王 成，雷腾飞
(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727306)
随着采煤技术的革新和国家发展的需求，如何提高煤炭开采效率及产量亟待解决[1-2]。国内许多大型矿井以“一井一面”、超长工作面和大采高等作为主要的煤炭开采方式，同时将日产量20 000 t以上和年产千万吨以上作为煤炭开采的目标。作为长距离开采工作面中煤炭的主要运输设备，带式输送机装备本身的技术水平是综采工作面安全性和开采效率的关键影响因素[3-6]。因此，年采煤量过千万吨的带式输送机己经成为国内外带式输送机成套装备的发展目标[7-8]。同时，由于综采工作面正在以设备的大(重)型化、自动化及智能化为发展方向，大功率的重型带式输送机在综采装备的发展过程中占有举足轻重地位，优化带式输送机性能对提高矿井生产效率和效益具有十分重要的意义[9-10]。通过研究、探索和总结发现，在CST各子系统中问题最为突出、最易造成生产影响的是液压油冷却系统[11-12]。
陕西黄陵二号煤矿井下原煤运输系统的胶带机均采用CST软启动方式，当胶带机故障停机或者正常停机后，由于存在CST保护系统，只有当液压油温度降到45 ℃以下才可再次启动CST，但胶带机机头硐室温度较高，CST液压油油温很难在短时间内降到45 ℃以下，因此再次启动每次消耗时间都在半小时以上，严重影响胶带运输机的开机速度和原煤运输效率，因此亟需改进CST液压油冷却系统。在2005年皮带安装初期，二号煤矿采用冷却风扇对CST油温进行冷却。2010年二号煤矿开始进行技术革新，把CST原厂配套的冷却风扇改为由瑞典生产的阿法拉伐板式换热器，该设备采用水介质冷却CST液压油油温，与原先采用的风冷相比，冷却水冷却效率高，液压油温温度下降快，但冷却水流大小难以控制，造成水资源浪费十分严重。同时，胶带运输机功率随着原煤运输量的变化而变化，胶带运输机运转功率升高则会导致液压油油温升高，因此需要操作人员根据液压油温度变化，适时调整阀门大小来控制冷却水流量，保证CST的液压系统运转温度始终保持在一定的范围内。人工操作时，控制冷却水流量变化较大，导致CST液压系统温度变化不规则，设备运转状态不稳定，时常发生由于系统温度过高或过低而造成胶带运输机停机，从而影响矿井原煤运输效率，进一步导致回采工作面、掘进工作面工作效率降低。
文中通过论证分析，从水路、电路两方面考虑，通过在原设备基础上进行简单改造，解决设备设计缺陷问题，并且将此方案充分运用到综采工作面皮带机头和主运输皮带机头，提升设备性能，减少矿井水资源浪费，保证主运输系统的稳定可靠运行，具有明显的可行性、科学性，为CST运输系统的高效使用和技术改造提供了数据依据。
1.1 风冷原理
在皮带机启动和停车过程中(加减速)，冷却风扇一直运行。CST运转过程中，在液压温度高于55 ℃时启动冷却风扇，直至液压油温度低于45 ℃停止运行。CST冷却系统控制如图1所示。
图1 CST液压油冷却系统控制
1.2 水冷原理
利用冷却风扇的位置安装板式换热器，同时将CST液压油冷却油泵的排油管和CST液压油回油管分别和板式换热器的吸油口、回油口对接，其次将冷却水(复用水)接到板式换热器的进水口，出水连接胶管可以将冷却水用来全断面喷雾或者灭尘使用，促进水资源的二次利用。在CST开启后，当液压油温度到达55 ℃后，冷却水开启，当液压油温度降低至45 ℃时，冷却水关闭，保持CST液压系统始终维持在恒定的温度区间运转，促进胶带运输机的正常运行。
1.3 风冷和水冷的对比
由于风冷方式是一种被动散热方式，其冷却效能完全由外界环境条件决定，如气流、温度和湿度等，冷却效果受环境影响较大，冷却风扇散热片容易被煤泥堵塞，导致冷却效果差，不适用于煤矿井下封闭环境中的大功率用电设备。
板式换热器冷却CST油温，冷却介质是水，相对空气来说受环境影响较小，采用水冷方式的电动机和变频器结构设计成熟、工作稳定、维护简单。工作介质纯净水或者蒸馏水物理特性稳定，不易变质，维护成本低，冷却效果好，但是水资源浪费严重。改造前、改造后冷却方案如图2所示。因此，在板式换热器上继续改造，想通过某种设备既能使油温保持在45～55 ℃之间，又能减少水资源浪费的局面。
图2 改造前、改造后冷却方案对比
2.1 电路的实现
CST如何控制PLC，PLC如何控制电动阀，这就需要设计一种四组合开关。解决了配电室地方限制和其余电器开关不能控制电动阀的问题。
选择Ⅰ类隔爆箱，防爆箱外形尺寸为300 mm×200 mm×180 mm(长×宽×高)，把电源模块(24 V直流)和4个24 V直流继电器安装在此防爆箱内，且电源模块和交流电源之间连接有保险，电源模块具有短路断电保护，过载断电保护的功能，同时运行性能可靠，使本开关防爆性能达到要求。根据CST工作原理设计供电线路，将电源模块AB与继电器J1-J4的线圈连接，继电器J1-J4并联；
使用时，将PLC的控制点输出模块分别与J1-J4继电器的线圈连接，继电器J1-J4的第一触点J1-1～J4-1分别于第一至第四电动阀连接，继电器J1-J4的第二触点J1-2～J4-2与PLC控制点输入模块连接，用CST在工作过程中油温升高和降低的这一过程，设置CST中PLC控制模块油温控制输出点，以控制24 V直流继电器的导通和断开，从而实现电磁阀的开启和停止。结构图和原理图，如图3和图4所示。
图3 内外部结构
图4 电路原理
工作时，液压油温度由CST控制箱中的温度传感器传输给PLC控制模块，PLC控制模块输出点控制24 V直流继电器的导通和断开，由继电器控制电动阀的开启和停止，达到四组合开关的基本要求，并且24 V直流继电器工作稳定可靠，故障率小，保证CST工作的稳定性。
2.2 水路的实现
按照图5装置连接的原理图，将温度传感器输出端与PLC输入端相连，将PLC输出端与四组合开关输入端相连，开关的输入端与板式冷却器进水口的电动阀输出端相连，将电动阀与CST控制箱控制的四组合开关相连。电动阀两侧用φ32 mm水管相连形成旁路，最后将φ32 mm与φ159 mm管路原来的冷却水阀门相连接。板式冷却器的进水口与给水管路连接，出水口与高压胶管连接，且冷却器的入水口和油管出口设置在冷却器上端面，冷却器的出水口和油管入口设置在冷却器的下端面。
图5 水路原理
根据需要，先修改PLC工作程序，将CST控制器中PLC程序修改为温度达到55℃时输出-启动点和低于45 ℃输出-断开点。利用启动点和断开点来控制微型四组合开关的接通和断开，实现电动阀的打开和关闭，使得油温保持在45～55 ℃。冷却水自动开停装置当电动阀故障时，旁路阀门打开，冷却水常流水降温，促进设备运转的稳定性，降低设备运转期间的故障率。连接后的实物图如图6所示。
图6 实物
2.3 控制的双保险
考虑到电动阀在使用过程中可能存在故障，导致冷却水无法进行降温，影响设备正常运行，因此在每个电动阀两侧加装旁路球阀。当电动阀故障时，开启阀门，临时采用冷却水常流水降温，提高工作可靠性。
2.4 程序的改进
根据CST工作原理，编写电动阀控制程序。当CST温度达到55 ℃时，电动阀打开；
当CST温度降到45 ℃时，电动阀关闭；
当皮带停机时，电动阀瞬间关闭，停止冷却水的供给。
3.1 经济效益
CST液压油冷却系统改造节约了大量水资源，改变了胶带运输机开启后冷却水一直横流的现象。改造后根据液压系统温度，平均每40～60 min，冷却水开启1次，开启时间为1～3 min，对CST液压油冷却速度快，设备运行更加安全可靠。通过现场流量计采集数据，平均每天节约用水60 m3，每个月平均生产时间为28 d，每月节约用水约为1 680 m3，全年节约用水约为2 000 m3，可节约费用10万元。现二号煤矿使用CST驱动胶带运输机有101胶带运输机机头驱动，一部胶带运输机机头驱动，二部胶带运输机机头驱动，三部胶带运输机机头驱动，北一一部胶带运输机机头驱动，北一二部胶带运输机机头驱动及两综采工作面顺槽胶带机机头驱动、中部驱动，合计CST驱动装置11台。仅此一项，每年可节约费用约110万元。年节约用水费用=CST软启动装置数量×每天节约用水量×年生产天数×纯净水单价=11台×60 m3/d×336 d×5元/m3≈110万元。
3.2 社会效益
为降本增效工作开创了新方法。大量的水、电资源消耗是煤矿成本管理比较困难的两个部分，可通过简化系统，或者增加节能型设备来实现。本成果的设计充分利用PLC自动化控制程序，利用电动阀工作原理，改装管路。按照冷却水优化方案，优化供电系统，充分发挥现代化设备功能，并借助避峰填谷举措，减少电能消耗。
通过对CST液压冷却系统中各子系统进行优化改进，针对CST如何控制PLC，PLC如何控制电动阀问题，提出一种四组合开关设计，同时根据CST工作原理，编写电动阀控制程序，有效解决胶带机头配电硐室空间限制和其余电器开关不能控制电动阀的问题，解决了液压系统冷却问题，提高了CST软控系统及胶带运输机的运行效率。同时改造方案简单，设计科学合理，在不改变系统使用功能和主要结构的情况下，对原有设备进行简单改造，既解决了现场过程中影响生产的实际问题，降低了设备故障率，又为CST系统的优化改造提供了基础参数论证和技术支持。在改造完成后的CST软启动装置使用中，该系统在驱动性能、开机效率、绿色生产、成本控制等多个方面取得显著成效。
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