液压系统污染对支架可靠性的影响及控制措施

罗洪恩 李磊

摘要：随着高产高效机械化采煤技术的普遍使用，液压系统污染会造成泵站和支架液压系统故障，不但影响工作面正常支护，还可能影响采煤面正常推进而停产，甚至引发安全事故。本文针对井下液压支架常见故障，分析液压系统污染造成的危害，通过液液分析和铁谱分析找出液压系统的污染源，根据生产管理和技术经验提出相应措施控制污染，降低对液压生产系统设备可靠性和使用寿命的影响，对生产具有实际的指导意义和经济效益。

关键词：支护失效；液压系统污染；磨损氧化物；硬水；降尘

支架液压系统是以乳化液泵站提供的高压液体为动力，通过控制系统控制不同功能的液压缸来完成升降柱、推移输送机和移架等动作，主要由立柱、千斤顶、液压控制阀、胶管和接头等组成。随着液压技术的发展，精密元件的应用越来越广泛，例如先导控制阀、电液换向阀等配件，在很大程度上液压元件和工作介质清洁度决定了支架可靠性和服务年限。

1.井下支架支护失效故障分析

综采面液压支架在生产使用过程中经常出现如操纵阀、液控锁不动作、内窜液，立柱或平衡千斤顶胀缸、窜液，甚至构件变形损坏如柱窝开裂、连接座（包括顶梁、掩护梁）拉断等故障，尤其是立柱胀缸和柱窝开裂故障数量约占20%，个别的采煤工作面高达30%[1]，是影响安全生产和高产高效的严重故障。

1.1立柱胀缸和柱窝开裂故障的原因

液压支架的增阻性主要取决于立柱液控阀和立柱密封性能，其恒阻性和可缩性是通过安全阀实现的。在工作面顶板来压强度明显时，立柱和平衡千斤顶压力升高，与油缸下腔连通的活塞密封、控制阀元件及其密封件、管路、接头等这一系列元件都有可能发生损坏故障，直到液压能得到释放。如果立柱、液控阀、胶管、接头等元件的密封性能可靠，正常的卸压途径安全阀又不能够动作开启卸荷，直至顶板来压引起的应力超过缸体和连接件的许用应力后，就会造成立柱和平衡千斤顶胀缸，甚至柱窝或平衡千斤顶连接座的变形损坏。

在正常质量管控体系下，很少因钢材本身缺陷和焊接质量问题发生胀缸和连接座开裂故障，所以，安全阀不动作是故障分析的重点。在支架大修中经过对大量故障安全阀和其他不动作阀件进行拆检发现，不能正常动作的主要原因是滑阀被附着的污物卡死难以动作、泄液孔道堵塞。经过铁谱分析发现，这些堵塞在安全阀中的附着物成分主要是水垢、粘着擦伤金属颗粒及其氧化物和煤岩粉尘。

1.2 阀件堵塞动作失调

液压系统中的污染物会粘附在操纵阀、单双向锁等液压元件的滑阀、小孔或节流缝隙中，使其变窄变细或卡死堵塞，例如先导控制阀或电液换向阀及滤芯等，从而改变液压系统的工作性能，引起操纵动作失调甚至完全失灵、误动作。这些阀件、滤网堵塞严重时会因阻力过大而将滤网击穿，丧失过滤作用，造成液压系统污染的恶性循环。

1.3 密封失效泄露

进入液压系统中的污染物随乳化液流动而遍布整个液压系统，在经过各类液压元件内部时，略大的颗粒会附着在密封件表面，微小的粉尘对途经的密封件和金属密封面的造成磨损，引起缸体内外表面的拉伤、液压元件漏液，造成立柱不能正常升降、推移千斤顶推拉力不足、安全阀卸压、异响和振动等故障，甚至部件报废。

液压元件中残留的清洗剂、润滑剂和混入乳化液中的有害油脂，与乳化液相互作用发生化学反应，导致乳化液稳定性变差有效成分析出，引起缸体、阀件锈蚀，橡胶密封件变质，过滤网附着污染物的能力降低[2]。

综上所述，液压支架的支护失效主要原因是液压元件受到金属颗粒及其氧化物、水垢、煤尘等的混合物粘附和卡涩堵塞，造成液压元件窜漏液、动作失调、构件破坏泄压等。这些污染物，都有其产生原因，要统筹考虑分析制定应对措施，如果简单更换或维修坏的元件，往往故障转移，此起比伏问题不断。

2.液压系统中的污染物及形成原因

从乳化液泵站到采煤工作面，系统管路总长度都在一千米以上，支架系统接头插口多达上万，在液压系统的工作过程中，其工作介质乳化液难免会被污染。多年的维修过程和检验结果表明，支架液压系统污染源主要有：粉尘、硬水、氧化物、磨损物及残留物、介入污染物、乳化液变质析出等。主要分外部介入污染和系统自身污染两种。

2.1 外部介入污染

外部污染实际上是受环境污染产生的，在支架生产、运输、井下安装、日常使用、检修过程中，由于外部环境不清洁，污染物会粘附在各元件工作面、接口上随液压系统的运行进入乳化液中，污染整个系统。

（1）液压支架各零部件在生产加工过程中难免会在系统内部残留毛刺、切屑、焊渣、磨料等固体颗粒，这些残留物在液压系统污染物中占较高比重。液压系统对元件的飞边、毛刺特别敏感，若不给予提前处理，将成为质量事故隐患[3]。

（2）支架阀件、胶管的敞口接头在周转运输中没有用防尘帽或包装袋包好，以致受到风沙粉尘、雨水等的污染。在井下安装前如果没有对受到污染的液口和接头等元件进行清洁处理，沙尘、锈蚀氧化物和工作面的煤粉等杂质随设备安装而进入液压系统。

（3）井下采煤工作面环境恶劣粉尘大，立柱和各类油缸由于动作时活塞杆裸露在外，直接和空气中的粉尘环境相接触，虽然在缸口导向套上装有防尘圈和密封件等，但是难免有煤粉、岩石砂粒等粉尘等被带入液压系统，砂粒的硬度约为莫氏7度，能够刮伤和磨损钢材。煤矿综采工作面的粉尘主要来源是截割煤层和煤层放顶垮落时产生的煤粉岩尘，以及过断层放炮时的震落粉尘。

（4）支架检修或升井大修，对乳化泵站液压系统进行维修维检时，维修环境差，工人操作不规范，或不进行清洁处理野蠻更换胶管、总成及各类阀件，容易引入各种杂质。甚至把密封圈、棉纱或包装等遗落在液箱内，这些污染物都可能导致突发故障。另外，乳化液箱的加液口、通气孔、乳化液桶等也都是污染物侵入的通道。

2.2 液压系统自身污染

（1）氧化物

当乳化液中存在着混入系统的切屑、毛刺等金属颗粒时，经过较长时间系统不断循环，与高含水乳化液反应产生锈蚀，锈蚀氧化物又不断刮擦金属表面形成新的金属颗粒，也使液压元件表面受到腐蚀氧化，严重损害密封性能。

（2）磨损物

主要是支架液压元件如立柱、千斤顶、阀等工作过程中，金属接触面发生摩擦在各个机械磨损阶段的磨损物，和已经进入液压系统的介入杂质在流经金属或非金属表面时产生刮擦产生的磨损物。

（3）硬水

在检修过程中经常可看到阀类液压元件表面粘结着一层坚固、难以去除的沉淀物，就是硬水造成的硫化氯化物，俗称水垢，再与粉尘、氧化物和磨损物等杂物混合在一起.在高压乳化液作用下压实几乎成为固体.具有较高的强度。这种物质板结力很强，牢牢地粘附在元件表面产生阻滞，加上硬水沉淀垢的作用，使得液孔通道变窄变细而更容易堵塞，造成液压元件失效。

水的硬度过高，会造成所配制乳化液的稳定性很差，并会影响乳化液的抗腐蚀能力，从而引起设备腐蚀。天然水的硬度取决于钙镁离子的含量，水中的硫酸钙、硫酸镁含量过高，水的PH值就低，呈酸性水，有腐蚀性。水中的硫酸根和氯根都会加快金属腐蚀，特别是氯化镁，它可以使金属腐蚀产生恶性循环[4]。

（4）析液析皂

我国目前所使用液压支架用乳化液，在使用中往往出现一些析液析皂现象，再与粉尘结合共同堵塞阀芯、滤网等液压元件，并且产生水污染，同时也可能会对矿井下工作的工人的身体健康产生危害。水中的钠、钙、镁盐等氯化物含量过多时会引起盐析反应，造成乳化油中的有效成分溶解度降低而皂化析出。水质硬度越高，越容易使乳化液呈现出浑浊不均匀的状态；

在液压元件金属接触面上涂抹的润滑脂也会溶解到乳化液中变质，污染液压系统。支架使用的不合格乳化液在系统中发霉变臭，孳生细菌，产生各种有害菌群。正常工作条件下，乳化液的工作温度在30℃～40℃之间，当温度达到60℃或以上时，长时间使用也会使乳化液变质，就应停止工作。

3.控制支架液压系统污染的措施

造成支架液压系统污染的影响因素是多重的，以现有的材料和技术，从根本上避免液压系统的污染是很难做到的，但可以从支架生产、运输、井下安装、日常使用和检修等环节采取有效的措施，最大程度地降低或避免污染。

3.1 减少自身污染，配备乳化液检测仪器设备，提高监督检查能力及手段

（1）关注配液水质，加强水质监管。尽量选用无悬浮物、氯化物和硫化物含量较低，PH值6～9的中性水。必要时可以对水进行软化处理，减少硬水中的钙镁等离子的影响。

（2）依据实际配制乳化液用水的硬度等指标，合理选用乳化油，严格执行MT76-2011中配比标准。例如HFAE15-5乳化油（原ME15-5）适用于最高硬度为750mg/L、最高硫酸根离子含量为720mg/L的水质，配成5%质量比浓度的乳化液使用。由于不同类别型号的乳化油化学成分不同，最好不要混用，否则乳化液性质将发生变化，造成内部污染。

（3）常用乳化油和浓缩液的凝点不大于-5℃，一旦冻住，乳化液就将报废，失去作用。过高的温度也将使乳化液降低使用寿命。所以，一般乳化液的储存温度为+5℃～+30℃。如果支架或其液压部件长时间在低于-5℃时存放，应将内部的液体换成防冻液。

（4）保证泵站系统正常，检查泵站供液系统和支架液压系统的粗、高精过滤器和磁性过滤器、反冲洗过滤器等元件的完好与性能可靠，定期进行冲洗清理。

3.2减少外部污染，要求操作者每个工序都要注意清洁，最大限度地降低外部污染物的介入

（1）在液压系统零件生产加工时注意加工表面的毛刺残留，在零件组装前用清洗液清洗或压缩空气冲刷，以确保表面洁净度。如在组装液压缸前要清洗干净缸筒内壁的酸洗结晶和油污，阀件孔道内壁的加工切屑等。已装配完的液压元件、组件暂不进行安装时，应将其所有液口遮盖或用塑料帽堵住。

（2）液压元件在组装过程中不要使用钙基和钠基润滑脂进行润滑，避免其溶解到乳化液中加重水的硬度，变质发生析液析皂，可以使用乳化油进行涂抹润滑。

（3）液压元件、组件、胶管及支架运输中应注意防尘防雨，要对敞口液压元件和胶管加装塑料帽堵住。使用前應注意检查液口是否用塑料帽堵住，包装是否完好受到污水侵入，对受到污染的液口及接头必须处理后再组装。

（4）在系统调试和试生产时，必须按照操作规程进行液压系统的回液排空和彻底清洗，排出之前工序残留或侵入杂质，如将长期存放的油缸腔体内锈蚀变质的脏水排出，残留在立柱缸底和阀腔的煤粉、颗粒和铁屑等冲出系统。

（5）对设备进行维护检修，特别是支架大修时，一定要在环境清洁的场所内进行，拆下的零部件放在干净的地方。对液压元件不要在井下检修，应整体更换。加强乳化液泵站日常维护，盖严液箱盖，及时清理进入乳化液箱内的杂物和液面皂化漂浮物，至少每月清洗一次液箱内壁。

（6）提高系统配置，增加支架反冲洗过滤器或在泵站进出口增加高压过滤站，过滤站每天清洗和反冲一次，同时定期清洗、更换各种过滤器，提高过滤效率，减少污染。

（7）综采放顶煤生产过程中，对比普采增加了新的煤尘源，必须优化支架喷雾装置布置方式，采用随动系统控制，提高降尘效果。前探梁喷雾垂直于煤壁方向、架间喷雾角度为45°、喷雾压力为8MPa时的支架喷雾降尘效果最佳[5]，是综放工作面液压支架喷嘴布置的最优方式。

4.总结

液压系统污染是导致液压支架支护失效的主要因素，只有液压系统运行正常，才能提高支架可靠性，延长其使用寿命，降低支架操作工和检修工的劳动量及工作强度，减少配件的消耗，避免一些生产和安全事故的发生。液压支架系统污染是客观存在的，要先提高人们对液压系统污染控制的重要性的认识，提高管理人员素质，再从技术上进一步研究新的材料和液压元件，提出使用和维护注意事项，控制污染也必将出现新的进步。

参考文献：

[1]尚慧玲. 液压支架的生产安全可靠性研究及应用[J]. 液压与气动，2011（6）：103-108.

[2] 王文江，宋钧，张顺朝，等. 合理配制乳化液控制液压支架液压系统污染[J].煤炭技术，2005，24（3）：27-28.

[3]刘鲤粽. 液压支架系统污染的原因及对策[J]. 煤矿开采，2010，15（6）：68-70.

[4]尚慧玲，张新城，楚绍辉. 支架液压系统污染危害性研究[J]. 矿山机械，2010，38（9）28-33.

[5]左前名，聂文，程卫民. 综放工作面液压支架喷嘴布置方式优化[J]. 工业安全与环保，2013，39（10）：1-3.

作者简介：罗洪恩（1984- ），男，山东邹城人，2006年毕业于济南大学机械工程学院机械设计制造及其自动化专业，大学本科。现在兖矿机电设备制造厂从事液压支架技术及生产管理工作，助理工程师。

李磊（1983- ），男，山东邹城人，2008年毕业于陆军学院机械工程学院机械设计制造及其自动化专业，大学本科。现在兖矿机电设备制造厂从事液压支架研究工作，助理工程师。