生產(chǎn)工藝對高含水液壓液穩(wěn)定性影響探究

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摘要：采用一款成熟穩(wěn)定的液壓支架用濃縮液配方，對植物油酸與三乙醇胺先高溫皂化，皂化產(chǎn)物再與相應量的軟水劑、防銹防腐劑及水進行低溫調和的兩步法生產(chǎn)工藝及植物油酸與三乙醇胺、相應量的軟水劑、防銹防腐劑及水直接進行低溫調和的一步法生產(chǎn)工藝進行了對比研究。重點探究了不同生產(chǎn)工藝條件下所得濃縮液配制的不同濃度高含水液壓液的穩(wěn)定性變化，并分析了影響高含水液壓液穩(wěn)定性的主要因素，證明2種工藝生產(chǎn)濃縮液的性能指標均符合標準要求，并沒有明顯差異，且一步法生產(chǎn)工藝效率更高、能耗更低。

關鍵詞：液壓支架；高含水液壓液；生產(chǎn)工藝；穩(wěn)定性

0引言

濃縮液是具有優(yōu)異的潤滑、穩(wěn)定及防銹等功能的液壓傳動介質。在實際使用中，濃縮液需要用所在礦的具有一定硬度和電導率的礦井水配制成濃度為3%~5%的高含水液壓液。高含水液壓液在溫度5~40℃、壓力28~30MPa的液壓支架管路系統(tǒng)中長期循環(huán)使用，需具有良好的緩蝕性和潤滑性，而良好的穩(wěn)定性是緩蝕性和潤滑性得以實現(xiàn)的基礎，因此高含水液壓液不能出現(xiàn)析出、沉淀等現(xiàn)象。高含水液壓液的潤滑性主要依靠長鏈狀植物油酸得以實現(xiàn)，為了使植物油酸在水基體系中具有良好的分散性，故在濃縮液生產(chǎn)過程中，需要對植物油酸進行改性，增強其水溶性。在實際生產(chǎn)過程中，目前植物油酸經(jīng)改性生產(chǎn)濃縮液主要有2種工藝：①植物油酸、三乙醇胺與軟水劑及防銹防腐劑一起加入水中，在低溫（50~70℃）下調和制得濃縮液，簡稱一步法生產(chǎn)工藝；②植物油酸與三乙醇胺先高溫（100~120℃）皂化后轉移至儲罐備用，再根據(jù)軟水劑及防銹防腐劑的量添加適量的植物油酸皂在低溫（50~70℃）下調和制得濃縮液，簡稱兩步法生產(chǎn)工藝。目前業(yè)內主要采用先高溫皂化再低溫調和的兩步法工藝生產(chǎn)濃縮液，但亦有少數(shù)采用一步法工藝生產(chǎn)濃縮液。一步法工藝的設備及人員投入少，更加節(jié)能高效。以年產(chǎn)2萬t濃縮液為例，據(jù)統(tǒng)計一步法相比兩步法工藝可以節(jié)約成本約25萬元/a（燃料動力、人員費及設備折舊）。目前尚無關于生產(chǎn)工藝對濃縮液及高含水液壓液穩(wěn)定性影響研究的報道，基于此，擬選擇一種成熟穩(wěn)定的濃縮液產(chǎn)品，分別采用2種不同的生產(chǎn)工藝進行制備，并對2種工藝所得濃縮液進行評價，重點探索不同工藝條件下高含水液壓液的穩(wěn)定性差異，旨在對現(xiàn)有濃縮液的生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化改進。

1實驗內容

1.1實驗材料

植物油酸，工業(yè)級；三乙醇胺，工業(yè)級Ⅱ型；軟水劑，工業(yè)級；防銹劑，工業(yè)級；防腐劑，工業(yè)級；硬水等級為20的人工硬水，參照煤炭行業(yè)標準MT76-2011自行配制；去離子水，實驗室自制。

1.2樣品制備

根據(jù)MT76-2011的產(chǎn)品型號分類，選擇適用于HFAS20-5（20代表最高適應硬水等級，5代表配液質量百分濃度）的一種成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品配方對不同生產(chǎn)工藝及所得高含水液壓液的穩(wěn)定性進行研究。（1）一步法工藝制備濃縮液在三口燒瓶中投入適量的去離子水及軟水劑，再投入適量的植物油酸和三乙醇胺，且確保植物油酸和三乙醇胺的質量比為1∶2，最后投入相應當量的防銹防腐劑，攪拌升溫至70℃，保溫2h，調和制得濃縮液A。（2）兩步法工藝制備濃縮液在110℃條件下，植物油酸與三乙醇胺按質量比1∶2進行皂化，反應1.5h，皂化完成后，植物油酸三乙醇胺皂化物轉移至儲罐備用；在三口燒瓶中投入適量的去離子水及軟水劑，再投入適量的植物油酸三乙醇胺皂化物，最后投入相應當量的防銹防腐劑，攪拌升溫至70℃，保溫2h，調和制得濃縮液B。

1.3不同濃度高含水液壓液的長期穩(wěn)定性研究

參照MT76-2011分別用濃縮液A和濃縮液B配制HFAS20-3、HFAS20-4及HFAS20-5高含水液壓液，每個樣品平行3組，并持續(xù)跟蹤其在低溫（5±1）℃、溫室（25±1）℃及高溫（70±2）℃環(huán)境中的穩(wěn)定性。

1.4分析與評價

（1）標準項目分析根據(jù)MT76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》的要求，對濃縮液原液的檢驗項目有外觀、氣味、開口閃點、運動黏度、凝點、耐凍融性、水中分散性；對高含水液壓液的檢驗項目有pH值、穩(wěn)定性、防銹性、防腐蝕性、密封材料相容性、潤滑性和消泡性。根據(jù)消泡劑的作用原理，消泡劑主要以小顆粒的形式分散于濃縮液體系，添加量較少，一般為萬分之幾，本文研究過程中不添加消泡劑亦不考慮其消泡性。（2）超標準項目分析將相應的高含水液壓液分別置于100mL的容量瓶中，在低溫、溫室及高溫條件下靜置，并分別在30d、90d及180d觀察濃縮液液面及底部是否有析出，如有析出，用已在110℃干燥并稱量（m1）過的墊有定量濾紙的布氏漏斗抽濾，將不溶物全部轉入布氏漏斗中，然后將析出物、濾紙及布氏漏斗置于110℃的恒溫干燥箱干燥2.0h，取出移入干燥器中，冷卻至室溫后稱量（m2）,并記錄析出物的量（m=m2-m1）。

2結果與討論

（1）標準項目分析研究生產(chǎn)工藝對液壓支架高含水液壓液穩(wěn)定性的影響，首先應確保在2種不同工藝條件下所得的濃縮液及高含水液壓液滿足標準要求，故參照MT76-2011分別對濃縮液A和濃縮液B按HFAS20-5進行評價，評價結果如表1所示。根據(jù)評價結果可以發(fā)現(xiàn)，2種生產(chǎn)工藝條件所得濃縮液性能基本一致，可以說明生產(chǎn)工藝對濃縮液性能影響甚微，均滿足標準要求，具有良好潤滑、防銹防腐及穩(wěn)定性能。（2）長期穩(wěn)定性分析為了進一步對比研究生產(chǎn)工藝對液壓支架高含水液壓液實際應用穩(wěn)定性的影響，根據(jù)現(xiàn)場實際應用工況的溫度特征，分別用濃縮液A和濃縮液B配制HFAS20-3、HFAS20-4及HFAS20-5高含水液壓液，在低溫、溫室及高溫條件下長期靜置儲存，分別在30d、90d及180d觀察并統(tǒng)計高含水液壓液液面及底部是否有析出及析出量，結果如表2所示。根據(jù)不同儲存時間段高含水液壓液的析出情況可以發(fā)現(xiàn)：2種生產(chǎn)工藝條件下所得濃縮液配制的HFAS20-5均可以穩(wěn)定儲存，而同樣2種生產(chǎn)工藝條件下所得HFAS20-4和HFAS20-3在研究周期內均出現(xiàn)了一定的析出，且HFAS20-3較HFAS20-4析出時間更早，析出量更大。但在相同濃度條件下，不同生產(chǎn)工藝所得高含水液壓液穩(wěn)定性的變化規(guī)律是一致的，進一步說明2種不同的生產(chǎn)工藝對高含水液壓液長期穩(wěn)定性的影響沒有差異，在確保使用濃度的前提下，不同生產(chǎn)工藝下所得的濃縮液均可以滿足液壓支架高含水液壓液的實際應用需求。（3）高含水液壓液穩(wěn)定性的影響因素分析高含水液壓液的穩(wěn)定性主要受濃縮液的配液濃度、配液水水質硬度、離子強度、環(huán)境溫度以及體系的平衡性等因素影響。濃縮液的配液濃度主要影響高含水液壓液中軟水劑及潤滑劑的含量，軟水劑的含量至少需大于配液水硬度的要求，潤滑劑的含量要保證高含水液壓液滿足標準要求的潤滑性能；配液水的離子強度對潤滑劑粒子在水溶液中的分散狀態(tài)具有較大的影響，直接影響體系的平衡性；環(huán)境溫度主要影響體系中潤滑油脂的氧化速度，進而影響高含水液壓液的顏色變化。在實驗過程中，高含水液壓液在容量瓶中主要的析出位置有液壓液表面及瓶底，一般表面析出物主要為油狀液體，其主要原因為配液水離子強度大，高含水液壓液體系的物理平衡受到破壞，導致潤滑劑顆粒分散失衡而析出；而底部析出物主要為灰白色絮狀物，其原因往往是由于軟水劑含量不足，破壞了體系的化學平衡，導致體系中生成鈣鎂皂化物且其在水中分散性較差，隨著儲存時間延長，從體系中分離出來，沉積至容量瓶底部。因此，高含水液壓液的穩(wěn)定性主要取決于濃縮液的配液濃度與配液水水質硬度和離子強度的平衡，配液濃度是決定高含水液壓液穩(wěn)定性的關鍵因素。

3結語

（1）根據(jù)行業(yè)標準評價2種工藝條件下所生產(chǎn)濃縮液及高含水液壓液，產(chǎn)品性能指標均滿足標準要求；（2）進一步研究高含水液壓液的長期穩(wěn)定性，仍未發(fā)現(xiàn)不同工藝條件對產(chǎn)品性能具有明顯的影響，但一步法生產(chǎn)工藝效率更高、能耗更低，對于實際生產(chǎn)更有優(yōu)勢；（3）從物理和化學平衡的角度，探究了影響高含水液壓液穩(wěn)定性的主要因素，為煤礦井下液壓支架高含水液壓液的合理使用提供技術指導。

作者:杭智軍 單位:煤炭科學技術研究院有限公司