超純水介質(zhì)液壓支架改造的技術(shù)研究

羅 宇

(神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心， 陜西省榆林市，719315)

★ 煤炭科技·機電與信息化★

超純水介質(zhì)液壓支架改造的技術(shù)研究

羅 宇

(神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心， 陜西省榆林市，719315)

介紹了現(xiàn)有液壓支架采用乳化液作為介質(zhì)的工作特點，分析了采用超純水介質(zhì)的技術(shù)可行性及重要意義，對超純水指標(biāo)和制備裝置進(jìn)行了選型，詳細(xì)闡述了采用超純水介質(zhì)取代乳化液介質(zhì)的具體方案。試驗結(jié)果表明，采用超純水取代乳化液工作介質(zhì)未出現(xiàn)漏液和滲液現(xiàn)象，技術(shù)上完全可行，不僅能夠大大節(jié)約煤礦生產(chǎn)成本，而且可以避免對井下水資源的污染，真正實現(xiàn)煤礦綠色開采。

液壓支架 超純水介質(zhì) 乳化液 技術(shù)改造

1 液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)特性分析

1.1 乳化液和超純水特性對比分析

與乳化液的特性相比，采用超純水作為液壓支架的工作介質(zhì)具有節(jié)約成本和無污染等很多優(yōu)點，但由于超純水介質(zhì)和乳化液介質(zhì)之間物理和化學(xué)性能存在較大差異，這給用超純水取代乳化液作為液壓支架工作介質(zhì)這項技術(shù)的研究和運用帶來了極大地困難。超純水和乳化液特性對比見表1。

表1 超純水和乳化液特性對比

由表1可以看出，超純水與乳化液相比具有粘度低、潤滑性差、導(dǎo)電性強以及汽化壓力高等特點，因此考慮到超純水介質(zhì)的理化特性，在研究采用超純水介質(zhì)作為液壓支架的工作介質(zhì)和應(yīng)用過程中，主要應(yīng)該解決潤滑、磨損、腐蝕和氣蝕等幾個方面的問題。隨著新材料和新科技的不斷發(fā)展，可以應(yīng)用一些新型材料如精細(xì)陶瓷、增強塑料以及新的表面處理方法來提高元件的耐磨和抗蝕能力。同時對于機械機構(gòu)的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，也可以減小或避免泄漏、磨損、腐蝕和氣蝕等的影響，并采用先進(jìn)制造技術(shù)和智能技術(shù)，保證加工精度和質(zhì)量。

1.2 采用超純水介質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)難點

(1)密封與潤滑問題。超純水的粘度為0.55～1 mm2/s，大約為乳化液的1/50～1/40，所以如果在相同的壓力下，超純水通過相同密封縫隙的泄漏流量將是油介質(zhì)的20倍以上，這將大大降低整個系統(tǒng)的容積效率。

(2)耐磨損問題。由于超純水本身的潤滑性能較差，摩擦副的固體表面經(jīng)常處于直接接觸狀態(tài)，很容易受到磨損。同時，超純水的腐蝕作用也會大大加速磨損的進(jìn)程和加劇磨損的破壞程度。另外超純水介質(zhì)中的微細(xì)污染物和內(nèi)部殘留磨屑的侵入會導(dǎo)致三相磨損，使得超純水介質(zhì)的液壓元器件的壽命大大縮短，系統(tǒng)發(fā)生故障的頻次會大大增加。

(3)耐腐蝕問題。由于超純水的導(dǎo)電性較強，比乳化液高數(shù)億倍甚至數(shù)百億倍，因此可以引起絕大多數(shù)金屬材料的電化學(xué)腐蝕和大多數(shù)高分子材料的化學(xué)老化，也會導(dǎo)致液壓元器件的材料受到很大程度的破壞。即使應(yīng)用陶瓷材料作為金屬零件的表面涂層，也無法避免涂層或粘結(jié)層中特定相的選擇性析出以及基體界面的縫隙腐蝕。

(4)抗氣蝕問題。由超純水的特性可知，超純水的汽化壓力很高(如50℃時為12.2 MPa)，是乳化液的近千萬倍，加之超純水中含有約2%(體積比)的空氣和大量微生物，非常容易發(fā)生超純水汽化現(xiàn)象，引起氣蝕，從而引起零件表面材料剝蝕，損壞過流的固體表面和密封件。同時氣蝕還會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的流量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生壓力波動、振動和噪聲，帶來諸多不良影響，導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)壽命大大受損。

(5)液壓沖擊、振動和噪聲。由于超純水的密度比乳化液大10%、壓縮性比乳化液小25%、聲速比乳化液高10%，因此與乳化液液壓相比，在超純水為介質(zhì)的液壓傳動系統(tǒng)中，由于閥門開關(guān)的突然啟閉引起超純水的流動狀態(tài)發(fā)生變化時，很容易引起傳動系統(tǒng)更大的液壓沖擊、振動和噪聲。通過實驗表明，水基液壓系統(tǒng)同液基液壓系統(tǒng)相比有更大的壓力波動和響應(yīng)特性。

2 超純水介質(zhì)液壓支架改造技術(shù)研究

基于以上工作介質(zhì)的特性分析，為了減少對環(huán)境的污染和降低成本，成套液壓支架超純水介質(zhì)改造只要解決潤滑、磨損、腐蝕和氣蝕等幾方面問題即可實現(xiàn)，主要涉及到泵站、支架及超純水制備裝置三大部分的改造。

2.1 超純水介質(zhì)泵站改造方案

由于超純水存在粘度低、潤滑性差和易造成元件腐蝕等缺點，故超純水介質(zhì)的舊泵站改造涉及到以下幾個方面的問題：

(1)泵頭組件。泵頭殼體、高低壓泵頭連接片、襯套、彈簧和吸排閥芯全部選用1Cr17Ni2不銹鋼材質(zhì)，1Cr17Ni2作為馬氏體不銹鋼，由于其Cr和Ni元素比重及結(jié)合合理，從而導(dǎo)致該種材料具有不銹性以及耐酸、堿、鹽腐蝕的特性，主要用于泵、閥及彈簧組件。

(2)盤根密封。考慮到超純水的潤滑性較差，選用帶有一定自潤滑性的SLPU材質(zhì)。

(3)接頭及膠管。緊固接頭及膠管接頭使用鍍鋅鎳合金材料。

(4)液箱。乳化液泵和噴霧泵均采用獨立液箱，箱體板材、法蘭及鋼管等零部件材料均采用304不銹鋼，不銹鋼板厚度不小于6 mm，配置液位觀察窗，箱體前后兩側(cè)均預(yù)留液位傳感器安裝位置；結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分考慮礦井水特點，具有紊流、消泡和沉淀等功能，有效地降低液箱維護(hù)量，保證介質(zhì)清潔。

(5)其他部件。根據(jù)噴霧泵站大修和檢修歷史的記錄情況，泵站高壓過濾器、儲能器、增壓泵及其他系統(tǒng)可以完全滿足超純水介質(zhì)的要求。

2.2 超純水介質(zhì)液壓支架改造方案

(1)結(jié)構(gòu)件。對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行噴砂后噴漆處理，對變形的部位進(jìn)行壓整，新補制部分短缺的銷軸。

(2)立柱。立柱活柱表面、中缸外表面采用激光熔覆，插頭采用板式不銹鋼鍍鋅鎳合金，用不銹鋼螺栓固定在立柱上，中缸和外缸采用內(nèi)壁熔銅，活塞桿表面采用激光熔覆，通液管采用鍍鋅鎳合金，立柱結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 立柱結(jié)構(gòu)形式

(3)平衡油缸。平衡油缸活塞桿表面采用激光熔覆，缸筒內(nèi)壁熔銅，平衡油缸結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 平衡油缸結(jié)構(gòu)形式

(4)其他小油缸。其他小油缸缸筒全部采用鹽浴處理，活塞桿大于120 mm的采用激光熔覆，小于120 mm的采用鹽浴處理。

(5)導(dǎo)向套。導(dǎo)向套使用不銹鋼材質(zhì)1Cr17Ni2(通過表面處理提高硬度和耐磨性，可以作為導(dǎo)向元件)，復(fù)合滲鹽浴項目實施后，試驗滲鹽浴工藝在超純水條件下的耐腐蝕性能。

(6)閥。乳化液具有防銹性和一定的潤滑性，運動粘度約為5 mm2/s，Ph值約為8，與去離子水存在較大差異。不同輔助閥產(chǎn)品的功能、規(guī)格和結(jié)構(gòu)各異，但功能元件組成基本一致，包括閥體(閥套)、閥芯(鋼球)、閥座、密封圈、螺套等。閥體(閥套)材料原先為鐵素體組織低碳高鉻易切削鋼，表面再輔以鈍化工藝，能夠滿足乳化液介質(zhì)環(huán)境。在去離子水介質(zhì)中，將閥體材料替換為1Cr17Ni2材質(zhì)后，該材料強度有所提高。同時由于該材料中Ni元素的含量較高，因此對大部分氧化性酸和有機酸具有良好的耐蝕性；閥芯零件頻繁啟閉，為了保證密封可靠，需要較高的硬度以提高其抗氣蝕和沖蝕磨損的能力。閥芯原先采用9Cr18材料，該材料由于含碳量偏高，在去離子水介質(zhì)中耐蝕性存在不足。根據(jù)乳化泵吸排液閥上的使用經(jīng)驗，將閥體材料替換為05cr17ni4cu4nb，該材料為沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，強度和淬硬性有所提高，且抗蝕性與304基本一致；閥座與閥芯構(gòu)成密封副以保證可靠密封，將閥座材料全部替換為工程塑料PEEK。PEEK材料具有一定自潤滑性能，抗滑動磨損和抗微動磨損能力優(yōu)良，且不存在腐蝕的可能；密封圈為丁氰橡膠材料，硬度介于70～90 SH之間，根據(jù)文獻(xiàn)資料，丁氰橡膠材料在淡水介質(zhì)中動靜密封特性表現(xiàn)良好，無需替換；螺套零件通過螺紋與閥體連接，考慮到螺紋粘扣的影響，螺套材料由3Cr13替換為17Cr16Ni2，強度和耐蝕性均得到提高；除閥體、閥芯、閥座、密封圈和螺套外，其余組成部分主要提高耐蝕性能，考慮到切削性能，全部替換為1Cr17Ni2。

(7)管路、接頭方面。綜采工作面液壓系統(tǒng)附件主要包括管路和過濾站濾芯等元件，由于高壓管路由內(nèi)膠管和外鋼絲層組成，故其能適應(yīng)高壓超純水介質(zhì)；接頭采用1Cr17Ni2材料，經(jīng)過試驗測試驗證，該種材料有較好的強度和防腐性能，經(jīng)鹽霧試驗機72 h后未發(fā)現(xiàn)明顯銹蝕，為了防止國產(chǎn)材料的純度影響到系統(tǒng)污染，通過對接頭噴涂鋅鎳合金作為二次防護(hù)；濾芯材料選用耐蝕性好的不銹鋼316材料經(jīng)過多層折彎處理后制成，從而適應(yīng)超純水介質(zhì)，經(jīng)試驗測試驗證，使用半年后沒有出現(xiàn)銹蝕問題，故該部件能適應(yīng)超純水介質(zhì)；U形卡采用65 Mn鍍鋅鎳合金。

(8)密封方面?，F(xiàn)有液壓支架上的液壓油缸和閥采用的密封材質(zhì)為聚氨酯密封，該密封材質(zhì)主要適用于常溫、無濕汽、耐壓和耐磨的往復(fù)場合。但是井下工作面工作壓力較大，隨著工作溫度的逐漸升高，聚氨脂的性能開始逐漸降低。當(dāng)溫度升高至110℃ 以上時，聚氨脂密封圈就完全失去了使用價值，聚氨脂材質(zhì)的耐溫性差和水解性強等弱點決定了其不適合應(yīng)用于超純水介質(zhì)液壓系統(tǒng)。

由于超純水粘度低及潤滑性較差，在柱塞往復(fù)運動過程中，如果使用傳統(tǒng)密封圈，其損耗會加大，極易造成密封圈拉絲或者密封圈水解，這兩種情況均會使液壓缸液壓閥壽命降低。因此密封采用耐水解自潤滑聚氨酯材質(zhì)，選用帶有一定自潤滑性的SLPU，具體密封材質(zhì)為：活塞密封材質(zhì)為SLPU/NBR/POM；導(dǎo)向環(huán)材質(zhì)為酚醛樹脂；靜密封材質(zhì)為SLPU；活塞桿密封材質(zhì)為SLPU/NBR/POM；防塵圈材質(zhì)為SLPU。

2.3 超純水制備

(1)超純水指標(biāo)。超純水是指將水中的導(dǎo)電介質(zhì)全部去除，又將水中不離解的膠體物質(zhì)、氣體和有機物均去除至較低程度的水。這種水中除了水分子(H2O)外，幾乎沒有什么雜質(zhì)，更沒有細(xì)菌、病毒、含氯二惡英等有機物，也沒有人體所需的礦物質(zhì)微量元素，超純水無硬度，口感較甜，常稱為軟水，可直接飲用。超純水中有機物含量由測定有機物碳含量而定，電子工業(yè)超純水中規(guī)定超純水中有機物碳含量為50～200 μg/L，并要求直徑大于1 μm的顆粒性物質(zhì)含量為1～2個/mL，微生物含量為0～10個/mL?，F(xiàn)代采用預(yù)處理、電滲析、紫外線殺菌、反滲透、離子交換、超濾和各種膜過濾技術(shù)等，使超純水的電阻率在25℃時達(dá)到18 MΩ·cm。

(2)超純水制備原理。超純水制備裝置由水箱、自動反洗超過濾器濾、一級反滲透、二級反滲透、EDI裝置等構(gòu)成，超純水設(shè)計機理是將普通水經(jīng)自動反洗超過濾器濾、一級反滲透、二級反滲透、EDI電去離子除鹽系統(tǒng)等裝置生產(chǎn)出超純水，具體流程為：原水來水→減壓閥→原水箱→提升泵→殺菌劑投加→機械過濾器→微濾過濾器→超濾過濾器→中間水箱→增壓泵→阻垢劑投加→保安過濾器→一級高壓泵→一級反滲透系統(tǒng)→堿計量投加裝置→二級高壓泵→二級反滲透系統(tǒng)→超純水箱→EDI供水泵→EDI水處理系統(tǒng)→EDI儲水水箱→泵站→液壓支架。超純水制備原理圖如圖3所示。

圖3 超純水制備原理圖

3 液壓支架立柱試驗情況

神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心在檢修車間對改造后的液壓支架立柱進(jìn)行了試驗，試驗選用3根4.5 m的支架立柱，其中3根立柱活柱以及中缸表面均采用激光熔覆處理，外缸和中缸內(nèi)壁均采用熔銅工藝處理，內(nèi)外表面粗糙度符合要求。3根立柱密封均為自潤滑聚氨酯材料，采用3個供應(yīng)商提供的密封產(chǎn)品。試驗所用介質(zhì)為車間未經(jīng)過處理的自來水，試驗過程為立式伸縮動作試驗和立柱加載測試臺加載測試。對供應(yīng)商1提供的密封產(chǎn)品進(jìn)行立式伸縮動作試驗950次，加載測試25次；對供應(yīng)商2提供的密封產(chǎn)品進(jìn)行立式伸縮動作試驗1550次，加載測試25次；對供應(yīng)商3提供的密封產(chǎn)品進(jìn)行立式伸縮動作試驗1000次，加載測試25次。在以上試驗過程中，液壓支架立柱未出現(xiàn)漏液和滲液現(xiàn)象，試驗全部正常。

4 結(jié)論

在現(xiàn)有以乳化液為工作介質(zhì)的液壓支架基礎(chǔ)上，通過對泵、支架結(jié)構(gòu)件、油缸、密封和水質(zhì)等方面的改造，在技術(shù)上采用超純水取代乳化液工作介質(zhì)是完全可行的，一方面可以大大節(jié)約煤礦生產(chǎn)成本，以神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司布爾臺礦千萬噸礦井為例，平均每月消耗乳化液23730 kg(113桶，每桶210 kg)，費用約為19.4萬元(單價為8.18元/ kg)，液壓支架消耗乳化液費用約為232萬元/a。神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司按照2億t/a的煤炭產(chǎn)量計算，則公司一年乳化液的購置費用約為4640萬元。如果液壓支架介質(zhì)改為超純水，就可以大大降低煤礦生產(chǎn)成本。采用超純水取代乳化液工作介質(zhì)另一方面可以避免乳化液對井下水資源的污染，實現(xiàn)煤礦綠色開采。

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(責(zé)任編輯 路 強)

Thetechnicalresearchonultrapurewatermediumhydraulicsupportmodification

Luo Yu

(Equipment Maintenance Center， Shenhua Shendong Coal Group Co., Ltd, Yulin, Shaanxi 719315, China)

This paper briefly introduced the structure and working principle of hydraulic support, It also gives a detailed analysis of the working characteristics of existing hydraulic support using emulsion as medium, ultrapure water medium is analyzed the technical feasibility and important significance.Analyses the ultrapure water index and preparation plant and selection, the characteristic of resistance to hydrolysis self-lubrication sealing material, the resistance of hydraulic support used hydrolysis has carried on the detailed discussion of self-lubricating seal, this paper discusses the hydraulic support cylinder, the structure of the remanufacturing way, ultrapure water medium is proposed to replace the concrete scheme of emulsion medium, and carried on the detailed analysis and research on project.

hydraulic support, medium, ultrapure water, modification

羅宇.超純水介質(zhì)液壓支架改造的技術(shù)研究 [J].中國煤炭，2017，43(8)：96-99，137. Luo Yu. The technical research on ultrapure water medium hydraulic support modification [J].China Coal，2017，43(8)：96-99，137.

TD355.4

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羅宇(1979-)，男，陜西榆林人，高級工程師，現(xiàn)任職于神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)備維修中心技術(shù)部經(jīng)理，主要研究方向為井工礦采掘設(shè)備維修、再制造技術(shù)以及礦用設(shè)備的研發(fā)。