縮缸再制造技術修復千斤頂缸體的研究與應用

馬忠昌

(國家能源集團寧夏煤業礦山機械制造維修分公司，寧夏回族自治區銀川市，750021)

0 引言

液壓支架的主要執行元件為立柱和千斤頂，它們既是液壓支架支護頂板的有效性保障，又為液壓支架的正常動作及邁步前移起到關鍵作用，因此在液壓支架的維修中，立柱和千斤頂的維修至關重要，也是液壓支架維修中的重點控制和質量把控的關鍵點。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，以及缸體內孔拉傷、銹蝕麻坑剝落等因素導致密封件的失效。

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。根據寧夏煤業有限責任公司近幾年維修情況統計分析，因千斤頂缸體內表面麻斑剝落、拉傷等造成千斤頂缸體報廢量約占總量的67%。傳統維修工藝是千斤頂缸體經珩磨修復后直接復用，對因劃痕、麻坑深度超過維修尺寸公差允許范圍、無法經珩磨修復復用的千斤頂缸體，則只能采用更換新件的形式進行維修，這不僅直接造成支架維修費用的提高，同時降低了支架的使用壽命，在液壓支架維修中造成系統性浪費[1]。因此，如何既提升液壓支架配件的使用壽命和復用率，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來解決。

1 縮缸再制造專用設備結構、使用步驟及工作原理

1.1 常規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，缸體損壞主要表現在缸體內表面拉傷、腐蝕、磨損、漲缸、變形等，常規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，在標準公差允許條件下采用珩磨擴大內孔修復處理后直接復用，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，珩磨工藝擴大內孔尺寸后按照非標準缸徑進行維修，采用非標準密封件進行補償，其缺點一是配套密封件生產準備周期長，密封使用壽命縮短；二是千斤頂使用維護保養時難度加大；三是因維修質量降低，使用單位大多數不愿接受。在不接受非標準維修的情況下，只能更換新件進行維修，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主要因素，如何既提升配件的使用壽命和復用率，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 縮缸再制造專用設備結構

根據液壓支架的千斤頂缸體規格，利用現有C630車床進行改造，改造后可適用于各種規格型號的千斤頂缸體進行加熱處理。縮缸再制造專用設備采用PLC控制，主要由修復機床、移動托架、溫度瞬降器、中心架、中頻加熱設備、中頻感應加熱器等組成。縮缸再制造專用設備結構示意圖及設備實物圖如圖1所示。

圖1 縮缸再制造專用設備結構示意圖及設備實物

1.3 縮缸再制造專用設備使用步驟

縮缸再制造專用設備使用步驟為：第一步將待修千斤頂缸體加裝到機床上；第二步調整中心架使得千斤頂缸體底部與缸口部旋轉趨近于同軸旋轉，避免移動中頻感應加熱器時與缸體內表面發生碰撞；第三步選擇與千斤頂缸體內孔相對的中頻感應加熱器[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，面板“電壓指示”綠燈亮，打開水冷交換器；第五步打開機床電源，同時打開移動托架水冷噴頭[3]；第六步檢查PCL控制面板數據[4]，并調整參數，確認后按啟動鍵進行千斤頂缸體的修復操作。

1.4 縮缸再制造專用設備工作原理

依據金屬熱脹冷縮物理特性，利用中頻感應加熱原理，將中頻感應加熱器放入缸體內孔，當感應線圈中通入一定頻率的交變電流時，周圍即產生交變磁場，電磁感應作用使千斤頂缸體內表面產生封閉且高密度的感應電流[5]，電流由缸體內表面向外逐漸減小，中頻感應加熱利用這種“趨膚效應”將千斤頂缸體內表層高密度電流的電能轉變為熱能，使表層的溫度升高，在幾秒鐘內表面溫度可上升到800～1 000℃，溫度升高到塑形狀態[6-7]，此時缸體內壁溫度在Ac3以上30～50℃的相變溫度下，材料內部結晶組織隨即發生相變[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生熱膨脹。根據工作需要，可以采用不同頻率的感應加熱設備，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變，其內壁材料晶粒迅速膨脹，千斤頂缸體外經徑向方向阻礙了內壁材料晶粒的膨脹，內壁材料晶粒膨脹只能向千斤頂缸體內徑中徑向地向圓心方向膨脹，使千斤頂缸體內徑變小，以實現縮缸再制造修復的目的。

1.5 縮缸再制造工藝主要優點

在液壓支架的千斤頂缸體修復中，因縮缸再制造工藝的中頻加熱設備完全滿足不同規格工件的加熱需求，尤其是表面加熱和瞬時升溫的特性，所以千斤頂缸體外壁焊接的進、回液管及管接頭受熱影響不大，不會導致因受熱不均或冷卻變形等因素造成焊縫開裂的質量問題。縮缸再制造工藝優點為：一是由PLC控制中頻感應加熱器加熱溫度及運行速度，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，維修質量穩定；四是節能環保，占地面積小，效率高[9]，大小批量生產均適合；五是處理形狀復雜工件適應面較廣；六是容易實現機械化和自動化控制。

2 千斤頂缸體金相組織分析

千斤頂缸體常用材料為27SiMn，在生產中進行調質處理，獲得金相組織為奧氏體。千斤頂缸體內壁在Ac3以上30～50℃的相變溫度下，材料內部結晶組織發生相變，在噴水快速冷卻的條件下，缸體內壁材料晶粒組織由奧氏體組織向馬氏體組織轉變[10]。在奧氏體向馬氏體轉變過程中，晶粒迅速重排并轉變為比容較大的回火馬氏體，體積迅速膨脹導致內徑減小，達到缸體內徑變小的修復要求。經過多次試驗，縮缸再制造技術可完成1.5 mm及以下范圍內的漲缸、麻坑、腐蝕、拉傷等缺陷缸體的修復。縮缸前和縮缸后千斤頂缸體內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壁材料金相顯微組織(400倍)

圖3 縮缸后千斤頂缸體內壁材料金相顯微組織(400倍)

3 縮缸再制造修復千斤頂缸體工藝流程

縮缸再制造技術修復千斤頂缸體工藝主要由挑選分類、縮缸準備、縮缸再制造和后續防腐處理等幾個主要階段組成，采用縮缸再制造技術修復千斤頂缸體，要做到嚴格把關各個工序過程，確保縮缸再制造技術實施的有效性。

(1)千斤頂缸體的挑選。要保證縮缸再制造產品質量，必須嚴格對待修千斤頂缸體進行挑選并分類。首先，對待修千斤頂缸體進行珩磨，通過珩磨工藝將麻坑、腐蝕、拉傷等缺陷去除掉；其次，對經珩磨后超尺寸公差1.5 mm及以下的缸體進行縮缸再制造，超尺寸公差1.5 mm以上的報廢更換新件；再次，按照縮缸專用設備縮徑量參數表進行測量分類，不同區間的尺寸公差縮缸再制造時需要推進的速度不同，避免出現縮過量或縮量不足的情況，增加后續加工工作量。

(2)縮缸再制造前的準備。裝夾待修復千斤頂缸體，通過中心架找正并支撐待修缸體隨專用機床主軸轉動(確保中頻感應加熱器在推進時不得與缸體內壁發生碰撞干涉)。將中頻感應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確定行程，調整移動托架溫度瞬降器與中頻感應加熱器位置相對固定。

(3)縮缸再制造作業。將中頻感應加熱器操作至千斤頂缸體最底部后，向缸口方向移動10 mm，避免中頻感應加熱器與缸體碰撞，設定好中頻加熱設備操作對應運行參數，開動縮缸專用機床主軸帶動千斤頂缸體旋轉，同時開啟瞬降器冷卻水[11]，開啟中頻加熱設備控制面板電源，檢查各項參數正常后，開始啟動縮缸聯動控制，中頻感應加熱器從頭到尾(千斤頂缸體底部到缸口)進行縮缸再制造修復千斤頂缸體。

(4)后續防腐處理。將縮缸再制造千斤頂缸體珩磨至設計尺寸公差，表面粗糙度Ra≤0.4μm，檢查缸體內壁的完好性，確保千斤頂缸體內壁的麻坑、腐蝕、拉傷等缺陷全部被珩磨加工掉。修復螺紋、卡槽以及缸口密封帶，更換各注液嘴。為加強抗腐蝕性能，縮缸再制造檢驗合格后再進行多元復合離子滲鹽浴強化處理，因多元復合離子滲鹽浴表面強化處理件的滲層由氧化膜、化合物層和擴散層組成，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合滲層。

4 經濟效益分析

經過縮缸再制造技術修復的千斤頂缸體，使用壽命接近或達到新加工缸體的使用壽命，以2018年寧夏煤業有限責任公司維修的成套液壓支架(設備型號為ZY10000/23/50D)為例，縮缸再制造千斤頂缸體共計1 851件，維修費用共計約35萬元，若采用更換新件需要費用約214萬元，節約維修成本約179萬元。2021年，寧夏煤業有限責任公司按照維修15套共計1 733架液壓支架計算，需要維修20 796件千斤頂，維修各類千斤頂缸體共計15 382件，千斤頂缸體維修復用率為74%，較采用更換新缸體的方式進行維修可節約維修成本約2 679萬元。

5 結語

在液壓支架維修中，通過近幾年的探索總結和縮缸再制造技術的研究與應用，在寧夏煤業有限責任公司現有千斤頂缸體材質條件下，縮缸再制造技術在液壓支架維修中優勢明顯，修復效果達到再制造技術的要求，既解決了千斤頂缸體在維修中“只換不修”的窘境，系統性地提升了千斤頂的循環利用，又降低了維修成本，提高了配件使用壽命，進而提高液壓支架的整體使用壽命[12]。