液壓支架泄漏檢測方法的分析應用

于 樂

（陽煤集團機電設備管理中心，山西陽泉 045000）

0 引言

液壓支架主要用于支撐頂板和控制頂板，以保證回采工作面的正常和安全生產運行。液壓支架發生泄露是擋圈液壓支架系統常見的故障，一旦液壓支架發生泄露，會嚴重降低煤礦的開采效率，降低開采生產的安全性和平穩性[1-2]。而液壓閥、液壓缸、液壓泵和其他部件是液壓支架系統的重要組成部分，液壓支架發生泄露的主要原因在于，千斤頂伸縮出現異常、液壓支柱升降出現異常和液壓閥發生故障。工程界和學術界越來越多人開始關注到液壓支架泄漏的診斷、檢測和定位方法。目前，液壓支架泄漏的主要檢測方法主要是依靠壓力傳感器，通過測量壓力的波動變化，來進一步檢測液壓支架是否發生泄露[3-4]。但該方法的不足之處在于需要對礦井中所有的液壓支架安裝壓力傳感器，消耗成本資源較大，經濟性不高，且該方法無法準確地定位發生泄露的具體液壓支架位置。目前公認的液壓支架泄露檢測的挑戰和難點在于，井下環境條件復雜且惡劣，嚴重影響檢測設備的檢測效果。此外，液壓支架泄漏包括內泄露和外泄露，當管路或者液壓閥由于內部泄露互相串液時，依靠傳統的經驗檢測和判斷方法很難偵查到液壓支架發生泄漏。

為了保證頂板巖層穩定、提高回采工作面運轉的安全性，很有必要開發一套液壓支架泄漏檢測系統，來準確、及時地檢測識別液壓支架的泄漏工況，并對液壓支架的泄漏具體位置精準定位，實現對液壓支架系統安全運行狀況的準確評估。

1 液壓支架泄露的故障類型分析

1.1 支柱升降故障

液壓支柱和液壓千斤頂可以借助液壓閥來完成上推等運動。當支柱升降發生故障，如升降太慢或者無法正常完成升降動作時可能會引起液壓支架發生泄漏；支柱的承重能力過小，也可能導致液壓支架發生泄漏；此外，操縱閥設到零位時導致無法升起也是重要原因之一，但是支柱升降故障的發生概率較小。

1.2 千斤頂伸縮故障

千斤頂的常見伸縮故障包括千斤頂伸縮能力不足，無法完成向前推進的任務或者向前推進的速度過慢等等。千斤頂伸縮的故障也是造成液壓支架外部泄露的重要原因之一。

1.3 液壓閥故障

液壓閥的內部和外部故障是三種泄露類型中最常見的故障。液壓閥有三種類型，分別為操縱閥、液控單向閥和安全閥。操作閥的常見故障有閥座與閥球間密封不良導致乳液發生串液現象；液控單向閥的故障類型包括支柱升降故障；安全閥故障包括當安全閥卸載時未達到工作阻力[5]。

2 基于聲波的液壓支架泄露檢測系統設計與應用

2.1 聲波檢測原理

當液壓支架內部充滿乳液，內部壓強大于外部壓強，從液壓支架的孔隙中泄露的液體會形成射流，并會發出一定頻率的聲波，該聲波的頻率成分中高頻較多，屬于超聲波的范疇。該超聲高頻信號可以通過超聲高頻信號檢測接收裝置進行捕捉，然后利用超聲波指向性的這一特點，正確地診斷定位發生泄漏的源頭。超聲波檢測的優勢在于，噪聲信號和有用信號的頻率重疊部分較少，噪聲對信號處理檢測的影響較小，檢測結果相對可靠[6]。

2.2 檢測系統設計

基于聲波的液壓支架泄露檢測裝置，要通過超聲高頻信號檢測接受裝置進完成原始信號的檢測，應保證能夠精密監測液壓支架的設備健康狀態、準確的識別出液壓支架的泄露工況，并對泄露位置進行精確定位。該檢測系統應該能夠較好地實現在線實時檢測的效果，必須具有良好的信號采集和信號A∕D轉換的功能，設備泄露的檢測系統必須能夠對接收到的原始信號進行及時主動的分析、識別和處理，一旦識別檢測發現到液壓支架的泄露工況時，必須啟動聲光報警器進行報警。此外，該檢測設備需要符合現場生產要求，適應現場雜亂惡劣的地質環境[7]。

為了更好地接收泄露液體在泄露口處發出的聲波信號，超聲高頻信號檢測接收裝置采用振動信號拾取傳感器，這里采用加速度傳感器，該傳感器能夠測量感知的信號頻率范圍在3～19 Hz。但該信號不能直接用于分析處理，還需要經過匹配濾波器和包絡檢波器以及放大電路的噪聲濾除和信號增強，然后通過信號調制后顯示在顯示器上。一旦超聲高頻信號檢測接收裝置檢測到符合泄露信號頻率特征的信號，則診斷系統斷定此時發生泄漏工況，并通過泄露信號的強度大小來評估判斷液壓支架泄露工況的危險程度，泄露的危險程度可分為輕微故障、嚴重故障和極嚴重故障。在現場通過安裝多個超聲高頻信號接收器，通過信號間的強弱關系，來判定泄露的源頭位置。在開始檢測之前，要根據設備基本信息或者實際情況，選擇有利用信號分析處理的信號采集頻率。實際檢測過程中，要對液壓閥、液壓缸、液壓泵和其他部件進行傳感器的逐一安裝，以更精確快速地判斷泄露的部位。實驗測量過程中，要盡量避免其他振動設備的振動干擾，如條件允許，可以關閉其他設備，防止其振動信號傳入信號收集器，而導致最終的設備故障診斷結果偏離真實情況。

如圖1，在超聲高頻信號檢測接收裝置采集到原始聲波特征信號后，需要進一步通過小波變換、傅里葉變換或者其他時域和頻域變換方法對信號進一步處理，然后將處理分析結果傳送至報警系統，一旦信號的特征值超出閾值，報警系統啟動，此時工作人員應仔細排查故障，根據報警提示作出相應維修或更換策略[8]。

圖1 液壓支架泄露檢測系統設計框圖

2.3 現場應用效果分析

為了檢驗基于聲波的液壓支架泄露檢測系統的可靠性和可行性，將本檢測系統應用于某礦井工作面的液壓支架檢測中。應用結果表明，該檢測系統能夠檢測到30處泄露位置，其中內漏11處，外漏12處，機械零件損壞7處，該礦場的液壓支架液壓閥泄露發生率相對較高，如表1所示，嚴重故障的比例占到總故障的30%。將該系統檢測結果與實際停工檢驗結果對比可以發現，該檢測系統對液壓支架泄露工況的檢測誤判率為0，同時，本文研發的檢測系統能準確地定位到液壓支架的泄露位置，較好地適應井下復雜惡劣工作環境，提高煤礦生產作業的安全性，工作面產量從118 750 t∕月提高到了125 300 t∕月，煤礦的開采效率被大大提高。

表1 液壓支架泄露不同故障類型所占比例

3 結論

液壓支架主要用于支撐頂板和控制頂板，以保證回采工作面的正常和安全生產運行。液壓支架發生泄露是擋圈液壓支架系統常見的故障。液壓支架系統發生泄漏會嚴重降低煤礦的開采效率，降低開采生產的安全性和平穩性。傳統的壓力傳感器檢測方法無法給出具體的泄露位置判斷結果，為了保證頂板巖層穩定，提高回采工作面運轉的安全性，本文開發一套基于聲波的液壓支架泄漏檢測系統，準確及時地檢測識別液壓支架的泄漏工況，并對液壓支架的泄漏具體位置精準定位，實現對液壓支架系統安全運行狀況的準確評估。將本檢測系統應用于某礦場的液壓支架系統，結果表明，本檢測系統具有較高的檢測成功率，能夠較好地適應井下復雜惡劣工作環境，本液壓支架系統泄露檢測系統能夠為液壓支架系統的故障監測診斷和維修維護策略制定提供數據依據。