浅析高压胶管总成设计常见问题

平常心

浅析高压胶管总成设计常见问题-
--矿用高压胶管（总成）常见问题分析
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  煤矿综采和高档普采支护设备的所有液压管路，基本由胶管（总成）和相关管路辅件组成，胶管规格型号多（A, B两种型号系列，从内径10mm到51mm不等），使用量很大，胶管的故障表现形式也多，原因复杂。在工作面与巷道中，几百米长、裸露的高压管路，任何故障均可能增加安全隐患；故障将直接导致工作面停机，影响生产效率，增加维修成本；另外，在恶劣的环境下更换胶管，必然污染系统，增加系统其他环节的故障隐患，降低整个液压系统的可靠性和效率，这是任何液压系统关注的问题。
  分析高压胶管总成在试验和使用过程中故障产生的原因、对安全和使用的影响，探索提高液压胶管质量的技术途径，意义重大。
) F) c. {5 d- @. \  1.胶管问题形式及影响
3 P! n6 X  H" \# g  胶管（总成）与接头组件失效形式如表表1
# a9 T5 U: [- g. _( V  胶管（总成）和接头组件失效形式及危害
  事故现象                   发生形式        危险性型
卡折断或脱落，胶管一头甩出，高压介质喷射  突发 危险、伤人
& r7 T1 i$ q7 `6 g6 h8 y接头拔脱，胶管一头甩出，高压介质喷射     突发 危险、伤人
. q5 }' o# a! e& G! X胶管爆破，碎物飞溅、高压介质喷射          危险
鼓包，胶管失去强度，胶管爆裂前兆          危险
6 B* V  N; @) L& U4 z3 l: r8 T/ v2 }& p外皮磨损，裸露出钢丝                      危险
针眼，介质成雾状喷射                      危险
密封失效、泄漏胶管布置不合理，产生变形，影响液体流动
$ @' e* u' ~! L公称尺寸偏差超标，影响液体流动          降低效率
  
  与任何设备一样，系统出现问题，消除故障所消耗的时间、人力物力必然提高生产成本，降低效率。在煤矿生产工作面，胶管（总成）故障的影响还表现为以下几方面：
   a.直接影响安全生产  对于机械化采煤工作面，影响安全生产的主要事故是设备运行异常伤人事件，高压胶管故障是安全隐患之一。一般工作面长150 - 300m不等，高压管路裸露，联结环节多，工作环境恶劣，如果使用不当必然会产生各种损坏。表1列举的故障很多都会直接对操作人员形成伤害，导致事故。部分胶管在正常情况下需要保持密封和超高压（高于系统压力），以保证支架的支护效果，失效将降低这种支护效果，其影响是灾难性的。
! Q( Q% M$ [' b0 f, T$ k0 P   b.对液压系统的影响  胶管问题对液压系统影响之一是降低系统效率。如何实现快速移架是高产高效机械化采煤近年来日益关注的问题，解决这个问题的手段之一是降低液压系统各个环节的阻力损失，包括增大主要管路的通径。不合格的胶管总成，往往出现尺寸、精度不符合规范要求，尤其是内径偏差较大，表面毛糙，降低液流有效通径，增大阻力系数，阻力损失增大，影响流量，从而影响立柱、千斤顶动作速度。
  影响之二是系统污染增加，降低系统可靠性。胶管损坏，必然要更换，现场条件恶劣，操作过程中很难保证污染物不进人系统。根据分析，更换损坏液压元件是系统污染的主要途径之一，而污染又是系统，尤其是液压阀类元件失效的关键因素，频繁的拆换零件，将严重影响系统可靠性，并且系统中的污染颗粒也会导致胶管使用寿命降低，如此，系统陷人恶性循环之中。
) I8 w8 ^. N$ u6 _  j  胶管对系统的影响是间接的、隐蔽的，但其严重程度不亚于对安全的直接影响，如系统可靠性降低，导致液压元件失效，继而影响支护效率，波及到安全生产。

2.原因分析
( c9 Y, v* l$ f' s8 l  胶管总成及中间接头组件失效原因归纳如下
a.液压（乳化液）系统压力源采取三柱塞泵或五柱塞泵，额定压力高、流量大、压力脉动量大，管路各元件容易疲劳损坏。尤其是主供液管路，长时间在脉冲高压状态下工作，胶管的薄弱环节，如密封圈、U型卡、胶管接头等处发生故障几率要远远高于支架内部胶管故障的发生频率，因为后者胶管只在支架动作时才承受高压，作用时间很短，产生故障的机理不同。
+ F" e( Q0 t: xb.乳化液介质粘度低、密度大、抗腐蚀性相对差，特别是不同矿区水质酸碱度差别很大，使用中管理不严，井下乳化液往往达不到规定的油水比例，橡胶长期处于这种介质的浸泡中，必然会变质、硬化、老化。
' ?  f- u/ H8 m, e7 F8 B. j# J$ y6 Nc.由于井下设备的使用特点，介质清洁度较低，介质裹挟气体较多，一方面极易发生气蚀，气蚀发生时，压力峰值可超过1G Pa;另一方面，高速大流量乳化液裹挟着细小杂质，冲击管路内表面和接头组件，会犁出一道道沟痕，产生拉丝侵蚀。胶管内胶层的损坏加速了胶管编制钢丝网的腐蚀，降低了胶管的耐压强度。压力波对胶管总成及接头组件产生强大的冲击作用，并导致胶管总成及接头组件危险断面的断（破）裂。
; C' A! d! T1 w/ A- a0 W! ~4 Y- J7 [d.煤矿生产环境粉尘多、湿度大，水为弱碱性。振动的管路与环境物体摩擦，使胶管表层橡胶磨损，接头组件表面防腐蚀层脱落，促进了损坏进程。
e.生产胶管总成和中间接头组件的工厂多为中小企业，受技术和资金条件制约，有些甚至不按图纸的工艺要求加工，胶管总成及管路辅件达不到技术要求，产品质量参差不齐，强度低、寿命短、污染严重，为突发安全事故埋下隐患。
. P0 j0 X1 e' y- Vf.设计布局不合理。在正常情况下，胶管主要承受内部压力和一定（弯曲）外力，不正确的布置方式，使胶管长期处于额外附加力（拉力、扭转力）的作用，降低了胶管总成的使用寿命。
g.失效管路元件超寿命使用。由于无法检验和准确判断胶管和管路元件是否失效或达到使用寿命，现场存在大量超寿命使用的元件（按国外有关规定，胶管出厂后2年有效），这些胶管往往容易在使用过程中失效，导致故障率增加.
$ M% B  @+ P6 a3 d+ U& d3.解决办法
9 }1 P/ o8 @. L  分析表明 ，胶管问题的原因是多方面的，这些原因和导致的后果又互为因果，在实验室和实际使用中很难加以区分。图1描述了胶管故障前因、后果之间的复杂关系网。分析图1，胶管失效可以归纳为2个方面因素的作用：质量问题和系统因素。系统因素是由系统构成决定，其影响也很小（指对胶管失效），短期内难以改进。质量问题具有明显人为因素的特征，是可以控制和改进的，因此可以认为，消除胶管故障的关键是加强胶管（总成在制造、设计和使用各个环节的质量控制。

图1 胶管失效因果关系

8 [4 U7 D, J$ m( t9 r" ya.胶管的损坏是由自身的质量引起，原因很清楚，直接后果很明了，也很严重（影响安全、导致污染等）。纵观胶管生产现状，质量问题应该最终归结为生产技术管理这个环节，包括在加工、检验、包装运输等方面，使胶管出厂各项指标达到有关标准要求，产品质量就能上一个台阶。因此，改进企业管理，可以立竿见影，明显降低工作面胶管故障率。
b.加强胶管基础技术研究，开发更高性能的胶管总成产品，如提高大管径的性能指标。在实际使用过程中，主管路胶管故障频率要高于支架内部胶管，分析其原因，支架内胶管只有支架动作时才承受负荷作用，而支架架间胶管则时刻处于高压状态，其受力状况随支架移动也在变化，两者工况条件是不一样的，提高主供液管路性能可以降低整个工作面胶管的故障率，效果明显。
  我国液压胶管基础技术，包括橡胶材料、接头参数与国外相比不尽相同，其结果是我国胶管总成与国际先进水平有一定的差距。我国橡胶材料相对较软，耐磨性差，寿命低。基础技术的影响是长期的，需要进行系统的研究。
  加强胶管应用技术的研究，完善使用规范。胶管故障也涉及到设计、安装和维护等各个环节，通过研究，为胶管的科学使用推出一套统一的标准规范，以减少甚至消除故障。
c.加强检验。目前只有“国家煤矿支护设备质量监督检验中心”等少数单位具有进行胶管检测能力。胶管检验仪器操作复杂，价格昂贵，企业无技术资金实力装备，胶管总成生产企业普遍缺乏有效的检验手段，加强生产管理无法落到实处。需要专门开发更有效的检验仪器设备，推广统一使用检验标准、检验项目和检验方法，增强企业自身检验能力。
' P" y5 A# k( f) `: W5 `+ i' Ld.胶管在煤矿已经被认为是一种原材料(不是系统元件），其质量的重要性被忽视（价格低廉，更换方便，间接影响不会立刻显现），这种观念是我国胶管质量长期得不到改观的症结。应该加强胶管作用的宣传，尤其是胶管失效对系统影响，提高认识，消除各种故障隐患。
  X; B. Y: ~2 n4 w& n. s4.结束语
. n4 n0 N! g/ N4 O; f     综上分析，胶管问题隐患主要是胶管在生产、使用过程中埋下的，是自身的问题，其影响就不是简单地更换胶管了事，需要引起人们足够的重视。就我国该领域产品（如胶管）技术水平与国外同行相比，还存在一定差距，但这种差距不足以导致如此多的故障种类和数量差距，在总成和相关管路辅件的加工、不知、使用等方面的生产管理还存在许多不足，需要改进提高，需要提高质量意识，加强行业质量监管力度，全行业共同努力，胶管问题可以得到根本解决。
* u: i/ h' z' W

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