羅洪恩 李磊

摘要：隨著高產(chǎn)高效機(jī)械化采煤技術(shù)的普遍使用，液壓系統(tǒng)污染會(huì)造成泵站和支架液壓系統(tǒng)故障，不但影響工作面正常支護(hù)，還可能影響采煤面正常推進(jìn)而停產(chǎn)，甚至引發(fā)安全事故。本文針對(duì)井下液壓支架常見故障，分析液壓系統(tǒng)污染造成的危害，通過(guò)液液分析和鐵譜分析找出液壓系統(tǒng)的污染源，根據(jù)生產(chǎn)管理和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)提出相應(yīng)措施控制污染，降低對(duì)液壓生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備可靠性和使用壽命的影響，對(duì)生產(chǎn)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：支護(hù)失效；液壓系統(tǒng)污染；磨損氧化物；硬水；降塵

支架液壓系統(tǒng)是以乳化液泵站提供的高壓液體為動(dòng)力，通過(guò)控制系統(tǒng)控制不同功能的液壓缸來(lái)完成升降柱、推移輸送機(jī)和移架等動(dòng)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(shù)的發(fā)展，精密元件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，例如先導(dǎo)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(zhì)清潔度決定了支架可靠性和服務(wù)年限。

1.井下支架支護(hù)失效故障分析

綜采面液壓支架在生產(chǎn)使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)如操縱閥、液控鎖不動(dòng)作、內(nèi)竄液，立柱或平衡千斤頂脹缸、竄液，甚至構(gòu)件變形損壞如柱窩開裂、連接座（包括頂梁、掩護(hù)梁）拉斷等故障，尤其是立柱脹缸和柱窩開裂故障數(shù)量約占20%，個(gè)別的采煤工作面高達(dá)30%[1]，是影響安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效的嚴(yán)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(guò)安全閥實(shí)現(xiàn)的。在工作面頂板來(lái)壓強(qiáng)度明顯時(shí)，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(fā)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(dòng)作開啟卸荷，直至頂板來(lái)壓引起的應(yīng)力超過(guò)缸體和連接件的許用應(yīng)力后，就會(huì)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(zhì)量管控體系下，很少因鋼材本身缺陷和焊接質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生脹缸和連接座開裂故障，所以，安全閥不動(dòng)作是故障分析的重點(diǎn)。在支架大修中經(jīng)過(guò)對(duì)大量故障安全閥和其他不動(dòng)作閥件進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)，不能正常動(dòng)作的主要原因是滑閥被附著的污物卡死難以動(dòng)作、泄液孔道堵塞。經(jīng)過(guò)鐵譜分析發(fā)現(xiàn)，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(dòng)作失調(diào)

液壓系統(tǒng)中的污染物會(huì)粘附在操縱閥、單雙向鎖等液壓元件的滑閥、小孔或節(jié)流縫隙中，使其變窄變細(xì)或卡死堵塞，例如先導(dǎo)控制閥或電液換向閥及濾芯等，從而改變液壓系統(tǒng)的工作性能，引起操縱動(dòng)作失調(diào)甚至完全失靈、誤動(dòng)作。這些閥件、濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重時(shí)會(huì)因阻力過(guò)大而將濾網(wǎng)擊穿，喪失過(guò)濾作用，造成液壓系統(tǒng)污染的惡性循環(huán)。

1.3 密封失效泄露

進(jìn)入液壓系統(tǒng)中的污染物隨乳化液流動(dòng)而遍布整個(gè)液壓系統(tǒng)，在經(jīng)過(guò)各類液壓元件內(nèi)部時(shí)，略大的顆粒會(huì)附著在密封件表面，微小的粉塵對(duì)途經(jīng)的密封件和金屬密封面的造成磨損，引起缸體內(nèi)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(dòng)等故障，甚至部件報(bào)廢。

液壓元件中殘留的清洗劑、潤(rùn)滑劑和混入乳化液中的有害油脂，與乳化液相互作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致乳化液穩(wěn)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(zhì)，過(guò)濾網(wǎng)附著污染物的能力降低[2]。

綜上所述，液壓支架的支護(hù)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(dòng)作失調(diào)、構(gòu)件破壞泄壓等。這些污染物，都有其產(chǎn)生原因，要統(tǒng)籌考慮分析制定應(yīng)對(duì)措施，如果簡(jiǎn)單更換或維修壞的元件，往往故障轉(zhuǎn)移，此起比伏問(wèn)題不斷。

2.液壓系統(tǒng)中的污染物及形成原因

從乳化液泵站到采煤工作面，系統(tǒng)管路總長(zhǎng)度都在一千米以上，支架系統(tǒng)接頭插口多達(dá)上萬(wàn)，在液壓系統(tǒng)的工作過(guò)程中，其工作介質(zhì)乳化液難免會(huì)被污染。多年的維修過(guò)程和檢驗(yàn)結(jié)果表明，支架液壓系統(tǒng)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(zhì)析出等。主要分外部介入污染和系統(tǒng)自身污染兩種。

2.1 外部介入污染

外部污染實(shí)際上是受環(huán)境污染產(chǎn)生的，在支架生產(chǎn)、運(yùn)輸、井下安裝、日常使用、檢修過(guò)程中，由于外部環(huán)境不清潔，污染物會(huì)粘附在各元件工作面、接口上隨液壓系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)入乳化液中，污染整個(gè)系統(tǒng)。

（1）液壓支架各零部件在生產(chǎn)加工過(guò)程中難免會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)污染物中占較高比重。液壓系統(tǒng)對(duì)元件的飛邊、毛刺特別敏感，若不給予提前處理，將成為質(zhì)量事故隱患[3]。

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

（3）井下采煤工作面環(huán)境惡劣粉塵大，立柱和各類油缸由于動(dòng)作時(shí)活塞桿裸露在外，直接和空氣中的粉塵環(huán)境相接觸，雖然在缸口導(dǎo)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(tǒng)，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(lái)源是截割煤層和煤層放頂垮落時(shí)產(chǎn)生的煤粉巖塵，以及過(guò)斷層放炮時(shí)的震落粉塵。

（4）支架檢修或升井大修，對(duì)乳化泵站液壓系統(tǒng)進(jìn)行維修維檢時(shí)，維修環(huán)境差，工人操作不規(guī)范，或不進(jìn)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(zhì)。甚至把密封圈、棉紗或包裝等遺落在液箱內(nèi)，這些污染物都可能導(dǎo)致突發(fā)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(tǒng)自身污染

（1）氧化物

當(dāng)乳化液中存在著混入系統(tǒng)的切屑、毛刺等金屬顆粒時(shí)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)不斷循環(huán)，與高含水乳化液反應(yīng)產(chǎn)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(yán)重?fù)p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(guò)程中，金屬接觸面發(fā)生摩擦在各個(gè)機(jī)械磨損階段的磨損物，和已經(jīng)進(jìn)入液壓系統(tǒng)的介入雜質(zhì)在流經(jīng)金屬或非金屬表面時(shí)產(chǎn)生刮擦產(chǎn)生的磨損物。

（3）硬水

在檢修過(guò)程中經(jīng)?？煽吹介y類液壓元件表面粘結(jié)著一層堅(jiān)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(shí)幾乎成為固體.具有較高的強(qiáng)度。這種物質(zhì)板結(jié)力很強(qiáng)，牢牢地粘附在元件表面產(chǎn)生阻滯，加上硬水沉淀垢的作用，使得液孔通道變窄變細(xì)而更容易堵塞，造成液壓元件失效。

水的硬度過(guò)高，會(huì)造成所配制乳化液的穩(wěn)定性很差，并會(huì)影響乳化液的抗腐蝕能力，從而引起設(shè)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(guò)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(huì)加快金屬腐蝕，特別是氯化鎂，它可以使金屬腐蝕產(chǎn)生惡性循環(huán)[4]。

（4）析液析皂

我國(guó)目前所使用液壓支架用乳化液，在使用中往往出現(xiàn)一些析液析皂現(xiàn)象，再與粉塵結(jié)合共同堵塞閥芯、濾網(wǎng)等液壓元件，并且產(chǎn)生水污染，同時(shí)也可能會(huì)對(duì)礦井下工作的工人的身體健康產(chǎn)生危害。水中的鈉、鈣、鎂鹽等氯化物含量過(guò)多時(shí)會(huì)引起鹽析反應(yīng)，造成乳化油中的有效成分溶解度降低而皂化析出。水質(zhì)硬度越高，越容易使乳化液呈現(xiàn)出渾濁不均勻的狀態(tài)；

在液壓元件金屬接觸面上涂抹的潤(rùn)滑脂也會(huì)溶解到乳化液中變質(zhì)，污染液壓系統(tǒng)。支架使用的不合格乳化液在系統(tǒng)中發(fā)霉變臭，孳生細(xì)菌，產(chǎn)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(dāng)溫度達(dá)到60℃或以上時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間使用也會(huì)使乳化液變質(zhì)，就應(yīng)停止工作。

3.控制支架液壓系統(tǒng)污染的措施

造成支架液壓系統(tǒng)污染的影響因素是多重的，以現(xiàn)有的材料和技術(shù)，從根本上避免液壓系統(tǒng)的污染是很難做到的，但可以從支架生產(chǎn)、運(yùn)輸、井下安裝、日常使用和檢修等環(huán)節(jié)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(cè)儀器設(shè)備，提高監(jiān)督檢查能力及手段

（1）關(guān)注配液水質(zhì)，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)管。盡量選用無(wú)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(shí)可以對(duì)水進(jìn)行軟化處理，減少硬水中的鈣鎂等離子的影響。

（2）依據(jù)實(shí)際配制乳化液用水的硬度等指標(biāo)，合理選用乳化油，嚴(yán)格執(zhí)行MT76-2011中配比標(biāo)準(zhǔn)。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(zhì)，配成5%質(zhì)量比濃度的乳化液使用。由于不同類別型號(hào)的乳化油化學(xué)成分不同，最好不要混用，否則乳化液性質(zhì)將發(fā)生變化，造成內(nèi)部污染。

（3）常用乳化油和濃縮液的凝點(diǎn)不大于-5℃，一旦凍住，乳化液就將報(bào)廢，失去作用。過(guò)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(chǔ)存溫度為+5℃～+30℃。如果支架或其液壓部件長(zhǎng)時(shí)間在低于-5℃時(shí)存放，應(yīng)將內(nèi)部的液體換成防凍液。

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

3.2減少外部污染，要求操作者每個(gè)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(tǒng)零件生產(chǎn)加工時(shí)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(nèi)壁的酸洗結(jié)晶和油污，閥件孔道內(nèi)壁的加工切屑等。已裝配完的液壓元件、組件暫不進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)將其所有液口遮蓋或用塑料帽堵住。

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

（3）液壓元件、組件、膠管及支架運(yùn)輸中應(yīng)注意防塵防雨，要對(duì)敞口液壓元件和膠管加裝塑料帽堵住。使用前應(yīng)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(duì)受到污染的液口及接頭必須處理后再組裝。

（4）在系統(tǒng)調(diào)試和試生產(chǎn)時(shí)，必須按照操作規(guī)程進(jìn)行液壓系統(tǒng)的回液排空和徹底清洗，排出之前工序殘留或侵入雜質(zhì)，如將長(zhǎng)期存放的油缸腔體內(nèi)銹蝕變質(zhì)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(tǒng)。

（5）對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修，特別是支架大修時(shí)，一定要在環(huán)境清潔的場(chǎng)所內(nèi)進(jìn)行，拆下的零部件放在干凈的地方。對(duì)液壓元件不要在井下檢修，應(yīng)整體更換。加強(qiáng)乳化液泵站日常維護(hù)，蓋嚴(yán)液箱蓋，及時(shí)清理進(jìn)入乳化液箱內(nèi)的雜物和液面皂化漂浮物，至少每月清洗一次液箱內(nèi)壁。

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

（7）綜采放頂煤生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)比普采增加了新的煤塵源，必須優(yōu)化支架噴霧裝置布置方式，采用隨動(dòng)系統(tǒng)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(shí)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(yōu)方式。

4.總結(jié)

液壓系統(tǒng)污染是導(dǎo)致液壓支架支護(hù)失效的主要因素，只有液壓系統(tǒng)運(yùn)行正常，才能提高支架可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命，降低支架操作工和檢修工的勞動(dòng)量及工作強(qiáng)度，減少配件的消耗，避免一些生產(chǎn)和安全事故的發(fā)生。液壓支架系統(tǒng)污染是客觀存在的，要先提高人們對(duì)液壓系統(tǒng)污染控制的重要性的認(rèn)識(shí)，提高管理人員素質(zhì)，再?gòu)募夹g(shù)上進(jìn)一步研究新的材料和液壓元件，提出使用和維護(hù)注意事項(xiàng)，控制污染也必將出現(xiàn)新的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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[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(tǒng)污染[J].煤炭技術(shù)，2005，24（3）：27-28.

[3]劉鯉粽. 液壓支架系統(tǒng)污染的原因及對(duì)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(tǒng)污染危害性研究[J]. 礦山機(jī)械，2010，38（9）28-33.

[5]左前名，聶文，程衛(wèi)民. 綜放工作面液壓支架噴嘴布置方式優(yōu)化[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39（10）：1-3.

作者簡(jiǎn)介：羅洪恩（1984- ），男，山東鄒城人，2006年畢業(yè)于濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，大學(xué)本科?，F(xiàn)在兗礦機(jī)電設(shè)備制造廠從事液壓支架技術(shù)及生產(chǎn)管理工作，助理工程師。

李磊（1983- ），男，山東鄒城人，2008年畢業(yè)于陸軍學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，大學(xué)本科?，F(xiàn)在兗礦機(jī)電設(shè)備制造廠從事液壓支架研究工作，助理工程師。