单体液压支柱三用阀的失效分析.pdf

2 0 1 0年 1 2月 第 3 5卷 第 1 2期 润滑与密封 L UBRI CAT1 0N ENGI NE ERI NG De c ．2 01 O Vo l | 3 5 No ． 1 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 40 1 5 0 ． 2 0 1 0 ． 1 2 ． 0 2 8 单体液压支柱 三用阀的失效分析 尚慧岭 芦方 赵恒 李玉梅 郭二伟 1 ．中平能化集 团设备租赁分公 司河南平顶 山 4 6 7 0 2 1 ； 2 ．中平能化集团天工机械制造有 限公司 河南平顶山 4 6 7 0 2 1 摘要为提高单体液压支柱的生产安全可靠性 ，研究三用阀失效问题。介绍三用 阀的结构及工作原理 ；基于油液 分析与铁谱技术分析三用阀工作介质中的污染物；研究分析采区液压系统工作介质用水的硬度、p H值、腐蚀性等因素 的影响；阐述三用 阀失效机制。综合分析表明，单体液压支柱三用 阀失效 ，实质是安全 阀失效 ，而安全阀失效的主要原 因是由于煤岩粉尘 、氧化物 、金属颗粒等污染物造成的污染涩滞。建议采用具有较好启溢闭特性 的安 全阀，控制好 水 质 ，合理选用乳化油并按配 比制作乳化液 ，从根本上改善三用阀的工作可靠性。 关键词单体支柱 ；三用阀；失效分析；污染物 ；对策 中图分类号 T D 3 5 5 文献标识码B 文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 0 1 2 1 2 3 4 I nv a l i d a t i o n An aly s i s f o r Th r e e W a y Valv e s o f I n d i v i d u a l Hy d r a u l i c Pr o p Sh a n g Hu i l i n g L u F a n g‘ Zh a o He n g L i Yu me i Gu o Er we i 1 ． Z h o n g p i n g E n e r g y C h e mi c a l G r o u p o f E q u i p me n t L e a s i n g C o mp a n y ， P i n g d i n g s h a n He n a n 4 6 7 0 2 1 ， C h i n a ； 2 ． Z h o n g p i n g E n e r g y C h e m i c a l G r o u p o f T i a n g o n g Ma c h i n e M a n u f a c t u r e L i mit e d C o mp any ， P i n g d i n g s h an H e n a n 4 6 7 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r e n h a n c i n g t h e s a f e r e l i a b i l i t y o f p r o d u c t i o n o n i n d i v i d u al h y d r a u l i c p r o p， t h e i s s u e o f i n v a l i d a t i o n o n t h r e e wa y v a l v e s wa s r e s e a r c h e d ． T h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h r e e wa y v alv e s wa s i n t r o d u c e d ． Ba s e d o n o i l a n a l y s i s a n d f e r r o g r a p h y t e c h n i q u e， t h e p o l l u t a n t s i n wo r k i n g me d i u m o f t h r e e wa y v a l v e s we r e a n a l y z e d． Th e i n f l u e n c e o f h a r d n e s s ， p H v alu e， c o r r o s i v e n e s s ， a n d o t h e r f a c t o r s o f wo r k i n g me d i u m wa t e r o f h y d r a u l i c s y s t e m i n mi n i n g are a wa s r e s e a r c h e d a n d a n aly z e d ． F a i l u r e me c h an i s m o f t h r e e wa y v alv e s wa s e x p o u n d e d ． T h e c o mp r e h e n s i v e a n aly s i s i n d i c a t e s t h a t t h e e s s e n c e o f i n v al i d a t i o n O ff t h r e e w a y v alv e s o f i n d i v i d u al h y d r a u l i c p r o p i s t h e i n v a l i d a t i o n o f s afe t y v al v e s ， a n d t h e ma j o r c a u s e o f s afe t y v alv e s ’i n v a l i d a t i o n i s d u e t o t h e o b s t r u c t i o n c a u s e d b y t h e p o l l u t a n t s o f c o al p e t r o g r a p h y d u s t s ， o x i d e s ， me t al p a rti c l e s ， e t c． S o me s u g g e s t i o n s we r e g i v e n t o i mp r o v e t h e r e l i ab i l i t y o f t h r e e wa y v a l v e s， i n c l u d i n g a d o p t i n g t h e s afe t y v alv e s wi t h b e t t e r f e a t u r e s o n o p e n i n g， s p i l l i n g an d c l o s i n g， c o n t r o l l i n g t h e wa t e r q u ali t y， c h o o s i n g e mu l s i f i e d o i l r e a s o n a b l y a n d ma k i n g e mu l s i f i e d l i q u i d f o l l o wi n g p r o p o r t i o n． Ke y wo r d s i n d i v i d u al h y d r a u l i c p rop； t h r e e wa y v a l v e s； i n v a l i d a t i o n a n aly s i s ； p o l l u t a n t s ； c o u n t e r me a s u r e 在生产实际中，高档普采工作面、综采工作面端 头支护使用的单体液压支柱出现胀缸串油数量高达 3 0 ％，给工作面顶板管理带来很大困难 ，构成安全生 产的隐患，增加了维修成本，对高产高效造成影响。 经过实验研究和计算分析，证明造成单体液压支 柱出现胀缸串油故障的主要原因是三用阀失效⋯。因 此 ，研究分析三用阀失效产生的原因、形成的条件及 其作用机制 ，进一步探讨改善和增强三用阀工作可靠 性的有效方法与途径，是生产管理工作中一个亟待解 收稿 日期2 0 1 0 0 61 7 作者简介尚慧岭 1 9 5 3 一 ，高级工程师，从事摩擦学在设备 管理中的应用研究．E m a i l h u i w u 0 2 0 s i n a ． c o rn ． 决 的重要 问题。 1 三用 阀的结构及工作原理 三用阀是外注式单体支柱的心脏部分，它由3部 分组成 ，如图 1所示 ，注油 阀体 2 、限位套 3 、单 向 阀座 4 、压紧螺套 5 、钢球 6 、锥形弹 簧 7 、卸载阀座 8 、连接螺杆 1 0等零件组成单 向阀；阀套 l 1 、阀座 1 2 、0形圈 1 3 、安全 阀针 1 5 、安全 阀垫 l 6 、六 角导 向套 1 7 、钢球 6 、安全阀弹簧 2 0 、调压螺丝 2 1 等零 件组成安全阀；卸载阀弹簧 9 、O形圈 1 4与单向阀、 安全阀等组成卸载阀。三用阀与顶盖、活柱、手把、 油缸、活塞 、底座 如图 2所示 等组合成单体液 压支柱，在回采工作面实现支柱的升柱、卸载 、回柱 动作 。 1 2 4 润滑与密封 第 3 5卷 1 ． 左 阀筒2 ． 注油 阀体3 ． 限位套4 ． 单 向 阀座5 ． 压 紧螺套6 ． 钢 球 7 ． 锥形 弹簧8 ． 卸 载 阀垫 9 ． 卸载 阀弹 簧 1 0 ． 连接 螺杆l 1 ． 阀套 1 2 ． 阀座 1 3 ， l 4 ， l 8 ． 0形 圈 l 5 ． 安全 阀针 l 6 ． 安 全 阀垫 l 7 ． 六角 导 向套 l 9 ． 弹 簧座 2 0 ． 安 全 阀弹簧 2 1 ． 调压螺 丝 2 2 ． 右 阀筒 图 1 三用阀的结构 F i g l Co n fi g u r a t i o n o f t hr e e wa y v a l v e s 1 ． 顶 盖 2 ． 活柱 3 ． 手把 4 ． 油缸 5 ． 活寨 6 ． 三用 阀 7 ． 底座 图2 单体液压支柱结构示意图 F i g 2 Co n fi g u r a t i o n o f i n d i v i d u a l h y d r a u l i c p r o p c y l i n d e r 1 ． 1升 柱 一初 撑 单体支柱升柱时，将供液管路系统中的注液枪插 入三用阀注液阀孔 ，挂好锁紧套 ，操作注液枪 ，泵站 高压液体经注液枪打开三用阀中的单向阀，高压液体 经单 向阀进 入支柱 的液 压腔 下 腔 内 ，使支 柱得 到升柱和初撑 。当支柱 顶盖 见图 2中件 1 把金属 铰接梁撑 紧工作面顶板后 ，活柱体不再升高时 ，关闭 注液枪切断泵站来的高压液体。将卸载手把插入三用 阀卸载孔 中 ，转 动卸 载手把 ，迫使 阀套 见 图 1中 件 1 1 轴 向移动 ，从而 打开 三用 阀 中的卸载 阀 ，放 出支柱上 腔 内的压 缩空气 ，重新开 启 注液枪 充液 升 柱 ，直至达到支柱的额定初撑力。这时支柱下腔压力 接近乳化液泵站供液压力 ，支 柱给顶板 一定初撑 力 ， 完成升柱与初撑过程 。 1 ． 2 承载 一溢流 受采动的影响和随着支护时间的延长，工作面顶 板作用在支柱上的载荷增加。当支柱所受 的载荷超过 额定工作阻力时，支柱下腔的高压液体将三用阀的安 全阀打开，液体外泄，支柱下缩 ，使顶板压力重新分 布。支柱所受载荷低于额定工作阻力时，安全阀关 闭，下腔液体停止外流。在支柱工作过程中，上述现 象反复出现，对顶板的支撑力基本保持不变，这就是 单体液压支柱的恒阻工作特性。 1 ． 3回柱 一卸载 回柱 时 ，将卸载手把插 入三用 阀卸载孔中 ，转动 卸载手把 ，迫使卸载阀整体轴向移动，从而打开三用 阀中的卸载阀，支柱内乳化液经左 阀筒 见图 1中 件 1 排 出，活柱 见图 2中件 2 在 自重 和复位弹 簧作用下 回缩 ，实现回柱过程 。 2 三用 阀失效分析 2 ． 1 三用阀动作压 力试验分析 随机取 9组从工作面 回收上来 的三用 阀，维持原 状态不动 ，在 阀试验 台上从高压液 口分级 给压 ，试验 结果列于表 1 。 表 1 三 用阀动 作压 力试 验结果 Ta b l e 1 P r e s s u r e t e s t r e s u l t o f t h r e e w a y v a l v e s mo v e me n t 考虑到测试实验 台的强度与刚度 、尤其是人机安 全问题 ，安全 阀试验压力受到限制 ，当增压到足以证 实安全阀性 能状态时 即停止加压。三用 阀的安全阀调 定压力为 3 1 ． 8 MP a ，安全 阀试验 达到 的液压 力是其 额定工 作压力 的 2～ 2 ． 5 倍 ，实测结果安 全阀 8 9 ％不 会动作。 2 ． 2污染状 况分析 为了并清楚三用阀失效的深层次原 因，对 失效三 用阀进行 了拆检和铁谱分析 。拆检发现三用阀的安 全阀针及其泄油孔道被污物堵塞 ，安全 阀针卡死难 以 拆卸 。 图 3示出了铁谱分析发现三用阀携带 的污染物的 图谱 ，经分析主要污染物有 1 煤 岩 粉尘 。 ，即 图 3 a 中的黑 色物 质 。 采用光谱分析从综采面采集的粉尘样品，表明粉尘中 的元素以 F e 、A l 、s i 、T i 、M n等尤其 具有危害性。 浓度较高 、威胁较大 的是 和 A 1 ，二者 之 间的 比例 关系近似于4 1 。这是回采工作面液压以及润滑系统 普遍存在的严重污染物。 粉尘在工作 面上存在 的形 态有块状、微粒 状 粉状等，其尺寸越小，侵彻力越大，也就是污染 2 0 1 0年第 l 2 期 尚慧岭等单体液压支柱三用阀的失效分析 1 2 5 能力越强 ，危 害性也越大。 2 水硬形 成 的红 色氧 化物 ，见 图 2 b 。 种物质的黏结 力很强 ，牢牢的黏在金属元件表面 ， 以清除 ，使得油孔道变小 ，而更易堵塞。综采 面支架 这 液压系统工作介质的水质试验分析结果表明 ，红色氧 难 化物的形成 与水的硬度较高密切相关 。 _ 圈 a 粉尘 b 红色 氧化 物 c 片状金 属颗 粒 一 圈 I d 球形 金属 颗粒 e 锯 齿 形金属 颗粒 f l 条 状金 属颗 粒 图3三用阀携带的污染物 5 0 0 F i g 3 C o n t a mi n a t i o n t a k e n b y t h r e e w a y v a l v e s 5 0 0 3 金属颗粒 ，见图 3 C ， d ， e ， f 。 其最大尺寸为5 0 0 Ix m 3 6 0 I x m；球形颗粒最大尺寸 为 4 , 5 0 m。 片状金 属颗 粒 见 图 3 C 表面 可见 明显 的 滑动摩擦磨损特征，可能是乳化泵站的摩擦副产生 的；通常情况下，球形颗粒 见 图 3 d 是铸造 或焊接零件 、或零件 断裂产 生的 ；从形貌特 征分析 ， 锯齿形金属颗粒是金属切削加工过程 中的产物 ，因过 热氧化，其表面带有回火色，新投入使用的零件容易 携带这种颗粒；条状金属颗粒 见图3 f 具有剥 落的飞边 毛刺 的形貌特征 ，新零件在使用过程中往往 容易产生这样的磨粒。 这些金属颗粒与煤岩粉尘 、氧化物等污染 物混合 在一起 ，在高压作用下压实几乎成为固体，具有较高 的强度 。生产实际表明 ，当支柱 内部压 力 P ≥9 7 M P a 缸体即将变形时，也未能将阀孔道内的堵塞污染物击 穿。铁谱分析结果为论证三用阀失效原因，提供了可 靠决策依据 。 2 ． 3 工作面水质 的影响 高普工作面的单体液压支柱数量往往多达 1 0 0 0 多根 ，供液系统 的管路近千 米 ，仅仅在 工作 面安装 、 升起这些支柱 ，一般就需要 3 t 左右液体；加上管路 易破损等等因素 ，传动介质的消耗量较大，所以必须 采用不但来源广而且价格便宜的液压液。水包油型乳 化液由于其安全性、经济性、稳定性、适应性及 良好 的黏温性能和对人体皮肤无有害影响等特点，得到广 泛应用 。由于乳化液使用量大 ，一般都是采用天然水 来配制乳化液 ，且可 以含有 9 5 ％以上 的水，因此， 配制乳化液所用水的质量显得十分重要 。它不但直接 影响到乳化液的稳定性、防锈性、防霉性 、起泡性， 而且关系到泵站和液压支架 中各类液压元件使用寿 命 、性 能以及整机性能 。 2 ． 3 ． 1 水 的硬 度 据对矿 区各组煤层综 、普采面用水的水质进行 的 采样化验分析，结果显示水的总硬度都在 1 5 0～3 5 0 m g ／ L之间 ，总碱 度 2 2 0～ 3 6 0 m g ／ L ，总酸度 l 0～l 5 m g ／ L ，氯化物9 0～1 0 0 m g ／ L ，p H值7～ 9 。根据水的 硬度分级，都属于中硬水或硬水。 2 ． 3 ． 2沉 淀物 天然水 的硬 度 几乎 全部 决定 于钙 、镁 离子 的含 量 。一般 称水 中钙 、镁 的重碳 酸盐 、氯化 物 、硫 酸 盐、硝酸盐等的总含量为总硬度。其中经煮沸后生成 沉淀的部分称为暂时硬度，而煮沸后不能除去仍存在 于溶液中的钙、镁离子含量则构成永久硬度。 在生产实际中 ，特别是阀类液压元件表面黏结着 一 层坚固、难以去除的沉淀物，就是水硬造成的。严 重时，可以堵塞液流通道而使液压元件失灵，特别是 对安全阀的危害更为明显。 2 ． 3 ． 3 p H值 硫酸根在天然水中普遍存在 ，在硬水中含量较 多，以硫酸钙、镁形式存在 ，构成水中的硬度。硫酸 根含量过高，使水的 p H值降低，呈酸性水 ，有侵蚀 1 2 6 润滑与密封 第 3 5卷 性。氯根在地 下水 和地 面水 中普遍 存在 ，其 来 源是 天然水经过含有氯化物的地层以及接近海边的江河或 深井水均有氯化物溶解于水中。氯根都 以钠 、钙 、镁 盐形式存在于水中。氯化物过高会使水呈酸性而有侵 蚀 ，氯化物含量过多时会 引起盐析作用 ，造成乳化液 浓度降低。 2 ． 3 ． 4腐蚀 性 水中的氯根和硫酸根有促进金属腐蚀的作用，特 别是氯化镁，它可以使钢、铁腐蚀产生恶性循环。 当工作介质中存在着金属颗粒污染物时，这种腐 蚀作用就越发地被 凸显 出来 ，形 成如 图 3 b 所 示 的红色氧化物，同时也会使液压元件表面受到腐蚀氧 化 ，严重损害密封性能。这种腐蚀氧化物的黏结力很 强，牢牢地黏在金属元件表面，难以清除，加上硬水 沉淀垢的作用 ，使得液流孑 L 道变小 ，而更易堵塞。 2 ． 4三用阀质量的影响 实际上 ．在液压系统 的工作过程中 ，其工作液体 总是可能被污染的，因此要求三用阀本身要具有抵抗 污染的能力，要尽可能降低其敏感度 ，提高其适应能 力，才能从根本上改善和增强其工作可靠性 。 比如三用阀在拆检时发现产生堵塞 的安全阀的泄 流孔，直径在 1 ． 5～ 2 m m，如适当加大孔径，就能够 有效提高抗 污染能力 。 3 结束语 综合上述分析认为 ，单体 支柱三用阀在工作过程 中失效 ，实质是安全阀失效 ，而安全阀失效 的根本原 因是由于煤岩粉尘、氧化物、金属颗粒等组成混合污 染物造成的污染涩滞。当回采工作面顶板压力显现比 较明显时，安全阀不能在其额定压力下开启溢流，直 至载荷超过支柱设定支撑能力而引起变形损坏 。 安全阀本身的质量严重影响着液压支柱的整体运 行效果 。但是 ，即使三用阀具有较为完善的性 能，如 果水硬得不到缓解 、乳化油选用不合理 、乳化液配制 不合格、工作介质中污染物过多 、乳化泵系统配置不 完备、管理和维护措施不到位 ，那么再好的安全阀也 难以发挥 作用 。 即使水硬问题得不到根本处理 ，通过合理选 用乳 化油，严格执行配制 比例，保证供液系统性能完好， 认真实行维护检修制度 ，且安 全阀具有较好的启溢闭 特性，也能够从根本上改善和增强三用阀的工作可靠 性，保证单体支柱的支护性能 ，确保回采工作面实现 优质高效、安全生产。 参考文献 【 1 】李娟， 赵福敬， 曹多美． 煤矿单体支柱用纯水三用阀的研究 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 2 1 3 0 1 3 2 ． L I J u a n， Z HAO F u j i n g ， C AO Du o me i ． S t u d y o n Wa t e r T h r e e Wa y V a l v e U s e d i n C o a l M i n e H y d r a u l i c P r o p [ J ] ． C o a l M i n e Ma c h i n e r y ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 2 1 3 01 3 2 ． 【 2 】张新城， 孟繁华， 尚慧岭． 液压支架安全阀的安全可靠性研 究 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 0 ， 3 1 1 7 6 7 8 ． ZHANG Xi nc h e n g， MENG F a n h u a， S HANG Hu i l i n g ． Sa f e t y a n d R e l i a b i l i t y S t u d y o n R e l i e f V a l v e o f H y d r a u l i c S u p p o [ J ] ． C o a l Mi n e Ma c h i n e r 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n t a l e v a l u ． a t i o n o f c o e ffic i e n t s o f s tat i c f ric t i o n o f c o mmo n wo r k p i e c e -fi x t u r e e l e m e n t p a i r s [ J 1 ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M a c h i n e T o o l s a n d Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 0， 4 0 4 4 6 74 8 8 ． 【 l O 】B e n a b d a l l a h H S ． S ta ti c f r i c t i o n c o e ffic i e n t o f s o m e p l a s t i c s a g a i n s t s t e e l a n d a l u mi n u m u n d e r d i f f e r e n t c o n t a c t c o n d i t i o n s [ J ] ． T r i b o l o gy I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 7 ， 4 0 1 6 4 7 3 ．