液壓支架立柱維修及再制造精度提升研究

劉混田

(國能神東煤炭集團設備維修中心，內蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

液壓支架在綜采工作面起支護、推移作用，其中支護主要的承載部件是立柱，立柱是乳化液介質的液壓缸。立柱的抗腐蝕性受乳化液濃度、成分等影響，立柱的主要失效形式就是活塞桿及缸筒銹蝕，造成密封失效[1]，立柱的維修、再制造精度影響其后期使用性能和壽命。

經調研，各立柱維修再制造廠家重點關注表面材質的改進及耐腐蝕層的厚度，經尺寸修復、強化處理后恢復到原尺寸精度[2]，按照現行標準，立柱活塞桿外圓、缸筒內圓公差等級普遍偏大，外圓尺寸可能落在較小尺寸范圍，內圓尺寸可能落在較大尺寸范圍，有效的表面厚度層薄，抗磨損、抗腐蝕余量減少。立柱各部件對腐蝕、磨損比較敏感，整體耐腐蝕、耐磨損性能存在不足，有較大的改善提升空間。

1 目前液壓支架立柱加工精度分析

1.1 活塞桿加工精度提升的意義

液壓支架立柱和其他小千斤頂的活塞桿維修、再制造精度在2010年以前通常選f9，表面粗糙度Ra0.4 μm，活塞桿與密封件是軟配合，密封材料有彈性，可以壓縮，加工精度從裝配的角度能夠滿足要求，按照《MT 313—1992液壓支架立柱技術條件》3.3.2.3要求，活塞桿密封配合面的尺寸精度不得低于f9[3]。如圖1所示，活塞桿3和缸口1之間有較大的間隙F，最大可能達到0.2 mm，實際沒有嚴格意義的配合關系?；钊麠U3和密封2接觸，密封2是彈性材料，壓縮率可以達到10%以上。

1-缸口；2-密封；3-活塞桿圖1 活塞桿與密封閉裝配關系Fig.1 Assembly relationship between piston rod and seal

實踐證明，活塞桿公差等級選f9級偏大，按照最大實體原則，公差等級越大，桿直徑的下偏差越小，桿的最小直徑越細，理論上磨損、腐蝕余量越小，使用壽命縮短，可維修性變差。以φ260 mm的活塞桿為例，f9級的上偏差-0.056 mm，下偏差-0.186 mm，有效表面厚度薄，f8級的上偏差同樣是-0.056 mm，下偏差是-0.137 mm[3]，有效表面厚度厚，如圖2所示。

從圖2中可以看到f8、f7級活塞桿實體尺寸分布在尺寸較大的區域，有更多的尺寸余量耐受磨損、腐蝕。如果達到f7級，下偏差-0.108 mm，比f9級活塞桿下偏差-0.186 mm增加0.078 mm，增加約41.9%的富余量，有效耐磨損、耐腐蝕層厚度更大，公差范圍更趨于合理。

圖2 活塞桿不同公差等級尺寸偏差示意Fig.2 Dimensional deviation of piston rod at different tolerance grades

活塞桿頻繁伸縮動作將產生磨損，桿直徑不斷縮小，到極限尺寸就產生超差甚至密封失效?，F有外圓加工設備的加工精度不止f9精度，經濟加工精度可以做到f8、f7，越高的加工精度可以使直徑越大，越能滿足腐蝕、磨損的工況要求。

李苗苗等[5]研究了唇形密封圈安裝過盈量對密封圈接觸壓力的影響，過盈量指在自由狀態下唇形密封圈唇口內徑與軸徑之差，樣本軸徑630 mm，過盈量取0.5～1.0 mm。理論和經驗都證明活塞桿起到密封作用的公差帶很窄小，僅為1 mm，外圓表面有效利用厚度有限，須認真研究利用。

液壓支架立柱以乳化液為介質，活塞桿以前的表面防腐工藝以電鍍為主，外圓表面加工精度受電鍍等工藝影響，具體分析如下。

電鍍加工：電鍍加工較機械加工不易實現尺寸控制，后期靠機械加工控制加工精度將會大幅增加成本，公差選擇偏大符合早期的工藝條件。

活塞桿：活塞桿與密封是軟配合，活塞桿公差范圍選擇較大的f9，按一般配合零件選擇公差等級能滿足工作需要，制造廠家對后期維修性關注度不高。

鍍層厚度：電鍍受貴金屬價格限制，一般盡可能控制電鍍層厚度使其值最小?；钊麠U電鍍層以滿足性能要求的下限為最低要求，從經濟性、性價比考慮選擇f9是可行的。

1.2 活塞桿電鍍工藝尺寸鏈對其精度的影響

電鍍活塞桿工藝一般是磨削—電鍍—拋光，文獻中查到的工藝幾乎全部是鍍后拋光，較少采用磨削，磨削易起層、脫落，影響產品質量[6]。活塞桿成品電鍍層厚度0.05～0.08 mm，電鍍工藝的特殊性是造成活塞桿最后精度選擇f9級的主要原因?；钊麠U電鍍工藝尺寸鏈，如圖3所示。

在電鍍前尺寸dq、鍍層厚度Z、拋光加工余量P、設計尺寸d組成的尺寸鏈中，電鍍前尺寸dq是直接加工測量，是組成環；拋光余量P一般很小，拋光不能提高工件尺寸精度和形狀精度[7]，P的經驗值是0.002～0.005 mm，影響很小不計算；電鍍層厚度Z通常主要是由電鍍液成分和電鍍時間進行控制，測量時已經影響到了活塞桿的直徑，從這個角度來看電鍍工藝尺寸鏈，電鍍層厚度也是組成環?；钊麠U設計尺寸受電鍍前尺寸、鍍層厚度影響，設計尺寸的公差是后兩者的疊加，活塞桿設計尺寸是間接得到的，實際為封閉環。

Dq-電鍍前尺寸，公差是δdq；Z-電鍍層原始厚度，公差是δz；D-活塞桿設計尺寸，公差是δd；P-電鍍層拋光余量，公差是δp圖3 活塞桿電鍍、拋光工藝尺寸鏈Fig.3 Dimension chain of piston rod electroplating and polishing process

以φ260 mm活塞桿為例，計算依靠傳統的電鍍-拋光工藝能達到的經濟精度。封閉環公差是各組成環公差的和。

δd=δdq+δz

δd=δdq+δz=0.112 mm

對照標準公差數值，φ260 mm外圓f8精度公差為0.081 mm，f9精度公差為0.13 mm，活塞桿最終精度在IT 8～9，實際考慮到電鍍尺寸精度不易保證，舊標準通常選擇IT 9精度是工藝條件決定的。后期的《GB 25974.2—2010煤礦用液壓支架第2部分立柱和千斤頂技術條件》規定“活塞桿密封配合面的尺寸基本偏差為f，公差等級應不低于IT8”[8]。

近年來在液壓支架立柱的維修、再制造工作中已經執行《GB 25974.2—2010》，中缸、活柱外圓表面最終精度要求提高為f8。

1.3 缸筒內圓加工精度分析

缸筒內圓加工精度目前普遍選H9，表面粗糙度Ra0.4 μm，按照《MT 31—1992液壓支架立柱技術條件》3.3.1.3要求，缸筒內孔密封配合面的尺寸精度不得低于H9，后期的《GB 25974.2—2010》同樣要求缸筒內圓公差等級不低于IT9。缸筒內圓一般不做防腐處理，內表面傳統加工工藝通常采用鏜削—滾光工藝，正常情況下浸泡在乳化液介質中，依靠乳化液的防銹、防腐、潤滑性能防腐蝕[9]。缸筒內圓受乳化液質量的影響，腐蝕是主要的失效原因，腐蝕將使內徑變大超差。

按照最大實體原則，缸體內徑公差等級越大，內徑實際尺寸越大。以300 mm缸體內圓為例，缸體起密封作用的公差帶同樣在H9級精度公差帶附近，H9級精度的上偏差是0.130 mm，H8級精度的上偏差是0.081 mm，H8級孔的最大實體直徑小，相差0.049 mm，H8級精度比H9級的材料實體中密封有效厚度層多出約37.7%，精度提高將直接提升缸體的抗磨損、抗腐蝕性能并延長使用壽命，如圖4所示。

圖4 立柱外缸內徑不同公差等級尺寸偏差示意Fig.4 Dimensional deviation of different tolerance grades of inner diameter of column outer cylinder

缸體內圓是和活塞上的密封形成配合，單純考慮公差與配合的需要，H9級精度能夠滿足要求，與活塞桿一樣，缸體內圓有效密封尺寸帶需要認真研究利用，設備使用、維護、維修是系統性工作，在目前加工裝備能力提升的情況下應該考慮提高零部件的加工精度，保證耐腐蝕層的有效厚度，延長零部件的使用壽命。

內圓加工傳統工藝為粗鏜—精鏜—滾壓，經過幾次裝卡轉換，加工誤差較大，加工質量不穩定[10]，受工藝限制立柱缸體內圓的傳統精度要求是H9。

2 立柱加工制造精度的改進與提升

2.1 活塞桿制造精度的改進與提升

現在高端液壓支架立柱的活塞桿采用激光熔覆不銹鋼工藝，熔覆層厚度接近1 mm，加工余量大，最終加工尺寸完全是機械加工精度來控制，后續精加工精度控制更加方便。

激光熔覆再制造立柱的工藝是：粗車—激光熔覆—粗車—精車—拋光，激光熔覆后重新按毛坯件進行加工，每一步工序獨立控制加工精度，最終設計精度可由最后一步工序獨立控制，特別是數控車床的推廣使用，活塞桿的最終精度控制在f7完全可能，考慮到配合的需要和經濟性，結合抗腐蝕的需要，目前加工精度調整為f7是可行的。

2.2 立柱缸體內圓加工精度的改進與提升

立柱缸體內圓在機械加工一般比外圓的加工精度低一級，外圓f6精度，孔選擇H7精度，外圓選f7精度，孔則是H8精度，以此類推。同樣是基于加工能力的提升，立柱缸體內圓的加工精度具備提升到H8級的條件。

目前精加工工藝有珩磨和整體刮削滾光，珩磨能獲得較高的加工精度，加工精度為IT7～IT6[11]，加工主流方向是刮削滾光工藝，生產效率高，刮削一次走刀，缸筒重復加工精度可達H8左右[12]。針對目前的實際工藝情況，將缸筒的精度調整為H8，工藝上沒有增加成本，延長了缸筒使用壽命，受到煤礦用戶的認可。

3 結論

(1)礦用乳化液介質的液壓缸耐腐蝕性較差，提高其內、外圓加工精度可以提高耐腐蝕性能，延長使用壽命。

(2)隨著加工設備的技術進步，液壓支架立柱活塞桿的精度可以提高到f7，缸體內圓可以提高到H8，更有利于后期的耐磨損、耐腐蝕需要，能延長零部件實際使用壽命。

(3)可預見隨著激光熔覆技術、數控車床、刮削滾光等技術的應用，煤礦液壓支架的加工精度將得到進一步的提升，設計將進一步優化。

(4)相關企業要根據國家標準、行業標準和企業實際條件及時制訂企業標準，切實指導規范企業技術工作。