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万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 乳化液自动配比系统设计与优化 摘 要 乳化液被誉为井下支护设备的血液，在煤矿中有着重要作用。乳化液 浓度是影响其使用性能的关键因素，因此需要对配制乳化液的浓度进行准 确控制。传统的乳化液手动法配比和机械配比法由于配比精度低，操作复 杂等缺点已被逐渐淘汰，现多用自动配液的方式。 自动配液系统主要有双缸定比配液系统、自力式自动配比系统、单片 机控制配液系统以及 PLC 控制配液系统。双缸定比配液系统由于缺少传感 器，无法对系统的配比浓度进行监控；而自力式自动配比系统由于井下风 压、水压不稳定，配比精度无法保障；单片机控制的自动配液系统多为开 环控制；而 PLC 控制的自动配液系统由于浓度传感器在使用过程易受污染 影响精度，故设计时不用浓度传感器直接测量，而采用液位传感器的方式 对乳化液浓度进行间接测量，实质上乳化液充分混合后，浓度传感器在清 洁的情况下对系统乳化液浓度的精度把控远高于液位传感器，因此自动配 液系统的改进需解决乳化液充分混合以及浓度传感器污染的问题。基于以 上问题，本文对乳化液自动配比系统做了以下几方面的研究。 首先对配液装置整体进行了设计，配液装置集乳化液箱和乳化油箱于 一体，且为了整体美观，将各类执行机构和传感器都嵌于配液装置内部， 各类器件在箱体内部都通过钢管走线并汇总到接线盒内，配液装置整体结 构紧凑、简洁、美观。同时对配液装置进行了壁厚优化，在满足使用条件 的基础上使箱体轻量化，节省成本的同时减少井下工人劳动量。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 接着对乳化液混合起关键作用的搅拌器进行数值模拟，比较圆盘式四 直叶涡轮搅拌器、 圆盘式 45涡轮搅拌器以及开式 45涡轮搅拌器完成配 液的混合时间和能量消耗，结果表明开式 45涡轮搅拌器作用下，液箱体 内部湍流强度最为均匀，混合完成时间最短以及混合消耗能量最少。同时 就搅拌器的不同安装高度对乳化液混合的影响进行了数值分析，当桨叶距 底高度为 250mm 时，乳化液整体混合完成所需时间最短。 其次就浓度传感器的堵塞问题进行了探究，不同安装位置以及箱体堵 板不同的开孔形式在搅拌器的剪切作用下，都不足以对浓度传感器起到冲 洗的作用，故需要设置冲洗装置进行传感器的清洗。通过对比不同喷嘴的 轴向速度分布以及传感器感光元件壁面的动压和打击力，得出角型喷嘴形 成的壁面动压和打击力最大，并在入口直径为 8mm、收缩角 α 为 13、出 口直径 d 为 4mm、出口扩散角 β 为 20以及入口压力为 3MPa 的参数条件 下对浓度传感器起到良好冲洗效果的结论。 最后设计了基于浓度传感器直接测量的自动控制系统，完成了相应程 序编写和画面组态。系统经地面试验和实际井下运行验证均取得良好的效 果。 关键字乳化液，自动配比，搅拌模拟，射流冲洗 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III DESIGN AND OPTIMIZATION OF AUTOMATIC EMULSION PROPORTION SYSTEM ABSTRACT Emulsion regarded as the blood of the underground supporting equipment, plays an important role in the coal mine. The concentration of emulsion is the key factor affects the perance of the emulsion, so it is necessary to control the concentration of emulsion. Because traditional manual and mechanical proportion have many disadvantages,such as low precision and complex operation, have been gradually eliminated. Now automatic emulsion proportion system is used more. Automatic emulsion proportion system can divided into double cylinder fixed ratio liquid system, self operated automatic proportioning system, MCU control system and PLC control proportion system. Double cylinder fixed dosing liquid system can not monitor the concentration ratio of the system because lack of sensors; Self operated automatic proportioning system can not guarantee the accuracy due to unstable wind pressure and water pressure; MCU control system is mostly open loop control; The concentration sensor of PLC in the process of use, Therefore, the concentration sensor is not used for direct measurement, but liquid level sensor is used to measure the concentration of the emulsion indirectly. When the emulsion is fully mixed, the concentration sensor is far more accurate than the liquid level sensor in cleaning condition,.Therefore, it is need to solve the problem of full mixing of the emulsion and the pollution of concentration sensor. Based on the above problems, this Paper has done the following research on emulsion automatic proportioning system. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV Firstly, the whole design of emulsion proportion device has carried out. The emulsion proportion device integrates the emulsion tank and the emulsified oil tank, the various types of actuators and sensors were embedded in it and all kinds of devices were summarized into the junction box through the steel wire. The whole structure of emulsion proportion device is coMPact, simple and beautiful. At the same time, the wall thickness optimization has been carried out on the emulsion proportion device, which can save the cost and reduce the amount of labor. Then numerical simulation of the key component of emulsion mixing-agitator has been done. The simulation coMPared mixing time and energy consumption of disc type four straight blade turbine agitator, disc type 45 degree turbine agitator and open type 45 degree turbine agitator. The results show that the turbulence intensity in the liquid tank was most uni, the mixing time was the shortest and the energy consumption was the least of open 45 degree turbine agitator.At the same time, the influence of different installation height of agitator have been analyzed. When the height of the blade was 250mm, the time required to complete the whole mixing of the emulsion was the shortest. The blockage problem of the concentration sensor was studied. Because different installation positions of concentration sensor and different ways of opening the box plug under the shear action of the agitator were not sufficient to the concentration sensor, Therefore, it is necessary to set up the cleaning device to clean the sensor. By coMParing the axial velocity distribution of different nozzles and dynamic pressure,striking force on the wall of concentration sensor, draw the conclusion that dynamic pressure and the striking force of the angle nozzle were largest, and under the condition that the inlet diameter is 8mm, the contraction angle is 13 degrees, the outlet diameter is 4mm, the outlet diffusion angle is 20 degrees and the inlet pressure is 3MPa can have a good washing effect on the concentration sensor. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V Finally, an automatic control system was designed based on the direct measurement of the concentration sensor. The system has achieved good results through the ground test and the actual industrial field experiments. KEY WORDS emulsion, automatic proportioning, stirring simulation, jet ing 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目 录 摘 要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. III 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 论文背景及研究意义 ....................................................................................................... 1 1.1.1 论文研究背景 ............................................................................................................ 1 1.1.2 论文研究意义 ............................................................................................................ 2 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................... 2 1.2.1 乳化液自动配比研究现状 ........................................................................................ 2 1.2.2 国内外对搅拌器的研究 ............................................................................................ 5 1.2.3 国内外对射流冲洗的研究 ........................................................................................ 7 1.3 论文研究主要内容及技术路线 ....................................................................................... 9 第二章 乳化液配比总体设计及箱体壁厚优化 .................................................................... 11 2.1 配比系统工作原理 ......................................................................................................... 11 2.2 配液箱体整体设计 ......................................................................................................... 12 2.2.1 配液箱尺寸设计 ..................................................................................................... 12 2.2.2 主要执行机构选型 ................................................................................................. 13 2.2.3 传感器选型设计 ..................................................................................................... 14 2.2.4 配液箱总体设计方案 ............................................................................................. 16 2.3 配液箱壁厚优化数值分析 ............................................................................................. 17 2.3.1 配液箱有限元模型的建立 ..................................................................................... 18 2.3.2 约束和边界条件的设置 ......................................................................................... 19 2.3.3 结果分析 ................................................................................................................. 20 2.4 本章小结 ......................................................................................................................... 22 第三章 配液搅拌器仿真优化研究 ........................................................................................ 23 3.1 乳化液配液箱数值建模 ................................................................................................. 23 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.1.1 配液箱几何模型 ...................................................................................................... 23 3.1.2 计算区域网格划分 ................................................................................................. 24 3.2 数值模拟方法与策略 .................................................................................................... 25 3.2.1 动静区域相互作用处理方法 .................................................................................. 25 3.2.2 湍流模型 .................................................................................................................. 26 3.2.3 多相流模型 .............................................................................................................. 27 3.2.4 求解步骤和参数设置 ............................................................................................. 28 3.3 仿真结果及分析 ............................................................................................................ 30 3.3.1 搅拌器选择分析 ...................................................................................................... 30 3.3.2 搅拌器安装高度的研究 .......................................................................................... 36 3.4 本章小结 ........................................................................................................................ 38 第四章 浓度传感器清洗方案设计及仿真研究 .................................................................... 39 4.1 浓度传感器安装设计 .................................................................................................... 39 4.2 搅拌作用下不同参数的浓度传感器清洗分析 ............................................................ 40 4.2.1 模拟前处理和仿真设置 .......................................................................................... 41 4.2.2 传感器安装位置对感光元件清洗的影响 .............................................................. 42 4.2.3 箱壁堵件开孔对感光元件清洗的影响 .................................................................. 44 4.3 射流清洗仿真分析 ........................................................................................................ 46 4.3.1 模拟前处理以及计算模型的正确性验证 .............................................................. 46 4.3.2 喷嘴的选择模拟分析 .............................................................................................. 48 4.3.3 喷嘴主要参数的选择 .............................................................................................. 52 4.3.4 射流入口压力的确定 .............................................................................................. 58 4.4 本章小结 ........................................................................................................................ 60 第五章 自动配液控制系统设计、试验及应用 .................................................................... 63 5.1 控制系统的硬件选型 .................................................................................................... 63 5.2 控制系统软件设计 ........................................................................................................ 64 5.2.1 控制系统流程 .......................................................................................................... 64 5.2.2 控制系统程序设计 .................................................................................................. 67 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 5.2.3 控制系统通讯设计 .................................................................................................. 69 5.2.4 系统人机界面设计 .................................................................................................. 70 5.3 配液系统的地面试验和现场应用 ................................................................................. 72 5.3.1 配液系统地面试验 ................................................................................................. 72 5.3.2 系统井下应用 .......................................................................................................... 73 5.4 本章小结 ......................................................................................................................... 74 第六章 总结与展望 ................................................................................................................ 75 6.1 论文主要成果 ................................................................................................................. 75 6.2 展望 ................................................................................................................................. 76 参考文献 .................................................................................................................................. 77 致谢 .......................................................................................................................................... 81 攻读硕士学位期间发表的论文 .............................................................................................. 83 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 论文背景及研究意义 1.1.1 论文研究背景 煤炭是一种可以用作燃料或工业原料的矿物，被誉为“工业的食粮” ，是我国的主 体能源。随着科技进步以及煤炭行业的迅猛发展，使得煤炭的生产方式朝着集约化、自 动化和智能化方向发展。 煤炭的高效智能化生产， 离不开作为煤矿重要动力源的乳化液。 乳化液被誉为煤矿液压设备的血液，其粘性小、防腐防锈性、润滑性能好、难燃、价格 低廉等优点使其在煤矿中有着广泛的应用。乳化液主要为液压支架、液压支柱以及采煤 机液压调高系统提供动力， 同时矿用水包油型乳化液还可作为推溜装置和提升运输设备 的润滑冷却剂。 乳化液浓度是评价乳化液性能的一个重要指标， 其浓度合适与否在很大程度上影响 着乳化液的使用性能。合理的乳化液浓度才能使其中的基础油、乳化剂、表面活性剂、 抗氧化剂等有着很好的使用性能，因此配制出合理浓度的乳化液很有必要。据煤矿安 全规程规定，配制的乳化液浓度应控制在 3 5。如果浓度过高，生产成本增加的 同时还会刺激皮肤，乳化液自身的消泡性能降低导致泡沫多，增大对橡胶类密封材料的 容胀性，加速密封件和输送管路的老化，导致漏液、串液等不良后果。但如果乳化液浓 度过低，会导致设备的液压元件受到水的侵蚀而发生锈蚀，造成元件损坏，从而缩短设 备的使用寿命，严重时会导致系统泄漏，影响工作面的安全可靠生产[1]。因此必须严格 控制乳化液的浓度，以保证煤矿支护设备的性能和寿命，确保工作面的安全可靠生产。 随着科技的发展， 当今煤矿现大多都能够通过使用自动配比装置来控制乳化液的浓 度。但在实际生产过程中，慢慢就暴露出很多问题，由于很多自动配比装置缺乏搅拌装 置，在乳化液没有充分混合均匀的条件下进行浓度测量，配液箱体内部由于存在浓度差 使得浓度传感器测量失准，严重影响乳化液配比的准确性，同时工作面存在需给支护设 备快速供液的特殊工况，在乳化液没有搅拌设备混合的前提下，浓度过高或过低的乳化 液输送到工作面，将直接影响工作面液压支架的使用寿命。而且配液系统运行一段时间 后，现多采用的折光式浓度传感器由于杂质的附着导致污染和堵塞，造成浓度测量的失 准，甚至失效，故现有的自动配比系统不使用浓度传感器进行直接测量，而采用液位传 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 感器的方式对乳化液浓度进行间接测量，间接测量测得的乳化液浓度误差较大，如乳化 液搅拌均匀且浓度传感器精度得以保障的前提下， 直接用浓度传感器测量对于乳化液浓 度的精准把控远高于间接测量。因此，为保障配制乳化液的精度，乳化液搅拌不均匀以 及浓度传感器受污染等问题亟待解决。 1.1.2 论文研究意义 乳化液浓度准确性严重影响乳化液的使用性能， 故对乳化液浓度的精准把控非常重 要。通过上文总结，现有的乳化液配比系统仍存在配制乳化液浓度不准，乳化油和水混 合不均匀等问题，而这些问题都将影响煤矿的高产高效，智能化生产，造成不必要的损 失，因此对乳化液自动配比系统进一步设计与优化是很有必要的。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 乳化液自动配比研究现状 在实际煤矿生产中， 乳化液配比经历了人工配比、 机械配比以及自动配比三个阶段。 人工配比法由于操作复杂、工人劳动强度大以及浓度难以控制等问题逐渐被淘汰，不再 使用。机械配比由于浓度的调节和阀门的开关仍需要人工参与，配制乳化液浓度精度较 低且使用很不方便，现今只有少量煤矿进行使用，当前应用最为普遍的是乳化液自动配 比，主要的自动配液系统有以下几类 （1）双缸定比自动配比系统 汾西矿业集团的张东进[2]提出了双缸定比自动配比的方法，利用双作用油缸活塞和 活塞杆面积的固定比值关系，实现乳化油和水定量定比供给，精确配制合理浓度的乳化 液。双缸定比自动配比系统如图 1-2 所示，系统由进、出液单向阀、双作用缸以及油水 混合器组成。液压缸的活塞吸水的同时活塞杆充当柱塞的作用定量定比的吸取乳化油， 并通过出液阀进入油水混合器进行混合，得到一定浓度的乳化液。该配比系统能够很好 的完成乳化液自