液壓支架關鍵零部件材料性能分析及工藝研究

任懷偉

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

1 液壓支架失效形式及影響因素

液壓支架是煤礦生產中的重要設備，是支撐、維護頂板和保障井下安全生產的關鍵［1］。液壓支架主體部件可分為結構件 (頂梁、掩護梁、連桿和底座)以及立柱、千斤頂兩類，其失效形式和影響因素也各不相同。

隨著工作面推進，上覆巖層周期性斷裂，來壓強烈，支架必須承受這種反復沖擊的影響。當液壓支架承受載荷和沖擊后，其應力高于材料的屈服極限后就會發生塑性變形，從而產生破壞。同時，隨著采煤機的前進，支架要隨之“降立柱－前移－升立柱－增阻支護”循環工作，總是處于減壓卸載、增阻加壓的狀態。而低周疲勞 (條件疲勞極限)的特點之一就是作用于零件、構件的應力水平較高，支架的受力特點說明其有很強的低周疲勞特性。液壓支架結構件本身是由高強板焊接而成的，隨著材料強度級別的提高，其屈強比越來越大，裂紋敏感性越來越高，焊接性能越來越差，其疲勞性能會呈下降態勢，而焊接更是加劇了硬度條件的不均勻性，因而液壓支架尤其是高端液壓支架很容易發生疲勞破壞［2］。由此可見，液壓支架的結構件主要破壞形式是塑性變形和疲勞失效。

立柱、千斤頂的失效形式主要有橡塑類密封件損壞、管路及接頭連接件損壞、鋼質導向件損壞，以及缸、柱損壞等四類［3－4］。其中，第四類失效是導致立柱損壞的主要因素。而且由于該類部件成本高 (一般占立柱造價的60% ～80%)，給企業造成的損失也是最大的。缸、柱損壞主要表現為密封配合表面銹蝕、拉劃碰砸傷、鍍鉻層起皮脫落等，此外還存在少量漲缸和變形。影響立柱、千斤頂缸體性能的主要因素包括立柱本身的基體材料、井下生產環境及表面處理工藝等。

2 液壓支架關鍵零部件材料性能分析

液壓支架主要是由中厚鋼板焊接而成，其在井下承受著巨大的載荷和沖擊，需要具備很高的強度和抗沖擊能力。因而，材料的力學性能和質量對于液壓支架性能的優劣具有決定性的影響。

2.1 液壓支架結構件材料性能分析

截止到上世紀末，國內液壓支架所用板材一直為16Mn。隨著近年來煤礦生產能力的大幅提升，液壓支架的支護阻力越來越大，重量不斷增加，給支架生產、運輸帶來很大困難。為了降低支架重量，必須提高材料的強度等級。在上世紀九十年代，開始推廣使用15MnVN，WH60等45kg級的高強度鋼板［3］。2002年以后，國內生產能力較強的煤機企業陸續開始選用Q460，Q550，Q690等高強度鋼板。目前，Q690已在高端液壓支架中得到廣泛應用。更高強度等級的Q960，Q1100等則在推桿等局部少量采用。不同等級、不同厚度規格的液壓支架用高強度鋼板的力學性能見表1［5］。

表1 液壓支架用鋼板牌號及力學性能

美國、南非、德國等采煤先進國家廣泛采用高技術、高性能和高度自動化的設備，為保證支架在工作過程中結構強度的絕對可靠，因而大量采用高強度鋼板。鋼材強度的屈服極限達到700～1000MPa。如德國目前多用STE700級 (屈服強度σs≈690MPa，抗拉強度σb=700～930MPa)鋼材，DBT公司生產的WS1.7掩護式液壓支架主要結構部件就采用了高強度優良鋼板STE700，其用量占總重的70%，中強度鋼板STE500(σs≈500MPa)及一般鋼板STE360(σs≈345MPa)分別只占14%和16%［6］。由于材質優良，強度大，主要焊接結構件的使用壽命可保證在井下工作循環次數大于30000次。同時，選用高強度鋼板使得支架單重只有20.38t，較其他具有相同參數的支架輕1.5～2.2t。

隨著液壓支架用鋼強度等級的提升，其軋制和焊接加工的難度越來越大。國內外都在開發多種低裂紋敏感性、易焊接的高強度鋼板，如國內寶鋼的Q550CFD 和 Q690CFD 等、舞 陽 的 WDB620［7］和WH80Q、鞍鋼的超低碳貝氏體鋼HQ685DB(2004年用于山西晉城的首套國產大采高適用支架ZY8400)和HQ785DB、武鋼的HQ785D等。國外如日本生產的HT590和HT780、德國Dillinger生產的Dillimax550和Dillimax690、瑞典SSAB生產的WELDOX700等，都具有焊接裂紋敏感性指數低，焊接性能優良等特點。部分鋼材的力學性能見表2。

表2 國內外低焊接裂紋敏感性鋼板力學性能

2.2 液壓支架立柱、千斤頂材料性能分析

立柱、千斤頂是液壓支架的核心動力部件，其所用無縫鋼管是保證其有效發揮功能的關鍵。目前國內大部分采用的鋼管是27SiMn材質，其調質性能好，加工工藝成熟，但抗腐蝕性能不足。國內大型煤機企業正在逐步研發其替代材料，并應用于12000kN以上的高端液壓支架產品中。目前在用的液壓支架用無縫鋼管力學性能見表3［8－9］。此外，鄭煤機還單獨研發了ZDQ700缸體材料，其抗腐蝕性能和力學性能均能夠滿足高端液壓支架的要求。

表3 液壓支架用鋼管的力學性能分析

國外液壓支架立柱、千斤頂采用的材料，其準確成分目前還無法獲得，但通過某進口支架缸體材料力學性能分析，以及淬透性、焊接性能、耐腐蝕性能的試驗研究，其各種材料特性都較國內產品好，如表4所示。

圖1和圖2為某進口支架外缸和中缸硬度測試

表4 某進口支架缸筒部分力學性能分析

圖1 外缸筒橫截面由外向內硬度測試分布曲線(壁厚32mm)

圖2 中缸筒橫截面由外向內硬度測試分布曲線 (壁厚35mm)

結果。從圖中可以看出，進口產品熱處理后材質硬度一致性非常好，因而缸體在承受液體壓力后，其內部應力也很均勻，不會產生局部應力集中而造成損傷。

3 材料性能及工藝對液壓支架可靠性和壽命影響

目前，國內液壓支架用鋼的強度等級已經和國外產品差距不大，但在材料性能、質量穩定性和加工工藝方面還有較大劣勢，并嚴重影響著產品的可靠性和壽命。

3.1 材料質量穩定性影響

材料質量穩定性直接影響著液壓支架的可靠性，尤其是產品的延伸率、應變硬化指數和垂直各向異性指數等參數對支架結構件的力學性能影響最大。板材的技術含量和質量穩定性最能體現一個國家鋼鐵行業的技術實力。國外板材生產的標準要求高，在各品種、牌號、規格產品的每一項性能和質量參數，在每一爐罐號、每一帶卷的全部長度與寬度上保持均勻、穩定、連續和一致，材料質量的穩定性非常好。

國內鋼鐵企業雖然在冶煉、軋制技術及裝備等方面都有了長足的進步，寶鋼等大型企業也能夠生產出高品質的特殊鋼材;但在工業用大批量的鋼板生產方面，產品質量穩定性還不夠。因此，液壓支架結構件則可能出現隨機的質量和可靠性問題。

3.2 材料性能影響

國內鋼材在強度、韌性等指標方面與國外產品基本一致。但煤礦地質條件復雜，設備在井下要承受巨大的壓力、沖擊以及大量的SO2，H2S，Cl－，SO等介質的腐蝕，因而對材料抗疲勞破壞、裂紋敏感性、耐腐蝕等特殊性能都有很高的要求［10－11］。國內鋼材往往在這些指標方面有所欠缺，因而設備可靠性和使用壽命始終落后于進口產品。

3.3 加工工藝影響

材料加工工藝是影響煤機產品可靠性和壽命的另一重要因素，機加工精度、立柱表面處理、焊接、熱處理等都是關鍵工序。例如，立柱、千斤頂基體發生腐蝕的部位往往是自身存在缺陷的部位，有機械加工產生的凹坑、應力疲勞腐蝕點、晶粒粗大處、表面裂紋等［12］。材料加工質量的高低會對設備的性能產生很大的影響。

國內外液壓支架在材料和加工工藝方面的差距造成了產品可靠性和使用壽命上的差別，這就是我國雖然是煤機裝備第一生產大國，但產品始終在低端徘徊，且附加值不高的主要因素。因而，研發新材料和先進工藝技術是增強產品可靠性和壽命的核心，是提升產品品質、提高產品競爭力的關鍵。

4 提升液壓支架產品性能的材料及工藝技術

4.1 高性能鋼板生產技術

解決材料質量的穩定性問題，需綜合采用組織細化、固溶強化、沉淀強化和相變強化等技術，兼顧強度、韌性、焊接性及其他性能參數相互關系，合理匹配參數間的消長與平衡。例如，為充分利用微合金元素的綜合作用，降低鋼的碳含量及碳當量、改善焊接性能，寶鋼采用兩階段軋制和冷卻TMCP(Thermo－Mechanical Control Process)技術，利用厚板軋機的強力軋制和強制冷卻技術，充分細化鋼的微觀組織結構，在大幅度提高強度的同時，保證了良好的低溫韌性;同時，不斷優化軋制、冷卻工藝參數及其匹配關系，改善鋼板板形［13］。

通過改善鋼板成分、控制軋制工藝和冷卻工藝的生產參數，解決鋼板通常存在的力學性能波動和平直度差等問題，實現穩定的工業化批量生產，為液壓支架結構件提供性能穩定的高質量材料。

4.2 新型防腐工藝

立柱、千斤頂內外表面一旦銹蝕，就會像磨料一樣加速密封件磨損，所以防腐尤為重要。立柱和千斤頂的活塞桿、中缸及活柱等外露表面必須要經過防腐蝕處理。電鍍技術是最常見的防腐技術。一般常見的立柱、千斤頂中的環套類零件多采用鋅鍍層，活塞桿、中缸及活柱外表面采用鉻鍍層。然而，由于電鍍層較薄、硬度也不夠，井下立柱千斤頂表面腐蝕、損傷情況時有發生，而且電鍍工藝環境污染較為嚴重，因此有必要研究新的防腐技術和工藝。

(1)激光熔覆技術 激光熔覆技術是通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層，使工件表面耐腐蝕、耐磨損和抗沖擊性能大大增強［14］。

目前，立柱激光熔覆加工已經在液壓支架再制造過程中開始應用，取得良好效果，如圖3所示。但激光熔覆較電鍍成本高，原因在于熔覆金屬硬度大，后期加工難度大;且熔覆厚度較厚，后期加工量也較大。

圖3 立柱外表面激光熔覆加工

(2)不銹鋼保護層技術 不銹鋼保護層技術也稱為不銹鋼包覆工藝，可用于缸筒內部及活塞桿和中缸外圓的防腐。不銹鋼保護層是一種高性能防腐貴金屬保護層，可根據母材規格形狀進行加工。實現這種保護層有2種方法:卷焊法和強力旋壓法。強力旋壓法又分為內徑旋壓和外徑旋壓2種，分別用于缸筒內表面和活塞桿外表面［15］。

不銹鋼保護層技術特別適合于復雜的高腐蝕性條件下使用，可大幅提高缸筒的防腐性能和可靠性。不銹鋼保護層耗能低，不會造成環境污染，但其加工技術要求高，成本較高，且其與基體的結合度無法達到冶金結合的程度，應用受到一定限制。

(3)刮削滾光工藝技術 受限于國內基礎工業的水平，國產立柱、千斤頂加工制造的精度及粗糙度普遍不高，嚴重影響了產品性能的發揮，降低了產品質量和使用壽命。珩磨和滾壓是最為常用的兩種精加工方法。立柱表面粗糙度應保持適度的值，太大會損壞密封，太小儲油性能不好同樣會有問題。珩磨加工工藝效果較好，但加工效率太低;滾壓加工效率高，但要求加工前的表面也要達到較高的表面粗糙度，否則滾壓效果難以保證。為此，引進了刮削滾光的方法。

刮削滾光是把粗鏜、半精鏜、精鏜、滾壓4道工序合并為一，利用工作時工件對鏜滾壓頭上滾柱的反作用力來支承鏜滾頭，這樣既保證鏜刀的穩定切削，提高鏜桿的剛性，又使鏜削和滾壓得以同時進行，提高生產效率。刮削滾光加工效果與珩磨相近，粗糙度能達到Ra≤0.6um左右，缸筒外表面硬度提高約30%，表面疲勞強度提高25%以上，且其加工效率較珩磨高出幾十倍。油缸經過滾壓后，表面沒有鋒利的微小刃口，長時間的運動摩擦也不會損傷密封圈或密封件。若只考慮缸筒影響，油缸使用壽命可提高2～3倍。

5 結論

提高液壓支架的壽命和可靠性必須從源頭抓起，材料性能和加工處理工藝是保證質量和可靠性的基礎和根本。由于在激烈的競爭中，我國企業無法擺脫價格戰的模式，在成本的約束下不能保證產品材料的高等級以及精細化加工。但隨著煤炭工業的發展，高端裝備需求快速增加，迫使裝備制造企業競爭升級，開始注重材料和工藝研究。本文通過試驗對液壓支架關鍵元部件材料進行性能分析，研究材料性能及工藝對液壓支架可靠性和壽命的影響，給出提升材料質量均勻性、表面耐腐蝕性以及提高零件加工精度的技術方法。這對提升產品品質具有重要作用，可大幅提高我國裝備制造水平，提升產品的市場競爭力。

［1］王國法.液壓支架技術 ［M］.北京:煤炭工業出版社，1999.

［2］李 博.液壓支架動載特性及疲勞壽命分析［D］.太原:太原理工大學，2013.

［3］王國法，徐亞軍，任懷偉，等.高端液壓支架及先進制造技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2010.

［4］周玉亮.液壓支架雙伸縮立柱失效形式的研究與分析［J］.煤礦機械，2009，30(12):68－70.

［5］中華人民共和國國家標準.GB/T 16270－2009高強度結構用調質鋼板［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［6］徐亞軍.高強度結構鋼的焊接性與液壓支架結構強度的研究［D］.北京:煤炭科學研究總院，2003.

［7］王國法，姚連登，徐亞軍，等.低焊接裂紋敏感性鋼WDB620焊接性及其在液壓支架上的應用［J］.煤礦機械，2003，24(10):72－74.

［8］中華人民共和國國家標準.GB/T 17396－2009液壓支柱用熱軋無縫鋼管［S］.北京:中國標準出版社，2010.

［9］張曉峰，李玉嶺.礦用單體液壓支柱油缸材料性能分析及成本測算［J］.煤礦開采，2007，12(1):93－97.

［10］張增志，牛俊杰.煤中的羧基、酚羥基對低合金鋼27SiMn的腐蝕作用 ［J］.中國腐蝕與防護學報，2004，24(5):311－313.

［11］張增志，牛俊杰，韓桂泉.27SiMn在礦井褐煤環境中的電化學行為 ［J］.腐蝕科學與防護技術，2003，15(3):178－179.

［12］王首輝.液壓支架用立柱缸體銹蝕的原因分析及解決方法［J］.礦山機械，2008，36(16):65－66.

［13］趙四新，姚連登.采用先進控軋控冷技術生產高強度寬厚板［A］.2009年全國高品質熱軋板帶材控軋控冷與在線、離線熱處理生產技術交流研討會文集［C］.江蘇宜興，2009.

［14］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，2009，37(5):32－34.

［15］尚慧嶺，樊晉予，趙 恒，等.液壓支架立柱缸體不銹鋼鑲套修復［J］.煤礦機械，2010，31(11):183－184.