煤礦設(shè)備液壓系統(tǒng)在線過(guò)濾系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

劉云飛，楊戴明，劉美鮮，韓麗娟，麻玉師，劉同岡

1內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000

2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

煤炭生產(chǎn)設(shè)備常工作于遍布渾濁或帶腐蝕的水洼以及充斥顆粒粉塵的環(huán)境中，其液壓系統(tǒng)極易受到污染[1]。液壓油的清潔度是否達(dá)標(biāo)直接影響液壓系統(tǒng)能否長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[2]。由于液壓系統(tǒng)處于高壓環(huán)境中工作，系統(tǒng)中任何不規(guī)則形狀的污染物劃過(guò)和沖擊內(nèi)部組件時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)磨損、刮擦，使系統(tǒng)中產(chǎn)生更多的磨損顆粒和污染物。為提高液壓系統(tǒng)的工作效率，其系統(tǒng)元件的制造及配合精度越來(lái)越高，但對(duì)污染物的敏感尺寸卻越來(lái)越小[3]。因此，要保證液壓系統(tǒng)的可靠工作，設(shè)計(jì)并使用凈化設(shè)備控制污染度是一種經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段。

過(guò)濾是油液凈化技術(shù)中的一種重要物理方法，高精度的濾芯可以分離出 1 μm 的固體顆粒。這種過(guò)濾對(duì)環(huán)境、人員操作水平要求較為寬松，在高清潔度要求的場(chǎng)合具有較好的污染控制效果，因此在大型設(shè)備的液壓和潤(rùn)滑系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛[4]。目前，液壓油過(guò)濾主要采用定期過(guò)濾，在一定程度上可以改善液壓油清潔度。但是，定期的過(guò)濾周期及循環(huán)次數(shù)多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，無(wú)法保證在液壓油污染度超標(biāo)時(shí)及時(shí)加以凈化過(guò)濾，也無(wú)法保證過(guò)濾后液壓油的清潔度是否符合要求。

因此，為了保持液壓油的清潔度，筆者針對(duì)煤礦設(shè)備的液壓油系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種在線過(guò)濾系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)改善液壓油清潔度、提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力，并結(jié)合油液理化指標(biāo)、鐵譜磨粒分析對(duì)凈化效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)[5-6]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

過(guò)濾系統(tǒng)總體方案如圖 1 所示。該過(guò)濾系統(tǒng)主要由在線式顆粒計(jì)數(shù)器、控制閥組、過(guò)濾裝置、PLC 控制系統(tǒng)組成。顆粒計(jì)數(shù)器與控制閥組串聯(lián)在液壓系統(tǒng)中，顆粒計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的污染度，并將污染度信號(hào)傳輸至 PLC 控制系統(tǒng)。當(dāng)液壓油污染度未超標(biāo)時(shí)，液壓油完成工作后直接流回液壓油箱中；當(dāng)液壓油污染度超標(biāo)時(shí)，由PLC 控制電磁閥導(dǎo)通過(guò)濾旁路，液壓油經(jīng)過(guò)濾裝置過(guò)濾后回流到液壓系統(tǒng)中。并且在線顆粒計(jì)數(shù)器持續(xù)監(jiān)測(cè)油液的污染度，直至污染度小于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，PLC 控制電磁閥才關(guān)閉過(guò)濾旁路。

圖1 過(guò)濾系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of filtration system

2 過(guò)濾裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓油在線過(guò)濾系統(tǒng)如圖 2 所示，主要由在線式顆粒計(jì)數(shù)器、控制閥組、三級(jí)過(guò)濾裝置組成。

圖2 液壓油在線過(guò)濾系統(tǒng)Fig.2 Online hydraulic oil filtration system

在線式顆粒計(jì)數(shù)器采用遮光法原理研制，被遮擋的磨損顆粒會(huì)影響電壓脈沖的變化，所以能夠統(tǒng)計(jì)其數(shù)量和直徑。該顆粒計(jì)數(shù)器顆粒檢測(cè)范圍為 1～600 μm，可實(shí)時(shí)給出所測(cè)油樣的顆粒計(jì)數(shù)及污染度等級(jí)。其結(jié)構(gòu)小巧，可直接安裝在液壓系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓油污染度。同時(shí)，它具有標(biāo)準(zhǔn)串行 RS485 接口，可外接 PLC。

伊泰集團(tuán)的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，煤礦設(shè)備每 100 mL 液壓油中，直徑在 50 μm 以下的污染物數(shù)量占總量的 90%，其中鐵磁性顆粒數(shù)量占到 70% 以上。因此該過(guò)濾裝置采用梯度過(guò)濾方式，由磁過(guò)濾器-粗過(guò)濾器-精密過(guò)濾器三級(jí)過(guò)濾器組成，三者串聯(lián)安裝于主液壓系統(tǒng)的旁路中。磁過(guò)濾器用于過(guò)濾液壓油中的鐵磁性顆粒，避免精密濾芯的堵塞；網(wǎng)式粗過(guò)濾器用于濾除直徑較大的顆粒，降低精密過(guò)濾器的過(guò)濾負(fù)荷；精密過(guò)濾器可以濾除油液中的水分 (避免其通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成酸) 及 1 μm 以上直徑的污染物，提高液壓油的最終品質(zhì)，使液壓系統(tǒng)處于良好工況。

控制閥組包含電磁換向閥、流量控制閥和溢流閥。其中電磁換向閥為二位三通閥，由電磁線圈和磁芯組成，通過(guò)控制線圈的通電或斷電，改變磁芯位置，達(dá)到調(diào)整流體方向的目的。

3 PLC 控制模塊開(kāi)發(fā)

3.1 PLC 控制電路設(shè)計(jì)

控制模塊采用 S7-200 PLC 實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)處理、開(kāi)關(guān)量邏輯控制及閥組控制，主要包括 CPU 模塊、電源模塊與輸入、輸出單元等。根據(jù)各硬件設(shè)備選型和硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成液壓油自動(dòng)過(guò)濾控制系統(tǒng)的硬件接線，S7-200 PLC 模塊接線如圖 3 所示。其中輸入模塊連接顆粒計(jì)數(shù)器、手動(dòng)過(guò)濾開(kāi)關(guān)等，接收模擬量與數(shù)字量的輸入信號(hào)；輸出模塊連接電磁換向閥、報(bào)警指示燈、顯示屏等，輸出模擬量與數(shù)字量信號(hào)；電源模塊由 L+與 M 外接 24V DC 電源供電。

圖3 S7-200 CPU 模塊接線圖Fig.3 Wiring diagram of S7-200 CPU module

3.2 系統(tǒng)控制流程

液壓油在線過(guò)濾系統(tǒng)流程如圖 4 所示。在登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置。首先對(duì)液壓油的清潔度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)定：標(biāo)準(zhǔn)值 1 為設(shè)備在用液壓油的污染度等級(jí)預(yù)警上限；標(biāo)準(zhǔn)值 2 為設(shè)備在用液壓油的污染度等級(jí)報(bào)警上限；標(biāo)準(zhǔn)值 3 為過(guò)濾凈化后應(yīng)達(dá)到的清潔度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)可根據(jù)設(shè)備工況要求選擇自動(dòng)模式或者手動(dòng)模式。自動(dòng)工作模式下，通過(guò)在線顆粒計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)中液壓油污染顆粒的數(shù)量分布，當(dāng)污染度超過(guò)設(shè)定值標(biāo)準(zhǔn) 2 時(shí)，由PLC 控制電磁閥自動(dòng)換向，改變液壓油流向三級(jí)過(guò)濾裝置實(shí)現(xiàn)過(guò)濾凈化。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的持續(xù)過(guò)濾，當(dāng)液壓油的清潔度達(dá)到設(shè)定值標(biāo)準(zhǔn) 3 時(shí)，控制電磁閥組自動(dòng)關(guān)閉過(guò)濾旁路。此過(guò)程不斷循環(huán)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)液壓油的污染度在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)凈化。手動(dòng)工作模式下，可以在液壓油污染度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值 1 時(shí)，通過(guò)手動(dòng)按鈕下達(dá)指令進(jìn)行強(qiáng)制超前過(guò)濾，從而保證液壓油的清潔度達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 液壓油在線過(guò)濾系統(tǒng)流程Fig.4 Flow chart of onlinehydraulic oil filtration system

3.3 控制軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述液壓油在線過(guò)濾系統(tǒng)工作流程，開(kāi)發(fā)了液壓油污染度在線監(jiān)測(cè)與自動(dòng)凈化系統(tǒng)的通信及控制軟件。該軟件能夠?qū)崟r(shí)接收在線顆粒計(jì)數(shù)器發(fā)送的污染度信息，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)繪制出污染度的變化趨勢(shì)，其界面如圖 5 所示。該軟件可設(shè)置預(yù)警線和報(bào)警線，當(dāng)液壓油的污染度達(dá)到預(yù)警線 (標(biāo)準(zhǔn)值 1) 時(shí)，此時(shí)工作人員可以根據(jù)需要手動(dòng)下達(dá)過(guò)濾操作命令；如果工作人員沒(méi)有進(jìn)行人工操作，則在污染度等級(jí)達(dá)到報(bào)警線 (標(biāo)準(zhǔn)值 2) 時(shí)，觸發(fā)自動(dòng)過(guò)濾凈化功能。

圖5 在線過(guò)濾系統(tǒng)界面Fig.5 Interface of online filtration system

該系統(tǒng)同時(shí)配置顯示屏，便于工作人員在現(xiàn)場(chǎng)查看液壓油污染度信息，分別顯示當(dāng)前液壓油中 ＜5、5～ 15、15～ 25、25～ 50、50～ 100 及 ＞100 μm 的 6個(gè)尺寸通道的顆粒數(shù)量，并顯示此污染度的評(píng)級(jí)，同時(shí)將根據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)給出綜合結(jié)果報(bào)告，如符合標(biāo)準(zhǔn)，則為 OK。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該在線過(guò)濾系統(tǒng)的使用效果，在伊泰集團(tuán)西召煤礦投入使用該在線過(guò)濾系統(tǒng)，并進(jìn)行為期 6個(gè)月的試驗(yàn)。在試驗(yàn)前先進(jìn)行一次取樣，油樣編號(hào)為1，之后隨機(jī)對(duì)液壓油進(jìn)行 5 次采集，油樣編號(hào)為 2～6。每次取液壓油 200 mL，其中 180 mL 液壓油進(jìn)行理化指標(biāo)的檢測(cè) (包括 40 ℃ 運(yùn)動(dòng)黏度、含水率、酸值)，20 mL 液壓油用于鐵譜磨粒分析，評(píng)價(jià)液壓元件的磨損程度。

液壓油理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，液壓油 40 ℃ 運(yùn)動(dòng)黏度在投入過(guò)濾系統(tǒng)使用之后基本保持穩(wěn)定，酸值和含水率在過(guò)濾后明顯降低，且后續(xù)保持平穩(wěn)，一直都能達(dá)到正常的使用標(biāo)準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀對(duì)液壓油磨粒檢測(cè)的結(jié)果如圖 7 所示。由圖 7 可以看出，隨機(jī)采集的液壓油中的磨粒均為正常磨損顆粒，且在試驗(yàn)期間總磨損顆粒體積分?jǐn)?shù)大幅度降低，磨粒平均尺寸從 8 μm 降到 2 μm。這說(shuō)明設(shè)計(jì)的在線過(guò)濾系統(tǒng)能較好地維持油液理化指標(biāo)在正常范圍，改善了液壓設(shè)備元件的磨損情況。

圖6 液壓油理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Test results of physicochemical indexes of hydraulic oil

圖7 液壓油鐵譜磨粒檢測(cè)Fig.7 Ferrography test results of hydraulic oil

5 結(jié)語(yǔ)

為了改善煤礦設(shè)備液壓油污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀，利用在線式顆粒計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓油污染度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究開(kāi)發(fā)了磁過(guò)濾器-粗過(guò)濾器-精密過(guò)濾器三級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓油的精密過(guò)濾，并進(jìn)行了PLC 控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

通過(guò)對(duì)該過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行為期 6 個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并基于油液理化指標(biāo)檢測(cè)和鐵譜磨粒分析技術(shù)對(duì)液壓油的過(guò)濾凈化效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，過(guò)濾后的液壓油理化指標(biāo)都能保持在正常使用標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，所含磨損顆粒的體積分?jǐn)?shù)明顯降低，且磨損顆粒都為小尺寸的正常磨損顆粒，表明該系統(tǒng)具有良好的液壓油凈化過(guò)濾效果。