乳化液泵曲軸箱平面磨削裝置的研究與應用

李 勇

(皖北煤電集團恒源煤電股份有限公司五溝煤礦，安徽省淮北市，235000)

乳化液泵是煤礦井下液壓支架的重要動力液壓元件，乳化液泵依靠曲軸的旋轉帶動活塞做往復運動實現吸液和排液，為液壓支架提供乳化液用于支撐頂板。皖北煤電集團恒源煤電股份有限公司五溝煤礦(以下簡稱“五溝煤礦”)采煤工作面采用BRW 315/31.5和BRW 400/31.5型乳化液泵，由于該礦水質較差，乳化液泵在日常運行中曲軸箱的吸液口表面周圍會出現不同程度的氣孔、麻點和小坑等破壞形式，致使乳化液泵密封性能降低出現泄壓現象，直接影響工作面液壓支架的正常運轉，嚴重時泄露壓力會造成人員傷害。

由于出液口屬于密封表面，加工精度較高，目前依靠傳統的手工磨削加工工藝很難進行修復，只能報廢，造成資源浪費，設備投入成本壓力較大。乳化液泵曲軸箱作為乳化液泵的主體承載結構，占乳化液泵整體費用的40%，存在更換新件費用較高、返廠維修費用較大、維修等待周期較長等問題，嚴重制約了設備的修復利用率，維修乳化液泵曲軸箱成為亟待解決的問題。基于此，從提高設備利用率著手，利用現有加工設備和工作經驗挖掘設備“剩余價值”，經過反復實踐制作出一套乳化液泵曲軸箱平面磨削裝置，此套研磨裝置能夠較好地解決磨削加工難的棘手問題。

1 存在的問題與解決思路

1.1 存在的問題

乳化液泵工作時由于曲軸箱吸液口與泵頭吸液口長期受到壓力和震動氣蝕的多重作用，易使兩處結合面O型圈損壞，當乳化液通過曲軸箱吸液孔和泵頭吸液口縫隙時，會產生較高的局部壓力，就像無數子彈頭連續打擊曲軸箱吸液口和泵頭周圍表面，相對泵頭采用不銹耐酸鋼材質具有良好的耐腐蝕性能和較高的硬度來說，鑄鐵曲軸箱首先會遭到破壞，造成曲軸箱吸液口周圍表面產生氣蝕剝落，同時液體中夾雜活性氣體腐蝕曲軸箱吸液口表面，導致漏液和竄液，長期運行將會出現麻點甚至表面脫落出現小坑，這將導致乳化液泵站不能正常工作。曲軸箱采用高強度鑄鐵整體鑄造而成，是安裝曲軸、減速齒輪箱、連桿、滑塊、高壓缸套及泵頭等部件的基架，又是運動過程中的主要受力構件，由于曲軸箱具有尺寸精度高、形狀復雜、運行中載荷大、表面耐磨性要求高等特點，因而曲軸箱修復難度較大。五溝煤礦維修現狀如下所述。

(1)五溝煤礦井下工作環境惡劣，設備運行管理維護困難，漏液、竄液致使曲軸箱出現麻點現象。損壞的曲軸箱在井下作業面不具備拆除維修條件。

(2)由于曲軸箱價格較高，且曲軸箱占整臺乳化液泵成本的40%，導致整臺乳化液泵基本沒有修復價值。

(3)設備升井后的維修方法是將氣蝕的部分切割去除后堆焊，利用電磨頭手工打磨平整，此工藝全依賴職工技術能力和工作經驗，很難獲得較高的維修質量，后期應用效果較差，使用壽命得不到保障。

1.2 解決思路

針對以上制約難題，維修技術人員從多角度出發詳細改進維修方案，利用曲軸箱鑄造結構的良好切削加工性能和有規律的圓周形狀的損壞形式等特點，配合Z3050×16/Ⅰ搖臂鉆床，研制出一套莫氏5號錐柄磨削裝置，此裝置安裝在搖臂鉆床旋轉主軸上，對損壞的曲軸箱表面進行磨削加工至原設計平面精度。此套磨削裝置改變了原有落后的修復方法，錐柄磨削裝置能與搖臂鉆床主軸緊密地配合，依靠摩擦力傳遞扭矩，磨削均勻平穩，可對待修復的表面進行機械式地修整，在有效解決全依賴職工技術能力和工作經驗問題的同時，提升了修復質量和修復效率。

2 結構分析

乳化液泵曲軸箱平面磨削裝置由莫氏5號錐柄、錐柄夾持器、高強度螺栓、碳化硅磨料四大部分組成。莫氏5號錐柄與錐柄夾持器材料均選用40 Cr，硬度達到HRC 45～55，莫氏5號錐柄與錐柄夾持器整體車削加工而成。莫氏5號錐柄用于靜配合能夠得到高精確定位。由于錐度較小，利用摩擦力的原理可以傳遞一定的扭矩，又因為是錐度配合，所以可以方便地拆卸。在同一錐度的一定范圍內，工件可以自由拆裝,同時在工作時又不會影響到使用效果，比如鉆孔的錐柄鉆，如果使用中需要拆卸鉆頭磨削，拆卸后重新裝上不會影響鉆頭的中心位置，實現自由切換。

錐柄夾持器部分采用圓柱狀外形，轉接套端部采用中空結構配置M12內螺紋的形式，利用M12高強度螺栓作為固定碳化硅磨料砂輪所用。基于曲軸箱損壞區域在進液口和出液口附近呈圓周形均勻分布的形狀位置特點，其待磨削區域均勻分布在進液口和出液口外水平表面處，在錐柄夾持器部分安裝的磨料砂輪能夠很好地與曲軸箱的進液口和出液口外形尺寸巧妙配合，實現均勻平滑進給磨削。

砂輪磨削磨料的使用根據曲軸箱的材料性質、熱處理方法、工件形狀、尺寸及加工形式和技術要求等合理選用砂輪片磨料。安裝應用時，將砂輪片居中安裝在刀桿前端面上用螺栓壓緊，把莫氏5號錐柄安裝在鉆床旋轉主軸錐柄套筒中，合理選擇切削用量和進給量便可對待磨表面進行磨削加工。

3 修復流程

由于曲軸箱在使用過程中承受較高的交變載荷，因此在修復前需要根據曲軸箱的工作環境、介質、溫度及成本等多種因素進行綜合考慮后處理。要求修復單位既應該有負責焊接的技術人員、檢查人員和檢測人員，又應該有焊接工藝要求的焊接設備并保持完好狀態，還應該有保證焊接質量達到標準的焊接措施。修復單位應首先編制焊接作業指導書并試焊，對首次使用的焊材、方法、焊后熱處理設備進行焊接工藝評定，并根據評定報告確定焊接工藝，制訂修復方案，采取防止變形和消除應力的措施。在修復曲軸箱過程中，需要對施焊人員、焊接設備、焊接材料、焊接環境和工藝進行良好控制，保證修復和后續使用的安全性和可靠性。

3.1 清理觀察

拆解并清洗箱體，對需要修復的曲軸箱采用煤油清洗，以清除工件表面的油污及浮銹，觀察是否存在裂紋、劃痕及拉傷等。

3.2 測量檢測

檢測曲軸箱形狀尺寸以及完整性，用千分尺檢測表面磨損量；用校驗儀檢測是否存在彎曲、扭曲等變形；用金屬探傷儀檢測內部是否存在裂紋。

3.3 修復加工

由于曲軸箱以高強度鑄鐵制造，因此采用氣焊、電弧焊和釬焊等工藝修補。在補焊前，用搖臂鉆將麻點小坑去除以增加焊接結合強度。根據曲軸箱的標準尺寸對曲軸箱進行修復，在施焊過程中，由于對曲軸箱基體材料加熱，基體材料會產生組織轉變，一方面由于快速加熱和冷卻會在熱影響區產生大量細密的馬氏體，造成基體熱影響區產生淬火現象；另一方面由于晶粒在熱作用下，會產生晶界弱化作用。為了避免以上現象的產生，在施焊前打止裂孔、開坡口、清洗、工件修補部位進行循序漸進地預熱，避免熱應力裂紋的產生。采用小電流短段斷續分散補焊，薄層、分層修補，分層修補焊接時的層間溫度應保持60℃左右(應以不燙手為準)，小電流施焊后立即錘擊消除補焊過程中的缺陷，補焊后采取保溫措施減小冷卻速度，利用石棉布覆蓋保溫使其緩冷。乳化泵曲軸箱修復工藝研究表明，表面焊接層應力為張應力，張應力的存在會增加開裂傾向，為了降低覆層張應力的開裂傾向，焊接后通過人工時效消除磨削應力，通過去應力退火消除熱應力降低表面張應力。

3.4 無損檢測

修補完成后利用無損探傷技術對焊接修補后的曲軸箱進行檢測，確保各項技術參數滿足原設計文件要求。無損檢測采用射線探傷方法進行，適用于檢測鑄件及焊接件等構件內部缺陷，特別是具有一定空間分布的體積缺陷，射線探傷能夠較直觀地顯示工件內部缺陷的大小和形狀，因而易于板頂缺陷的性質分析，探傷底片可作為檢驗的原始記錄長期保存。

3.5 安裝應用

將修補后的曲軸箱用莫氏5號錐柄磨削裝置配合搖臂鉆床對需要修復的部位進行初級磨削加工至既定尺寸。錐柄刀桿材料選用40Cr，硬度達到HRC 45～55，刀桿部分車成圓柱形，刀桿伸出端鉆孔攻內絲M12螺紋，作為安裝固定砂輪片所用。砂輪片的使用根據具體情況(如所磨工件的材料性質、熱處理方法、工件形狀、尺寸及加工形式和技術要求等)選用合適的砂輪片。

3.6 磨削加工

將砂輪片安裝在刀桿端面上用螺栓固定牢靠，把莫氏5號錐柄安裝在鉆床主軸套筒中，合理選擇切削用量和進給力便可對待磨表面進行磨削加工。由于曲軸箱是采用鑄鐵材料鑄造加工而成，其加工表面粗糙度為6.3 μm，選擇碳化硅砂輪片，該磨料具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等特點，適用于鑄鐵、黃銅、耐火材料及非金屬材料的磨削加工。作為初次研磨工具，將多余焊層進行初次磨削，在磨削過程中合理控制箱體平面度，待初次磨削后選用棕白混合磨料進行研磨修整，以達到理想的表面質量和粗糙度要求。

4 效益分析

4.1 社會效益

(1)乳化液泵曲軸箱平面磨削裝置修復工藝形成的熱應力小，曲軸箱修復層與原基體結合力和致密性高，并具有較高的表面硬度和耐磨性，在承受載荷的過程中不會出現修復層破壞。該磨削裝置在使用過程中具有安全可靠、成本低、維護方便等特點，避免了因設備的局部損壞而報廢整套設備所產生的成本增加問題。

(2)在搖臂鉆床上完成磨削加工修復，效率高且勞動強度低，在有效降低生產成本的同時，最大限度地發揮了現有加工設備的利用率。

(3)通過實踐應用并經射線探傷儀檢驗，修復設備質量符合設備完好標準，最大限度地利用了設備服役時間，避免了由于曲軸箱吸液口點蝕使整臺乳化液泵報廢現象。修復的乳化液泵經一線職工現場使用一段時間后表明，乳化液泵運行平穩，壓力流量參數等符合作業標準，使用壽命大大提升，取得了良好的安全效益。

4.2 經濟效益

對維修費用與采購新件費用進行量化對比，以維修一件曲軸箱為例，從人力、材料、機械設備消耗3個方面統計共消耗費用為1126元，購置新件費用為12183元，因此修復后可節省資金為11057元。全年可修復乳化液泵曲軸箱共計11件，可節約資金121627元。