關(guān)于提升液壓支架推移千斤頂性能的研究

夏 軍

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

0 引言

隨著井下開(kāi)采設(shè)備的迅速發(fā)展，綜采工作面開(kāi)采難度日趨增大，液壓支架在井下工作面的使用環(huán)境也越來(lái)越惡劣。由于推移千斤頂在液壓支架的底部使用，使用環(huán)境較其他油缸來(lái)說(shuō)更為惡劣，在該情況下，推移千斤頂接口容易銹蝕、損壞，甚至?xí)绊懻_(tái)支架的正常工作。為減少礦方因推移千斤頂損壞導(dǎo)致的不便，提升推移千斤頂?shù)氖褂眯阅苁种匾?/p>

1 研究?jī)?nèi)容

該研究主要針對(duì)液壓支架中的推移千斤頂，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)方法，對(duì)外部接頭座的設(shè)計(jì)形式、內(nèi)部零件的工藝方法[進(jìn)行控制，來(lái)提高推移千斤頂在礦下的使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

2 現(xiàn)況分析

解決推移千斤頂接頭座銹蝕問(wèn)題，需要了解推移千斤頂在井下液壓支架中的使用狀態(tài)，對(duì)推移千斤頂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。大部分推移千斤頂為倒裝的使用狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 推移千斤頂在底座中的位置示意圖

由于部分礦下的煤、巖塵會(huì)從液壓支架上面落下，圖1中推移千斤頂工作時(shí)缸底位置高于活塞桿，上腔接頭座接口沖缸底方向，工作時(shí)落下的煤、巖塵很容易就會(huì)堵塞閥口，導(dǎo)致其銹蝕。該情況下如果接口銹蝕，無(wú)法在井下進(jìn)行返修，只能將推移千斤頂先升井，后將上腔焊接件全部去除再重新進(jìn)行焊接。按照該方法，一方面升井返修會(huì)給礦方帶來(lái)極大的不便，人力物力都會(huì)受到影響。另一方面，重新焊接上腔零件時(shí)缸口會(huì)產(chǎn)生變形，可能導(dǎo)致安裝及后續(xù)使用中出現(xiàn)問(wèn)題。

3 技術(shù)方案

在設(shè)計(jì)圖紙之前，首先要對(duì)煤礦的地質(zhì)、環(huán)境進(jìn)行勘測(cè)，再進(jìn)行材料及工藝方法的選用。該文以國(guó)內(nèi)大多數(shù)常規(guī)煤礦的地質(zhì)、環(huán)境為例，對(duì)液壓支架推移千斤頂?shù)男阅芴嵘M(jìn)行研究。

在進(jìn)行研究之前，首先須了解推移千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)成。推移千斤頂主要由缸體、活塞桿、導(dǎo)向套、活塞頭及部分其他零部件組成。其中缸體由缸管、缸底、接頭座等零件焊接組成。如圖2 所示。

圖2 推移千斤頂內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

在選材方面建議缸管、缸底、活塞桿均采用30CrMnSi，導(dǎo)向套采用42CrMo，活塞頭及其余環(huán)套件采用40Cr，接頭座采用20CrMo，進(jìn)液管采用15CrMo。

3.1 上腔接頭座結(jié)構(gòu)對(duì)比

為解決推移千斤頂上腔接頭座銹蝕問(wèn)題，該文將推移千斤頂?shù)纳锨唤宇^座的幾種常用設(shè)計(jì)形式進(jìn)行了整理，當(dāng)前最常用的形式為上腔接頭座接口朝向缸底方向，如圖3 所示。

圖3 上腔接口朝向缸底方向示意圖

該結(jié)構(gòu)在井下使用一段時(shí)間后上腔接頭座銹蝕損壞情況較為嚴(yán)重，推移千斤頂升井返修及銹蝕嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)，報(bào)廢重投數(shù)量較多。

另一種結(jié)構(gòu)為上腔接頭座方向沖缸側(cè)面方向，如圖4 所示。

圖4 上腔接口朝向側(cè)面方向示意圖

該結(jié)構(gòu)在井下使用時(shí)較上種方案上腔接頭座銹蝕情況有所改善，但使用一段時(shí)間后有小部分仍會(huì)出現(xiàn)銹蝕損壞的情況，并沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。

該設(shè)計(jì)提升的結(jié)構(gòu)為上腔接頭座朝向缸口方向，并將上下腔接頭座的內(nèi)部尺寸進(jìn)行加長(zhǎng)，使其可以適配不銹鋼雙道密封的過(guò)渡接頭。如圖5 所示。

圖5 上腔接口朝向缸口方向示意圖

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為上、下腔接頭座均安裝了不銹鋼過(guò)渡接頭，過(guò)渡接頭與膠管進(jìn)行連接，不銹鋼材質(zhì)不易銹蝕，而且上腔接口朝向也不易與煤、巖層接觸，降低了該處出現(xiàn)問(wèn)題的概率。即使出現(xiàn)銹蝕，礦工可在井下直接將不銹鋼過(guò)渡接頭拆卸、更換，實(shí)現(xiàn)了接頭銹蝕的不升井返修，簡(jiǎn)單方便，大幅提升了返修效率，贏得了礦方的認(rèn)可。

3.2 工藝方法

在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、安全性得到滿足的基礎(chǔ)上，工藝處理方式對(duì)油缸的使用壽命的延長(zhǎng)作用明顯，合理的表面處理方法可以減少銹蝕程度，對(duì)油缸起到一定的保護(hù)作用。當(dāng)前針對(duì)不同的零部件有不同的工藝方式，該文將分別對(duì)零部件工藝方式進(jìn)行匯總分析。

目前缸管類較常用的處理方法分以下3 種。1）內(nèi)孔不進(jìn)行處理。2）內(nèi)孔進(jìn)行鍍銅處理。3）內(nèi)孔進(jìn)行熔銅處理。

缸管內(nèi)孔不進(jìn)行處理主要適用礦用環(huán)境相對(duì)較好或者礦下微生物易腐蝕銅的情況。若環(huán)境較為惡劣時(shí)，缸管內(nèi)孔鍍銅、熔銅方式均可提升缸管的抗腐蝕能力。其中缸管鍍銅工藝為缸管內(nèi)孔加工完成后進(jìn)行鍍銅，鍍層厚度較薄，主要起表面防護(hù)作用。在使用時(shí)間較長(zhǎng)后表面的銅容易脫落。缸管熔銅工藝為缸管加工過(guò)程中進(jìn)行熔銅，熔后再進(jìn)行缸管內(nèi)孔剩余尺寸加工，銅層厚度較厚，使用時(shí)不易被腐蝕，進(jìn)而提升推移千斤頂使用性能。

當(dāng)前油缸內(nèi)壁腐蝕是行業(yè)內(nèi)高度關(guān)注并進(jìn)行重點(diǎn)攻克的技術(shù)難題，以往采用的是內(nèi)壁鍍銅工藝來(lái)防腐，防腐效果達(dá)不到預(yù)期效果。隨著工藝技術(shù)的不斷創(chuàng)新，內(nèi)壁熔銅工藝愈加成熟，基本能夠滿足油缸內(nèi)壁防腐需求。油缸內(nèi)壁熔銅表面處理技術(shù)是根據(jù)銅基合金性能，將銅基合金與油缸缸管內(nèi)壁結(jié)合，即在油缸內(nèi)壁表面熔覆銅合金層，在保證鋼材性能的同時(shí)，兼有了銅的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐腐蝕性。加工過(guò)程主要是用焊接的方法在缸管基體表面融化銅合金焊絲，即可獲得具有銅合金特定性能的防腐層。該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：熱輸入低，冷金屬熔覆的焊接熱輸入僅為傳統(tǒng)氣體保護(hù)焊的1/3-1/4，并且對(duì)工件熱變形量極小；熔覆層稀釋率低，基本采用熔銅工藝的產(chǎn)品整體性能接近采用激光熔覆工藝的整體性能；適用焊材及基材范圍廣，可適用市面上所有的碳鋼、不銹鋼、鋁、銅、鎳等不同類型藥芯、實(shí)心焊絲和基材；極低飛濺，冷金屬熔覆焊接過(guò)程中基本可以做到無(wú)飛濺焊接；熔覆后硬度可達(dá)到HB280，鹽霧試驗(yàn)大于520h，具有良好的表面耐磨性、耐腐蝕性等性能。該工藝技術(shù)也適用于液壓支架再制造大修中立柱、千斤頂?shù)膬?nèi)壁局部維修。

環(huán)套類零件主要包括導(dǎo)向套、活塞頭、保持套、三半環(huán)等零件，目前環(huán)套類零件較常用的處理方法分以下3 種：1）表面軍綠鈍化。2）表面鍍鋅處理。3）表面鍍銅處理。

上述3 種工藝均為精車加工完成后進(jìn)行。當(dāng)前軍綠鈍化使用相對(duì)較少，常規(guī)產(chǎn)品使用鍍鋅處理方式較多，為了環(huán)保，解決質(zhì)量問(wèn)題，采用鋅酸鹽鍍鋅，以氫氧化鈉作為鋅離子的配位劑，另外，氫氧化鈉還能起到導(dǎo)電和活化陽(yáng)極的作用。氰化鍍鋅溶液中的鋅離子是以雙配位化合物的形式存在的，而鋅酸鹽鍍鋅溶液中的鋅離子只是以一種鋅酸鈉的單配位化合物的形式存在，而且鋅酸鈉配離子又沒(méi)有鋅氰化鈉配合離子穩(wěn)定，產(chǎn)生了一種先天性的缺陷。要解決這一問(wèn)題，可以采用提高氧化鋅與氫氧化鈉加入量比值，來(lái)提高鋅酸鈉配離子的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高鍍液的陰極極化作用，使鍍層結(jié)晶細(xì)致。在該基礎(chǔ)上再加入一部分添加劑，可以得到結(jié)晶細(xì)致、覆蓋能力和光亮度好的鍍鋅層。鋅是一種化學(xué)性質(zhì)很活潑的金屬，鋅鍍層如果不進(jìn)行后續(xù)的鈍化處理，鍍層很快就會(huì)變暗，并相繼出現(xiàn)白色腐蝕產(chǎn)物，為了減少鋅的化學(xué)活性，筆者采用的是鉻酸鹽溶液來(lái)鈍化處理，使鋅鍍層表面形成鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜層，達(dá)到防腐目的。高端產(chǎn)品的導(dǎo)向套采用鍍銅方式較多。根據(jù)使用對(duì)比情況，采用鍍銅工藝的環(huán)套使用較長(zhǎng)時(shí)間后損傷情況最小。鍍層厚度也可根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

當(dāng)前活塞桿鍍層區(qū)段較常用的處理方法分為以下4 種：1）銅打底加硬鉻。2）乳白鉻加硬鉻。3）激光熔覆。4）銅打底加硬鉻與乳白鉻加硬鉻都為活塞桿加工完成后進(jìn)行，鍍后進(jìn)行拋光就可以進(jìn)行組裝。目前銅打底鍍硬鉻使用較少，乳白鉻加硬鉻使用相對(duì)較多，鍍層厚度視情況進(jìn)行調(diào)整。鍍鉻所獲得的鉻鍍層除了有良好的耐腐蝕性能和光亮不變色的外觀，更重要的性能是鉻鍍層硬度很高，而硬度提高脆性也會(huì)相應(yīng)提高，尤其是加厚鉻鍍層，在零件銳角和端頭處的鉻鍍層稍受一些沖擊，便會(huì)使鉻鍍層崩落，但并不是鍍鉻層與基體結(jié)合力不牢，而是鍍層太厚，脆性大所導(dǎo)致的。這是加工厚鍍鉻時(shí)常見(jiàn)的問(wèn)題。為了保證加厚鉻鍍層符合質(zhì)量要求，在鍍鉻前必須將銳角和端頭處進(jìn)行倒角或倒圓角，隨著鍍鉻層厚度的增加，倒角和倒圓角也應(yīng)加大。工件端面邊上鍍上鉻鍍層，結(jié)合力可提高，該方法可防止銳角鉻鍍層端頭過(guò)厚。煤機(jī)上使用的立柱千斤頂必須既能防腐又能增加硬度，為了達(dá)到要求采用復(fù)合鉻工藝，先鍍?nèi)榘足t再鍍硬鉻，乳白鉻鍍層孔隙少，耐腐蝕性好，但硬度稍低，最后表面再鍍一層硬鉻當(dāng)前可以達(dá)到使用環(huán)境要求。激光熔覆工藝原用于產(chǎn)品鍍層區(qū)段損壞進(jìn)行修復(fù)，后逐漸直接用于新產(chǎn)品，在活塞桿加工過(guò)程中將粉末熔在鍍層區(qū)段，后進(jìn)行精車工序，這種工藝當(dāng)前處于研究階段，主要問(wèn)題是防腐性能。

4 成果固化、推廣

上腔接口朝向缸口且安裝不銹鋼過(guò)渡接頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)當(dāng)前已經(jīng)在公司生產(chǎn)的多套產(chǎn)品中使用，效果良好，如圖6所示。部分礦方在后續(xù)技術(shù)交流時(shí)建議將其他結(jié)構(gòu)改為該結(jié)構(gòu)，說(shuō)明該方案已經(jīng)獲得用戶的認(rèn)可，解決了因上腔接頭座銹蝕推移千斤頂進(jìn)行返修、甚至報(bào)廢的問(wèn)題，節(jié)省了返修、重投成本。

圖6 新結(jié)構(gòu)推移千斤頂產(chǎn)品實(shí)物

缸管熔銅工藝、導(dǎo)向套鍍銅鍍鋅工藝及雙鉻工藝已在產(chǎn)品中大規(guī)模使用，簽訂技術(shù)協(xié)議時(shí)部分用戶會(huì)主動(dòng)提出采用該工藝，使用后反饋較好，出現(xiàn)問(wèn)題的概率也大幅降低。

該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝方式也可通過(guò)改變適用于其他功能的油缸，提升油缸整體的工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

打造高端產(chǎn)品已成為煤機(jī)發(fā)展的一種趨勢(shì)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝方式也將隨之更新?lián)Q代。上腔接口朝向缸口且安裝不銹鋼過(guò)渡接頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與缸管熔銅工藝、導(dǎo)向套鍍銅鍍鋅工藝及雙鉻工藝的應(yīng)用提升了推移千斤頂?shù)氖褂眯阅?，減少了因銹蝕對(duì)推移千斤頂導(dǎo)致的損害。

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，5G 技術(shù)在礦山的應(yīng)用，相信不久的將來(lái)，所有的礦山都會(huì)實(shí)現(xiàn)智能化、無(wú)人化開(kāi)采，從根本上解決了礦山的安全性問(wèn)題。推移千斤頂性能的提升也會(huì)為煤機(jī)發(fā)展保駕護(hù)航。