煤矿井下用高压自动反冲洗过滤装置的研究

张 磊，秦海初，赵东升

（山西中煤华晋能源有限责任公司，山西 河津 043300）

0 引言

乳化液是液压支架的主要动力来源，控制乳化液的污染是保证液压支架正常工作的前提和保证。目前乳化液的污染问题仍然是井下泵站系统最易出现的问题之一，控制乳化液污染的最有效方法是设计液压系统时，在系统中增加高压反冲洗过滤装置，保证液压系统元件在清洁的系统环境中运行，从而提高整个液压系统的可靠性和安全性。

1 过滤基础理论及过滤站的设计原理

1.1 过滤基础理论

过滤理论的基础是以液体通过多孔松散颗粒层为模型的达西定律，如图1所示。其计算公式如下：

其中：V为一定时间t内通过砂床的液体体积，c m3；A为砂床横截面的面积，c m2；u为液体通过砂床层的平均线速度，c m／s；μ为液体的动力黏度，Pa·s；k为介质的渗透率，u m2；Δp为液体通过砂床的压强差，Pa；L为砂床厚度，c m。

1.2 高压反冲洗过滤装置的设计原理

乳化液在系统正常工作压力的作用下，通过过滤系统的滤网时，把混在乳化液中的固体污染物颗粒截留在滤网进液的一侧，使乳化液得到一定程度的净化。过滤器将长时间保持这样的工作状态，工作一定时间后，过滤网堆积大量的污染物，使滤芯的工作效率降低，这时就需要改变乳化液的流向，使乳化液反方向流动，把堆积在过滤网上的污染物清洗掉，清洁滤网，来保证过滤站的正常工作。

2 自动反冲洗高压乳化液过滤装置的设计

在进行自动反冲洗高压乳化液过滤站设计时，要求利用PLC控制液压系统中的电磁控制阀来实现过滤站正常的过滤和反冲洗滤芯功能，并要求液压系统正常工作的流量要达到1 000 L／min，最大工作压力不超过35 MPa，过滤精度达到25μm。

图1 液体通过多孔介质层简图

2.1 液压系统的设计

为了保证反冲洗时不影响液压系统的正常工作，在设计自动反冲洗高压乳化液过滤站的液压系统时，采用并列式过滤网，即乳化液进入过滤站的液压系统后，经过两条并列的管路，通过各路的控制元件后，最后在出口处混合。过滤站液压系统的正常过滤原理图如图2所示。

当过滤网上的污染物积累到一定程度，需要对滤网进行清洗时，电磁控制阀接收到过滤站自动控制的反冲洗信号，电磁控制阀开始工作，当电磁阀处于左位（或者右位）时，流向左路（或者右路）过滤网的乳化液被阻断，并使用液控作用打开该路的排污阀，进行反冲洗作用，另一路则正常工作。过滤站液压系统反冲洗原理图如图3所示。过滤站的液压系统图如图4所示。

图2 正常过滤原理图

图3 反冲洗原理图

图4 过滤装置液压系统图

2.2 过滤站滤芯的设计

在设计过滤站滤芯时，其材质采用金属网烧结毡，设计滤芯所需要的主要技术参数见表1。

根据流量、有效过滤面积和流速的关系来计算过滤站滤芯的有效面积：

其中：Q为流进滤芯的流量；v为液体通过滤网的速度。代入已知数据计算得A＝104.16 c m2。

滤网压降Δp的校核如下：

其中：H 为滤材厚度，c m，取H＝4.8×10－2。

经过校核计算，Δp＝0.002 64 MPa＜0.2 MPa。选择的滤网材质以及设计的有效面积参数符合设计标准，可以正常工作。

表1 设计滤芯所需要的主要技术参数

2.3 滤芯骨架层的设计

考虑到滤芯骨架层的加工工艺问题，在进行滤芯的骨架层设计时，采用容易进行回卷焊接的薄钢板来进行加工。先对薄钢板进行漏孔设计，漏孔设计采用30×30的正方形为设计基本单元，然后对设计好漏孔的薄钢板进行焊接工艺处理，设计的滤芯骨架层模型如图5所示。

图5 滤芯的骨架层模型

2.4 液压阀的确定

自动反冲洗高压乳化液过滤站的核心控制元件是液压控制阀，它起到改变乳化液流向，使乳化液对滤网能进行自动冲洗的作用。选用的液压控制阀的主要参数见表2。

表2 液压控制阀的主要参数

2.5 过滤站的控制方式

对于本过滤站控制部分采用PLC来实现过滤站的反冲洗设计，过滤站的控制系统采用了压差控制方式。压差控制中采用压力传感器来实时监测滤网两端的压力，将压力传感器检测到的数据传给PLC，通过PLC逻辑判断，与设定的压力差值进行对比后，对过滤站反冲洗进行控制。压差控制流程图见图6。

图6 压差控制流程图

3 结语

该过滤装置可以有效提高乳化液的纯净度，实现了高压自动化冲洗，最大流量可以达到1 000 L／min，最大工作压力不超过35 MPa，过滤精度可达到25μm，系统稳定，适用于高压大流量的液压系统。

［1］ 刘金涛，张海丰.高压过滤站在矿井乳化液液压系统中的应用［J］.煤矿机械，2005（9）：134－135.

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