煤礦井下用高壓自動反沖洗過濾裝置的研究

張 磊，秦海初，趙東升

（山西中煤華晉能源有限責任公司，山西 河津 043300）

0 引言

乳化液是液壓支架的主要動力來源，控制乳化液的污染是保證液壓支架正常工作的前提和保證。目前乳化液的污染問題仍然是井下泵站系統(tǒng)最易出現的問題之一，控制乳化液污染的最有效方法是設計液壓系統(tǒng)時，在系統(tǒng)中增加高壓反沖洗過濾裝置，保證液壓系統(tǒng)元件在清潔的系統(tǒng)環(huán)境中運行，從而提高整個液壓系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 過濾基礎理論及過濾站的設計原理

1.1 過濾基礎理論

過濾理論的基礎是以液體通過多孔松散顆粒層為模型的達西定律，如圖1所示。其計算公式如下：

其中：V為一定時間t內通過砂床的液體體積，c m3；A為砂床橫截面的面積，c m2；u為液體通過砂床層的平均線速度，c m／s；μ為液體的動力黏度，Pa·s；k為介質的滲透率，u m2；Δp為液體通過砂床的壓強差，Pa；L為砂床厚度，c m。

1.2 高壓反沖洗過濾裝置的設計原理

乳化液在系統(tǒng)正常工作壓力的作用下，通過過濾系統(tǒng)的濾網時，把混在乳化液中的固體污染物顆粒截留在濾網進液的一側，使乳化液得到一定程度的凈化。過濾器將長時間保持這樣的工作狀態(tài)，工作一定時間后，過濾網堆積大量的污染物，使濾芯的工作效率降低，這時就需要改變乳化液的流向，使乳化液反方向流動，把堆積在過濾網上的污染物清洗掉，清潔濾網，來保證過濾站的正常工作。

2 自動反沖洗高壓乳化液過濾裝置的設計

在進行自動反沖洗高壓乳化液過濾站設計時，要求利用PLC控制液壓系統(tǒng)中的電磁控制閥來實現過濾站正常的過濾和反沖洗濾芯功能，并要求液壓系統(tǒng)正常工作的流量要達到1 000 L／min，最大工作壓力不超過35 MPa，過濾精度達到25μm。

圖1 液體通過多孔介質層簡圖

2.1 液壓系統(tǒng)的設計

為了保證反沖洗時不影響液壓系統(tǒng)的正常工作，在設計自動反沖洗高壓乳化液過濾站的液壓系統(tǒng)時，采用并列式過濾網，即乳化液進入過濾站的液壓系統(tǒng)后，經過兩條并列的管路，通過各路的控制元件后，最后在出口處混合。過濾站液壓系統(tǒng)的正常過濾原理圖如圖2所示。

當過濾網上的污染物積累到一定程度，需要對濾網進行清洗時，電磁控制閥接收到過濾站自動控制的反沖洗信號，電磁控制閥開始工作，當電磁閥處于左位（或者右位）時，流向左路（或者右路）過濾網的乳化液被阻斷，并使用液控作用打開該路的排污閥，進行反沖洗作用，另一路則正常工作。過濾站液壓系統(tǒng)反沖洗原理圖如圖3所示。過濾站的液壓系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖2 正常過濾原理圖

圖3 反沖洗原理圖

圖4 過濾裝置液壓系統(tǒng)圖

2.2 過濾站濾芯的設計

在設計過濾站濾芯時，其材質采用金屬網燒結氈，設計濾芯所需要的主要技術參數見表1。

根據流量、有效過濾面積和流速的關系來計算過濾站濾芯的有效面積：

其中：Q為流進濾芯的流量；v為液體通過濾網的速度。代入已知數據計算得A＝104.16 c m2。

濾網壓降Δp的校核如下：

其中：H 為濾材厚度，c m，取H＝4.8×10－2。

經過校核計算，Δp＝0.002 64 MPa＜0.2 MPa。選擇的濾網材質以及設計的有效面積參數符合設計標準，可以正常工作。

表1 設計濾芯所需要的主要技術參數

2.3 濾芯骨架層的設計

考慮到濾芯骨架層的加工工藝問題，在進行濾芯的骨架層設計時，采用容易進行回卷焊接的薄鋼板來進行加工。先對薄鋼板進行漏孔設計，漏孔設計采用30×30的正方形為設計基本單元，然后對設計好漏孔的薄鋼板進行焊接工藝處理，設計的濾芯骨架層模型如圖5所示。

圖5 濾芯的骨架層模型

2.4 液壓閥的確定

自動反沖洗高壓乳化液過濾站的核心控制元件是液壓控制閥，它起到改變乳化液流向，使乳化液對濾網能進行自動沖洗的作用。選用的液壓控制閥的主要參數見表2。

表2 液壓控制閥的主要參數

2.5 過濾站的控制方式

對于本過濾站控制部分采用PLC來實現過濾站的反沖洗設計，過濾站的控制系統(tǒng)采用了壓差控制方式。壓差控制中采用壓力傳感器來實時監(jiān)測濾網兩端的壓力，將壓力傳感器檢測到的數據傳給PLC，通過PLC邏輯判斷，與設定的壓力差值進行對比后，對過濾站反沖洗進行控制。壓差控制流程圖見圖6。

圖6 壓差控制流程圖

3 結語

該過濾裝置可以有效提高乳化液的純凈度，實現了高壓自動化沖洗，最大流量可以達到1 000 L／min，最大工作壓力不超過35 MPa，過濾精度可達到25μm，系統(tǒng)穩(wěn)定，適用于高壓大流量的液壓系統(tǒng)。

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