液压支架液压系统故障诊断及维修技术研究

马浩野

（西山新技术产业发展中心， 山西 太原 030000）

引言

随着我国煤炭工业的飞速发展，液压支架在综采工作面中的应用越来越广泛[1]。近年来采用液压支架进行工作面支护的比例约占总支护数量的60%，其工作的可靠性直接关系着工作面开采的效率。由于液压系统具有工作压力大、调节装置数量多、液压管路长、启动冲击小等特点，因此对液压系统及其部件的密封性具有较高的要求。液压支架液压系统在实际工作过程中使用极为频繁，主要用于实现液压支架的升、降、推、移等动作，因此液压系统一旦出现故障将直接影响其功能的实现[2-5]。由于液压系统为密闭结构，各组成部分的实际工作情况不能直接观察得到，测量检测不方便[6]。因此结合笔者实际工作及液压系统故障处理经验，对液压支架液压系统故障诊断及维修技术展开研究，对于提高故障诊断与排除效率具有重要的意义。

图1 液压系统图

1 液压支架液压系统组成及常见故障分类

液压支架液压系统的组成如图1所示，主要由前后立柱、各类千斤顶、控制阀、液控单向阀、双向阀、操纵阀等组成，协同完成液压支架的功能控制。液压系统故障主要是指液压回路或者回路中元器件出现问题，导致液压系统不能完成正常工作的现象。其判定原则如下：第一是在规定条件下丧失了应有功能；第二是设定的故障界限值超出了可以接受的范围；第三是组成构件的主要性能指标出现问题。由于液压支架的结构、技术水平、应用环境存在一定差异，相同的故障可能存在不一样原因，因此故障诊断工作较为复杂。

根据液压系统的故障性质、维修难以程度及后果可以将其分为致命故障、严重故障、一般故障、轻微故障。其中致命故障指的是严重危害人身安全，或者引起重大生产事故，产生重大经济损失的故障，如立柱、平衡等主要千斤顶的爆缸，一旦出现必将导致工作面停工停产，甚至伤亡事故；严重故障指的是故障出现会导致液压支架主要零部件的损毁，如活塞及活塞杆的严重划伤、磨损和腐蚀等，导致液压支架丧失支护功能，中断生产；一般故障指的是液压系统零部件的磨损、裂纹、密封失效等，继续使用不会危及液压支架主要零部件的安全，或者易损件到达使用时间，在短时间内即可完成故障的排除，如安全销的折断、立柱及活塞杆表面的划伤、磨损、腐蚀等，各类阀件的轻微泄露与损坏等；轻微故障指的是液压系统非关键部件的损毁、失效等，不会影响液压支架的使用性能，如操作阀架的松动、防锈漆的脱落以及轻微的渗漏等。

2 液压系统故障树的建立

故障树建立过程中将（顶事件）作为故障分析的目标，寻找直接导致该故障的所有可能因素（中间事件），再找出造成下一级故障事件发生的可能因素，直到追查到那些原始、故障概率已知的因素（底事件）为止。

2.1 液压支架液压系统故障树

基于故障树分析方法，结合笔者液压系统故障处理经验，完成了液压系统故障树的建立，如图2所示。其中顶事件T为液压系统故障；S1为千斤顶故障，动作异常或支撑力不足；S2为立柱故障，升降异常或支撑力不足；S3为操纵阀故障，液流噪声或者把手损坏；S4为管路故障，堵塞或泄漏；S5为安全阀故障，异常开启；S6为支撑动作缓慢；S7为支撑力不足，立柱升速及位置不准确；S8为操作把手不灵活；S9为超载，安全阀异常；X1为千斤顶变形不伸缩；X2为泵压低；X3为管路堵塞；X4为多动作同时操作响应慢；X5为千斤顶漏液；X6为泵压低；X7为安全阀调压低；X8为操作时间较短欠压；X9为立柱变形；X10为操作把手损害；X11为把手处存在煤粉；X12为手把工作凸台磨损；X13为把手摆角低于80o；X14为阀体漏液；X15为高压软管老化或损坏漏液；X16为管接头损坏或者密封失效；X17为U形卡折断或者丢失；X18为弹簧失效，安全阀工作异常；X19为弹簧力过大；X20为杂质脏物堵塞过滤器或者控制管路；X21为阀座、弹簧座、弹簧变形卡死；X22为安全阀阀体渗漏。

图2 液压支架液压系统故障树

泵站液压系统作为整个液压支架液压系统的重要组成部分，在综采工作面中承担着为液压支架输送高压乳化液的重任，不仅是液压支架正常工作的动力源泉，还是相关液压装置的动力保证，因此在进行整个液压系统故障分析时需要重点关注泵站液压系统。

2.2 泵站液压系统故障树的建立

在液压支架液压系统故障树基础上完成了液压系统故障树的建立，如图3所示。

图3 泵站液压系统故障树

液压支架的乳化液泵站存在的主要故障形式包括卸荷阀阻塞、安全阀阻塞、乳化液污染，其中前两种故障的出现原因主要是乳化液污染引起的，其他原因分析过程不过多考虑。乳化液泵作为泵站的核心，对其进行故障树的建立与分析非常必要。

3 乳化液泵故障树的建立与分析

3.1 乳化液泵故障树的建立

乳化液泵故障分析采用CAFTA软件工具完成，其具有完善的系统可靠性预测分析功能，能够大大提高系统故障分析的效率。结合笔者的工作经验及理论分析，液压支架工作过程中判断乳化液泵是否出现故障的条件包括容积效率出现明显降低、处于欠压状态、动作异常、出现振动噪声、乳化液温升过高等。通过总结分析乳化液泵产生上述故障的原因在CAFTA软件内部建立了乳化液泵故障树，如图4所示。

图4 乳化液泵故障树

3.2 乳化液泵的故障树仿真运行及结果分析

乳化液泵故障树仿真前设置仿真次数N=3 000次，取T=35 000 h，将其分为10个区间，区间间隔即为3 500 h，之后运行CAFTA故障树分析系统中的可靠性模拟分析模块分析。分析得到底事件的失效概率及重要度如表1所示。由表1可以看出系统的模式重要度为1，说明故障树中或门一下的底事件故障发生必将导致故障树中顶事件的发生。密封件磨损故障相较于其他故障发生的概率较高，其值为0.128，即在同样的仿真过程中其出现故障结果的次数较多。实际工作过程中密封件出现磨损多由乳化液受污染所致，导致乳化液泵的容积效率降低，进而引发故障，因此故障维修过程中要重视乳化液污染问题。

4 乳化液污染故障维修技术

乳化液污染故障主要体现在液压系统组成部件的磨损，如柱塞与缸体配合面的磨损、密封件的磨损等，一旦出现相关的磨损故障，首先需要及时更换磨损件，选用硬度高、耐磨性好的合格产品，保证液压支架的正常工作，提高其工作的可靠性。同时也要检测乳化液的纯净度，出现污染现象必须进行更换，以免对液压系统产生更大的危害。

5 结论

1）完成了对某型号支撑掩护式液压支架液压系统组成的分析，建立了整个液压系统的故障树，结果表明泵站液压系统是系统故障关注的重点；

2）建立了泵站液压系统的故障树，分析得出液压系统故障分析的重点是乳化液泵；

3）运用CAFTA软件建立了乳化液泵的故障树，完成了故障树中底事件发生概率、概率重要度、模式重要度等数据的分析，结果表明密封件磨损故障发生的概率较高，主要原因是乳化液的污染；

表1 失效率与重要度模拟结果

4）基于故障树分析结果提出了乳化液污染故障的维修技术，以期为液压支架日常维护保养工作提供技术支持。