超纯水介质液压支架改造的技术研究

超纯水介质液压支架改造的技术研究

罗宇

【摘要】介绍了现有液压支架采用乳化液作为介质的工作特点,分析了采用超纯水介质的技术可行性及重要意义,对超纯水指标和制备装置进行了选型,详细阐述了采用超纯水介质取代乳化液介质的具体方案.试验结果表明,采用超纯水取代乳化液工作介质未出现漏液和渗液现象,技术上完全可行,不仅能够大大节约煤矿生产成本,而且可以避免对井下水资源的污染,真正实现煤矿绿色开采.

【期刊名称】《中国煤炭》

【年(卷),期】2017(043)008

【总页数】5页(P96-99,137)

【关键词】液压支架;超纯水介质;乳化液;技术改造

【作者】罗宇

【作者单位】神华神东煤炭集团有限责任公司设备维修中心,陕西省榆林市,719315【正文语种】中文

【中图分类】TD355.4

1.1 乳化液和超纯水特性对比分析

与乳化液的特性相比，采用超纯水作为液压支架的工作介质具有节约成本和无污染等很多优点，但由于超纯水介质和乳化液介质之间物理和化学性能存在较大差异，这给用超纯水取代乳化液作为液压支架工作介质这项技术的研究和运用带来了极大地困难。超纯水和乳化液特性对比见表1。

由表1可以看出，超纯水与乳化液相比具有粘度低、润滑性差、导电性强以及汽

化压力高等特点，因此考虑到超纯水介质的理化特性，在研究采用超纯水介质作为液压支架的工作介质和应用过程中，主要应该解决润滑、磨损、腐蚀和气蚀等几个方面的问题。随着新材料和新科技的不断发展，可以应用一些新型材料如精细陶瓷、增强塑料以及新的表面处理方法来提高元件的耐磨和抗蚀能力。同时对于机械机构的不断优化和改进，也可以减小或避免泄漏、磨损、腐蚀和气蚀等的影响，并采用先进制造技术和智能技术，保证加工精度和质量。

1.2 采用超纯水介质的关键技术难点

(1)密封与润滑问题。超纯水的粘度为0.55～1 mm2/s，大约为乳化液的1/50～

1/40，所以如果在相同的压力下，超纯水通过相同密封缝隙的泄漏流量将是油介

质的20倍以上，这将大大降低整个系统的容积效率。

(2)耐磨损问题。由于超纯水本身的润滑性能较差，摩擦副的固体表面经常处于直

接接触状态，很容易受到磨损。同时，超纯水的腐蚀作用也会大大加速磨损的进程和加剧磨损的破坏程度。另外超纯水介质中的微细污染物和内部残留磨屑的侵入会导致三相磨损，使得超纯水介质的液压元器件的寿命大大缩短，系统发生故障的频次会大大增加。

(3)耐腐蚀问题。由于超纯水的导电性较强，比乳化液高数亿倍甚至数百亿倍，因

此可以引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀和大多数高分子材料的化学老化，也会导致液压元器件的材料受到很大程度的破坏。即使应用陶瓷材料作为金属零件的表面涂层，也无法避免涂层或粘结层中特定相的选择性析出以及基体界面的缝隙腐蚀。

(4)抗气蚀问题。由超纯水的特性可知，超纯水的汽化压力很高(如50℃时为12.2 MPa)，是乳化液的近千万倍，加之超纯水中含有约2%(体积比)的空气和大量微生物，非常容易发生超纯水汽化现象，引起气蚀，从而引起零件表面材料剥蚀，损坏过流的固体表面和密封件。同时气蚀还会导致液压系统的流量发生变化，从而产生

压力波动、振动和噪声，带来诸多不良影响，导致整个液压系统寿命大大受损。(5)液压冲击、振动和噪声。由于超纯水的密度比乳化液大10%、压缩性比乳化液小25%、声速比乳化液高10%，因此与乳化液液压相比，在超纯水为介质的液压传动系统中，由于阀门开关的突然启闭引起超纯水的流动状态发生变化时，很容易引起传动系统更大的液压冲击、振动和噪声。通过实验表明，水基液压系统同液基液压系统相比有更大的压力波动和响应特性。

基于以上工作介质的特性分析，为了减少对环境的污染和降低成本，成套液压支架超纯水介质改造只要解决润滑、磨损、腐蚀和气蚀等几方面问题即可实现，主要涉及到泵站、支架及超纯水制备装置三大部分的改造。

2.1 超纯水介质泵站改造方案

由于超纯水存在粘度低、润滑性差和易造成元件腐蚀等缺点，故超纯水介质的旧泵站改造涉及到以下几个方面的问题：

(1)泵头组件。泵头壳体、高低压泵头连接片、衬套、弹簧和吸排阀芯全部选用

1Cr17Ni2不锈钢材质，1Cr17Ni2作为马氏体不锈钢，由于其Cr和Ni元素比重及结合合理，从而导致该种材料具有不锈性以及耐酸、碱、盐腐蚀的特性，主要用于泵、阀及弹簧组件。

(2)盘根密封。考虑到超纯水的润滑性较差，选用带有一定自润滑性的SLPU材质。

(3)接头及胶管。紧固接头及胶管接头使用镀锌镍合金材料。

(4)液箱。乳化液泵和喷雾泵均采用独立液箱，箱体板材、法兰及钢管等零部件材

料均采用304不锈钢，不锈钢板厚度不小于6 mm，配置液位观察窗，箱体前后

两侧均预留液位传感器安装位置；结构设计上充分考虑矿井水特点，具有紊流、消泡和沉淀等功能，有效地降低液箱维护量，保证介质清洁。

(5)其他部件。根据喷雾泵站大修和检修历史的记录情况，泵站高压过滤器、储能器、增压泵及其他系统可以完全满足超纯水介质的要求。

2.2 超纯水介质液压支架改造方案

(1)结构件。对结构件进行喷砂后喷漆处理，对变形的部位进行压整，新补制部分短缺的销轴。

(2)立柱。立柱活柱表面、中缸外表面采用激光熔覆，插头采用板式不锈钢镀锌镍合金，用不锈钢螺栓固定在立柱上，中缸和外缸采用内壁熔铜，活塞杆表面采用激光熔覆，通液管采用镀锌镍合金，立柱结构形式如图1所示。

(3)平衡油缸。平衡油缸活塞杆表面采用激光熔覆，缸筒内壁熔铜，平衡油缸结构形式如图2所示。

(4)其他小油缸。其他小油缸缸筒全部采用盐浴处理，活塞杆大于120 mm的采用激光熔覆，小于120 mm的采用盐浴处理。

(5)导向套。导向套使用不锈钢材质1Cr17Ni2(通过表面处理提高硬度和耐磨性，可以作为导向元件)，复合渗盐浴项目实施后，试验渗盐浴工艺在超纯水条件下的耐腐蚀性能。

(6)阀。乳化液具有防锈性和一定的润滑性，运动粘度约为5 mm2/s，Ph值约为8，与去离子水存在较大差异。不同辅助阀产品的功能、规格和结构各异，但功能元件组成基本一致，包括阀体(阀套)、阀芯(钢球)、阀座、密封圈、螺套等。阀体(阀套)材料原先为铁素体组织低碳高铬易切削钢，表面再辅以钝化工艺，能够满足乳化液介质环境。在去离子水介质中，将阀体材料替换为1Cr17Ni2材质后，该材料强度有所提高。同时由于该材料中Ni元素的含量较高，因此对大部分氧化性酸和有机酸具有良好的耐蚀性；阀芯零件频繁启闭，为了保证密封可靠，需要较高的硬度以提高其抗气蚀和冲蚀磨损的能力。阀芯原先采用9Cr18材料，该材料由于含碳量偏高，在去离子水介质中耐蚀性存在不足。根据乳化泵吸排液阀上的使用经验，将阀体材料替换为05cr17ni4cu4nb，该材料为沉淀硬化型马氏体不锈钢，强度和淬硬性有所提高，且抗蚀性与304基本一致；阀座与阀芯构成密封副以保证