全液压坑道钻机液压系统污染分析与控制.pdf

探矿工程 (岩土钻掘工程)2009年增刊 收稿日期:2009- 08- 30 作者简介: 张幼振 ( 1976- ) , 男, 宁夏石嘴山人, 煤炭科学研究总院西安研究院工程师, 博士研究生 , 主要从事钻 探技术研发工作,656、 3 53,zyz, 陕西省西安市高新区锦业一路号; 王贺剑 () ,男 ,河北唐山人, 从事煤矿瓦斯抽放钻机研究,65 、3,j 63。 全 液 压 坑 道 钻 机 液 压 系 统 污 染 分 析 与 控 制 张幼振, 王贺剑, 周中宁, 孙道明 (煤炭科学研究总院西安研究院, 陕西 西安 710077) 摘 要: 深入分析了全液压坑 道钻机液压系统的污染来源及危害, 以钻机油箱的设计环节为重点分析了液压系 统油液污染控制方法, 并对钻机其他元件污染控制及钻机使用阶段污染控制有针对地提出改进措施, 提高了液 压系统的清洁度及坑 道钻机的可靠性。研究结果对其他工程机械液压净化系统的设计维护具有借鉴意义。 关键词: 全液压坑 道钻机; 油液污染; 控制措施 中图分类号: P634. 3 + 1 文献标识码: A 文章编号:1672- 7428 ( 2009)S1- 0036- 04 Analysis of oil pollution and control measures for all hydraulic tunnel drilling rig ZHA NG You-zhen,WA NG He-jian,ZHOU Zhong-ning, SUN Dao-ming ( Xian Branch of China Coal Research Institute, Xian Shanxi 710077, China) Abstract: The hydraulic system pollution sources and hazards are analyzed.The hydraulic system oil pollution control methods are analyzed by mainly the oil basins design. Other components of the drillingrigpollution control and pollution control using the stage to make targeted improvements are presented. The cleanliness of the hydraulic system and the relia- bility of tunnel drilling rig are improved. It is useful to the design of the hydraulic contamination control system engineering machine. Key words: all hydraulic tunnel drilling rig; oil pollution; control measure. 1 概述 随着液压技术在各工业部门的广泛应用, 对液 压系统的可靠性提出了更高的要求 。大量研究表 明 14 , 油液污染是液压系统发生故障的主要原 因 。 据统计 , 液压设备的失效 75%以上是由于液 压系统的污染所引起的, 液压系统的污染控制已经 成为液压技术界的一个重要的课题。 全液压坑 道钻机是目前国内坑 道钻机的主导机 型 , 而液压系统是全液压坑 道钻机的核心 , 其性能 的好坏直接影响钻机性能 、 钻进效率及钻机使用寿 命 。 坑 道钻机液压系统主要由油箱、液压阀、油路 板 、 液压缸 、 液压泵及马达等组成。钻机的工作环 境主要是煤矿坑 道 , 工作环境恶劣 , 时时处于粉 尘 、 煤尘、淋水 、 潮湿空气等的污染与侵蚀, 使其 油液的抗污染能力大大降低, 钻机液压系统的故障 时有发生 。 据统计 , 煤矿井下全液压坑 道钻机由于 污染造成的液压元件和系统故障占整机故障总反馈 的 80%左右 。因此, 如何更有效地控制钻机液压 系统的污染需要我们深入研究, 以达到降低钻机液 压故障, 提高钻机整体可靠性的目的。 2 污染分析 2. 1 油液污染的来源 在液压系统的工作油液中, 凡是油液成分以外 的任何物质都认为是污染物 。 液压系统中有多种污 染物 , 根据形态分为固体、液体和气体三种形式。 主要来源有以下几个方面。 ( 1) 在运输过程中由于容器本身的不清洁以 及转运过程中密封不严等问题, 很容易造成新油的 污染 。 36 029 - 818811 1 2090 98hang ou hensina. com82 1981 -029 - 818814 1 110428889 wanghe ian 20011. com 2009年增刊探矿工程 (岩土钻掘工程) ( 2) 系统内原来残留的污染物 : 系统及元件 在加工 、 装配、包装 、 储藏和运输过程中残留的污 染物, 残留污物主要有毛刺、切屑、飞边 、 土 、 灰 尘 、 纤维、砂子 、 潮气、焊渣 、 油漆 、 密封胶 、 冲 洗液等 。 ( 3) 系统运转过程中生成的污染物: 如金属 和密封材料的磨损磨粒, 过滤材料剥落的颗粒或纤 维 , 剥落的油漆碎片及油液氧化分解产生的有害化 合物。 ( 4) 系统工作过程中从外界入侵的污染物 : 如油箱中的流通空气 , 往复运动中的活塞杆密封装 置 , 注入系统中的液压油 , 维修时被打开的密封件 和元件等都是造成侵入污染的主要渠道。 ( 5) 系统检修过程时造成二次污染: 如在处 理钻机液压系统故障时, 常需要开盖或拧开管路连 接件, 虽然会采取很多措施进行防护 , 但在周围环 境恶劣的情况下 , 处理过程较长, 根本无法杜绝灰 尘等污染物侵入 。 2. 2 油液污染的危害 液压油污染会直接影响液压系统的工作可靠 性 , 增加液压系统的故障率, 具体危害如下。 ( 1) 造成系统工作性能下降 、 动作失灵: 油 液污染会使钻机液压系统所使用的各种泵 、 阀 、 马 达类元件不能正常工作。固体颗粒物堵塞液压阀的 间隙和孔口 , 引起阀芯的阻滞和卡紧 , 影响阀的工 作性能 , 甚至导致动作失灵, 造成系统故障; 当较 大固体颗粒进入液压泵时 , 首先表现为液压元件堵 塞 , 如节流阀孔堵塞及滑阀关闭时不严密等, 结果 导致系统完全丧失工作能力; 污染颗粒如果进入液 压缸的滑动部位 , 会使密封元件损坏 , 缸筒内表面 划伤, 内泄漏增加, 使油温升高, 甚至无法建立起 压力, 堵塞缓冲节流小孔, 降低缓冲装置的缓冲 性能。 ( 2) 加速油液的性能劣化: 液压系统油液的 污染会导致油液本身物理化学性能的劣化 。 油液中 的水会腐蚀金属零件 , 加速油液氧化变质 , 而油液 中的金属微粒对油液氧化起着重要的催化作用 。 侵 入油液中的空气会降低油液的体积弹性模量, 加速 液压油的氧化, 使体积弹性模量降低 , 使液压系统 失去刚性和相应特性及润滑特性, 使液压元件动作 失灵等 。 3 污染控制 液压系统油液污染原因很复杂, 而在液压系统 工作时, 液压油自身又不断产生污染物 , 要杜绝液 压油的污染几乎是不可能的 , 为了提高液压系统的 可靠性, 延长液压元件的寿命, 使油液的污染度控 制在液压系统的污染敏感元件的耐受度的范围之内 是切实可行的办法 。 图 1表示影响液压元件寿命和 可靠性的因素 。 可以看出, 油液的润滑性、元件污 染耐受性 、 油液污染度及污染物磨损性是影响液压 元件寿命和可靠性的四个因素, 而保持元件的污染 耐受度与油液污染的平衡能够实现对液压系统污染 控制 。 图 1 影响液压元件寿命和可靠性的因素 液压系统的过滤净化性能并不是单纯地取决于 滤油器的过滤性能 , 而是受过滤循环方式、过滤流 量、过滤器的过滤比、油箱容积 、 液体流动状态等 多种因素的综合影响 5 。 根据液压污染控制方程 1, 6 , 液压系统任一位 置的油液污染度可表示为 N( t, s)= RT+ R ( - 1) Q + N0- RT+ R ( - 1) Q e - t/ + 1 Q m i = 1R i( 1) 式中 : RT 为油箱液面污染物侵入率 ; R 系 统内部污染物侵入率; Ri 系统内第 i 个污染源 的污染物侵入率 ; 滤油器的过滤比 (对某一 尺寸颗粒 ) ; Q 循环过滤流量 ; N0 油液的 初始污染度; m 系统中某一位置上游的污染源 数目 ; t 时间 ; 时间常数。 由式 ( 1) 可以看出 , 油箱作为液压系统最大 的贮油容器, 直接影响液压系统的过滤净化性能, 油箱的设计参数影响油液污染度的衰减速度及系统 过滤净化的速率。在实际应用中也证实 : 全液压坑 道钻机液压系统中 , 油箱、油箱附件及管路污染是 导致液压系统故障的主要来源。 基于以上分析 , 为了使全液压坑 道钻机更好的 适应煤矿井下的特殊环境, 提高钻机液压系统可靠 37 探矿工程 (岩土钻掘工程)2009年增刊 性 , 我们从油箱的设计环节就应充分考虑了污染对 钻机液压系统性能的影响 。 并对其他液压元件及钻 机的使用和维护等环节也进行清洁度控制 。 3. 1 油箱污染控制 老式分体式钻机油箱采用单一纸式滤油器 , 如 图 2 ( a) 所示 。考虑到煤矿井下大量的煤尘入侵 液压系统, 普通滤油器不能满足对污染物的容纳 , 我们选用了更大容量的滤油器 。 钻机在工作过程中 由于齿轮摩擦产生大量的铁屑 , 配油套与主轴之间 的磨损产生大量的铜屑。为了避免这些固体颗粒堵 塞和卡紧液压元件, 并由其产生的对油液的催化作 用 , 我们在液压系统中第一次使用了磁性滤油器 , 并在油箱中固定安放了永久性磁铁 , 如图 2 ( b) 所示为新式履带钻机设计的油箱。 图 2新老钻机油箱对比图 ( a) 旧型油箱; ( b) 新型油箱 液压系统油液中的水分主要来自油箱吸入的潮 湿空气 , 因此有必要采取防止空气中的水分侵入的 措施在油箱设计中为油箱通气孔安装带干燥器的空 气滤清器。干燥器是由多孔隙具有渗透性的颗粒物 组成的分子筛, 其除水机制主要是吸收水分子 。 对 于油箱内悬浮在油液中的气泡 , 在进入液压泵吸油 口前可通过滤网去除, 除气效率与滤网的网孔大 小 、 布置角度以及油液通过滤网的速度有关。我们 在 ZDY系列履带钻机的设计中放置了专门用于过 滤空气的过滤网 , 用于过滤油液中的气泡 , 效果明 显 。 为了有效防止外界污染物的侵入 , 我们在油箱 通气孔处装设空气滤清器。在老式分体式钻机中 , 使用的是F5 空气滤清器 , 其空气过滤精度 5, 油的过滤精度5 。新型履带钻机 采用 QUQ系列空气滤清器 , 其过滤精度 0. 04mm, 油的过滤精度 125 m。 经过改进后的油箱 , 应用于煤炭科学研究总院 西安研究院研制开发的系列履带钻机上, 改进后, 发现油箱底部出现铁屑和吸油口滤油器堵塞的现象 明显减少 。 经检测 , 使用后的工作油液 , 保持油液 污染度不超过 ISO17/14, 约相当于 NAS1638 的 8级。 3. 2 其他元件污染控制 液压元件在经过加工、装配或维修等的每一个 工艺环节后都不可避免地残留污染物, 因而必须采 取有效的净化措施, 使元件达到符合要求的清洁 度。清洁度不符合要求的元件装入系统后, 在液流 冲刷和机械振动等作用下, 元件内部固有的污染物 释放到油液中 , 使系统受到污染 。 元件在装配完成 后需要进行最后的清洗 , 使达到产品出厂清洁度的 要求 。 我们用流通法对钻机的液压系统进行清洗, 为获得最佳的效果 , 应采用低粘度油液 , 并尽可能 提高液流速度和适当增高油液温度, 以保证液流充 分的紊流状态 。 对此我们采用专门的清洗机 , 选用 22号 L - HL或 L - HM液压油进行清洗 。在清洗 过程中, 使系统中的各个元件动作, 以便将污染物 从各个元件中清洗出来 , 并用铜锤敲打焊口和连接 部位 。 对液压系统管路与接头 , 我们经过改进后均采 用锥面密封, 钻机搬迁时不需要拆卸管路, 代替老 式钻机的 “ O”型密封圈的端面密封 。 该密封形式 能极大程度的减少由于高压导致密封圈损坏的现象 38 E 4 -0 0. 10 mm12m 2009年增刊探矿工程 (岩土钻掘工程) 发生的频率, 降低因为维修外界污染物对系统的 侵害。 3. 3 钻机使用阶段污染控制 在使用 、 维护阶段应采取的措施主要有: ( 1) 在钻机投入使用之前或经过大修之后 , 严格按照液压系统的清洗规范进行操作。在新油注 入系统之前即进行预防性过滤 , 只允许清洁度合格 的油品进入系统 , 而系统中残留污染必须清除 , 达 到全系统工作油清洁 ; ( 2) 使用中控制油液的温度 , 油温过高会加 速油液氧化变质 , 产生各种粘性胶质污染油液 , 还 会加速元件衬垫和密封元件的老化 , 缩短使用 寿命; ( 3) 建立严格的日常维护检查制度, 提高液 压系统使用 、 维护人员的污染控制意识。每隔一定 时间, 对系统中使用的油液进行抽样检查 , 分析其 污染度是否在系统允许的适用范围之内, 并定时检 查液压油量 , 使油量充足 。 4 结语 液压系统油液污染控制是一项严密的科学工作 和复杂的系统工程, 对提高机器和系统的可靠性和 延长其使用有寿命是极其重要的。 本文讨论了引起 煤矿坑 道钻机液压系统污染各种原因及油液污染带 来的危害 , 提出保持元件的污染耐受度与油液污染 的平衡能够实现对液压系统污染控制。并对影响液 压系统的过滤净化性能的主要部件 油箱作了重 点研究, 对其他液压元件及钻机使用和维护阶段采 取了多种措施 , 加强了污染控制 。 经过改型后的新 型履带钻机在现场使用过程由于污染导致的系统故 障大幅度降低 , 油液的使用寿命增大, 液压系统可 靠性有了明显提高 , 增强了钻机市场竞争力 。 参考文献 : 1 雷天觉 . 液压工程手册 M. 北京: 机械工业出 版社,1990. 2 刘春 . 液压油污染对液压系统的危害及控制 J. 煤 . 2008,( 6) :3335. 3 李海臣 .