于 樂(lè)

（陽(yáng)煤集團(tuán)機(jī)電設(shè)備管理中心，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

液壓支架主要用于支撐頂板和控制頂板，以保證回采工作面的正常和安全生產(chǎn)運(yùn)行。液壓支架發(fā)生泄露是擋圈液壓支架系統(tǒng)常見(jiàn)的故障，一旦液壓支架發(fā)生泄露，會(huì)嚴(yán)重降低煤礦的開采效率，降低開采生產(chǎn)的安全性和平穩(wěn)性[1-2]。而液壓閥、液壓缸、液壓泵和其他部件是液壓支架系統(tǒng)的重要組成部分，液壓支架發(fā)生泄露的主要原因在于，千斤頂伸縮出現(xiàn)異常、液壓支柱升降出現(xiàn)異常和液壓閥發(fā)生故障。工程界和學(xué)術(shù)界越來(lái)越多人開始關(guān)注到液壓支架泄漏的診斷、檢測(cè)和定位方法。目前，液壓支架泄漏的主要檢測(cè)方法主要是依靠壓力傳感器，通過(guò)測(cè)量壓力的波動(dòng)變化，來(lái)進(jìn)一步檢測(cè)液壓支架是否發(fā)生泄露[3-4]。但該方法的不足之處在于需要對(duì)礦井中所有的液壓支架安裝壓力傳感器，消耗成本資源較大，經(jīng)濟(jì)性不高，且該方法無(wú)法準(zhǔn)確地定位發(fā)生泄露的具體液壓支架位置。目前公認(rèn)的液壓支架泄露檢測(cè)的挑戰(zhàn)和難點(diǎn)在于，井下環(huán)境條件復(fù)雜且惡劣，嚴(yán)重影響檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)效果。此外，液壓支架泄漏包括內(nèi)泄露和外泄露，當(dāng)管路或者液壓閥由于內(nèi)部泄露互相串液時(shí)，依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)和判斷方法很難偵查到液壓支架發(fā)生泄漏。

為了保證頂板巖層穩(wěn)定、提高回采工作面運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，很有必要開發(fā)一套液壓支架泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測(cè)識(shí)別液壓支架的泄漏工況，并對(duì)液壓支架的泄漏具體位置精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架系統(tǒng)安全運(yùn)行狀況的準(zhǔn)確評(píng)估。

1 液壓支架泄露的故障類型分析

1.1 支柱升降故障

液壓支柱和液壓千斤頂可以借助液壓閥來(lái)完成上推等運(yùn)動(dòng)。當(dāng)支柱升降發(fā)生故障，如升降太慢或者無(wú)法正常完成升降動(dòng)作時(shí)可能會(huì)引起液壓支架發(fā)生泄漏；支柱的承重能力過(guò)小，也可能導(dǎo)致液壓支架發(fā)生泄漏；此外，操縱閥設(shè)到零位時(shí)導(dǎo)致無(wú)法升起也是重要原因之一，但是支柱升降故障的發(fā)生概率較小。

1.2 千斤頂伸縮故障

千斤頂?shù)某Ｒ?jiàn)伸縮故障包括千斤頂伸縮能力不足，無(wú)法完成向前推進(jìn)的任務(wù)或者向前推進(jìn)的速度過(guò)慢等等。千斤頂伸縮的故障也是造成液壓支架外部泄露的重要原因之一。

1.3 液壓閥故障

液壓閥的內(nèi)部和外部故障是三種泄露類型中最常見(jiàn)的故障。液壓閥有三種類型，分別為操縱閥、液控單向閥和安全閥。操作閥的常見(jiàn)故障有閥座與閥球間密封不良導(dǎo)致乳液發(fā)生串液現(xiàn)象；液控單向閥的故障類型包括支柱升降故障；安全閥故障包括當(dāng)安全閥卸載時(shí)未達(dá)到工作阻力[5]。

2 基于聲波的液壓支架泄露檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 聲波檢測(cè)原理

當(dāng)液壓支架內(nèi)部充滿乳液，內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)，從液壓支架的孔隙中泄露的液體會(huì)形成射流，并會(huì)發(fā)出一定頻率的聲波，該聲波的頻率成分中高頻較多，屬于超聲波的范疇。該超聲高頻信號(hào)可以通過(guò)超聲高頻信號(hào)檢測(cè)接收裝置進(jìn)行捕捉，然后利用超聲波指向性的這一特點(diǎn)，正確地診斷定位發(fā)生泄漏的源頭。超聲波檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于，噪聲信號(hào)和有用信號(hào)的頻率重疊部分較少，噪聲對(duì)信號(hào)處理檢測(cè)的影響較小，檢測(cè)結(jié)果相對(duì)可靠[6]。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于聲波的液壓支架泄露檢測(cè)裝置，要通過(guò)超聲高頻信號(hào)檢測(cè)接受裝置進(jìn)完成原始信號(hào)的檢測(cè)，應(yīng)保證能夠精密監(jiān)測(cè)液壓支架的設(shè)備健康狀態(tài)、準(zhǔn)確的識(shí)別出液壓支架的泄露工況，并對(duì)泄露位置進(jìn)行精確定位。該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該能夠較好地實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的效果，必須具有良好的信號(hào)采集和信號(hào)A∕D轉(zhuǎn)換的功能，設(shè)備泄露的檢測(cè)系統(tǒng)必須能夠?qū)邮盏降脑夹盘?hào)進(jìn)行及時(shí)主動(dòng)的分析、識(shí)別和處理，一旦識(shí)別檢測(cè)發(fā)現(xiàn)到液壓支架的泄露工況時(shí)，必須啟動(dòng)聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。此外，該檢測(cè)設(shè)備需要符合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)雜亂惡劣的地質(zhì)環(huán)境[7]。

為了更好地接收泄露液體在泄露口處發(fā)出的聲波信號(hào)，超聲高頻信號(hào)檢測(cè)接收裝置采用振動(dòng)信號(hào)拾取傳感器，這里采用加速度傳感器，該傳感器能夠測(cè)量感知的信號(hào)頻率范圍在3～19 Hz。但該信號(hào)不能直接用于分析處理，還需要經(jīng)過(guò)匹配濾波器和包絡(luò)檢波器以及放大電路的噪聲濾除和信號(hào)增強(qiáng)，然后通過(guò)信號(hào)調(diào)制后顯示在顯示器上。一旦超聲高頻信號(hào)檢測(cè)接收裝置檢測(cè)到符合泄露信號(hào)頻率特征的信號(hào)，則診斷系統(tǒng)斷定此時(shí)發(fā)生泄漏工況，并通過(guò)泄露信號(hào)的強(qiáng)度大小來(lái)評(píng)估判斷液壓支架泄露工況的危險(xiǎn)程度，泄露的危險(xiǎn)程度可分為輕微故障、嚴(yán)重故障和極嚴(yán)重故障。在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)安裝多個(gè)超聲高頻信號(hào)接收器，通過(guò)信號(hào)間的強(qiáng)弱關(guān)系，來(lái)判定泄露的源頭位置。在開始檢測(cè)之前，要根據(jù)設(shè)備基本信息或者實(shí)際情況，選擇有利用信號(hào)分析處理的信號(hào)采集頻率。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，要對(duì)液壓閥、液壓缸、液壓泵和其他部件進(jìn)行傳感器的逐一安裝，以更精確快速地判斷泄露的部位。實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，要盡量避免其他振動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)干擾，如條件允許，可以關(guān)閉其他設(shè)備，防止其振動(dòng)信號(hào)傳入信號(hào)收集器，而導(dǎo)致最終的設(shè)備故障診斷結(jié)果偏離真實(shí)情況。

如圖1，在超聲高頻信號(hào)檢測(cè)接收裝置采集到原始聲波特征信號(hào)后，需要進(jìn)一步通過(guò)小波變換、傅里葉變換或者其他時(shí)域和頻域變換方法對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理，然后將處理分析結(jié)果傳送至報(bào)警系統(tǒng)，一旦信號(hào)的特征值超出閾值，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，此時(shí)工作人員應(yīng)仔細(xì)排查故障，根據(jù)報(bào)警提示作出相應(yīng)維修或更換策略[8]。

圖1 液壓支架泄露檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為了檢驗(yàn)基于聲波的液壓支架泄露檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和可行性，將本檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于某礦井工作面的液壓支架檢測(cè)中。應(yīng)用結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到30處泄露位置，其中內(nèi)漏11處，外漏12處，機(jī)械零件損壞7處，該礦場(chǎng)的液壓支架液壓閥泄露發(fā)生率相對(duì)較高，如表1所示，嚴(yán)重故障的比例占到總故障的30%。將該系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際停工檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)液壓支架泄露工況的檢測(cè)誤判率為0，同時(shí)，本文研發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確地定位到液壓支架的泄露位置，較好地適應(yīng)井下復(fù)雜惡劣工作環(huán)境，提高煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全性，工作面產(chǎn)量從118 750 t∕月提高到了125 300 t∕月，煤礦的開采效率被大大提高。

表1 液壓支架泄露不同故障類型所占比例

3 結(jié)論

液壓支架主要用于支撐頂板和控制頂板，以保證回采工作面的正常和安全生產(chǎn)運(yùn)行。液壓支架發(fā)生泄露是擋圈液壓支架系統(tǒng)常見(jiàn)的故障。液壓支架系統(tǒng)發(fā)生泄漏會(huì)嚴(yán)重降低煤礦的開采效率，降低開采生產(chǎn)的安全性和平穩(wěn)性。傳統(tǒng)的壓力傳感器檢測(cè)方法無(wú)法給出具體的泄露位置判斷結(jié)果，為了保證頂板巖層穩(wěn)定，提高回采工作面運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，本文開發(fā)一套基于聲波的液壓支架泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)識(shí)別液壓支架的泄漏工況，并對(duì)液壓支架的泄漏具體位置精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架系統(tǒng)安全運(yùn)行狀況的準(zhǔn)確評(píng)估。將本檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于某礦場(chǎng)的液壓支架系統(tǒng)，結(jié)果表明，本檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)成功率，能夠較好地適應(yīng)井下復(fù)雜惡劣工作環(huán)境，本液壓支架系統(tǒng)泄露檢測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)橐簤褐Ъ芟到y(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)診斷和維修維護(hù)策略制定提供數(shù)據(jù)依據(jù)。