劉 斌

（西山煤電（集團(tuán)）有限公司東曲多種經(jīng)營(yíng)分公司， 山西 古交 030200）

引言

液壓支架為煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，其能夠?yàn)榫C采工作面的設(shè)備和相關(guān)作業(yè)人員提供安全的作業(yè)和操作空間。然而，液壓支架在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中常由于設(shè)備的故障導(dǎo)致支護(hù)不利，從而導(dǎo)致綜采工作面的各類事故。經(jīng)對(duì)液壓支架實(shí)際應(yīng)用的故障統(tǒng)計(jì)可知，80%的故障屬于液壓故障，且大部分液壓系統(tǒng)的故障均是由于泄露所導(dǎo)致。液壓支架液壓系統(tǒng)泄露問(wèn)題不僅會(huì)浪費(fèi)大量的乳化液，污染綜采工作面的環(huán)境，而且還會(huì)極大影響液壓支架的支護(hù)效果，從而影響綜采工作面生產(chǎn)的安全性[1]。為了準(zhǔn)確定位液壓支架泄露的問(wèn)題，本文將基于AMESim 對(duì)液壓支架主液壓回路進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)故障定位提供依據(jù)。

1 液壓支架液壓系統(tǒng)故障原因及機(jī)理分析

1.1 常見(jiàn)液壓支架液壓系統(tǒng)故障及其原因分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，液壓支架在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中常見(jiàn)的液壓系統(tǒng)的故障包括有立柱故障、設(shè)備達(dá)不到設(shè)計(jì)時(shí)的初撐力和工作阻力、液壓支架不能完成移架功能、液壓支架頂梁前端不能正常實(shí)現(xiàn)上下擺的功能、液壓支架操作閥的故障以及液壓支架伸縮梁不能完成正常伸出或收回等故障。各類故障的原因分析如下：

針對(duì)立柱的故障主要表現(xiàn)為立柱不能升架、降架或者自降等。其中，對(duì)于立柱不能升架主要原因?yàn)橐簤褐Ъ懿倏v閥傳動(dòng)介質(zhì)存在泄漏問(wèn)題，且主要以內(nèi)外泄漏為主；對(duì)于立柱不能降架主要由于管路堵塞所導(dǎo)致；對(duì)于立柱自降的問(wèn)題主要由于液壓支架的安全閥傳動(dòng)存在泄漏。針對(duì)液壓支架在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中其初撐力和工作阻力達(dá)不到設(shè)定值的要求，其主要原由液壓支架相關(guān)泵站系統(tǒng)的壓力不足或單向閥存在液壓油、乳化液泄漏問(wèn)題所導(dǎo)致。針對(duì)液壓支架不能移架的問(wèn)題，其主要由液壓支架相關(guān)泵站系統(tǒng)的壓力不足或高壓膠管等存在乳化液、液壓油的泄露問(wèn)題所導(dǎo)致[2]。針對(duì)液壓支架頂梁前端不能實(shí)現(xiàn)正常的擺動(dòng)功能，其主要原因?yàn)橄嚓P(guān)管路和平衡千斤頂存在液壓油或者乳化液泄漏。針對(duì)液壓支架伸縮梁不能正常伸出或者收回，其主要由單向閥、油缸等部件存在液壓油、乳化液泄露所導(dǎo)致。

綜上所述，對(duì)于液壓支架在一般工作中所存在的問(wèn)題，主要是由于設(shè)備相關(guān)部件（單向閥、安全閥、高壓膠管、千斤頂以及油缸等）存在液壓油或乳化液的泄露問(wèn)題所導(dǎo)致。

1.2 液壓支架液壓系統(tǒng)故障機(jī)理分析

液壓支架液壓系統(tǒng)的泄露可分為內(nèi)泄露和外泄露。其中，內(nèi)泄露主要指的是液壓油或者乳化液從高壓一側(cè)泄露至低壓一側(cè)[3]。一般情況下，液壓支架液壓系統(tǒng)的內(nèi)泄露會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的保壓性能較差且影響設(shè)備后續(xù)的平穩(wěn)性和可靠性。外泄露主要指的是液壓油或者乳化液從液壓支架內(nèi)部流向至工作面。外泄露會(huì)造成傳動(dòng)介質(zhì)的浪費(fèi)，嚴(yán)重威脅綜采工作面的安全生產(chǎn)。

1.2.1 液壓支架液壓系統(tǒng)外泄露機(jī)理

對(duì)于液壓支架液壓系統(tǒng)外泄露故障可將等效果為液壓油或乳化液通過(guò)不同直徑的孔口從液壓系統(tǒng)元器件內(nèi)部向外泄露，具體可等效果為薄壁孔、短孔以及細(xì)長(zhǎng)孔。泄露孔的具體確定與泄露通道的長(zhǎng)度和直徑的比相關(guān)，具體如表1 所示。

1.2.2 液壓支架液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏機(jī)理

液壓支架液壓系統(tǒng)的內(nèi)泄漏問(wèn)題主要是由于液壓元器件及相關(guān)機(jī)械部件在加工、安裝時(shí)存在誤差所導(dǎo)致，使得在液壓系統(tǒng)中存在較多的縫隙，當(dāng)液壓油或者乳化液流經(jīng)縫隙時(shí)在壓力的作用下發(fā)生泄露。根據(jù)內(nèi)泄漏流量的不同可將液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏的具體類型分為平行平板縫隙所導(dǎo)致的內(nèi)泄漏、傾斜平板縫隙所導(dǎo)致的內(nèi)泄漏、環(huán)形縫隙所導(dǎo)致的內(nèi)泄漏以及平行圓盤徑向縫隙所導(dǎo)致的內(nèi)泄漏。

表1 外泄露形式區(qū)分

2 基于AMESim 對(duì)液壓系統(tǒng)常見(jiàn)故障仿真分析

本文具體對(duì)ZY3200/12/32 型液壓支架在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中存在的常見(jiàn)故障下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。在綜采工作面，液壓支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)相互配套，且液壓支架的支撐力主要由乳化液泵站所提供的高壓乳化液通過(guò)對(duì)應(yīng)的供液管運(yùn)送至綜采工作面，達(dá)到液壓支架后高壓乳化液通過(guò)截止閥、過(guò)濾器以及操縱閥等相關(guān)液壓部件運(yùn)送至液壓支架的立柱、千斤頂?shù)任恢?，從而完成液壓支架的各類?dòng)作，具體如圖1 所示[4]。

圖1 液壓支架液壓系統(tǒng)原理圖

如圖1 所示，“1”為截止閥；“2”為過(guò)濾器；“3”為操縱閥；“4”為單向閥。該液壓支架液壓系統(tǒng)安全閥的設(shè)定壓力為42 MPa，乳化液泵站所提供的乳化液的最高壓力為32 MPa。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，在所有液壓系統(tǒng)存在的泄露故障中，其中以推移千斤頂和鎖緊液壓缸所涉及到的兩個(gè)工作回路的泄露占比較大。因此，本文將對(duì)推移千斤頂工作回路和鎖緊液壓缸內(nèi)泄漏對(duì)應(yīng)的特性進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)此類事故的判斷和定位提供依據(jù)。

2.1 推移千斤頂液壓缸工作回路泄露故障仿真分析

結(jié)合液壓系統(tǒng)推移千斤頂?shù)墓ぷ髟?，基于AMESim仿真軟件設(shè)計(jì)如圖2 所示的工作回路仿真模型。根據(jù)實(shí)際對(duì)應(yīng)工作回路中的實(shí)際參數(shù)完成模型中的參數(shù)設(shè)置，并著重對(duì)推移千斤頂工作回路中對(duì)應(yīng)千斤頂?shù)膬?nèi)泄漏、千斤頂與換向閥之間管路的泄露進(jìn)行仿真分析。

圖2 推移千斤頂工作回路的AMESim 仿真模型

2.1.1 千斤頂?shù)膬?nèi)泄漏

本節(jié)對(duì)不同泄露流量下對(duì)應(yīng)千斤頂?shù)竭_(dá)指定位置所需時(shí)間和延誤時(shí)間進(jìn)行仿真分析，得出如表2所示結(jié)果。

表2 不同泄露流量下對(duì)千斤頂?shù)挠绊?/p>

如表2 所示，隨著泄露流量的增大，對(duì)應(yīng)千斤頂?shù)竭_(dá)指定位置所需時(shí)間越長(zhǎng)，即延誤時(shí)間越長(zhǎng)。因此，可通過(guò)對(duì)千斤頂達(dá)到指定位置延誤時(shí)間長(zhǎng)短判斷得出具體泄露流量的大小[5]。

2.1.2 千斤頂與換向閥之間管路的泄露

千斤頂和換向閥之間的高壓膠管存在泄露往往也會(huì)導(dǎo)致千斤頂?shù)竭_(dá)指定位置所需時(shí)間延長(zhǎng)。為此，在仿真計(jì)算中將模型中的高壓膠管連接一個(gè)圓形孔，用來(lái)模擬管路的泄露問(wèn)題，并對(duì)不同圓形孔直徑下對(duì)應(yīng)千斤頂達(dá)到指定位置的時(shí)間進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下頁(yè)圖3 所示。

如圖3 所示，隨著高壓膠管圓孔直徑的增大，千斤頂?shù)竭_(dá)指定位置所需時(shí)間延長(zhǎng)。故，在實(shí)際故障判斷時(shí)，可根據(jù)延長(zhǎng)時(shí)間判斷高壓膠管發(fā)生泄漏點(diǎn)圓孔的直徑大小。

2.2 鎖緊液壓缸內(nèi)泄漏故障仿真分析

基于AMESim 仿真軟件所建立的仿真模型如下頁(yè)圖4 所示。

經(jīng)理論研究可知，導(dǎo)致鎖緊油缸發(fā)生內(nèi)泄露的主要原因在于液壓油缸活塞和缸壁之間的縫隙擴(kuò)大所導(dǎo)致，而液壓油缸活塞和缸壁之間的正?？p隙為0.05 mm。因此，本節(jié)將對(duì)油液油缸活塞和缸壁之間的縫隙為 0.05 mm、0.07 mm、0.09 mm、0.11 mm 以及 0.13 mm 對(duì)應(yīng)的特性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如5 所示。

圖3 不同圓孔直徑對(duì)應(yīng)系統(tǒng)延誤時(shí)間

圖4 鎖緊油缸工作回路原理圖

如圖5 所示，隨著液壓油缸活塞和缸壁之間的縫隙增大，液壓油缸在伸出和收回時(shí)均有較大的影響，尤其是對(duì)液壓油缸的收回階段的影響非常明顯。而且，當(dāng)液壓油缸活塞和缸壁之間的縫隙增大至0.13 mm 時(shí)液壓油缸活塞不能正常收回。

圖5 不同縫隙對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)特性曲線

3 結(jié)語(yǔ)

液壓支架為綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，其支護(hù)效果直接決定工作面巷道頂板和兩幫圍巖的控制效果，進(jìn)而決定綜采工作面的安全程度。本文基于AMESim 仿真軟件分別對(duì)千斤頂工作回路的泄露和液壓油缸內(nèi)泄漏故障下對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)故障的判斷和定位提供依據(jù)。