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1、目 录1 绪论11.1课题背景11.1.1乳化液简介11.1.2乳化液在煤矿中的应用21.1.3乳化液在煤矿应用过程中出现的问题31.2国内外研究历史、现状及发展趋势41.2.1乳化液配比41.2.2乳化液浓度检测71.2.3乳化液自动配比与浓度检测91.3课题研究的目的和意义91.4主要研究内容101.5本章小结102 乳化液质量控制技术分析112.1乳化液质量112.1.1乳化液质量指标112.1.2乳化液质量影响因素分析122.2乳化液的制备过程及质量控制122.2.1乳化液制备原料122.2.2乳化液制备原料的相互适应性152.2.3乳化液配比及质量保证162.2.4乳化液混合乳化及质
2、量控制162.3乳化液的存储、使用及质量控制182.4人员素质与乳化液质量控制202.5本章小结223 乳化液自动配比与浓度检测系统总体设计233.1系统功能分析233.2系统总体设计243.3系统工作过程分析253.3.1系统工作原理253.3.2系统控制原理263.4子系统总体设计273.4.1乳化液自动配比装置总体设计273.4.2乳化液浓度检测装置总体设计273.5本章小结284 乳化液自动配比与混合乳化装置设计294.1容积式自动配比原理与在线管道多级混合方法294.1.1容积式自动配比原理294.1.2在线管道多级混合方法294.2水力式容积配比方案设计304.2.1椭圆齿轮流量计
3、介绍304.2.2液压齿轮泵介绍314.2.3配比装置设计计算与使用说明324.2.4配比装置运行实验及分析364.3柱塞式容积配比方案介绍414.4混合乳化装置设计424.4.1三通混合元件设计选用424.4.2静态混合器设计选用434.5本章小结455 乳化液浓度检测部分设计465.1检测原理方案介绍465.2方案选择475.3乳化液折射特性实验研究485.3.1实验材料及仪器485.3.2实验过程485.3.3实验数据及处理485.4棱镜反射法方案检测系统详细设计525.4.1测量原理详细分析525.4.2测量装置光学系统及元件设计525.5本章小结586 结论与展望59参 考 文 献6
4、1致 谢63附录 装置实物图651 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。论述了乳化液自动配比与浓度检测的意义，详细总结和归纳了乳化液自动配比与浓度检测领域的研究状况、发展趋势以及不足之处，根据上述的分析研究，提出了本课题研究思路和技术路线，并对本课题研究的主要内容进行了总结。1.1课题背景1.1.1乳化液简介两种互不相溶的液体（如油和水），当一种液体以球形小液滴的形式精细地分散到另一种液体中，由于早期的这种液体混合物呈乳白色，故就被称为乳化液。其中，以小液滴形式存在的液体被称为分散相（也称作内相），另外一种连续液体被称为连续相（也称作外相）。乳化液有两种类型1：如果将
5、油分散到水中，即油作分散相，水作连续相，得到的乳化液就叫做水包油型（O/W）乳化液；相反的情况就是油包水型（W/O）乳化液。在油包水型乳化液中，主要成分是油，其中含15%40%的水，而水以小水滴的形式均匀分散在油里；水包油型乳化液的主要成分是水，油只占其中的2%15%，而油成细油滴分散在水里。乳化液有稳定性的，半稳定性的及不稳定性的2。稳定性的乳化液液滴直径很小，在0.01-0.1m之间，外观呈透明或半透明状，这种乳化液被称为微乳化液，是热力学稳定体系。半稳定性的乳化液液滴直径较大，在0.1-1m之间。称为细乳化液。不稳定乳化液液滴直径大于1m，称为粗乳化液。细乳化液和粗乳化液统称普通乳化液，
6、这种乳化液对可见光的反射比较显著，具有不透明、乳白色的外观，是热力学不稳定体系。我们通常所说的乳化液就是指普通乳化液。普通乳化液和微乳液的性质见表1.1。 表1.1 普通乳化液和微乳液性质比较3Table 1.1 Compare of emulsion and micro-emulsion 普通乳化液微乳液性质外观不透明透明或近乎透明质点大小大于0.1m，一般为多分散体系0.010.1m，一般为单分散体系质点形状一般为球状球状热力学稳定性不稳定，用离心机易于分层稳定，用离心机不能使之分层表面活性剂用量少，一般无需助表面活性剂多，一般需要加助表面活性剂与油、水混溶性O/W型与水混溶，W/O型与油
7、混溶与油、水在一定范围内可混溶根据热力学理论，乳化液不能自发形成。因此，要使一个油水两相体系变成乳化液，必须由外界提供能量。主要方法是分散法，即通过搅拌、超声波作用或其他机械分散作用使两种流体充分混合，最终使得一相分散在另一相中。 1.1.2乳化液在煤矿中的应用随着煤炭开采机械化和自动化水平的提高，煤矿井下支护设备也随之不断发展。目前，煤矿普遍采用高档普采和综采工艺采煤，其中，高档普采工作面采用单体液压支柱作为支护设备；综采工作面采用自移式液压支架作为支护设备，它由立柱、油缸、顶梁、底座、各种控制阀及管路组成，它的支撑、升降、移动、推溜和过载保护都是借助压力液体，在一定结构的管路和控制元件组成
8、的系统中流动，来实现能量的传递和转化，是综采工作面的关键设备之一。无论是普采的单体液压支柱，还是综采的自移式液压支架，它们均属于液压传动支护设备，都需要传动介质来传递动力。这就涉及到工作介质的选择问题。目前，煤矿液压支护设备均采用水包油型乳化液作为工作介质。液压系统工作介质的选用经历了一下演变过程：早在1650年，巴斯卡就总结出液体中压力传播的原理，即著名的巴斯卡静压传递原理：“密闭容器中内的液体能把它在一处受到的压力，大小不变的向内部各点和各个方向传递”。但由于受到当时的技术水平和生产条件的限制，直到1795年，约瑟勃莱姆富才利用这一原理，发明了水压机。由于用水作传动介质具有安全、经济、稳定
9、和对人体无害等优点，在最初的一个相当长时期内，主要是用水作为传动介质。水压机的名称一直沿用至今便是证明。但是，由于水又有粘度低、润滑性差、容易使金属锈蚀等缺点，所以给水压机的推广应用带来了很大困难。所以，在二十世纪初期，随着石油工业的兴起和发展，人们开始逐渐采用石油基矿物油作为液压系统工作介质。开始，大都采用一般润滑油作为传动介质，继而又发展成采用专用液压油作为液压传动介质。使用液压油作液压传动介质后，消除了用水作传动介质时粘度低、润滑性差和易使金属锈蚀等缺点，所以液压油广泛应用于各种液压传动系统，是比较理想的工作介质。但随着液压技术的迅速发展和液压传动系统使用范围的扩大，原有的石油基液压油工
10、作介质，在抗磨性，粘温性和抗氧化稳定性等方面愈显不足。二十世纪五十年代初，煤矿井下开始使用液压支护设备支护和管理工作面顶板，并且用液压油作为传动介质。然而，油是易燃的，尤其是在19.629.4MPa压力的情况下，从破裂油管中喷出的液压油往往呈细雾状，只要遇上300400的热源就会着火4，特别是现在液压系统的工作压力不断提高，这个问题更为突出，这在接近火源的地方极易引发火灾。特别是在某些严禁烟火、防爆的工作环境中，比如煤矿井下，这个缺点更是致命，这在煤矿井下是绝对不允许的。而且，当煤矿井下发生火灾时，液压油的易燃性常常导致灾情的恶化，油的燃烧加速火势的蔓延，而且油燃烧产生的浓烟和刺激性气体会妨碍
11、救援工作的顺利进行。所以，为了克服水做传动介质时润滑性差、易使金属锈蚀以及油作传动介质易着火、价格高等缺点，五十年代以后，研制开发了一种难燃液压工作介质乳化液，它综合了水和石油基矿物油的优点，使液压传动设备在煤矿井下得到了广泛推广和应用。目前我国煤矿广泛采用质量浓度为3%-5%的水包油型乳化液，即按重量用3%- 5%的乳化油，再加97%-95%的水，配制成乳化液。乳化油是在基础油中加入乳化剂、防锈剂、偶合剂、防霉剂、抗泡剂、络合剂等各种添加剂制成的。这种乳化液的优点是：粘度小粘温性好、管道阻力损失小、来源广、价格低、不会燃烧、安全性好、不易生成泡沫、空气的溶解度低；加入一些添加剂，能使金属构件
12、有足够的防锈性，对橡胶等密封材料有良好的适应性，有一定的润滑性能，对人体皮肤无刺激等5,6。综合机械化采煤是采煤工艺的发展趋势，作为综采标志性设备的自移式液压支架，它的工作性能对综采工作面的生产效率、安全性等经济技术指标有很多影响。同样，在高档普采中，单体液压支柱也是如此。在液压系统中，工作介质被誉为液压系统的“血液”，其性能对液压系统的正常工作有着很大的影响。而作为自移式液压支架和单体式液压支柱工作介质的乳化液，其质量的好坏对液压支架和单体液压支柱工作的可靠性和安全性和使用寿命也就有着很大的影响，从而影响工作面的生产效率和安全性，特别是自移式液压支架电液控制系统的使用的普及，对乳化液的质量提
13、出了更高的要求。因此，保证乳化液的质量和供给是保障煤矿井下工作面生产顺利进行必不可缺的条件。此外，除了用于自移式液压支架和单体液压支柱等支护设备，乳化液在煤矿中的应用范围在不断扩大。2000年，西安煤矿机械厂与西安科技学院合作，对MAX-500/4.5H型电牵引采煤机的液压调高系统进行了改进设计，用乳化液取代矿物油作为传动介质，获得了成功，使采煤机的体积减小了大约12%，同时成本也下降了约6%，开创了乳化液在采煤机上应用的先例。自此，乳化液代替矿物油作为采煤机液压调高系统的工作介质在煤矿普及开来。在2009年举办的第十三届中国国际煤炭采矿技术交流及设备展览会上，北京科玛格机电技术有限公司展出了
14、其生产的乳化液钻机和工具产品：W-50/80手持式乳化液钻机；WSP-500架柱式乳化液钻机；RWU-50乳化液凿岩机；SPA系列乳化液马达；HPT-95便携式乳化液带锯；HZU220-1乳化液扳手；ALAN乳化液切链器；SMH 30乳化液螺母劈裂器等。另外，部分煤矿运输设备，液压推溜装置等也有使用乳化液。可以预见，随着液压传动设备技术的进步，乳化液以其无所比拟的优势，在煤矿设备中的应用将越来越广泛，乳化液的配制和质量控制将越来越重要。1.1.3乳化液在煤矿应用过程中出现的问题目前，煤矿在使用乳化液的过程中主要有两方面的问题：一是各种原因的乳化液损耗造成的补液问题，即乳化液数量控制问题；二是乳
15、化液质量控制问题，包括浓度、油滴粒度、清洁度。（1）补液问题：由于液压支架尤其是单体液压支柱的工作特点，造成乳化液的大量流失，主要表现在以下三方面:1）支架液压系统管路长，元件和执行机构多，会造成乳化液的沿程损失；2）在液压支架支撑承载的恒阻阶段，当顶板压力增大时，液压支柱活塞腔内被封闭的油液压力就迅速升高，当压力值超过安全阀的动作压力时，支柱活塞腔的高压液体经安全阀泻出，直到压力小于安全阀的动作压力，才停止泻液；3）对于单体支柱液压系统，液压支柱大部分为外注式，外注式液压支柱回柱时，由于必须将腔内的乳化液排放到外面，每一个支柱回柱一次必须从柱内排放12Kg的乳化液，乳化液不回收。以上几种情况表明，在煤矿生产工作面，必须及时向泵站液压系统补充乳化液来弥补各种损耗。但目前，煤矿工作面乳化液泵站普遍采用人工手控配液进行补充，这种补液方式对人员的依赖性大，随意性强，不能实现自动科学合理的补液。（2）质量控制问题：1）浓度控制问题。乳化液中乳化油的质量百分比，即乳化液的浓度是评价乳化液性能的一个重要指标。乳化液的浓度对乳化液的使用性能影响很大。浓度过小会降低抗硬水能力、稳定
