超纯水介质液压支架改造的技术研究

罗 宇

(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)

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超纯水介质液压支架改造的技术研究

罗 宇

(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)

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。

液压支架 超纯水介质 乳化液 技术改造

1 液压系统工作介质特性分析

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。

表1 超纯水和乳化液特性对比

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。

2 超纯水介质液压支架改造技术研究

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。

图1 立柱结构形式

(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。

图2 平衡油缸结构形式

(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可靠密封，将阀座材料全部替换为工程塑料PEEK。PEEK材料具有一定自润滑性能，抗滑动磨损和抗微动磨损能力优良，且不存在腐蚀的可能；密封圈为丁氰橡胶材料，硬度介于70～90 SH之间，根据文献资料，丁氰橡胶材料在淡水介质中动静密封特性表现良好，无需替换；螺套零件通过螺纹与阀体连接，考虑到螺纹粘扣的影响，螺套材料由3Cr13替换为17Cr16Ni2，强度和耐蚀性均得到提高；除阀体、阀芯、阀座、密封圈和螺套外，其余组成部分主要提高耐蚀性能，考虑到切削性能，全部替换为1Cr17Ni2。

(7)管路、接头方面。综采工作面液压系统附件主要包括管路和过滤站滤芯等元件，由于高压管路由内胶管和外钢丝层组成，故其能适应高压超纯水介质；接头采用1Cr17Ni2材料，经过试验测试验证，该种材料有较好的强度和防腐性能，经盐雾试验机72 h后未发现明显锈蚀，为了防止国产材料的纯度影响到系统污染，通过对接头喷涂锌镍合金作为二次防护；滤芯材料选用耐蚀性好的不锈钢316材料经过多层折弯处理后制成，从而适应超纯水介质，经试验测试验证，使用半年后没有出现锈蚀问题，故该部件能适应超纯水介质；U形卡采用65 Mn镀锌镍合金。

(8)密封方面。现有液压支架上的液压油缸和阀采用的密封材质为聚氨酯密封，该密封材质主要适用于常温、无湿汽、耐压和耐磨的往复场合。但是井下工作面工作压力较大，随着工作温度的逐渐升高，聚氨脂的性能开始逐渐降低。当温度升高至110℃ 以上时，聚氨脂密封圈就完全失去了使用价值，聚氨脂材质的耐温性差和水解性强等弱点决定了其不适合应用于超纯水介质液压系统。

由于超纯水粘度低及润滑性较差，在柱塞往复运动过程中，如果使用传统密封圈，其损耗会加大，极易造成密封圈拉丝或者密封圈水解，这两种情况均会使液压缸液压阀寿命降低。因此密封采用耐水解自润滑聚氨酯材质，选用带有一定自润滑性的SLPU，具体密封材质为：活塞密封材质为SLPU/NBR/POM；导向环材质为酚醛树脂；静密封材质为SLPU；活塞杆密封材质为SLPU/NBR/POM；防尘圈材质为SLPU。

2.3 超纯水制备

(1)超纯水指标。超纯水是指将水中的导电介质全部去除，又将水中不离解的胶体物质、气体和有机物均去除至较低程度的水。这种水中除了水分子(H2O)外，几乎没有什么杂质，更没有细菌、病毒、含氯二恶英等有机物，也没有人体所需的矿物质微量元素，超纯水无硬度，口感较甜，常称为软水，可直接饮用。超纯水中有机物含量由测定有机物碳含量而定，电子工业超纯水中规定超纯水中有机物碳含量为50～200 μg/L，并要求直径大于1 μm的颗粒性物质含量为1～2个/mL，微生物含量为0～10个/mL。现代采用预处理、电渗析、紫外线杀菌、反渗透、离子交换、超滤和各种膜过滤技术等，使超纯水的电阻率在25℃时达到18 MΩ·cm。

(2)超纯水制备原理。超纯水制备装置由水箱、自动反洗超过滤器滤、一级反渗透、二级反渗透、EDI装置等构成，超纯水设计机理是将普通水经自动反洗超过滤器滤、一级反渗透、二级反渗透、EDI电去离子除盐系统等装置生产出超纯水，具体流程为：原水来水→减压阀→原水箱→提升泵→杀菌剂投加→机械过滤器→微滤过滤器→超滤过滤器→中间水箱→增压泵→阻垢剂投加→保安过滤器→一级高压泵→一级反渗透系统→碱计量投加装置→二级高压泵→二级反渗透系统→超纯水箱→EDI供水泵→EDI水处理系统→EDI储水水箱→泵站→液压支架。超纯水制备原理图如图3所示。

图3 超纯水制备原理图

3 液压支架立柱试验情况

神华神东煤炭集团有限责任公司设备维修中心在检修车间对改造后的液压支架立柱进行了试验，试验选用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处理，外缸和中缸内壁均采用熔铜工艺处理，内外表面粗糙度符合要求。3根立柱密封均为自润滑聚氨酯材料，采用3个供应商提供的密封产品。试验所用介质为车间未经过处理的自来水，试验过程为立式伸缩动作试验和立柱加载测试台加载测试。对供应商1提供的密封产品进行立式伸缩动作试验950次，加载测试25次；对供应商2提供的密封产品进行立式伸缩动作试验1550次，加载测试25次；对供应商3提供的密封产品进行立式伸缩动作试验1000次，加载测试25次。在以上试验过程中，液压支架立柱未出现漏液和渗液现象，试验全部正常。

4 结论

在现有以乳化液为工作介质的液压支架基础上，通过对泵、支架结构件、油缸、密封和水质等方面的改造，在技术上采用超纯水取代乳化液工作介质是完全可行的，一方面可以大大节约煤矿生产成本，以神华神东煤炭集团有限责任公司布尔台矿千万吨矿井为例，平均每月消耗乳化液23730 kg(113桶，每桶210 kg)，费用约为19.4万元(单价为8.18元/ kg)，液压支架消耗乳化液费用约为232万元/a。神华神东煤炭集团有限责任公司按照2亿t/a的煤炭产量计算，则公司一年乳化液的购置费用约为4640万元。如果液压支架介质改为超纯水，就可以大大降低煤矿生产成本。采用超纯水取代乳化液工作介质另一方面可以避免乳化液对井下水资源的污染，实现煤矿绿色开采。

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(责任编辑 路 强)

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

罗宇.超纯水介质液压支架改造的技术研究 [J].中国煤炭，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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罗宇(1979-)，男，陕西榆林人，高级工程师，现任职于神华神东煤炭集团有限责任公司设备维修中心技术部经理，主要研究方向为井工矿采掘设备维修、再制造技术以及矿用设备的研发。