液壓系統污染對支架可靠性的影響及控制措施

羅洪恩 李磊

摘要：隨著高產高效機械化采煤技術的普遍使用，液壓系統污染會造成泵站和支架液壓系統故障，不但影響工作面正常支護，還可能影響采煤面正常推進而停產，甚至引發安全事故。本文針對井下液壓支架常見故障，分析液壓系統污染造成的危害，通過液液分析和鐵譜分析找出液壓系統的污染源，根據生產管理和技術經驗提出相應措施控制污染，降低對液壓生產系統設備可靠性和使用壽命的影響，對生產具有實際的指導意義和經濟效益。

關鍵詞：支護失效；液壓系統污染；磨損氧化物；硬水；降塵

支架液壓系統是以乳化液泵站提供的高壓液體為動力，通過控制系統控制不同功能的液壓缸來完成升降柱、推移輸送機和移架等動作，主要由立柱、千斤頂、液壓控制閥、膠管和接頭等組成。隨著液壓技術的發展，精密元件的應用越來越廣泛，例如先導控制閥、電液換向閥等配件，在很大程度上液壓元件和工作介質清潔度決定了支架可靠性和服務年限。

1.井下支架支護失效故障分析

綜采面液壓支架在生產使用過程中經常出現如操縱閥、液控鎖不動作、內竄液，立柱或平衡千斤頂脹缸、竄液，甚至構件變形損壞如柱窩開裂、連接座（包括頂梁、掩護梁）拉斷等故障，尤其是立柱脹缸和柱窩開裂故障數量約占20%，個別的采煤工作面高達30%[1]，是影響安全生產和高產高效的嚴重故障。

1.1立柱脹缸和柱窩開裂故障的原因

液壓支架的增阻性主要取決于立柱液控閥和立柱密封性能，其恒阻性和可縮性是通過安全閥實現的。在工作面頂板來壓強度明顯時，立柱和平衡千斤頂壓力升高，與油缸下腔連通的活塞密封、控制閥元件及其密封件、管路、接頭等這一系列元件都有可能發生損壞故障，直到液壓能得到釋放。如果立柱、液控閥、膠管、接頭等元件的密封性能可靠，正常的卸壓途徑安全閥又不能夠動作開啟卸荷，直至頂板來壓引起的應力超過缸體和連接件的許用應力后，就會造成立柱和平衡千斤頂脹缸，甚至柱窩或平衡千斤頂連接座的變形損壞。

在正常質量管控體系下，很少因鋼材本身缺陷和焊接質量問題發生脹缸和連接座開裂故障，所以，安全閥不動作是故障分析的重點。在支架大修中經過對大量故障安全閥和其他不動作閥件進行拆檢發現，不能正常動作的主要原因是滑閥被附著的污物卡死難以動作、泄液孔道堵塞。經過鐵譜分析發現，這些堵塞在安全閥中的附著物成分主要是水垢、粘著擦傷金屬顆粒及其氧化物和煤巖粉塵。

1.2 閥件堵塞動作失調

液壓系統中的污染物會粘附在操縱閥、單雙向鎖等液壓元件的滑閥、小孔或節流縫隙中，使其變窄變細或卡死堵塞，例如先導控制閥或電液換向閥及濾芯等，從而改變液壓系統的工作性能，引起操縱動作失調甚至完全失靈、誤動作。這些閥件、濾網堵塞嚴重時會因阻力過大而將濾網擊穿，喪失過濾作用，造成液壓系統污染的惡性循環。

1.3 密封失效泄露

進入液壓系統中的污染物隨乳化液流動而遍布整個液壓系統，在經過各類液壓元件內部時，略大的顆粒會附著在密封件表面，微小的粉塵對途經的密封件和金屬密封面的造成磨損，引起缸體內外表面的拉傷、液壓元件漏液，造成立柱不能正常升降、推移千斤頂推拉力不足、安全閥卸壓、異響和振動等故障，甚至部件報廢。

液壓元件中殘留的清洗劑、潤滑劑和混入乳化液中的有害油脂，與乳化液相互作用發生化學反應，導致乳化液穩定性變差有效成分析出，引起缸體、閥件銹蝕，橡膠密封件變質，過濾網附著污染物的能力降低[2]。

綜上所述，液壓支架的支護失效主要原因是液壓元件受到金屬顆粒及其氧化物、水垢、煤塵等的混合物粘附和卡澀堵塞，造成液壓元件竄漏液、動作失調、構件破壞泄壓等。這些污染物，都有其產生原因，要統籌考慮分析制定應對措施，如果簡單更換或維修壞的元件，往往故障轉移，此起比伏問題不斷。

2.液壓系統中的污染物及形成原因

從乳化液泵站到采煤工作面，系統管路總長度都在一千米以上，支架系統接頭插口多達上萬，在液壓系統的工作過程中，其工作介質乳化液難免會被污染。多年的維修過程和檢驗結果表明，支架液壓系統污染源主要有：粉塵、硬水、氧化物、磨損物及殘留物、介入污染物、乳化液變質析出等。主要分外部介入污染和系統自身污染兩種。

2.1 外部介入污染

外部污染實際上是受環境污染產生的，在支架生產、運輸、井下安裝、日常使用、檢修過程中，由于外部環境不清潔，污染物會粘附在各元件工作面、接口上隨液壓系統的運行進入乳化液中，污染整個系統。

（1）液壓支架各零部件在生產加工過程中難免會在系統內部殘留毛刺、切屑、焊渣、磨料等固體顆粒，這些殘留物在液壓系統污染物中占較高比重。液壓系統對元件的飛邊、毛刺特別敏感，若不給予提前處理，將成為質量事故隱患[3]。

（2）支架閥件、膠管的敞口接頭在周轉運輸中沒有用防塵帽或包裝袋包好，以致受到風沙粉塵、雨水等的污染。在井下安裝前如果沒有對受到污染的液口和接頭等元件進行清潔處理，沙塵、銹蝕氧化物和工作面的煤粉等雜質隨設備安裝而進入液壓系統。

（3）井下采煤工作面環境惡劣粉塵大，立柱和各類油缸由于動作時活塞桿裸露在外，直接和空氣中的粉塵環境相接觸，雖然在缸口導向套上裝有防塵圈和密封件等，但是難免有煤粉、巖石砂粒等粉塵等被帶入液壓系統，砂粒的硬度約為莫氏7度，能夠刮傷和磨損鋼材。煤礦綜采工作面的粉塵主要來源是截割煤層和煤層放頂垮落時產生的煤粉巖塵，以及過斷層放炮時的震落粉塵。

（4）支架檢修或升井大修，對乳化泵站液壓系統進行維修維檢時，維修環境差，工人操作不規范，或不進行清潔處理野蠻更換膠管、總成及各類閥件，容易引入各種雜質。甚至把密封圈、棉紗或包裝等遺落在液箱內，這些污染物都可能導致突發故障。另外，乳化液箱的加液口、通氣孔、乳化液桶等也都是污染物侵入的通道。

2.2 液壓系統自身污染

（1）氧化物

當乳化液中存在著混入系統的切屑、毛刺等金屬顆粒時，經過較長時間系統不斷循環，與高含水乳化液反應產生銹蝕，銹蝕氧化物又不斷刮擦金屬表面形成新的金屬顆粒，也使液壓元件表面受到腐蝕氧化，嚴重損害密封性能。

（2）磨損物

主要是支架液壓元件如立柱、千斤頂、閥等工作過程中，金屬接觸面發生摩擦在各個機械磨損階段的磨損物，和已經進入液壓系統的介入雜質在流經金屬或非金屬表面時產生刮擦產生的磨損物。

（3）硬水

在檢修過程中經常可看到閥類液壓元件表面粘結著一層堅固、難以去除的沉淀物，就是硬水造成的硫化氯化物，俗稱水垢，再與粉塵、氧化物和磨損物等雜物混合在一起.在高壓乳化液作用下壓實幾乎成為固體.具有較高的強度。這種物質板結力很強，牢牢地粘附在元件表面產生阻滯，加上硬水沉淀垢的作用，使得液孔通道變窄變細而更容易堵塞，造成液壓元件失效。

水的硬度過高，會造成所配制乳化液的穩定性很差，并會影響乳化液的抗腐蝕能力，從而引起設備腐蝕。天然水的硬度取決于鈣鎂離子的含量，水中的硫酸鈣、硫酸鎂含量過高，水的PH值就低，呈酸性水，有腐蝕性。水中的硫酸根和氯根都會加快金屬腐蝕，特別是氯化鎂，它可以使金屬腐蝕產生惡性循環[4]。

（4）析液析皂

我國目前所使用液壓支架用乳化液，在使用中往往出現一些析液析皂現象，再與粉塵結合共同堵塞閥芯、濾網等液壓元件，并且產生水污染，同時也可能會對礦井下工作的工人的身體健康產生危害。水中的鈉、鈣、鎂鹽等氯化物含量過多時會引起鹽析反應，造成乳化油中的有效成分溶解度降低而皂化析出。水質硬度越高，越容易使乳化液呈現出渾濁不均勻的狀態；

在液壓元件金屬接觸面上涂抹的潤滑脂也會溶解到乳化液中變質，污染液壓系統。支架使用的不合格乳化液在系統中發霉變臭，孳生細菌，產生各種有害菌群。正常工作條件下，乳化液的工作溫度在30℃～40℃之間，當溫度達到60℃或以上時，長時間使用也會使乳化液變質，就應停止工作。

3.控制支架液壓系統污染的措施

造成支架液壓系統污染的影響因素是多重的，以現有的材料和技術，從根本上避免液壓系統的污染是很難做到的，但可以從支架生產、運輸、井下安裝、日常使用和檢修等環節采取有效的措施，最大程度地降低或避免污染。

3.1 減少自身污染，配備乳化液檢測儀器設備，提高監督檢查能力及手段

（1）關注配液水質，加強水質監管。盡量選用無懸浮物、氯化物和硫化物含量較低，PH值6～9的中性水。必要時可以對水進行軟化處理，減少硬水中的鈣鎂等離子的影響。

（2）依據實際配制乳化液用水的硬度等指標，合理選用乳化油，嚴格執行MT76-2011中配比標準。例如HFAE15-5乳化油（原ME15-5）適用于最高硬度為750mg/L、最高硫酸根離子含量為720mg/L的水質，配成5%質量比濃度的乳化液使用。由于不同類別型號的乳化油化學成分不同，最好不要混用，否則乳化液性質將發生變化，造成內部污染。

（3）常用乳化油和濃縮液的凝點不大于-5℃，一旦凍住，乳化液就將報廢，失去作用。過高的溫度也將使乳化液降低使用壽命。所以，一般乳化液的儲存溫度為+5℃～+30℃。如果支架或其液壓部件長時間在低于-5℃時存放，應將內部的液體換成防凍液。

（4）保證泵站系統正常，檢查泵站供液系統和支架液壓系統的粗、高精過濾器和磁性過濾器、反沖洗過濾器等元件的完好與性能可靠，定期進行沖洗清理。

3.2減少外部污染，要求操作者每個工序都要注意清潔，最大限度地降低外部污染物的介入

（1）在液壓系統零件生產加工時注意加工表面的毛刺殘留，在零件組裝前用清洗液清洗或壓縮空氣沖刷，以確保表面潔凈度。如在組裝液壓缸前要清洗干凈缸筒內壁的酸洗結晶和油污，閥件孔道內壁的加工切屑等。已裝配完的液壓元件、組件暫不進行安裝時，應將其所有液口遮蓋或用塑料帽堵住。

（2）液壓元件在組裝過程中不要使用鈣基和鈉基潤滑脂進行潤滑，避免其溶解到乳化液中加重水的硬度，變質發生析液析皂，可以使用乳化油進行涂抹潤滑。

（3）液壓元件、組件、膠管及支架運輸中應注意防塵防雨，要對敞口液壓元件和膠管加裝塑料帽堵住。使用前應注意檢查液口是否用塑料帽堵住，包裝是否完好受到污水侵入，對受到污染的液口及接頭必須處理后再組裝。

（4）在系統調試和試生產時，必須按照操作規程進行液壓系統的回液排空和徹底清洗，排出之前工序殘留或侵入雜質，如將長期存放的油缸腔體內銹蝕變質的臟水排出，殘留在立柱缸底和閥腔的煤粉、顆粒和鐵屑等沖出系統。

（5）對設備進行維護檢修，特別是支架大修時，一定要在環境清潔的場所內進行，拆下的零部件放在干凈的地方。對液壓元件不要在井下檢修，應整體更換。加強乳化液泵站日常維護，蓋嚴液箱蓋，及時清理進入乳化液箱內的雜物和液面皂化漂浮物，至少每月清洗一次液箱內壁。

（6）提高系統配置，增加支架反沖洗過濾器或在泵站進出口增加高壓過濾站，過濾站每天清洗和反沖一次，同時定期清洗、更換各種過濾器，提高過濾效率，減少污染。

（7）綜采放頂煤生產過程中，對比普采增加了新的煤塵源，必須優化支架噴霧裝置布置方式，采用隨動系統控制，提高降塵效果。前探梁噴霧垂直于煤壁方向、架間噴霧角度為45°、噴霧壓力為8MPa時的支架噴霧降塵效果最佳[5]，是綜放工作面液壓支架噴嘴布置的最優方式。

4.總結

液壓系統污染是導致液壓支架支護失效的主要因素，只有液壓系統運行正常，才能提高支架可靠性，延長其使用壽命，降低支架操作工和檢修工的勞動量及工作強度，減少配件的消耗，避免一些生產和安全事故的發生。液壓支架系統污染是客觀存在的，要先提高人們對液壓系統污染控制的重要性的認識，提高管理人員素質，再從技術上進一步研究新的材料和液壓元件，提出使用和維護注意事項，控制污染也必將出現新的進步。

參考文獻：

[1]尚慧玲. 液壓支架的生產安全可靠性研究及應用[J]. 液壓與氣動，2011（6）：103-108.

[2] 王文江，宋鈞，張順朝，等. 合理配制乳化液控制液壓支架液壓系統污染[J].煤炭技術，2005，24（3）：27-28.

[3]劉鯉粽. 液壓支架系統污染的原因及對策[J]. 煤礦開采，2010，15（6）：68-70.

[4]尚慧玲，張新城，楚紹輝. 支架液壓系統污染危害性研究[J]. 礦山機械，2010，38（9）28-33.

[5]左前名，聶文，程衛民. 綜放工作面液壓支架噴嘴布置方式優化[J]. 工業安全與環保，2013，39（10）：1-3.

作者簡介：羅洪恩（1984- ），男，山東鄒城人，2006年畢業于濟南大學機械工程學院機械設計制造及其自動化專業，大學本科。現在兗礦機電設備制造廠從事液壓支架技術及生產管理工作，助理工程師。

李磊（1983- ），男，山東鄒城人，2008年畢業于陸軍學院機械工程學院機械設計制造及其自動化專業，大學本科。現在兗礦機電設備制造廠從事液壓支架研究工作，助理工程師。