激光熔覆和電鍍再制造的液壓支架立柱效益分析

楊慶東高榮惠董春春杜學蕓

(1.山東能源機械集團有限公司,山東省新泰市,271222; 2.山東能源機械集團大族再制造有限公司,山東省新泰市,271222)

激光熔覆和電鍍再制造的液壓支架立柱效益分析

楊慶東1高榮惠1董春春1杜學蕓2

(1.山東能源機械集團有限公司,山東省新泰市,271222; 2.山東能源機械集團大族再制造有限公司,山東省新泰市,271222)

通過對激光熔覆再制造立柱和電鍍修復立柱的密封、耐久、強度等性能進行對比檢測試驗,對比分析了液壓支架立柱修復技術中激光熔覆再制造和電鍍修復這兩種技術產品的性能、經濟效益和環境效益,結果表明,激光熔覆再制造技術具有涂層與基體結合牢固、組織致密等優點,再制造的立柱性能遠優于電鍍修復立柱的性能。

液壓支架立柱 激光熔覆 電鍍修復 再制造

液壓支架立柱是煤礦機械關鍵設備,長期在酸、堿性腐蝕介質中工作,立柱表面承受著腐蝕、磨損和沖擊。目前再制造修復技術主要采用電鍍工藝,但是該工藝修復后的立柱使用壽命較短、可修復次數少、且有環境污染問題,因此,需要一種新涂層技術取代電鍍。模擬試驗和實際應用已經證明,激光熔覆再制造技術具有涂層與基體結合牢固、組織致密等優點,再制造的立柱性能遠優于電鍍修復立柱的性能。

1 激光熔覆再制造和電鍍修復立柱的性能描述

2008－2010年,由國家煤礦支護設備質量監督檢驗中心組織,按照中國煤炭行業標準MT313－92,模擬液壓支架立柱實際工作環境,對激光熔覆再制造立柱和電鍍修復立柱的密封、耐久和強度等性能進行了對比檢測試驗。在空載行程試驗中,立柱在空載工況下,全行程往復動作3次,其速度不大于200 mm/min,伸縮長度和伸縮程序符合設計要求,沒有澀滯、爬行和外滲漏等現象。在最低啟動壓力試驗中,立柱在空載工況下,逐漸升壓,分別測定各級缸活塞腔和活塞桿腔的啟動壓力(均在無背壓狀況下試驗),使小缸內保持額定泵壓,當小缸中部通過大缸缸口導向套時,測定大缸活塞桿腔的啟動壓力。在活塞桿密封性能試驗中,立柱縮至最小高度,各活塞桿分別在1 MPa和110 MPa額定泵壓下穩壓5 min,其中1根活塞桿穩壓4 h,在同溫度下壓力未下降、也沒有發生滲漏現象。在耐久性能試驗中,立柱升至底閥開啟前,以額定工作載荷軸向加載,底閥連續開啟、立柱壓縮速度不大于10 mm/min,每5 m穩壓5 min,25 m后立在2/3行程處穩壓4 h,穩壓壓力為額定壓力的90%,立柱升至最大行程,在柱頭和缸底同側偏心20 mm的位置,以額定工作工載荷進行連續循環軸向加載試驗,加載速度為20 mm/min,立柱活塞腔給以背壓,使大缸活塞桿腔與小缸活塞桿腔加以泵站公稱壓力進行降柱,再空載升柱,全行程往復試驗,累計行程25 m,穩壓時立柱沒有下縮,累計有效壓縮行程300 m,加載壓力至額定工作壓力,然后卸載,循環次數不少于2000次。強度試驗中,立柱升至全行程,以額定工作載荷的150%軸向加載,持續5 min。立柱升至全行程,活塞腔內加壓至額定泵壓的125%,持續5 min。立柱升至最大行程在柱頭和缸底同側偏心30 mm的位置,以110%額定工作載荷軸向加載持續5 min。立柱升至全行程,軸向預加額定初撐載荷,以15 k N·m能量沖擊柱頭2次。立柱升至2/3全行程以額定工作載荷的200%軸向加載持續5 min。試驗發現導向套與活塞限位機構、立柱缸體均為產生永久變形和破壞,活塞和缸體永久變形不大于0.5 mm,通過實驗,各項指標均符合標準。激光熔覆再制造立柱使用壽命是電鍍修復立柱使用壽命的6倍,如圖1所示。激光熔覆再制造立柱和電鍍修復立柱在同一煤礦同一工作條件下的實際使用壽命對比如圖2所示。電鍍修復立柱使用壽命為1～1.5 a,使用激光熔覆再制造立柱4.5 a仍未出現生銹和密封性能下降等問題,故目前無法確定激光熔覆再制造立柱的使用壽命。

圖1 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復立柱模擬對比試驗

根據模擬試驗結果,激光熔覆再制造立柱實際使用壽命應為電鍍修復立柱實際使用壽命的6倍。激光熔覆層與立柱基體是牢固的冶金結合層,經過專門設計的激光熔覆不銹鋼涂層組織致密,無裂紋和氣孔,熔覆層厚,強韌性好,因此,激光熔覆再制造立柱具有很好的耐腐蝕、耐磨和抗沖擊性能。而電鍍鍍層與立柱基體結合強度低,鍍層中微裂紋和針孔多,耐腐蝕和耐磨損性能低,鍍層薄而且脆,不耐沖擊。

圖2 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復立柱實際使用壽命對比

2 經濟效益分析

2.1 立柱的激光熔覆再制造和電鍍修復各環節費用及市場售價的對比

立柱的激光熔覆再制造及電鍍修復再制造包括拆裝、運輸、清洗、激光熔覆或電鍍、機械加工和凈利潤,各環節的成本比較見表1。對于立柱的修復或再制造而言,無論采用何種工藝進行拆裝、運輸、清洗和機械加工,成本相差不大,主要不同之處有兩點:

(1)激光熔覆或電鍍環節。單一激光熔覆環節的成本約為3500元/m2,約為單一電鍍環節成本的7倍。

(2)凈利潤環節和市場售價。由于激光熔覆再制造立柱的使用壽命約為電鍍修復立柱使用壽命的6倍,因此目前單位表面積激光熔覆再制造立柱的市場售價比電鍍修復立柱的市場售價高出很多。

2.2 激光熔覆及電鍍再制造立柱的經濟效益發展趨勢

激光熔覆再制造立柱是一種新興技術,隨著該技術的發展,成本和利潤將會產生較大變化。激光熔覆再制造立柱整個過程中激光熔覆環節的成本隨時間變化情況如圖3所示,在激光熔覆再制造立柱技術應用初期(即2008年)成本很高,此時激光加工設備的投資和研發成本高,而實際加工量很少,導致了激光熔覆再制造的高成本,隨著激光器的生產技術成熟,設備投入成本顯著降低。隨著近幾年激光器的發展,大功率半導體激光器逐漸取代二氧化碳激光器,成為激光熔覆主要加工設備,生產用電和用氣費用將顯著下降;另外,合金粉末行業的發展也使激光熔覆再制造的成本下降;隨著大功率半導體激光器和光纖激光器等新型高性能激光器的規?；?、國產化生產,激光器的購置和運行成本會繼續降低。但是,電鍍技術的發展已趨于穩定,在成本方面變化不會很大,因此激光熔覆再制造立柱技術完全可以取代電鍍修復。

表1 單位表面積立柱激光熔覆再制造和電鍍修復各環節成本比較元/m2

圖3 單位表面積立柱的激光熔覆成本變化趨勢

激光熔覆再制造立柱和電鍍修復立柱的成本、凈利潤和市場售價隨時間變化而變化的情況如圖4所示。由圖4可以看出,單位表面積電鍍修復立柱的成本、凈利潤和市場售價基本保持不變,其原因在于電鍍修復立柱的技術和市場早已成熟和穩定。單位表面積激光熔覆再制造立柱的成本初期很高,隨時間明顯下降,截至2022年預計成本達到1700元/m2,其后由于激光熔覆再制造各環節的技術和市場趨于穩定,成本變化不大。單位表面積激光熔覆再制造立柱的市場售價在最初幾年(2008－2012年)保持在8000～9000元/m2,其后由于成本的顯著降低和市場競爭的加劇,市場售價預計逐漸下降,到2016年預計達到6000元/m2,到2022年預計達到4500～5000元/m2,其后變化不大。

圖4 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復立柱的成本、凈利潤和市場售價隨時間變化趨勢

2.3 激光熔覆再制造立柱性價比和電鍍修復立柱性價比的比較

性價比一般用再制造或修復后的立柱使用年數除以市場售價來衡量,激光熔覆再制造立柱性價比和電鍍修復立柱性價比隨時間變化的情況如圖5所示,由圖5可以看出,電鍍修復立柱性價比基本不隨時間變化,保持在0.4左右;激光熔覆再制造立柱性價比在2008—2012年保持在0.75左右,之后隨時間逐漸增加,預計到2016年達到1.0左右。隨時間增長,激光熔覆再制造立柱性價比相對電鍍修復立柱性價比有絕對優勢。

圖5 激光熔覆再制造立柱性價比和電鍍修復立柱性價比的發展趨勢

3 環境效益益分析

(1)節能降耗。由于電鍍層厚度的限制,一般立柱維修2次后,無法再恢復到新品尺寸,故而不能循環使用,徹底報廢,報廢立柱需要回爐冶煉,需要耗費大量能源,產生的CO2和SO2造成大氣污染。激光熔覆再制造不受修復厚度和修復次數的限制,且使用壽命長,如果立柱均采用激光熔覆再制造技術,基本可避免回爐冶煉的工序。據統計,全國報廢液壓支架立柱約為45萬t/a。如果采用激光熔覆再制造技術代替電鍍,可以節約標準煤19萬t/a,顯著減少大氣污染,數據見表2。

(2)消除水污染。電鍍過程中會產生大量含重金屬六價鉻的廢水,且電鍍前需要對工件進行酸洗,會產生大量酸性廢水和清洗廢水,激光熔覆則不會產生污染環境的廢水?？梢怨浪?若全國立柱均用激光熔覆再制造取代電鍍修復,將極大的減少廢水量,數據見表2。

表2 激光熔覆再制造立柱的環境效益統計表

4 結論

激光熔覆再制造立柱的性價比更高、經濟效益更好、環境友好、可循環利用,相對電鍍修復產品有著明顯的技術優勢,發展空間大,在立柱再制造行業中,激光熔覆再制造技術將會逐漸取代電鍍修復技術。

[1] 解文正.激光熔覆技術在液壓支架上的應用研究[D].邯鄲:河北工程大學,2011

[2] 杜伯奇,楊慶東,董和泉等.激光強化不銹鋼立柱的研發[J].礦山機械,2009(5)

[3] 王志華.液壓支架立柱的腐蝕機理及其防護[J].礦山機械,2011(9)

[4] 李秀云,牛曙光.液壓支架防腐蝕研究[J].礦山機械,2005(8)

[5] 段孟杰.液壓支架立柱腐蝕失效分析及防范措施[J].河北煤炭,2002(5)

[6] 李明.煤礦設備再制造產業存在問題和解決措施初探[J].中國煤炭,2014(4)

(責任編輯 孫英浩)

Analysis of hydraulic support column efficiency of laser cladding and electroplating remanufacturing

Yang Qingdong1,Gao Ronghui,Dong Chunchun1,Du Xueyun2
(1．Shandong Energy Machinery Group Co．,Ltd．,Xintai,Shandong 271222,China; 2．Dazu Remanufacturing Co．,Ltd．,Shandong Energy Machinery Group,Xintai,Shandong 271222,China)

According to comparing and testing the leakage,endurance and strength of laser cladding remanufacturing column and electroplating repairing column,the authors analyzed the performances,economic benefits and environmental benefits of these two technology products．The results showed that the performances of laser cladding remanufacturing technology was far better than electroplating repairing technology,for example,the laser cladding remanufacturing technology has such advantages:coating and matrix firmly combining,compact structure and so on．

hydraulic support column,laser cladding,electroplating repairing,remanufacturing

TD406

A

楊慶東(1968－),男,山東滕州人,工程師,本科學歷,現任山東能源機械集團總經理。