可编程控制器实现矿井综采工作面的自动配比,并增加如急停按钮和警报指示灯之类的示警装置,在保证系统稳定运行的同时增加系统的安全可靠性。
关于静压水和乳化油的混合,作者创新性的提出使用高压对冲喷嘴的方式。
利用雾化喷嘴的形式,将有一定压力一定速度的静压水和乳化油雾化成水滴、油滴分子,增加二者的接触面积和分散度,转换其本身动能使二者混合更为均匀,操作更为简单可靠。
对上述方案进行了AMEsim仿真分析,并基于仿真分析的结果进行乳化液自动配比系统实验台的搭建。
在原有方案基础上,在乳化油支路增加涡轮流量计以测量油路系统的实时流量。
在搭建好的模拟实验台上,实地运行了乳化液自动配比系统对三种不同浓度的乳化液自动配置情况。
测量并记录了三种不同浓度的乳化液配置流量数值曲线图,通过计算发现输入系统的乳化油和静压水的体积比在配置要求误差范围内。
该设计方案良好的实现了有关乳化液自动配比系统的精度要求。
汇总和分析了系统运行中可能出现的故障并罗列其解决办法。
说明本设计方案能切实的解决综采工作面乳化液配比上的高精度自动配比问题。