煤矿设备液压系统在线过滤系统开发研究

刘云飞，杨戴明，刘美鲜，韩丽娟，麻玉师，刘同冈

1内蒙古伊泰煤炭股份有限公司 内蒙古鄂尔多斯 017000

2中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 221116

煤炭生产设备常工作于遍布浑浊或带腐蚀的水洼以及充斥颗粒粉尘的环境中，其液压系统极易受到污染[1]。液压油的清洁度是否达标直接影响液压系统能否长期稳定运行[2]。由于液压系统处于高压环境中工作，系统中任何不规则形状的污染物划过和冲击内部组件时，都会导致内部结构磨损、刮擦，使系统中产生更多的磨损颗粒和污染物。为提高液压系统的工作效率，其系统元件的制造及配合精度越来越高，但对污染物的敏感尺寸却越来越小[3]。因此，要保证液压系统的可靠工作，设计并使用净化设备控制污染度是一种经济有效的技术手段。

过滤是油液净化技术中的一种重要物理方法，高精度的滤芯可以分离出 1 μm 的固体颗粒。这种过滤对环境、人员操作水平要求较为宽松，在高清洁度要求的场合具有较好的污染控制效果，因此在大型设备的液压和润滑系统中应用最广泛[4]。目前，液压油过滤主要采用定期过滤，在一定程度上可以改善液压油清洁度。但是，定期的过滤周期及循环次数多是根据经验来确定，无法保证在液压油污染度超标时及时加以净化过滤，也无法保证过滤后液压油的清洁度是否符合要求。

因此，为了保持液压油的清洁度，笔者针对煤矿设备的液压油系统，设计开发了一种在线过滤系统，以期实现改善液压油清洁度、提高液压系统的稳定运行能力，并结合油液理化指标、铁谱磨粒分析对净化效果进行了评价[5-6]。

1 总体方案设计

过滤系统总体方案如图 1 所示。该过滤系统主要由在线式颗粒计数器、控制阀组、过滤装置、PLC 控制系统组成。颗粒计数器与控制阀组串联在液压系统中，颗粒计数器实时监测液压系统的污染度，并将污染度信号传输至 PLC 控制系统。当液压油污染度未超标时，液压油完成工作后直接流回液压油箱中；当液压油污染度超标时，由PLC 控制电磁阀导通过滤旁路，液压油经过滤装置过滤后回流到液压系统中。并且在线颗粒计数器持续监测油液的污染度，直至污染度小于设定标准，PLC 控制电磁阀才关闭过滤旁路。

图1 过滤系统总体方案Fig.1 Overall scheme of filtration system

2 过滤装置结构设计

液压油在线过滤系统如图 2 所示，主要由在线式颗粒计数器、控制阀组、三级过滤装置组成。

图2 液压油在线过滤系统Fig.2 Online hydraulic oil filtration system

在线式颗粒计数器采用遮光法原理研制，被遮挡的磨损颗粒会影响电压脉冲的变化，所以能够统计其数量和直径。该颗粒计数器颗粒检测范围为 1～600 µm，可实时给出所测油样的颗粒计数及污染度等级。其结构小巧，可直接安装在液压系统，实时监测液压油污染度。同时，它具有标准串行 RS485 接口，可外接 PLC。

伊泰集团的相关检测数据表明，煤矿设备每 100 mL 液压油中，直径在 50 µm 以下的污染物数量占总量的 90%，其中铁磁性颗粒数量占到 70% 以上。因此该过滤装置采用梯度过滤方式，由磁过滤器-粗过滤器-精密过滤器三级过滤器组成，三者串联安装于主液压系统的旁路中。磁过滤器用于过滤液压油中的铁磁性颗粒，避免精密滤芯的堵塞；网式粗过滤器用于滤除直径较大的颗粒，降低精密过滤器的过滤负荷；精密过滤器可以滤除油液中的水分 (避免其通过化学反应形成酸) 及 1 µm 以上直径的污染物，提高液压油的最终品质，使液压系统处于良好工况。

控制阀组包含电磁换向阀、流量控制阀和溢流阀。其中电磁换向阀为二位三通阀，由电磁线圈和磁芯组成，通过控制线圈的通电或断电，改变磁芯位置，达到调整流体方向的目的。

3 PLC 控制模块开发

3.1 PLC 控制电路设计

控制模块采用 S7-200 PLC 实现模拟数据处理、开关量逻辑控制及阀组控制，主要包括 CPU 模块、电源模块与输入、输出单元等。根据各硬件设备选型和硬件系统结构，完成液压油自动过滤控制系统的硬件接线，S7-200 PLC 模块接线如图 3 所示。其中输入模块连接颗粒计数器、手动过滤开关等，接收模拟量与数字量的输入信号；输出模块连接电磁换向阀、报警指示灯、显示屏等，输出模拟量与数字量信号；电源模块由 L+与 M 外接 24V DC 电源供电。

图3 S7-200 CPU 模块接线图Fig.3 Wiring diagram of S7-200 CPU module

3.2 系统控制流程

液压油在线过滤系统流程如图 4 所示。在登录系统后，系统进行初始化设置。首先对液压油的清洁度标准值进行设定：标准值 1 为设备在用液压油的污染度等级预警上限；标准值 2 为设备在用液压油的污染度等级报警上限；标准值 3 为过滤净化后应达到的清洁度等级标准，后续可根据设备工况要求选择自动模式或者手动模式。自动工作模式下，通过在线颗粒计数器实时监测液压系统中液压油污染颗粒的数量分布，当污染度超过设定值标准 2 时，由PLC 控制电磁阀自动换向，改变液压油流向三级过滤装置实现过滤净化。经过一段时间的持续过滤，当液压油的清洁度达到设定值标准 3 时，控制电磁阀组自动关闭过滤旁路。此过程不断循环进行，实现液压油的污染度在线监测及自动净化。手动工作模式下，可以在液压油污染度超过标准设定值 1 时，通过手动按钮下达指令进行强制超前过滤，从而保证液压油的清洁度达到更高标准。

图4 液压油在线过滤系统流程Fig.4 Flow chart of onlinehydraulic oil filtration system

3.3 控制软件设计

根据上述液压油在线过滤系统工作流程，开发了液压油污染度在线监测与自动净化系统的通信及控制软件。该软件能够实时接收在线颗粒计数器发送的污染度信息，并根据历史数据绘制出污染度的变化趋势，其界面如图 5 所示。该软件可设置预警线和报警线，当液压油的污染度达到预警线 (标准值 1) 时，此时工作人员可以根据需要手动下达过滤操作命令；如果工作人员没有进行人工操作，则在污染度等级达到报警线 (标准值 2) 时，触发自动过滤净化功能。

图5 在线过滤系统界面Fig.5 Interface of online filtration system

该系统同时配置显示屏，便于工作人员在现场查看液压油污染度信息，分别显示当前液压油中 ＜5、5～ 15、15～ 25、25～ 50、50～ 100 及 ＞100 µm 的 6个尺寸通道的颗粒数量，并显示此污染度的评级，同时将根据检测标准给出综合结果报告，如符合标准，则为 OK。

4 现场应用试验

为了验证该在线过滤系统的使用效果，在伊泰集团西召煤矿投入使用该在线过滤系统，并进行为期 6个月的试验。在试验前先进行一次取样，油样编号为1，之后随机对液压油进行 5 次采集，油样编号为 2～6。每次取液压油 200 mL，其中 180 mL 液压油进行理化指标的检测 (包括 40 ℃ 运动黏度、含水率、酸值)，20 mL 液压油用于铁谱磨粒分析，评价液压元件的磨损程度。

液压油理化指标检测结果如图 6 所示。由图 6 可以看出，液压油 40 ℃ 运动黏度在投入过滤系统使用之后基本保持稳定，酸值和含水率在过滤后明显降低，且后续保持平稳，一直都能达到正常的使用标准。旋转式铁谱仪对液压油磨粒检测的结果如图 7 所示。由图 7 可以看出，随机采集的液压油中的磨粒均为正常磨损颗粒，且在试验期间总磨损颗粒体积分数大幅度降低，磨粒平均尺寸从 8 µm 降到 2 µm。这说明设计的在线过滤系统能较好地维持油液理化指标在正常范围，改善了液压设备元件的磨损情况。

图6 液压油理化指标检测结果Fig.6 Test results of physicochemical indexes of hydraulic oil

图7 液压油铁谱磨粒检测Fig.7 Ferrography test results of hydraulic oil

5 结语

为了改善煤矿设备液压油污染严重的现状，利用在线式颗粒计数器实现了对液压油污染度的实时监测，研究开发了磁过滤器-粗过滤器-精密过滤器三级过滤系统，实现了对液压油的精密过滤，并进行了PLC 控制系统的开发。

通过对该过滤系统进行为期 6 个月的现场试验，并基于油液理化指标检测和铁谱磨粒分析技术对液压油的过滤净化效果进行了评价。结果表明，过滤后的液压油理化指标都能保持在正常使用标准之内，所含磨损颗粒的体积分数明显降低，且磨损颗粒都为小尺寸的正常磨损颗粒，表明该系统具有良好的液压油净化过滤效果。