馬忠昌

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)礦山機(jī)械制造維修分公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750021)

0 引言

液壓支架的主要執(zhí)行元件為立柱和千斤頂，它們既是液壓支架支護(hù)頂板的有效性保障，又為液壓支架的正常動(dòng)作及邁步前移起到關(guān)鍵作用，因此在液壓支架的維修中，立柱和千斤頂?shù)木S修至關(guān)重要，也是液壓支架維修中的重點(diǎn)控制和質(zhì)量把控的關(guān)鍵點(diǎn)。通常情況下千斤頂損壞的主要原因是活塞桿鍍鉻層脫落、碰傷等損壞，以及缸體內(nèi)孔拉傷、銹蝕麻坑剝落等因素導(dǎo)致密封件的失效。

隨著液壓支架的多次維修，千斤頂缸體更換的量逐年增加，尤其是液壓支架在乳化液濃度不足的情況下使用，加速了缸體的損壞。根據(jù)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司近幾年維修情況統(tǒng)計(jì)分析，因千斤頂缸體內(nèi)表面麻斑剝落、拉傷等造成千斤頂缸體報(bào)廢量約占總量的67%。傳統(tǒng)維修工藝是千斤頂缸體經(jīng)珩磨修復(fù)后直接復(fù)用，對(duì)因劃痕、麻坑深度超過維修尺寸公差允許范圍、無法經(jīng)珩磨修復(fù)復(fù)用的千斤頂缸體，則只能采用更換新件的形式進(jìn)行維修，這不僅直接造成支架維修費(fèi)用的提高，同時(shí)降低了支架的使用壽命，在液壓支架維修中造成系統(tǒng)性浪費(fèi)[1]。因此，如何既提升液壓支架配件的使用壽命和復(fù)用率，又可降低維修成本，需要研究出一種新型再制造維修工藝技術(shù)來解決。

1 縮缸再制造專用設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用步驟及工作原理

1.1 常規(guī)維修千斤頂缸體方式

隨著液壓支架維修頻次的增加，千斤頂缸體的維修和更換量越來越大，缸體損壞主要表現(xiàn)在缸體內(nèi)表面拉傷、腐蝕、磨損、漲缸、變形等，常規(guī)維修千斤頂缸體采用的方式如下：

(1)拉傷、腐蝕較輕的千斤頂缸體，在標(biāo)準(zhǔn)公差允許條件下采用珩磨擴(kuò)大內(nèi)孔修復(fù)處理后直接復(fù)用，此類缸體占維修總量的10%左右。

(2)拉傷、腐蝕較重的千斤頂缸體，珩磨工藝擴(kuò)大內(nèi)孔尺寸后按照非標(biāo)準(zhǔn)缸徑進(jìn)行維修，采用非標(biāo)準(zhǔn)密封件進(jìn)行補(bǔ)償，其缺點(diǎn)一是配套密封件生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長，密封使用壽命縮短；二是千斤頂使用維護(hù)保養(yǎng)時(shí)難度加大；三是因維修質(zhì)量降低，使用單位大多數(shù)不愿接受。在不接受非標(biāo)準(zhǔn)維修的情況下，只能更換新件進(jìn)行維修，此種情況占維修總量的80%左右。

(3)漲缸、變形的千斤頂缸體直接加工更換新件。

以上是造成液壓支架維修成本居高不下的一個(gè)主要因素，如何既提升配件的使用壽命和復(fù)用率，又可讓用戶接受，則需要研究出一種新型再制造維修工藝來解決。

1.2 縮缸再制造專用設(shè)備結(jié)構(gòu)

根據(jù)液壓支架的千斤頂缸體規(guī)格，利用現(xiàn)有C630車床進(jìn)行改造，改造后可適用于各種規(guī)格型號(hào)的千斤頂缸體進(jìn)行加熱處理?？s缸再制造專用設(shè)備采用PLC控制，主要由修復(fù)機(jī)床、移動(dòng)托架、溫度瞬降器、中心架、中頻加熱設(shè)備、中頻感應(yīng)加熱器等組成。縮缸再制造專用設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖及設(shè)備實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 縮缸再制造專用設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖及設(shè)備實(shí)物

1.3 縮缸再制造專用設(shè)備使用步驟

縮缸再制造專用設(shè)備使用步驟為：第一步將待修千斤頂缸體加裝到機(jī)床上；第二步調(diào)整中心架使得千斤頂缸體底部與缸口部旋轉(zhuǎn)趨近于同軸旋轉(zhuǎn)，避免移動(dòng)中頻感應(yīng)加熱器時(shí)與缸體內(nèi)表面發(fā)生碰撞；第三步選擇與千斤頂缸體內(nèi)孔相對(duì)的中頻感應(yīng)加熱器[2]，將線圈伸到千斤頂缸體底部； 第四步合上中頻電源的空氣開關(guān)，面板“電壓指示”綠燈亮，打開水冷交換器；第五步打開機(jī)床電源，同時(shí)打開移動(dòng)托架水冷噴頭[3]；第六步檢查PCL控制面板數(shù)據(jù)[4]，并調(diào)整參數(shù)，確認(rèn)后按啟動(dòng)鍵進(jìn)行千斤頂缸體的修復(fù)操作。

1.4 縮缸再制造專用設(shè)備工作原理

依據(jù)金屬熱脹冷縮物理特性，利用中頻感應(yīng)加熱原理，將中頻感應(yīng)加熱器放入缸體內(nèi)孔，當(dāng)感應(yīng)線圈中通入一定頻率的交變電流時(shí)，周圍即產(chǎn)生交變磁場，電磁感應(yīng)作用使千斤頂缸體內(nèi)表面產(chǎn)生封閉且高密度的感應(yīng)電流[5]，電流由缸體內(nèi)表面向外逐漸減小，中頻感應(yīng)加熱利用這種“趨膚效應(yīng)”將千斤頂缸體內(nèi)表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使表層的溫度升高，在幾秒鐘?nèi)表面溫度可上升到800～1 000℃，溫度升高到塑形狀態(tài)[6-7]，此時(shí)缸體內(nèi)壁溫度在Ac3以上30～50℃的相變溫度下，材料內(nèi)部結(jié)晶組織隨即發(fā)生相變[8]。而千斤頂缸體外表面由于電流密度較小，因此溫度升高很小，所以缸體外壁基本不發(fā)生熱膨脹。根據(jù)工作需要，可以采用不同頻率的感應(yīng)加熱設(shè)備，一般情況下，中頻淬火電流頻率在500～10 000 Hz，加熱滲透深度在3～5 mm。在噴水快速冷卻的條件下缸體內(nèi)壁材料晶粒組織由奧氏體組織向比容較大的回火馬氏體組織轉(zhuǎn)變，其內(nèi)壁材料晶粒迅速膨脹，千斤頂缸體外經(jīng)徑向方向阻礙了內(nèi)壁材料晶粒的膨脹，內(nèi)壁材料晶粒膨脹只能向千斤頂缸體內(nèi)徑中徑向地向圓心方向膨脹，使千斤頂缸體內(nèi)徑變小，以實(shí)現(xiàn)縮缸再制造修復(fù)的目的。

1.5 縮缸再制造工藝主要優(yōu)點(diǎn)

在液壓支架的千斤頂缸體修復(fù)中，因縮缸再制造工藝的中頻加熱設(shè)備完全滿足不同規(guī)格工件的加熱需求，尤其是表面加熱和瞬時(shí)升溫的特性，所以千斤頂缸體外壁焊接的進(jìn)、回液管及管接頭受熱影響不大，不會(huì)導(dǎo)致因受熱不均或冷卻變形等因素造成焊縫開裂的質(zhì)量問題?？s缸再制造工藝優(yōu)點(diǎn)為：一是由PLC控制中頻感應(yīng)加熱器加熱溫度及運(yùn)行速度，加熱溫度高且溫度可控；二是加熱速度快，被加熱工件表面氧化少；三是加熱滲透深度及溫升可控，維修質(zhì)量穩(wěn)定；四是節(jié)能環(huán)保，占地面積小，效率高[9]，大小批量生產(chǎn)均適合；五是處理形狀復(fù)雜工件適應(yīng)面較廣；六是容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化控制。

2 千斤頂缸體金相組織分析

千斤頂缸體常用材料為27SiMn，在生產(chǎn)中進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，獲得金相組織為奧氏體。千斤頂缸體內(nèi)壁在Ac3以上30～50℃的相變溫度下，材料內(nèi)部結(jié)晶組織發(fā)生相變，在噴水快速冷卻的條件下，缸體內(nèi)壁材料晶粒組織由奧氏體組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)變[10]。在奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，晶粒迅速重排并轉(zhuǎn)變?yōu)楸热葺^大的回火馬氏體，體積迅速膨脹導(dǎo)致內(nèi)徑減小，達(dá)到缸體內(nèi)徑變小的修復(fù)要求。經(jīng)過多次試驗(yàn)，縮缸再制造技術(shù)可完成1.5 mm及以下范圍內(nèi)的漲缸、麻坑、腐蝕、拉傷等缺陷缸體的修復(fù)。縮缸前和縮缸后千斤頂缸體內(nèi)壁材料組織金相顯微組織(400倍)如圖2和圖3所示。

圖2 縮缸前千斤頂缸體內(nèi)壁材料金相顯微組織(400倍)

圖3 縮缸后千斤頂缸體內(nèi)壁材料金相顯微組織(400倍)

3 縮缸再制造修復(fù)千斤頂缸體工藝流程

縮缸再制造技術(shù)修復(fù)千斤頂缸體工藝主要由挑選分類、縮缸準(zhǔn)備、縮缸再制造和后續(xù)防腐處理等幾個(gè)主要階段組成，采用縮缸再制造技術(shù)修復(fù)千斤頂缸體，要做到嚴(yán)格把關(guān)各個(gè)工序過程，確?？s缸再制造技術(shù)實(shí)施的有效性。

(1)千斤頂缸體的挑選。要保證縮缸再制造產(chǎn)品質(zhì)量，必須嚴(yán)格對(duì)待修千斤頂缸體進(jìn)行挑選并分類。首先，對(duì)待修千斤頂缸體進(jìn)行珩磨，通過珩磨工藝將麻坑、腐蝕、拉傷等缺陷去除掉；其次，對(duì)經(jīng)珩磨后超尺寸公差1.5 mm及以下的缸體進(jìn)行縮缸再制造，超尺寸公差1.5 mm以上的報(bào)廢更換新件；再次，按照縮缸專用設(shè)備縮徑量參數(shù)表進(jìn)行測量分類，不同區(qū)間的尺寸公差縮缸再制造時(shí)需要推進(jìn)的速度不同，避免出現(xiàn)縮過量或縮量不足的情況，增加后續(xù)加工工作量。

(2)縮缸再制造前的準(zhǔn)備。裝夾待修復(fù)千斤頂缸體，通過中心架找正并支撐待修缸體隨專用機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)(確保中頻感應(yīng)加熱器在推進(jìn)時(shí)不得與缸體內(nèi)壁發(fā)生碰撞干涉)。將中頻感應(yīng)加熱器伸至缸體底部，從千斤頂缸體底部到缸口部模擬推進(jìn)確定行程，調(diào)整移動(dòng)托架溫度瞬降器與中頻感應(yīng)加熱器位置相對(duì)固定。

(3)縮缸再制造作業(yè)。將中頻感應(yīng)加熱器操作至千斤頂缸體最底部后，向缸口方向移動(dòng)10 mm，避免中頻感應(yīng)加熱器與缸體碰撞，設(shè)定好中頻加熱設(shè)備操作對(duì)應(yīng)運(yùn)行參數(shù)，開動(dòng)縮缸專用機(jī)床主軸帶動(dòng)千斤頂缸體旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開啟瞬降器冷卻水[11]，開啟中頻加熱設(shè)備控制面板電源，檢查各項(xiàng)參數(shù)正常后，開始啟動(dòng)縮缸聯(lián)動(dòng)控制，中頻感應(yīng)加熱器從頭到尾(千斤頂缸體底部到缸口)進(jìn)行縮缸再制造修復(fù)千斤頂缸體。

(4)后續(xù)防腐處理。將縮缸再制造千斤頂缸體珩磨至設(shè)計(jì)尺寸公差，表面粗糙度Ra≤0.4μm，檢查缸體內(nèi)壁的完好性，確保千斤頂缸體內(nèi)壁的麻坑、腐蝕、拉傷等缺陷全部被珩磨加工掉。修復(fù)螺紋、卡槽以及缸口密封帶，更換各注液嘴。為加強(qiáng)抗腐蝕性能，縮缸再制造檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行多元復(fù)合離子滲鹽浴強(qiáng)化處理，因多元復(fù)合離子滲鹽浴表面強(qiáng)化處理件的滲層由氧化膜、化合物層和擴(kuò)散層組成，形成了具有良好耐磨性、極高抗蝕性和較好抗疲勞性能的復(fù)合滲層。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)過縮缸再制造技術(shù)修復(fù)的千斤頂缸體，使用壽命接近或達(dá)到新加工缸體的使用壽命，以2018年寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司維修的成套液壓支架(設(shè)備型號(hào)為ZY10000/23/50D)為例，縮缸再制造千斤頂缸體共計(jì)1 851件，維修費(fèi)用共計(jì)約35萬元，若采用更換新件需要費(fèi)用約214萬元，節(jié)約維修成本約179萬元。2021年，寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司按照維修15套共計(jì)1 733架液壓支架計(jì)算，需要維修20 796件千斤頂，維修各類千斤頂缸體共計(jì)15 382件，千斤頂缸體維修復(fù)用率為74%，較采用更換新缸體的方式進(jìn)行維修可節(jié)約維修成本約2 679萬元。

5 結(jié)語

在液壓支架維修中，通過近幾年的探索總結(jié)和縮缸再制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，在寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司現(xiàn)有千斤頂缸體材質(zhì)條件下，縮缸再制造技術(shù)在液壓支架維修中優(yōu)勢明顯，修復(fù)效果達(dá)到再制造技術(shù)的要求，既解決了千斤頂缸體在維修中“只換不修”的窘境，系統(tǒng)性地提升了千斤頂?shù)难h(huán)利用，又降低了維修成本，提高了配件使用壽命，進(jìn)而提高液壓支架的整體使用壽命[12]。