采煤機(jī)液壓系統(tǒng)部件磨損分析及磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 飛

(山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 太原 030200)

0 引 言

采煤機(jī)設(shè)備中液壓系統(tǒng)發(fā)生磨損主要出現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)的一些關(guān)鍵部件上，這些部件在液壓系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其表面結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)污染磨損，使液壓系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致液壓泵中流量出現(xiàn)一定損失。采煤機(jī)液壓泵屬于容積泵，其輸出流量和泄漏量大小存在著緊密關(guān)聯(lián)性，液壓泵發(fā)生泄漏有三種不同類型，其一為端面泄漏類型，指液壓泵對(duì)應(yīng)的端蓋結(jié)構(gòu)與不同側(cè)面間隙發(fā)生泄漏；其二是徑向泄漏，指齒頂圓結(jié)構(gòu)和液壓泵的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)間隙泄漏；其三是嚙合泄漏，指嚙合位置處存在的間隙發(fā)生泄漏[1]。

采煤機(jī)及設(shè)備液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力不足，無(wú)法及時(shí)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)重影響采煤作業(yè)。出現(xiàn)泄漏后，增加液壓系統(tǒng)發(fā)熱量，采煤機(jī)極易損壞。泄露還使外界污染物進(jìn)入采煤機(jī)中，惡性循環(huán)，損壞主機(jī)裝置及其他部件，造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，出現(xiàn)失靈，引起不安全隱患，對(duì)作業(yè)人員人身安全造成較大威脅。采煤機(jī)液壓系統(tǒng)較為隱蔽，直觀性較差，不易檢測(cè)，故障檢測(cè)難度相對(duì)大，因此，針對(duì)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)泄漏問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)保障采煤機(jī)設(shè)備安全、可靠運(yùn)行意義重大。

1 采煤機(jī)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件磨損機(jī)理分析

1.1 液壓泵磨損過(guò)程

一些固體物質(zhì)會(huì)進(jìn)入至油液中，會(huì)進(jìn)入液壓泵各個(gè)間隙位置，固體物質(zhì)自身顆粒尺寸不同，出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)磨損情況也有所差異。通常情況下，若是固體物質(zhì)所擁有的尺寸D相對(duì)小，即S>D，則和運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)不發(fā)生接觸，便不會(huì)出現(xiàn)磨損問(wèn)題，如圖1(a)所示。若是固體物質(zhì)的尺寸D相對(duì)大，即S

圖1 不同固體物質(zhì)尺寸的磨損情況

固體物質(zhì)在液壓泵裝置中運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)間隙造成的部件磨損，除了和固體物質(zhì)的尺寸大小有關(guān)外，還和固體物質(zhì)硬度大小、鋒利程度等多種因素存在直接關(guān)聯(lián)性，同時(shí)還與運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)自身的特性以及運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)存在關(guān)系。若運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)硬度大，則其間隙位置處的固體物質(zhì)會(huì)被壓碎，在進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)的表面位置不會(huì)出現(xiàn)磨損，如圖2(a)所示。若運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)的硬度和固體物質(zhì)硬度相當(dāng)，則其間隙位置處的固體物質(zhì)會(huì)和運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)發(fā)生摩擦，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)表面位置會(huì)出現(xiàn)一定磨損，如圖2(b)所示。若是運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)硬度相對(duì)小，其間隙位置處的固體物質(zhì)將會(huì)鑲嵌至軟質(zhì)結(jié)構(gòu)中表層位置處，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)的表面位置會(huì)出現(xiàn)一定磨損，如圖2(c)所示。

圖2 固體物質(zhì)特性對(duì)于運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)磨損影響情況

1.2 液壓泵磨損形式

1.2.1切削磨損形式

若是固體物質(zhì)尺寸與間隙尺寸相近，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)至間隙結(jié)構(gòu)中，一些硬度相對(duì)大固體物質(zhì)由于受到法向荷載影響，會(huì)嵌入至硬度相對(duì)小運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)表面位置處，相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)便導(dǎo)致表面發(fā)生切削磨損問(wèn)題，見(jiàn)圖3。

1.2.2粘著磨損形式

油體里存在的固體物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)間會(huì)發(fā)生一定作用，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定塑性形變，導(dǎo)致其表面形成一些凹凸結(jié)構(gòu)。由于受到一定載荷影響，其中所形成的凸起結(jié)構(gòu)在接觸過(guò)程中溫度值逐步增加，導(dǎo)致材料出現(xiàn)融合粘著現(xiàn)象。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行中，一些屈服極限相對(duì)較小材料會(huì)剝落，剝落下來(lái)的材料便成了磨粒。上述過(guò)程不斷地往復(fù)循環(huán)，使運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定粘著磨損，見(jiàn)圖4。

圖3 切削磨損形式 圖4 粘著磨損形式

1.2.3疲勞磨損形式

油體里的固體物質(zhì)不斷地進(jìn)行滾動(dòng)以及碾壓，導(dǎo)致液壓泵中運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性形變，同時(shí)也出現(xiàn)一定應(yīng)力作用。在長(zhǎng)期作用下，導(dǎo)致其表面結(jié)構(gòu)由于錯(cuò)位而形成一些非常細(xì)微的初始裂紋，長(zhǎng)期的影響導(dǎo)致裂紋發(fā)生擴(kuò)展，最終出現(xiàn)空洞，使運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)表面中的材料發(fā)生一定剝離，這一磨損形式便屬于疲勞磨損形式，見(jiàn)圖5。

圖5 疲勞磨損形式

2 磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

依照顆粒摩擦相關(guān)理論知識(shí)可知油液中包含微粒對(duì)應(yīng)信息非常多，通過(guò)對(duì)微粒信息分析能夠準(zhǔn)確獲得液壓泵實(shí)際運(yùn)行情況。油體中顆粒物質(zhì)的最重要特征是數(shù)量與尺寸，要想監(jiān)測(cè)得到上述信息數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段所采用的最有效方法為鐵譜技術(shù)。所以，此次設(shè)計(jì)磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在對(duì)固體物質(zhì)的顆粒數(shù)量以及顆粒大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)用的是鐵譜技術(shù)。為彌補(bǔ)鐵譜技術(shù)在一些方面的缺陷，系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中又融合了圖像內(nèi)容識(shí)別技術(shù)，具體流程如圖6所示。

圖6 磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

3 磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

晉華宮煤礦應(yīng)用磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)所使用MG300/720AWD型的采煤機(jī)開(kāi)展了監(jiān)測(cè)工作。依照此采煤機(jī)實(shí)際維修工作記錄數(shù)據(jù)以及設(shè)備的換油時(shí)間統(tǒng)計(jì)，確定了對(duì)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)之中油樣抽取時(shí)間周期是200 h，即當(dāng)更換油操作后，設(shè)備運(yùn)行200 h后抽取油樣，表1為經(jīng)過(guò)六次取樣后利用鐵譜技術(shù)測(cè)量得到的固體物質(zhì)顆粒數(shù)據(jù)以及嚴(yán)重磨損指數(shù)對(duì)應(yīng)信息。

表1 固體物質(zhì)顆粒數(shù)據(jù)及嚴(yán)重磨損指數(shù)

嚴(yán)重磨損指數(shù)IS可以更加直觀的體現(xiàn)出采煤機(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的磨損情況，其計(jì)算公式如下：

IS=(φL+φS)(φL-φS)

式中：IS為嚴(yán)重磨損指數(shù)；φL為大于5 μm的摩粒含量；φS為小于5 μm的摩粒含量。

φL+φS以及IS在逐步推移過(guò)程中若是出現(xiàn)突變，表示液壓系統(tǒng)存在一定磨損故障，要是對(duì)應(yīng)的數(shù)值相對(duì)大，代表存在相對(duì)嚴(yán)重磨損。就檢測(cè)得到數(shù)據(jù)來(lái)看，φL+φS以及IS值均非常大，這也表明了液壓系統(tǒng)存在相對(duì)嚴(yán)重磨損，對(duì)抽取的油樣進(jìn)一步進(jìn)行制譜分析后得出其中存在一些摩擦聚合物[3]。借助于知識(shí)庫(kù)分析得出目前該采煤機(jī)設(shè)備的液壓系統(tǒng)在相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間一直是處于超負(fù)荷狀態(tài)，油溫增高，診斷結(jié)果和采煤機(jī)設(shè)備液壓系統(tǒng)具體運(yùn)行情況吻合。

4 應(yīng)用效益

4.1 采煤機(jī)設(shè)備油料消耗成本對(duì)比

2017年前，依照采煤機(jī)液壓系統(tǒng)檢修體系,針對(duì)液壓系統(tǒng)定期開(kāi)展保養(yǎng)，依照制度定期對(duì)不同的油料加以更換處理，沒(méi)有針對(duì)油料具體顆粒情況加以監(jiān)測(cè)。應(yīng)用了采煤機(jī)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，針對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果加以全面分析，得到油品中顆粒物質(zhì)情況，有效的節(jié)約油料使用數(shù)量，減少油料成本投入，以下是2016年與2017年采煤機(jī)油料消耗情況對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 2016年與2017年采煤機(jī)油耗數(shù)量對(duì)比

2017年期間晉華宮煤礦MG300/720AWD型采煤機(jī)單小時(shí)油耗成本減少了23.29元，降低了50.38%，全年節(jié)約13.74萬(wàn)元。

4.2 采煤機(jī)設(shè)備配件成本對(duì)比

2017年期間，對(duì)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)中油品質(zhì)量加以全面監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，防止液壓系統(tǒng)中關(guān)鍵部件出現(xiàn)損傷，其中液壓泵裝置以及閥門裝置等一些關(guān)鍵部件均未發(fā)生異常損壞，此項(xiàng)配件費(fèi)用成本節(jié)約20萬(wàn)元左右，確保了采煤機(jī)一直處在優(yōu)良運(yùn)行狀態(tài)下，為煤炭安全開(kāi)采提供了可靠保障。

4.3 采煤機(jī)設(shè)備維修工時(shí)成本對(duì)比

應(yīng)用采煤機(jī)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，針對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)加以監(jiān)測(cè)同時(shí)還能對(duì)液壓系統(tǒng)故障加以預(yù)測(cè)，使采煤機(jī)發(fā)生故障概率顯著減少，采煤機(jī)日常檢修與維護(hù)費(fèi)用同樣顯著減少，采煤機(jī)設(shè)備的檢修以及保養(yǎng)時(shí)間也減少，確保了煤炭開(kāi)采作業(yè)的連續(xù)性。以下是2016年與2017年采煤機(jī)設(shè)備維修工時(shí)成本情況對(duì)比數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 2016年與2017年采煤機(jī)設(shè)備維修工時(shí)成本情況對(duì)比

2017年期間晉華宮煤礦MG300/720AWD型采煤機(jī)設(shè)備單小時(shí)維修工時(shí)成本減少了9.57元，降低了36.85%，全年節(jié)約5.22萬(wàn)元。

5 結(jié) 語(yǔ)

采煤機(jī)設(shè)備是煤礦企業(yè)采煤中應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備，采煤機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行是企業(yè)發(fā)展的重要保障。采煤機(jī)液壓系統(tǒng)屬于動(dòng)力來(lái)源，其運(yùn)行情況會(huì)直接影響采煤機(jī)的正常運(yùn)行。筆者通過(guò)利用鐵譜技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，構(gòu)建了磨損狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，有效彌補(bǔ)了單純采用鐵譜技術(shù)難以推廣應(yīng)用的缺陷，確保了采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的磨損診斷更為精準(zhǔn)與全面，為煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備科學(xué)化管理以及規(guī)范化管理提供了可靠的保障。