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1、煤矿井下用难燃液压传动介质综述作者：王玉超来源：新材料产业 2012年第11期文/ 王玉超煤炭科学研究总院检测研究分院一、前言煤矿井下用难燃液压传动介质，是保证煤矿设备安全生产的“血液”，它们除了具备普通 传动介质的性能指标外，还必须具有良好的难燃性能。目前，我国井下只有在液压支架系统使 用了难燃油品，其他机械设备仍然使用的是矿物油型液压油。但是，近年来随着煤矿井下液压 设备不断向高温、高压、大容量方向发展，液压介质从管线、泵和阀门等部位泄漏的可能性也 不断增大，给普通矿物油在井下的使用带来了安全隐患。近年来，国家也逐步加强了对煤矿井 下用油品的管理。国家安全生产监督管理总局2007年1月1日
2、发布实施的煤矿安全规程第 72条、373条和438条均对井下设备需使用难燃液压液进行了明确规定；安标国家矿用产品安 全标志中心2011年1月19日安全标志管理实施细则已将“煤矿井下用无水全合成难燃液”列 入其安标认证管理范围，并发布实施了煤矿井下无水全合成难燃液压液通用安全要求，严 格规定了煤矿井下用油品的抗燃性能，并要求在下井前要严格检测质量。煤炭科学研究总院（以下简称“煤科总院”）矿用油品研究所，不仅是我国最早从事煤矿 用油品技术研发的单位，也是国内引领矿用油品技术前沿的规模最大的研究机构。从20世纪 70年代起，该研究所便开始从事煤矿液压支架传动介质和煤矿用油品的科研攻关与创新，先后 研
3、制出M -10、M D T、M F D、M E、M S等一系列难燃液压传动介质，不断推动着煤矿井下用 难燃油品的科技创新。通过科研人员的不断探索和努力，煤矿井下用难燃传动介质技术逐步走 向成熟，形成的4大系列传动介质（见图1）成为了今后煤矿井下用难燃液压传动介质的发展 方向。二、煤矿井下用难燃液压传动介质分类及发展1. 液压支架系统用液HFA型难燃液（1）液压支架用浓缩液HFAS型20世纪七八十年代，美国涌现出了大量的有关高水基 抗燃液压油（H F A S）产品的研究。合成型H F A S传动介质稳定性优于矿物油型乳化液，不 存在破乳的问题，而且生物降解性良好，有益于环保。所以自20世纪80年
4、代末，欧美逐步加 大了该类产品的研发，这使得H F A S逐步占据了市场的主导地位。20世纪90年代，煤科总院自主研发的MS系列液压支架浓缩液，属于新型的煤矿用H F A S型液压传动介质。与传统乳化油相比，浓缩液属于单相体系，稳定性更显著，使用过程中不 会发生破乳、析油、析皂现象。这种良好的稳定性，同时保证了产品良好的润滑性、滤过性、 防锈性、防腐蚀性、与密封材料相容性等优良性能，为支架提供了良好的保护作用，降低了采 煤综合成本。k 1HK扎叱曲ftJ.AUPAS应埔減液压支架系统对传动介质有特殊的要求，如润滑性、防锈性、防腐蚀性、与密封材料的相 容性等。煤科总院研究人员根据上述要求进行了专
5、门设计，产品配方以植物油为载体，通过化 学合成引入相关组分，如稳定剂、复合润滑剂、防锈剂、抗磨剂等高效添加剂，复合的23 种亲水性润滑剂与乳化剂互相增溶，形成单态增容模型，增加各种添加剂的溶解度，以保证体 系优异的稳定性。HFAS型液压支架浓缩液还具有非常好的环保特性。2006年煤科总院矿用油品研究所承担了 国家科技部专项课题“环保型矿用浓缩液的研究与应用”，针对传统的乳化油和微乳液体系中 由于含有矿物油成分，其生物降解性能和可生化处理能力较差等问题，在浓缩液研制过程中规 避了矿物油，并对国内外不同微乳液、浓缩液的生物降解性能进行了比较，比较结果见表1。 研究表明，浓缩液的5日生化需氧量/化学
6、需氧量（B0D5/C0D）达到了 0.52，属于生物降解性 良好的范围，远远高于乳化油的0.09和微乳液的0.24。使用浓缩液可以大幅减少化学需氧量 的排放，降低有机污染，避免石油基产品和各种油类对矿区水资源的污染，顺应了国家节能减 排的发展要求。随着煤矿综合机械化开采自动化程度的提高，电液控制系统已成为综采液压支架控制的发 展趋势，它能有效保障新建矿井工作面的高产高效，国内神华神东集团有限责任公司（简称“神东公司”）和山东兖州等地已经率先开始引入电液控制系统。目前，仅神东公司电液控制 系统综采工作面就达到了 30多个，且每年都会增加34个。由于电液控制系统能达到非常高 的过滤精度要求（达到了
7、 25um）远远高于手动控制阀件的过滤精度要求（100125卩m）。 因此，电液控制系统要求传动介质具有更稳定、更清洁、高过滤精度（25um）的性能。41醐柑飙.1O轴讎腋(.10.5E蛻slimD.40/郸ifU.240J11.3针对电液控制的特殊要求，煤炭行业研究人员逐步加大了在该方面用液的科学研究。煤科 总院研制出了 M S （G）系列产品，专门用于电业控制系统。在设计电液控制专用浓缩液过程中, 研究人员重点关注各种添加剂之间的亲水性及协同效应。电液控制系统专用浓缩液体系中引入 的润滑基团、防锈基团、防腐蚀基团均需要有良好的亲水性，包含优异的亲水性官能团。这些 具有亲水官能团的润滑、防锈
8、、防腐蚀基团与稳定剂相互结合，形成了热力学稳定体系。同时， 在设计过程中考虑介质的洁净性、滤过性，选择合适分子大小的水溶性添加剂，可有效地避免 介质堵塞滤芯、过滤器、先导阀等部件，进而保证矿井高效、顺畅生产。此外，电液控制系统 专用浓缩液具有优异的润滑性能，还对黑色金属和有色金属分别具有更为优越的防锈性能和防 腐蚀性能，以及对密封材料具有良好的适应性，主要性能指标见表2。（2）液压支架用乳化油/微乳液HFAE型综合机械化采煤装备，是20世纪六七十年代引入我国的，其采用液压支架系统对顶板进行 支撑，保证煤矿开采的安全，而液压支架系统的伸缩、推移、支撑、移动，均是通过系统中的 液压传动介质（即HF
9、AE型乳化液）来实现和完成的。20世纪70年代，煤科总院作为煤矿井下 用油的归口单位，完成了乳化油产品的国产化，并制定了相应的行业标准M T76- 2002液压 支架（柱）用乳化油、浓缩物及高含水液压液。随着煤矿综采技术的不断进步，HFAE传动介 质从大粒径、稳定差的乳化油（粒径为525卩m）,逐步发展到小粒径、稳定好的微乳液 （粒径为0.020.2卩m）产品、同时其润滑性能也有大幅提高。煤科总院于20世纪70年代，完成了乳化油国家科研攻关，先后研制出M-10、MDT、ME系 列乳化油，并应用于煤矿生产。近年来，又成功研制出M E （W）型微乳液产品，其具有优异的 润滑性以及对高矿化度水质的适
10、应性，对黑色金属和有色金属具有足够的缓蚀作用，稳定性优 越而且对密封材料的相容性非常好。与同类产品相比，该乳化液不变色、不变质，具有较长的 使用寿命。表3是液压支架微乳液产品的主要性能指标。该微乳液产品的凝点温度为-32C，具有广泛 的气候适应性，适用于国内各个矿区，P B值高达1078N,具有优异的润滑性，对液压支架密封 圈具有良好的防护作用。2. 油包水型难燃液压液HFB型难燃液油包水难燃液压液含水约为40%，具有优异的难燃性、冷却性、良好的防锈性和润滑性， 此外，还有独特的容水能力和粘度的可调性。油包水难燃液压液产品的开发，目的是为了代替 井下齿轮传动设备所用的液压油，由于其粘度可调，因
11、此能满足大部分设备的需求。但HF B型油包水型难燃液粘度指数较低，粘度随工作温度变化较大，造成了其使用受到 较大的限制。如设备在运转过程中，工作温度适宜，油包水型难燃液可以保持较好的流动状态， 但是若设备（或环境）温度变化较大，其运动粘度也会随之发生较大变化，进而影响设备的运 转。因此，油包水型难燃液类产品比较适用于低负荷、小功率的井下机械设备。3. 煤矿井下用水-乙二醇难燃液压液一一HFC型难燃液近年来，随着液压设备向着高温、高压等方向发展，煤矿综采、综掘工作面等一些对传动 介质要求比较苛刻的工作环境中，逐渐开始重视H F C型水-乙二醇难燃液压液的应用。水-乙 二醇难燃液压液由3部分组成：
12、第一部分为水，约占40%；第二部分为乙二醇（或多元醇）； 第三部分为各种功能性添加剂，如增粘剂、防锈剂、消泡剂、润滑剂等。用于煤矿的水-乙二醇 液压液，需要关注的关键性能指标，有粘度指数、润滑性、抗燃性、剪切安定性、防锈性及与 橡胶材料的相容性。自20世纪以来，水-乙二醇难燃液已发展多年，广泛应用于冶金等行业，并出台了各自相 应的标准，如美国钢铁工业协会标准 AISE ClassificationNO. 171、 ISO 12922- 1999HFAE、 HFAS、HFB、HFC、HFDR和HFDU等类难燃液技术条件等。我国冶金行业最早制定了水-乙二醇 难燃液的行业标准，2008年又颁布了国内
13、标准GB/T21449-2008水-乙二醇型难燃液压液 （采用I S O12922-1999）。煤炭行业为提高煤矿生产的安全，减少矿井易燃油品，逐步在井 下部分设备投入应用水-乙二醇型难燃液压液，作为矿物油型液压油的替代产品。2008年安标 国家矿用产品安全标准中心组织有关专家，依据矿用安全标志产品技术审查有关规定，编制了 矿用水-乙二醇型难燃液压液的技术审查准则。si rr: 啬2買出特:U1罄屯枠Jt釉.UK.I-Z 1低輕虫也玄42 ii七厲.避.越吒（Tt箜上轉笊1. TiiMtie K S:nsn h鼻ii；吞产品醉Nivt轉ti-UHF-Mf： r lit.1isartrnr.-M
14、1in .1J-i.fil-11.aii.n2.-MIIJ-IK煤科总院研制出了 YNC系列矿用水-乙二醇型难燃液压液，并于2010年负责起草制定了煤炭行业标准矿用水-乙 二醇难燃液压液。该产品以矿物油型液压油性能指标作为依据，选择较高分子量的增稠剂作 为增粘组分，使产品的粘度指数达到200以上（见表4）,具有一定的牛顿液体特性，具有优 异的高温热稳定性和高压机械剪切稳定性。在润滑及防锈性设计过程中，以自主开发的多功能 添加剂为主要组分，通过将油溶性润滑添加剂与水溶性基团相连接，合成了水溶性润滑添加剂， 实现了难燃液一个分子中同时包含水溶性、吸附性、疏水性、反应性基团，同时还充分考虑了 油溶性
15、基团与水溶性基团的协同及配伍性能。矿用水-乙二醇难燃液压液，主要性能指标与矿物油型液压油相当，同时具有优异的抗燃性 能，粘度指数达到211、剪切安定性的粘度变化率为5.61%,优于矿物油型液压油。煤科总院通 过在井下皮带张紧装置进行了台架实验，然后又在冀中能源峰峰矿区、晋城煤业集团分别进行 了液压锚杆钻机和喷浆机的工业性试验，验证了矿用水一乙二醇难燃液压液可替代液压油，在 煤矿井下液压锚杆钻机、液压钻车、带式输送机、井下皮带张紧机构、喷浆机等设备上使用。4. 煤矿用合成酯型难燃油一HFD型难燃液合成酯型难燃油是一种可以与矿物油型液压油互溶的新型传动介质，通常以双酯、多元醇 酯、聚醇醚、聚a烯烃等化合物作为基础油，加入高效多功能添加剂合成。该类产品具有闪点 高、燃点高、蒸发损失小、难燃性好、润滑性高等优异性能，适用于压力较高和温度变化幅度 较宽的液压系统。在钢厂、机械制造厂正逐步取代部分矿物油型液压油及磷酸酯难燃液，用于 部分液压系统。煤科总院研究人员根据煤矿井下设备的具体性能和要求，以高质量的合成酯为基础油，添 加高效的抗氧、极压等添加剂研制出了适合煤矿使用的合成酯型难燃油。这种合成酯型难燃油 具有很高的闪点、燃点，蒸发损失小，难燃性能
