液压支架泄漏检测方法的分析应用

于 乐

（阳煤集团机电设备管理中心，山西阳泉 045000）

0 引言

液压支架主要用于支撑顶板和控制顶板，以保证回采工作面的正常和安全生产运行。液压支架发生泄露是挡圈液压支架系统常见的故障，一旦液压支架发生泄露，会严重降低煤矿的开采效率，降低开采生产的安全性和平稳性[1-2]。而液压阀、液压缸、液压泵和其他部件是液压支架系统的重要组成部分，液压支架发生泄露的主要原因在于，千斤顶伸缩出现异常、液压支柱升降出现异常和液压阀发生故障。工程界和学术界越来越多人开始关注到液压支架泄漏的诊断、检测和定位方法。目前，液压支架泄漏的主要检测方法主要是依靠压力传感器，通过测量压力的波动变化，来进一步检测液压支架是否发生泄露[3-4]。但该方法的不足之处在于需要对矿井中所有的液压支架安装压力传感器，消耗成本资源较大，经济性不高，且该方法无法准确地定位发生泄露的具体液压支架位置。目前公认的液压支架泄露检测的挑战和难点在于，井下环境条件复杂且恶劣，严重影响检测设备的检测效果。此外，液压支架泄漏包括内泄露和外泄露，当管路或者液压阀由于内部泄露互相串液时，依靠传统的经验检测和判断方法很难侦查到液压支架发生泄漏。

为了保证顶板岩层稳定、提高回采工作面运转的安全性，很有必要开发一套液压支架泄漏检测系统，来准确、及时地检测识别液压支架的泄漏工况，并对液压支架的泄漏具体位置精准定位，实现对液压支架系统安全运行状况的准确评估。

1 液压支架泄露的故障类型分析

1.1 支柱升降故障

液压支柱和液压千斤顶可以借助液压阀来完成上推等运动。当支柱升降发生故障，如升降太慢或者无法正常完成升降动作时可能会引起液压支架发生泄漏；支柱的承重能力过小，也可能导致液压支架发生泄漏；此外，操纵阀设到零位时导致无法升起也是重要原因之一，但是支柱升降故障的发生概率较小。

1.2 千斤顶伸缩故障

千斤顶的常见伸缩故障包括千斤顶伸缩能力不足，无法完成向前推进的任务或者向前推进的速度过慢等等。千斤顶伸缩的故障也是造成液压支架外部泄露的重要原因之一。

1.3 液压阀故障

液压阀的内部和外部故障是三种泄露类型中最常见的故障。液压阀有三种类型，分别为操纵阀、液控单向阀和安全阀。操作阀的常见故障有阀座与阀球间密封不良导致乳液发生串液现象；液控单向阀的故障类型包括支柱升降故障；安全阀故障包括当安全阀卸载时未达到工作阻力[5]。

2 基于声波的液压支架泄露检测系统设计与应用

2.1 声波检测原理

当液压支架内部充满乳液，内部压强大于外部压强，从液压支架的孔隙中泄露的液体会形成射流，并会发出一定频率的声波，该声波的频率成分中高频较多，属于超声波的范畴。该超声高频信号可以通过超声高频信号检测接收装置进行捕捉，然后利用超声波指向性的这一特点，正确地诊断定位发生泄漏的源头。超声波检测的优势在于，噪声信号和有用信号的频率重叠部分较少，噪声对信号处理检测的影响较小，检测结果相对可靠[6]。

2.2 检测系统设计

基于声波的液压支架泄露检测装置，要通过超声高频信号检测接受装置进完成原始信号的检测，应保证能够精密监测液压支架的设备健康状态、准确的识别出液压支架的泄露工况，并对泄露位置进行精确定位。该检测系统应该能够较好地实现在线实时检测的效果，必须具有良好的信号采集和信号A∕D转换的功能，设备泄露的检测系统必须能够对接收到的原始信号进行及时主动的分析、识别和处理，一旦识别检测发现到液压支架的泄露工况时，必须启动声光报警器进行报警。此外，该检测设备需要符合现场生产要求，适应现场杂乱恶劣的地质环境[7]。

为了更好地接收泄露液体在泄露口处发出的声波信号，超声高频信号检测接收装置采用振动信号拾取传感器，这里采用加速度传感器，该传感器能够测量感知的信号频率范围在3～19 Hz。但该信号不能直接用于分析处理，还需要经过匹配滤波器和包络检波器以及放大电路的噪声滤除和信号增强，然后通过信号调制后显示在显示器上。一旦超声高频信号检测接收装置检测到符合泄露信号频率特征的信号，则诊断系统断定此时发生泄漏工况，并通过泄露信号的强度大小来评估判断液压支架泄露工况的危险程度，泄露的危险程度可分为轻微故障、严重故障和极严重故障。在现场通过安装多个超声高频信号接收器，通过信号间的强弱关系，来判定泄露的源头位置。在开始检测之前，要根据设备基本信息或者实际情况，选择有利用信号分析处理的信号采集频率。实际检测过程中，要对液压阀、液压缸、液压泵和其他部件进行传感器的逐一安装，以更精确快速地判断泄露的部位。实验测量过程中，要尽量避免其他振动设备的振动干扰，如条件允许，可以关闭其他设备，防止其振动信号传入信号收集器，而导致最终的设备故障诊断结果偏离真实情况。

如图1，在超声高频信号检测接收装置采集到原始声波特征信号后，需要进一步通过小波变换、傅里叶变换或者其他时域和频域变换方法对信号进一步处理，然后将处理分析结果传送至报警系统，一旦信号的特征值超出阈值，报警系统启动，此时工作人员应仔细排查故障，根据报警提示作出相应维修或更换策略[8]。

图1 液压支架泄露检测系统设计框图

2.3 现场应用效果分析

为了检验基于声波的液压支架泄露检测系统的可靠性和可行性，将本检测系统应用于某矿井工作面的液压支架检测中。应用结果表明，该检测系统能够检测到30处泄露位置，其中内漏11处，外漏12处，机械零件损坏7处，该矿场的液压支架液压阀泄露发生率相对较高，如表1所示，严重故障的比例占到总故障的30%。将该系统检测结果与实际停工检验结果对比可以发现，该检测系统对液压支架泄露工况的检测误判率为0，同时，本文研发的检测系统能准确地定位到液压支架的泄露位置，较好地适应井下复杂恶劣工作环境，提高煤矿生产作业的安全性，工作面产量从118 750 t∕月提高到了125 300 t∕月，煤矿的开采效率被大大提高。

表1 液压支架泄露不同故障类型所占比例

3 结论

液压支架主要用于支撑顶板和控制顶板，以保证回采工作面的正常和安全生产运行。液压支架发生泄露是挡圈液压支架系统常见的故障。液压支架系统发生泄漏会严重降低煤矿的开采效率，降低开采生产的安全性和平稳性。传统的压力传感器检测方法无法给出具体的泄露位置判断结果，为了保证顶板岩层稳定，提高回采工作面运转的安全性，本文开发一套基于声波的液压支架泄漏检测系统，准确及时地检测识别液压支架的泄漏工况，并对液压支架的泄漏具体位置精准定位，实现对液压支架系统安全运行状况的准确评估。将本检测系统应用于某矿场的液压支架系统，结果表明，本检测系统具有较高的检测成功率，能够较好地适应井下复杂恶劣工作环境，本液压支架系统泄露检测系统能够为液压支架系统的故障监测诊断和维修维护策略制定提供数据依据。