（机械设计及理论专业论文）乳化液自动配比及其应用研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 巍化液壹动醚瑟爱羹应用研究 攮要 乳化波在煤矿生产中发挥着分重要的作用，佟为煤视产最液压传 动的工作介质，尤其是作为煤矿采煤工俸褥液压支架和液压支柱的工作 介质在煤矿井下褥了广泛熬应用，被称之为煤矿支护设备的盘液。近年 来，隧着煤炭行业突飞猛进的发展，乳弦液配踩及其斑用越来越褥到入 们的广泛关注。 随篱科学技术静飞速发震，随着综采工幸# 面高产嵩效兹需求，对乳 化液配比的自动化襁度及其配比质量也提琏j 了越来越黼的要求。目前我 营在孚l 傀渡酝爨方瑟鹩磅究已墩褥了一定瓣迸袋，毽戆存在蓑不少逮逶。 主要表现为以下几种情况：1 、乳化液浓度满足了生产疆求面配制方法粗 笨，餐褥工人夔劳动程度大，缀难遥窿煤矿生产戆叁动纯需求；2 、自动 化程度掇高了，乳化液浓度却又达不到要求，起不到应有的作用，有时 甚至绘生产带来不可籍量酶损失；3 、乳纯液浓度帮鸯动化要求都达裁了， 而生产成本却大幅度提高，起不至口提高煤矿生产效益的爵的。 针对这嵇情况，提出了研制乳化液自动配比系统，以解决耳黼我园 在乳纯液配比方蕊存在的困扰阀题。论文提出的乳化液自动配魄系统既 可独立使耀，也可以与髫前发展已经较为成熟的大型飘化液泵站配合使 用，商综采工作谣挺供动力。此夕 ，还把巍纯滚自动酝比推丽广之，废 太原理= ：e 大学硕士研究生学位论文 用于可作为临时动力源的轻型泵站系统。 本课题在基于乳化液配制机理的理论基础之上，利用p l c 控制技术、 结合传感器技术，从经济性、高效性的角度出发研究开发了乳化液自动 配比系统。该系统不仅自动化程度较高，而且乳化液配制质量较高，所 配乳化液浓度完全能够满足煤矿安全规程要求。同时课题从实用性、 功袁基性的角度出发，把乳化波自动配比应用于轻型泵站系统。把乳化液 自动配比与泵站功能有机结合在一起，可以实现边配n - 化液边惠工作 面提供动力的功能。所配乳化液的浓度不仅可以满足生产的要求而且在 一定的范围连续可调，有效地避免了乳化液因存放时间过长而出现的发 霉、析油等现象。 文中还对主要功能元件的设计、特性和乳化器内部流场进行了详细 的理论分析和仿真研究。最后通过实验室模拟和现场试验，验证了轻型 泵站的可行性，为其进一步的深化研究提供了理论和实践依据。 美键词：乳化液，浓度，自动簧己比，轻型泵站 太源理工犬学露璐巍生擎挺论文 s 善u p y0 炎t 珏ee l 蠖l 疆，s 1 0 na u t o 焱r l c c 0 【p o u n d i n ga n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t e m u l s i o np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nc o a lp r o d u c t i o n , i th a sb e e n e x t e n s i v e l yu s e di nm i n ea st h ew o r k i n gm e d i u mo f t h ef l l | 避d r i v ef o rc o a l m i n ee q u i p m e n t se s p e c i a l l yf o rh y d r a u l i cb r a c k e ta n dh y d r a u l i cs h o r i n go n e x c a v a t i n gc o a lw o r k i n gf a c e ，a n de m u l s i o ni sc a l l e dt h eb l o o d o f c o a lm i n e s h o r i n ge q u i p m e n t s i nr e s e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h e 龋 n 醛a c h i e v e m e n ti n ”c o a li n d u s t r y , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e nc o n c e n t r a t e do nt h e e m u l s i o nc o m p o u n d i n ga n di t sa p p l i c a t i o n 。 a l o n gw i t l lt h eh y i n gd e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h e d e m a n do f 辍g hy i e l da n dh i 醢e f f i c i e n c yt ot h ei n t e g r a t e dm e c h a n i z a t i o n e x c a v a t i n gc o a lw o r k i n gf a c e ，t h er e q u i r e m e n t t ot h ea u t o m a t i z a t i o nd e g r e e o fe m u l s i o nc o m p o u n d i n ga n di t sc o m p o u n d i n gq u a l i t yi sm o r ea n dm o r e h i 舒。a tp r e s e n t , t h es t u d yo nt h ee m u l s i o nc o m p o u n d i n gh a so b t a i n e d d e f m i t eh e a d w a yi no u rc o u n t r y , b u ts o m ep r o b l e m sa l s oa r ei ne x i s t e n c e ， t h e r ea r ef o l l o w i n gi n s t a n c e sm a i n l yo i lt h ef a c e to fe m u l s i o nc o m p o u n d i n g ： 1 。t h ec o n c e n t r a t i o no fe m u l s i o nm e e t st h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t , b u tt h e 王壬i 太坂理工大学硕士研究生学位论文 e m u l s i o nc o m p o u n d i n gm e t h o di st o ol u b b e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f a u t o m a t i cp r o d u c t i o na n dg o e sa g a i n s tb r i n g i n gd o w nl a b o ri n t e n s i t yo f w o r k e r s 2 s o m ek i n d so fe q u i p m e n t sc a n c o m p o u n dt h e e m u l s i o n a m o m a t i c a l l y , w h i l et h ec o n c e n t r a t i o no fe m u l s i o nc a n n o tm e e tt h en e e d so f t h eu s e r , a n ds o m et i m e ss o m es e r i o u se f f e c t sm a yb eb r o u g h tf o rt h e i n a p p r o p r i a t e c o n c e n t r a t i o n 3 s o m ek i n d so fe m u l s i o nc o m p o u n d i n g e q u i p m e n t sw h i c hc a l lc o m p o u n da p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o no fe m u l s i o n , a n dt h ee q u i p m e n t sa l s oh a v ea u t o m a t i cm o d e ，b u tt h ec o s to f p r o d u c t i o ni s t o oh i 醣a n dc a nn o ta c h i e v et h ea i mt oe n h a n c ep r o d u c t i o nb e n e f i t a i m i n g a tt h e s es t a t u so fe m u l s i o nc o m p o u n d i n gt h a ta r es h o w e d ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r dd e v e l o p i n gas e to fe m u l s i o na u t o m a t i cc o m p o u n d i n g s y s t e m i no r d e rt os o l v et h ew o r r y i n gp r o b l e me x i s t i n gi ne m u l s i o n c o m p o u n d i n g 。t h ee m u l s i o na u t o m a t i cc o m p o u n d i n gs y s t e mi nt h i sp a p e r c a r lb eu s e di n d e p e n d e n t l ya n di tc a l la l s oc o o p e r a t ew i t hl a r g ee m u l s i o n p u m ps t a t i o nw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e dm a t u r e l yn o w t os u p p l yp o w e rf o r t h ei n t e g r a t e dm e c h a n i z a t i o ne x c a v a t i n gc o a lw o r k i n gf a c e i na d d i t i o n , t h e e m u l s i o na u t o m a t i cm i x t u r ei se x t e n d e da n da p p l i e dt ol i g h t - d u t yp u m p s t a t i o nw h i c hc a nb eu s e da st e m p o r a r yp o w e rf o u n t a i n b e i n gb a s e do nm e c h a n i s mo fe m u l s i o nc o m p o u n d i n gt h e o r y , u s i n g p l cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds e n s o rt e c h n o l o g y , f r o mt h ea n g l eo f c o n s i d e r i n gt h ee c o n o m ya n de f f i c i e n c y ，t h ep a p e re x c o g i t a t e se m u l s i o n t v 奎堕望三奎堂堡主塑塞生堂些堡墨 a u t o m a t i c c o m p o u n d i n gs y s t e m 。t h i s s y s t e m n o t o n l y h a s h i g h a u t o m a t i z a t i o nd e g r e eb u ta l s ot h ee m u l s i o nq u a l i t yi sh i g ha n d t h ee m u l s i o n c o n c e n t r a t i o nm e e t sc o m p l e t e l yt h er e q u i r e m e n to f ( ( c o a lm i n es e c u r i t y r e g u l a t i o n s ) ) a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra p p l i e st h ee m u l s i o na u t o m a t i c c o m p o u n d i n gt ot h el i g h t - d u t yp u m ps t a t i o nf r o mt h ea n g l eo fc o n s i d e r i n g t h ep r a c t i c a l i t ya n df u n c t i o n a l i t y , w h i c hi n t e g r a t e se m u l s i o nc o m p o u n d i n g a n dt h ef u n c t i o no fp u m ps t a t i o na n dc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fp r o v i d i n g p o w e r f o rw o r k i n gf a c ea n dc o m p o u n de m u l s i o n i no n et i m e t h e c o n c e n t r a t i o no fe m u l s i o nc o m p o u n d e db yt h el i g h t - d u t yp u m ps t a t i o nc a n l e e tt h en e e do fp r o d u c t i o na n dc a nb ea d j u s t e dc o n t i n u o u s l y i ta v o i d s e f f i c i e n t l yt h ep h e n o m e n o n ，s u c ha se m u l n o nm i l d e w i n g a n ds e p a r a t i n go i l b e c a u s eo f e m u l s i o nb e i n gd e p o s i t e df o rt o ol o n gat i m e t h ep a p e ra l s oa n a l y z e sd e t a i l e d l yt h ed e s i g na n dt h ep e r f o r m a n c eo f k e yp a r t sa n dt h ef l u xf i e l di nt h e o i la n dw a t e rc o m p o u n d i n ge q u i p m e n ti s a n a l y z e di nt h e o r y a n ds i m u l a t e d 。a tl a s t ，b ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti n l a b o r a t o r ya n df i e l de x p e r i m e n t , t h ef e a s i b i l i t yo ft h et i g h t - d u t yp u m p s t a t i o ni sp r o o f e d t h ec o n c l u s i o np r o v i d e st h e o r yw a r r a n ta n de x p e r i e n c e w a r r a n tf o rt h ef a t h e rr e s e a r c ho f t h es y s t e m k e yw o r d s ：e m u l s i o n ，c o n c e n t r a t i o n ，a u t o m a t i cc o m p o u n d i n g ， v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h el i g h t d u t yp u m ps t a t i o n v i 毒明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教 币的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明弓l 用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已缀发表或撰写过的科磷成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；( 参学校可以采用影印、编印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被套阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名：日期： 罨师签名：雾至竺壁e t l i 习：翌! ! 二二 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章概论 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。但其间也出现了一些问题，比如乳化液浓 度满足不了生产的要求、制造成本太高等。 乳化液泵站主要是向煤矿综合机械化采煤工作面液压支架提供动力。液压支架 的升降、推移及移动速度的保证都是依靠乳化液泵站提供的具有一定压力和流量的 乳化液来完成的。目前我国矿用乳化液泵站，都是面向综采工作面的大型泵站，超 高压、大流量是其发展的主要方向，而且绝大多数的乳化液泵站都不带配液装置。 在一些临时作业场所需要动力时，这种大型乳化液泵站使用起来极为不便，急需多 种多样的轻型动力源装置。 1 2 乳化液配比和乳化液泵站的研究状况和发展动态 1 2 1 乳化液在煤矿上的使用及存在的问题 1 2 1 1 使用情况 乳化液作为液压传动或冷却润滑的一种工作介质，在煤矿生产中发挥十分重要 的作用，乳化液在煤矿机械设备得n t 许多应用1 ，2 1 。 乳化液在液压支架和液压支柱上的使用 太原理工大学硕士研究生学位论文 液压支柱和液压支架都是采煤工艺的主要装备，单体液压支柱可以分为内部注 液和外部注液两类，其中外注式液压支柱的工作液就是d y z 乳化油和水配制成的浓 度为1 的乳化液。液压支架根据与围岩作用的方式可分为掩护式、支撑式、支撑掩 护式1 3 】。其工作液一般为3 5 的乳化油和9 7 9 5 的水配制成的乳化液。常用的乳 化油为m 4 、m i o 、m d t 。 乳化液在电牵引采煤机上的使用 一直以来采煤机调高液压系统的工作介质都是矿物油，在2 0 0 0 年，西安煤矿 机械厂与西安科技学院合作，对m a x 一5 0 0 4 5 h 型电牵引采煤机的液压调高系统改 进设计利用乳化液作为其工作介质，获得了很大的成功，不仅采煤机的体积减小约 1 2 ，而且成本也下降了大约6 ，开创了乳化液在采煤机上应用的先河。自此乳化 液替代矿物油作为电牵引采煤机调高液压液系统工作液在全国各煤矿应用开来。 此外，部分煤矿运输设备、液压推溜装置等煤机产品有时也使用乳化液。可以 预言随着液压传动副材料防锈性能和密封性能的改善和提高，乳化液的应用范围将 越来越广泛，为国内外流体传动与控制系统用户节约大量人力、物力和财力。 1 2 1 2 存在的问题 我国是煤炭生产大国，如果不以乳化液替代矿物油作为部分煤机产品的工作 液，那对能源的消耗是相当大的。乳化液以水为主要成分，一般含水量达9 5 以上。 乳化油为复合添加剂，通常含油性剂、防锈剂、消泡剂、防霉剂、防冻剂等。所以 它继承了水的特性，诸如不燃烧，粘度变化小，比热大，导热性能好。系统的温升 一般比使用矿物油低8 1 4 。c ，价格仅为矿物油的十分之一左右。此外运输储存 方便，只需运输和储存3 5 的含有添加剂的乳化油，大大节省了运输费用和仓库 面积。特别是不燃烧，对于煤矿这种容易引起火灾的作业环境在确保安全生产等方 面具有无可比拟的优越性。同时可避免油液泄漏对环境的污染，防止油分子挥发对 人体健康的危害。随着人类文明的高度发展，对环境保护要求的提高，这方面的重 要性将更加突出。 能源短缺是永久的，节能工作刻不容缓。以乳化液代替矿物油产品使用，可缓 解油紧张。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 虽然乳化液在煤矿生产中得到广泛的应用，有着矿物油无可比拟的优越性，但 在其使用中还存在着一些问题。 普遍存在严重的泄漏和人为浪费现象。据报道，全国由于泄漏和人为的排 放每年消耗在煤矿的乳化油超过6 0 0 0 t ，这些乳化油白白浪费在采区工作面，由于 乳化油成分是基础油、乳化剂、防锈剂和其它添加剂，它们以分子的形式溶入水中， 用过滤的方法很难清除它们，因此造成很大范围的污染。 乳化液浓度不符合要求，使用乳化液的设备锈蚀严重。仅就单体液压支柱 而言，全国现有综采工作面2 6 0 多个，约有立柱1 0 万根。同时还有1 0 0 0 多个高档 普采工作面，在籍单体液压支柱达3 0 0 万根。据了解，全国每年有相当数量的立柱 是因腐蚀而损坏，单体液压支柱的腐蚀损坏程度尤为严重，至9 0 年代初，全国累 计报废的单体液压支柱已达5 0 万根。这些单体液压支柱绝大部分是因缸筒和活柱 腐蚀严重而报废的，这些现象发生与乳化液浓度不合要求有直接的关系。另外由于 乳化液浓度不合要求带来的另一个现象就是系统泄漏严重，有时甚至致使支架达不 到初撑力而出现冒顶事故，使煤矿生产存在安全隐患。 乳化液自身的污染严重、寿命短，乳化液在使用和存储时间过长时，易滋 生霉菌，腐烂发臭，污染液压元件或装置，情况严重时，能造成设备报废甚至安全 事故。 1 2 2 乳化液的配比 从以上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1 4 j 。 人工地面混合配液。乳化液在地面按配比配制好再运入井下，或者直接在乳化 液箱内倒入部分乳化油加以混和。此方法虽然操作容易、乳化液的浓度能够保证， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 但清洁度差，操作人员劳动强度大。这种方式落后，现已基本淘汰。 手控配液。其液压系统原理如图l l 所示，由截止阀和配液阀组成。配液阀 由喷嘴、接受混合室和扩压管组成。其工作原理是根据喷射泵原理，引射流体中性 水通过配液阀的喷嘴以高速喷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。 卜截止阀2 一配液阀3 一乳化油箱4 一乳化液箱 图卜1 手控配液液压系统原理 f i g 1 - 1t h eh y d r a u l i cs y s t e mp r i n c i p l eo f m a n u a l l yc o m p o u n d i n ge m u l s i o n 自动配液。乳化液自动配液发展很快，各式各样，目前最主要有两种。一种是 根据乳化液箱液位自动配制乳化液【5 ，6 l ，其液压系统原理图如图l 一2 所示，具有一定 稳定压力的补充水源经过射流阀4 中的射流管a 以高速射入混合室b 中，使混合室 b 内的压力低于外界大气压力。因而混合室b 内产生吸入压头，将乳化油从油箱7 、 经可调节流阀6 、单向阀5 吸入混合室a 内，与水混合形成具有一定浓度的乳化液。 为了使混合的浓度达到要求，系统设置了可调节流阀6 ，并配以测量仪来控制乳化 油的注入量，当混合的浓度达到规定的要求后锁定节流阀6 即可。为了防止补充水 源倒灌入油箱7 ，系统中设置了单向阀5 。为避免乳化液箱的吸空或乳化液外溢， 采用浮球控制方法，以控制乳化液箱1 l 内乳化液的高、低液位。当乳化液箱1 l 内 的乳化液处于低液位时，浮球l o 下降，通过杠杆的作用，使滑阀9 处于导通状态。 此时，由滑阀9 发出液控信号使滑阀3 导通，补充水系统开始供水。反之，当乳化 液箱1 1 内的乳化液高于某一设定的液位时，浮球上升带动杠杆使滑阀9 关闭，此 时滑阀3 失去液控信号，在自身弹簧的作用下复位关闭，补水系统停止供水。采取 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 这种乳化液箱液位的自动控制系统简单、方便、易维护且工作可靠。但在系统工作 过程中，仍然需要注意油液的质量及其保洁工作，而且乳化液的配比浓度不太准确， 需定期检测乳化液的配比浓度。 1 一定差减压阀2 一压力表3 一滑阀4 一射流阀5 一单向阀6 一可调节流阀 7 一乳化油箱8 一现察口9 一滑阀1 0 - - 浮球1 1 一乳化液箱 图1 - 2 液位控制自动配制乳化液液压系统原理简图 f i g 1 - 2t h eh y d r a u l i cs y s t e mp r i n c i p l eo f a u t o m a t i c a l l yc o m p o u n d i n ge m u l s i o nb yl i q u i dp l a c e 另一种就是近年来随着科研人员的努力出现的由传感器来检测浓度变化或液 位变化的差值，并经微电子电路处理为控制信号，再通过控制电路控制辅助泵加注 乳化油或水的新型完全自动化乳化液自动配比系统f _ ”。该系统主要由控制器，执行 机构和反馈装置组成。浓度传感器及液位传感器作为反馈装置把采集到的信号送给 控制器，控制器接受信号，对信号进行处理后对执行机构发出信号，执行机构收到 信号后自动调整其输出使其达到规定的要求。这种乳化液配比系统技术上先进，配 制的乳化液浓度也准确，但设计时需考虑到煤矿井下苛刻环境对传感器工作性能的 影响。另外浓度传感器的性能不够稳定，设备维护也较为复杂增加了系统配制的成 本。 1 2 3 乳化液浓度检测技术 乳化液的浓度是衡量乳化液配比质量的一个很重要的指标，浓度过高会使成 本增加；而浓度低了，对液压系统各元件不利，起不到应有的防腐、防锈和润滑作 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 用。乳化液浓度越来越受到人们的广泛关注，浓度检测技术也迅速发展起来。目前 国内外有关乳化液浓度检测方法多种多样，投入的经费也很多，但大多效果不是很 好。当前国内乳化液浓度检测方法主要有以下几种【8 】： 采用衰减原理的声学法、光学法、辐射法、微波法等； 采用电学原理的静电法和电容法； 采用谐振原理的核磁共振法( n m e ) 、电子磁共振法( e m r ) 等。 最为常用的主要有超声波检测法和电容法。 1 2 3 1 超声波检测法【9 】 超声波是弹性介质的机械波，其频率范围是2 1 0 4 2 1 0 1 0 h z 超声波在介质中 传播时，随着传播距离的增加其能量逐渐减弱。从理论上讲，引起超声波衰减的原因 主要有3 种：声束扩散、散射及介质吸收。超声波在液体介质中衰减的原因主要是由 于内摩擦引起的吸收，其衰减系数可用式( 卜1 ) 表示 = 瓦8 z 2 f 广2 ( 1 一1 ) 式中，- 厂为超声波频率，n z ；c 为超声波声速，m s ：p 为液体介质密度，k g m 3 ；叩为粘性系数，无因次。如果液体介质中含有大量的散射粒子，则超声波在 其中的衰减还应包括散射衰减。散射衰减的问题比较复杂，粗略的近似估算是把散 射粒子当作完全刚性的半径为r 的小球，而且r 远小于五( 超声波波长) 。在这一条 件下，如果单位体积中有n 个散射粒子，则可计算出散射衰减系数为 铲妒) ( 等 4 一 z ， 式( 卜2 ) 虽然是估算，但也可看出，超声波在液体介质中的散射衰减与散射粒子的尺 寸与数量有很大关系，即与介质浓度有关。 乳化液中油相以液滴形式分散于水相中，液滴的直径大多在0 0 1 1 0 a m 之间， 所以当超声波穿过乳化液流体介质时，因液滴的存在而引起较明显的衰减。其中一部 分在液滴界面散射衰减，另部掠过液滴界面而产生粘性衰减。因此超声波穿过乳化 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 液流体介质后的衰减较大，其衰减系数可近似表示为( 五= c f ) 一8 ；3 r 钟z f ，2 r + 等( 2 ；r r ) 4 疗 ( 1 3 ) 根据式中右边两项的比较，显然如果超声波频率厂取得较高，则最后一项对衰 减的贡献远远大于前一项。而最后一项若保持频率厂和声速c 不变的情况下，则衰 减与液滴的大小、数量成正比。乳化液流体介质的浓度是和液滴的数量成正比的， 一定的介质其液滴的大小范围一般不会随浓度的改变而变化。因此，在一定的条件 下，乳化液的浓度与穿过其中的超声波衰减量成比例关系，可通过衰减量的测量得 到乳化液的浓度大小 该方法的优点是采用非接触式测量，其测量精度较高。原理上行得通且不受压力、 粘度、湿度、腐蚀性的影响。缺点是价格昂贵，经济性、安全性、实时性差，且需 定期标定。而且在乳化液浓度较小时，其测量结果也不是很理想。 1 2 3 2 电容法测量乳化液浓度 该方法的测量原理很简单。由于多相流体各分相具有不同的介电常数，当流体通 过电容极板间所形成的检测场时，由于相浓度的变化会引起流体等效介电常数的改 变，从而使传感器的电容输出值随之改变。因此，电容值的大小即可作为两相流相浓 度的量度。 但电容法在实际应用中存在以下问题。 在实际的两相流动过程中，流型变化很复杂，电容测量值与相浓度之间并 非是对应的线性关系，且参数之间的关系复杂，难以用解析式直接描述； 电容传感器有检测场灵敏度分布的不均匀性问题。电容测量的灵敏度分布 易受被测多相流相分布不均匀的影响，即存在所谓的“软场”特性问题，使得测量 结果不仅与相浓度有关，而且受相分布及流型变化的影响很大，测量误差较大： 由于相浓度的变化而引起的电容量的变化十分微小，若使电容传感器具有 很高的检测分辨率，传感器必须具有较强的抗杂散电容的能力。 上述原因使得电容传感器在两相流浓度测量中的应用受到限制。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 4 乳化液泵站 乳化液泵站是煤矿上使用乳化液作为工作介质的主要设备之一，它的主要功能 是向采煤工作面的液压支架和液压支柱提供动力。乳化液配比系统配制的乳化液经 过乳化液泵站后，成为具有能量的工作液提供给工作面，以完成液压支架的上升、 下降和推移等动作。 乳化液泵站作为液压支架的动力源，它直接影响到液压支架的工作效果并随着 液压支架的发展而发展【加叫2 1 。对于乳化液泵站的研究国外进行得相对早一些，我国 是从七十年代初开始的。当时煤科总院太原分院和大同矿务局合作，成功研制我国 第一套液压支架，与此同时，也研制成功了公称压力为1 0 m p a ，公称流量为1 0 0 l m i n 的r b l 0 0 1 0 型乳化液泵站。从而揭开了我国液压支架乳化液泵站研究发展的 序幕。从此伴随着各种参数液压支架的问世，相继研制成功了各种型号的乳化液泵 站( 见表1 - 1 ) 。 从表卜1 按时间顺序列举的几种乳化液泵站可以看出，压力流量在逐渐增大， 尤其流量增加的幅度比较大。压力流量值的大小是由液压支架的有关参数决定的， t z l 型液压支架的有关参数决定了与其配套的r b l 0 0 1 0 型乳化液泵站的压力为 1 0 m p a 、流量为1 0 0 l m i n 。从八十年代初到八十年代末，随着综采工作面的发展和 增加，液压支架( 包括从国外引进的液压支架) 的参数加大和移架速度的加快，使配 套的乳化液泵站的压力增加到3 1 5 m p a ，流量增加到1 2 5 l m i n ，1 9 8 9 年流量增加到 1 6 0 l m i n ，到1 9 9 2 年流量已增加到2 0 0 l m i n 。到目前为止，已经设计出了流量 为3 2 0 l m i n 和4 0 0 l r a i n 的乳化液泵站。 随着科学技术的发展、设计水平和生产加工工艺水平的提高以及综采技术和管 理水平的上升，也推动乳化液泵站朝着自动化方向发展。 由以上乳化液泵站的发展，可以看出超高压、大流量是目前乳化液泵站发展的 主要方向。这种乳化液泵站为大型的泵站，采用集中供液方式，且功能全面。可以 说它已经进入成熟发展阶段。尽管如此，乳化液泵站也存在它的欠缺之处，由于它 主要是面向综采工作面而设计的，在掘进超前支护、小煤矿的回采工作面以及一些 临时性的作业场所，这种大型的乳化液泵站使用起来极为不便，而且不经济。在这 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 种情况，研制用于临时作业场所的轻型动力源装置就显得尤为必要。 袁1 - 1各种型号的乳化液泵站 t a b l e l - 1v a r i o u st y p e se m u l s i o np u m ps t a t i o n 型号( 压力、流量)研制单位备注 r b l 0 0 i o大同矿务局我国第一套乳化液泵 ( 1 0 m p a ，1 0 0 l m i n )煤科院太原分院站( 1 9 7 4 年) x r b z b 8 0 3 5国家产品质量银牌奖 无锡煤矿机械厂 ( 3 5 m p a ，8 0 l m i n ) ( 1 9 7 8 年) p r b 8 0 3 5平顶山煤机厂煤碳部科技进步特等 ( 3 5 m p a ，8 0 l m i n )煤科院太原分院奖( 1 9 7 8 年) 妣b 11 0 2 0 阳泉水泵厂阳泉市政府科技进步 ( 2 0 m p a ，1 1 0 l m i n )煤科院太原分院 一等奖( 1 9 8 2 年) m r b l 2 5 3 1 5无锡煤矿机械厂国家产品质量金牌奖 ( 3 1 5 m p a ，1 2 5 l m i n )煤科院太原分院( 1 9 8 4 年) m r b l 5 0 1 3 1 5 无锡煤矿机械厂( 1 9 8 9 年) ( 3 1 5 m p a ，1 6 0 l m i n ) p r b l 2 5 3 1 5我国第一套乳化液泵 平项山煤机厂 ( 3 1 5 m p a ，1 2 5 l m i n ) ( 1 9 9 0 年) d r b 2 0 0 3 1 5我国第一套卧式五柱 南京六合煤矿机械厂 ( 3 1 5 m p a ，2 0 0 l r a i n ) 塞泵( 1 9 9 2 年) 1 3 本课题研究的目的和意义 针对目前煤矿上乳化液配比方法的不足以及l 隘时作业场所缺乏合适动力源的 现状，本课题研究开发了乳化液自动配比系统，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。本课题同时把乳化液自动配比应用于轻型泵站，把 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 乳化液自动配比与乳化液泵站功能有机融为一体，不仅解决了煤矿临时作业场所的 动力源问题，而且有效地避免了目前乳化液使用过程中存在的问题。所以轻型泵站 的问世，可以改善现有乳化液泵站很难用于临时移动性作业场所的状况，从而推动 乳化液泵站的进一步发展。 1 4 本课题主要研究内容 对乳化液配制机理理论进行系统的研究，为论文的展开提供依据； 研究乳化液自动配比系统工作原理，并完成乳化液自动配比系统的液压系统 和电控系统的设计； 在对目前煤矿上乳化液泵站使用情况进行详细了解的基础上，把乳化液自动 配比与乳化液泵站功能有机结合，提出带乳化液自动配比的轻型泵站的设计方案；根 据轻型泵站的设计方案对系统进行设计，并对其关键元件的设计、选型和性能进行分 析，做出样机； 利用计算流体力学软件f l u e n t 对乳化器内部流场进行模拟和仿真； 对轻型泵站样机进行实验室模拟试验和工业性试验，验证轻型泵站的可行 性。 试验中得到一些数据，并总结一些经验，为将来产品的进一步研究提供理 论和实践依据。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 乳化液的特性 第二章乳化液配制机理 乳化液通常是指两种互不相溶的液体( 水和乳化油) ，其中一种以小液滴形式均 匀分散在另一种液体中而形成的。当乳化油分散在水中时，乳化油为内相，水为外 相，叫做水包油型( 0 w 型) 乳化液；反之亦然，叫做油包水型( w 0 型) 乳化液。 液压支架用乳化液属水包油型乳化液，它的含水量通常都在9 5 以上。 乳化油是由基础油和各种添加剂构成的，添加剂包括乳化剂、防锈剂、防腐剂、 偶合剂、消泡剂等。从而决定了乳化液所具有的特性【1 3 叫引。 2 1 1 乳化液的润滑性 乳化油中的基础油作为各种添加剂的载体，在乳化液中形成细小的油滴起着润 滑作用。基础油一般为5 # 、7 # 和1 0 # 轻质润滑油，选用轻质润滑油的目的是为了保 证乳化油流动性能，易于在水中分散乳化。 2 1 2 乳化液的自乳化性 乳化油中的乳化剂是一种表面活性剂，其分子结构属有机化合物，具有极性 “头”和非极性“尾”，极性“头”是亲水的，也称为亲水基因，非极性“尾”是 亲油的，也称为亲油基因。这种表面活性剂掺和在油水中间时；定向排列形成吸附 层，极性“头”朝水，非极性“尾”朝油，促使表面张力和界面张力发生很大变化。 使油和水两种互不相溶的液体能够均匀分散乳化。同时乳化剂的极性“头”都朝水 相，在油滴周围形成一层凝胶状结构的保护薄膜，以阻止分散相的油滴彼此自由运 动或碰撞时发生积聚现象，使乳化液保持稳定。 乳化剂根据活性基因的性质和分子结构的组成，可分为阴离子型、阳离子型、 太原理工大学硕士研究生学位论文 非离子型和两性离子型，其中阴离子型和两性离子型乳化剂使用最为普遍。常用的 阴离子型乳化剂有油酸- - - e , 醇胺、油苯酸钠皂或钾皂、松香钠皂或钾皂、高碳酸钠 皂或钾皂和石油磺酸钠等。常用的非离子型乳化剂有聚氯乙烯基烃基酚醚、聚氯乙 烯山梨糖醇油酸脂等。 2 1 3 乳化液的防锈性 乳化油中的防锈剂其功能是防止金属部件的锈蚀，防锈作用机理可分为成膜理 论和吸附理论。成膜理论认为防锈剂极性分子同金属及其它介质相互作用，在金属 表面形成水不溶性或难溶性化合物，同时同金属( 或氧化膜) 发生相互作用，生成 表面化合物膜，阻止金属离子化过程，减缓腐蚀介质透过形成速率。吸附理论认为 防锈剂极性基因吸附在金属与油的界面，而极性烃基则向外和油互溶，形成紧密栅 栏，阻止水、氧及其它腐蚀介质进入金属表面，减弱金属离子化倾向，从而起到防 锈作用。常用的防锈剂有磺酸钡、环烷酸锌等。 此外还有其它性能，比如乳化油中加入偶合剂的目的在于使油基中的皂类借偶 合剂的附着作用与其它添加剂充分互溶，改善乳化油和介质的稳定性：加入防霉剂 的作用是为了防止乳化液变臭：加入消泡剂的目的在于防止气泡产生，因为气泡的 存在会使系统的冷却性能及润滑性能降低，给系统运行造成不良影响。 目前，在我国煤矿应用的乳化油有m i o 、m d t 、d y z 、m s b 、w s l 等型号。 m i o 乳化液的优点是稳定性较好、抗盐性强、防霉性好，对国产液压支架常用 的各种金属和密封件材料有良好的防锈性和适应性。缺点是由于加有乳化剂松香钾 皂，抗氧化性较差，颜色会变深，还会产生少量粘稠物。又因松香钾皂与水中的c a “ 作用生成钙皂、镁皂沉淀物，会使油的乳化能力减弱，这些皂类沉淀物会给过滤网 的清洗带来麻烦。 m d t 乳化油的主要乳化剂是石油磺酸皂与非离子表面活性剂，两者复合使用代 替松香钾皂。此外还加有适量添加剂、防锈剂和络合剂等。它的优点是：抗硬水 能力强。因加有络合剂能与水中c a ”、m 9 2 + 生成络合物；清净性好。析出的皂类 沉淀物极少，热稳定性和常温稳定性都好；透光率好。缺点是在使用中油箱波面 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 上仍有少量析出的油和皂。 d y z 乳化液主要优点是成本低，缺点是稳定性差。 m s b 型乳化油是以水代替机械油的一种母液安全型水基乳化油。它不燃、少 污染，价廉。用该乳化油配成的乳化液具有良好的稳定性、清理性、防锈防腐性、 润滑性和抗硬水性。 w s l 是以重烷基苯磺酸钠为主要乳化剂的低成本液压乳化油，用该乳化油配 制的乳化液有良好性能。 2 2 乳化液配制机理研究 本论文主要是对液压支架用水包油型乳化液配制机理进行研究，也就是乳化油 为内相( 或离散相) 水为外相( 或连续相) 的o w 型乳化液。乳化油是由基础油和 各种添加剂构成的，它们大多是不溶于水的。因此，如何使与水不相混溶的机油和 添加剂稳定地分散于水中，使乳化液具有良好的润滑、防锈、稳定和消泡等性能， 便是配制液压支架乳化液的关键。 2 2 1 乳化机理 乳化油中的乳化剂是能强烈吸附在液体表面，并能显著改变液体原性能的物 质，它可以使油滴形成微小液滴均匀分散于水中，形成稳定的相体系。其乳化机理 为乳化剂在油滴与水界面形成单分子膜，阴离子乳化剂在水中电离，并