煤礦液壓支架活柱性能加工工藝技術優化

高榮梅

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠，山西 大同 037000）

據相關資料統計，煤炭在我國的化石能源消耗中大約占據67%的比例，是國家發展的基礎能源。液壓支架對于保障煤礦的煤炭開采具有重要作用。根據實際使用經驗可知，綜采液壓支架中活柱是比較容易受損傷的部件之一，對于液壓支架整體的使用壽命具有重要影響，所以研究提高活柱性能的工藝手段具有重要意義。

現從活柱加工工藝出發，對埋弧堆焊、激光熔覆、新的加工工藝、活柱滾壓加工等方法對活柱性能的影響進行研究，并提出控制活柱質量的激光熔覆工藝參數。此類最新的研究方法相較于傳統的活柱修復、加工工藝優勢明顯。對于此類方法的研究，對于后期液壓支架活柱的加工具有重要參考意義。先進的活柱制造工藝有助于提升提高液壓支架的使用壽命，同時減小了活柱生產制造企業的生產成本[1]。

1 活柱結構

活柱是液壓支架中重要的部件，由于其關系到整個液壓支架的舉升、支撐等作用，且在實際使用中常受到液壓支架頂板載荷的反復作用，導致活柱容易出現故障。由于活柱在加工時，存在一些加工難點，致使產品經常返修甚至報廢，間接地增加了生產企業的負擔，同時在實際使用中也遇到需不斷檢修、更換的問題[2]。

不同的液壓支架上活柱的結構也有所差異，總體結構都相似，活柱的結構見圖1。活柱結構包括柱塞、柱筒、柱頭等結構，差異主要存在于筒體的表面精度、焊接工藝、表面處理等，加工工藝的差異對活柱整體的使用壽命具有較大的影響。

圖1 液壓支架活柱

2 活柱性能影響分析

2.1 材料對活柱性能的影響

液壓支架整體是由中厚鋼板焊接而成，在實際煤礦開采使用中承受著較大的工作載荷和沖擊，因此液壓支架本身結構就必須承受住較大的載荷與沖擊。活柱作為液壓支架的關鍵部件，活柱材料對其性能亦有決定性的影響。

目前主流的活柱材料為X431-Co M2，隨著近年來國內煤礦開采量的不斷增加，液壓支架的支護阻力也越來越大，為了解決液壓支架重量的問題，先期對各種材料進行了研究，逐步提高了材料的強度等級。1998年左右，國內出現活柱使用27SiMn、30MnNbRE、30CrMnSiA 等材料，隨著技術的不斷進步，又開始應用性能更高的材料，液壓支架活柱的不同材料力學性能見表1[3]。

表1 液壓支架用材料與力學性能

2.2 加工工藝對活柱性能的影響

常見的加工工藝如車削精度、焊接方法、表面處理方法等，對活柱的結構性能影響較大，從工藝制造的角度上來研究提高活柱性能的方法，一直以來都是學者研究的重點方向。以焊接工藝為例，影響焊接質量的因素不止焊接方法，同時焊接電流、堆焊速度、送絲速度、堆焊螺距、焊絲后移量等對焊接質量都有較大的影響[4]。

3 礦用液壓支架千斤頂活柱破壞原因分析

3.1 油缸磨損

在實際使用中，液壓支架受到頻繁的工作載荷，同時井下環境條件較差，支架液壓油缸臂中可能混進了較多的塵土、雜質，導致在液壓缸動作時出現卡滯現象，從而對活柱和密封液壓元件造成磨損。

3.2 結構損壞

主要原因是液壓支架在運行過程中，主要依靠各類液壓缸來完成動作，但是當遇到煤礦巷道圍巖出現崩塌時，液壓支架受到較大的載荷沖擊，如果液壓缸結構不足以抵抗大載荷沖擊，則會出現液壓缸的破壞。

3.3 采煤機運行不平穩

采煤機有時候運行不平穩，液壓支架受到一個較大的偏載荷，這時液壓油缸容易受到破會，從而導致活柱破壞[5]。

4 提高活柱結構性能的工藝方法

4.1 表面涂層工藝

如在活柱表面涂附FM-2 防腐抗沖擊粉末材料，可以有效提高活柱性能，據相關資料顯示，該涂層的對接強度可以到達90 MPa，抗剪切強度大于50 MPa，抗腐蝕、抗劃傷、抗沖擊等具有良好的性能。

4.2 活柱滾壓加工

基于外圓滾壓技術，可有效降低結構件表面的粗糙度，由機械的擠壓不但可以提高表面質量，還可以降低活柱內部的殘余應力，從而提高產品的可靠性，提升活柱的抗腐蝕能力和使用壽命。通過物理加工手段，提升工件表面粗糙度，滾壓技術工作原理見圖2[6]。

圖2 滾壓加工原理

滾壓加工過程對活柱質量影響較大的因素較多，現對主要影響因素總結如下：

（1）活柱表面預留滾壓余量：機械滾壓對活柱的表面形狀尺寸會產生一定的影響，因此需要保留足夠的滾壓余量，根據相關資料顯示，當活柱滾壓余量在0.02～0.03 mm 時，滾壓后，活柱表面仍存在肉眼可見的刀痕；當滾壓余量在0.03～0.05 時，滾壓效果最好。

（2）進給量的影響：根據相關資料研究顯示，活柱滾壓最佳滾壓進給量為0.5～0.6 mm/r。

（3）滾壓次數：滾壓次數與活柱表面精度也密切相關，一般認為滾壓一次效果最好。

（4）滾壓速率：滾壓速率對滾壓質量的影響相對較小，一般選擇滾壓速率90～170 mm/min。

4.3 埋弧堆焊技術

埋弧堆焊對于解決活柱損傷、提高活柱性能具有重要作用，埋弧堆焊性能穩定，無論是在活柱損傷的修復、活柱生產加工中都具有重要意義。

4.4 激光熔覆

激光熔覆技術是利用激光作為熱源，激光照射工件與涂層材料，從而達到將兩者固化連接，可顯著增加原工件表面耐磨、抗腐蝕、抗氧化等能力。激光熔覆技術相較于傳統的電鍍涂層技術具有對涂層的稀釋率較低、冷卻速度快受溫度影響的區域較小、熔覆區域可控等優點。激光熔覆和電鍍涂層性能對比，見表2。

表2 激光熔覆和電鍍性能對比

5 活柱加工工藝參數的控制

要想提高活柱性能，也需要不斷地進行試驗研究。工藝參數對活柱的性能影響較大。以活柱熔覆為例對其熔覆的工藝過程進行簡要介紹，活柱熔覆加工結構見圖3。

在熔覆前需保證在肉眼觀察下，無明顯裂紋、凹坑等缺陷。熔覆區表面應清理干凈，并將活柱兩端卡住，在活柱端頭20 倒角位置熔覆一周，此方法可以防止熔覆分泌材料泄漏，同時也可以防止在熔覆過程中對金屬造成過度燒蝕。激光熔覆狀態下活柱結構見圖3，下面對影響活柱性能的材料、工藝參數進行說明：

熔覆材料控制：為了保證熔覆產品具有良好的抗腐蝕能力，熔覆材料的稀釋率需要控制在4%～8%之間，根據試驗研究顯示，對熔覆試樣進行掃描，掃描的結果顯示當熔覆稀釋率控制在此范圍時，試樣的材料分布更加均勻，力學性能更好。熔覆層材料組織的掃描分析結果，在120 um 厚度范圍內，熔覆層主要組成元素為：Fe、C、Ni、Si，Ni、Si，有關元素含量增加平穩，說明激光熔覆速度快，熱影響小。

熔覆工藝參數控制： 熔覆過程采用了額定功率為15 kW 的半導體激光器。熔覆工藝參數的控制：選擇熔覆寬度為30 mm；保護氣流量控制為4.9 l/h，氣體為Ar；送粉速度為140 g/min，進給量700 mm/min，熔覆層厚度：1.5～2.0 mm, 主軸轉速控制范圍0.5～1 r/min；溫度穩定，正負偏差不大于5℃。

圖3 熔覆狀態下活柱結構

6 結語

要確保活柱的質量，在操作過程中保護氣流量控制為4.9 l/h； 熔覆層厚度：1.5～2.0 mm 效果最佳；同時要控制主軸轉速控制范圍0.5～1 r/min；溫度穩定，正負偏差不宜大于5℃。工藝參數的控制對于保障活柱的質量具有重要意義，該工藝參數的研究對于活柱激光熔覆研究具有重要參考意義。