關于提升液壓支架推移千斤頂性能的研究

夏 軍

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

0 引言

隨著井下開采設備的迅速發展，綜采工作面開采難度日趨增大，液壓支架在井下工作面的使用環境也越來越惡劣。由于推移千斤頂在液壓支架的底部使用，使用環境較其他油缸來說更為惡劣，在該情況下，推移千斤頂接口容易銹蝕、損壞，甚至會影響整臺支架的正常工作。為減少礦方因推移千斤頂損壞導致的不便，提升推移千斤頂的使用性能十分重要。

1 研究內容

該研究主要針對液壓支架中的推移千斤頂，根據現有的技術方法，對外部接頭座的設計形式、內部零件的工藝方法[進行控制，來提高推移千斤頂在礦下的使用性能，延長其使用壽命。

2 現況分析

解決推移千斤頂接頭座銹蝕問題，需要了解推移千斤頂在井下液壓支架中的使用狀態，對推移千斤頂進行優化設計。大部分推移千斤頂為倒裝的使用狀態，如圖1 所示。

圖1 推移千斤頂在底座中的位置示意圖

由于部分礦下的煤、巖塵會從液壓支架上面落下，圖1中推移千斤頂工作時缸底位置高于活塞桿，上腔接頭座接口沖缸底方向，工作時落下的煤、巖塵很容易就會堵塞閥口，導致其銹蝕。該情況下如果接口銹蝕，無法在井下進行返修，只能將推移千斤頂先升井，后將上腔焊接件全部去除再重新進行焊接。按照該方法，一方面升井返修會給礦方帶來極大的不便，人力物力都會受到影響。另一方面，重新焊接上腔零件時缸口會產生變形，可能導致安裝及后續使用中出現問題。

3 技術方案

在設計圖紙之前，首先要對煤礦的地質、環境進行勘測，再進行材料及工藝方法的選用。該文以國內大多數常規煤礦的地質、環境為例，對液壓支架推移千斤頂的性能提升進行研究。

在進行研究之前，首先須了解推移千斤頂的結構構成。推移千斤頂主要由缸體、活塞桿、導向套、活塞頭及部分其他零部件組成。其中缸體由缸管、缸底、接頭座等零件焊接組成。如圖2 所示。

圖2 推移千斤頂內部結構示意圖

在選材方面建議缸管、缸底、活塞桿均采用30CrMnSi，導向套采用42CrMo，活塞頭及其余環套件采用40Cr，接頭座采用20CrMo，進液管采用15CrMo。

3.1 上腔接頭座結構對比

為解決推移千斤頂上腔接頭座銹蝕問題，該文將推移千斤頂的上腔接頭座的幾種常用設計形式進行了整理，當前最常用的形式為上腔接頭座接口朝向缸底方向，如圖3 所示。

圖3 上腔接口朝向缸底方向示意圖

該結構在井下使用一段時間后上腔接頭座銹蝕損壞情況較為嚴重，推移千斤頂升井返修及銹蝕嚴重無法修復，報廢重投數量較多。

另一種結構為上腔接頭座方向沖缸側面方向，如圖4 所示。

圖4 上腔接口朝向側面方向示意圖

該結構在井下使用時較上種方案上腔接頭座銹蝕情況有所改善，但使用一段時間后有小部分仍會出現銹蝕損壞的情況，并沒有從根本上解決問題。

該設計提升的結構為上腔接頭座朝向缸口方向，并將上下腔接頭座的內部尺寸進行加長，使其可以適配不銹鋼雙道密封的過渡接頭。如圖5 所示。

圖5 上腔接口朝向缸口方向示意圖

該結構的優點為上、下腔接頭座均安裝了不銹鋼過渡接頭，過渡接頭與膠管進行連接，不銹鋼材質不易銹蝕，而且上腔接口朝向也不易與煤、巖層接觸，降低了該處出現問題的概率。即使出現銹蝕，礦工可在井下直接將不銹鋼過渡接頭拆卸、更換，實現了接頭銹蝕的不升井返修，簡單方便，大幅提升了返修效率，贏得了礦方的認可。

3.2 工藝方法

在設計結構合理、安全性得到滿足的基礎上，工藝處理方式對油缸的使用壽命的延長作用明顯，合理的表面處理方法可以減少銹蝕程度，對油缸起到一定的保護作用。當前針對不同的零部件有不同的工藝方式，該文將分別對零部件工藝方式進行匯總分析。

目前缸管類較常用的處理方法分以下3 種。1）內孔不進行處理。2）內孔進行鍍銅處理。3）內孔進行熔銅處理。

缸管內孔不進行處理主要適用礦用環境相對較好或者礦下微生物易腐蝕銅的情況。若環境較為惡劣時，缸管內孔鍍銅、熔銅方式均可提升缸管的抗腐蝕能力。其中缸管鍍銅工藝為缸管內孔加工完成后進行鍍銅，鍍層厚度較薄，主要起表面防護作用。在使用時間較長后表面的銅容易脫落。缸管熔銅工藝為缸管加工過程中進行熔銅，熔后再進行缸管內孔剩余尺寸加工，銅層厚度較厚，使用時不易被腐蝕，進而提升推移千斤頂使用性能。

當前油缸內壁腐蝕是行業內高度關注并進行重點攻克的技術難題，以往采用的是內壁鍍銅工藝來防腐，防腐效果達不到預期效果。隨著工藝技術的不斷創新，內壁熔銅工藝愈加成熟，基本能夠滿足油缸內壁防腐需求。油缸內壁熔銅表面處理技術是根據銅基合金性能，將銅基合金與油缸缸管內壁結合，即在油缸內壁表面熔覆銅合金層，在保證鋼材性能的同時，兼有了銅的導電、導熱和耐腐蝕性。加工過程主要是用焊接的方法在缸管基體表面融化銅合金焊絲，即可獲得具有銅合金特定性能的防腐層。該工藝具有以下優點：熱輸入低，冷金屬熔覆的焊接熱輸入僅為傳統氣體保護焊的1/3-1/4，并且對工件熱變形量極小；熔覆層稀釋率低，基本采用熔銅工藝的產品整體性能接近采用激光熔覆工藝的整體性能；適用焊材及基材范圍廣，可適用市面上所有的碳鋼、不銹鋼、鋁、銅、鎳等不同類型藥芯、實心焊絲和基材；極低飛濺，冷金屬熔覆焊接過程中基本可以做到無飛濺焊接；熔覆后硬度可達到HB280，鹽霧試驗大于520h，具有良好的表面耐磨性、耐腐蝕性等性能。該工藝技術也適用于液壓支架再制造大修中立柱、千斤頂的內壁局部維修。

環套類零件主要包括導向套、活塞頭、保持套、三半環等零件，目前環套類零件較常用的處理方法分以下3 種：1）表面軍綠鈍化。2）表面鍍鋅處理。3）表面鍍銅處理。

上述3 種工藝均為精車加工完成后進行。當前軍綠鈍化使用相對較少，常規產品使用鍍鋅處理方式較多，為了環保，解決質量問題，采用鋅酸鹽鍍鋅，以氫氧化鈉作為鋅離子的配位劑，另外，氫氧化鈉還能起到導電和活化陽極的作用。氰化鍍鋅溶液中的鋅離子是以雙配位化合物的形式存在的，而鋅酸鹽鍍鋅溶液中的鋅離子只是以一種鋅酸鈉的單配位化合物的形式存在，而且鋅酸鈉配離子又沒有鋅氰化鈉配合離子穩定，產生了一種先天性的缺陷。要解決這一問題，可以采用提高氧化鋅與氫氧化鈉加入量比值，來提高鋅酸鈉配離子的穩定性，進而提高鍍液的陰極極化作用，使鍍層結晶細致。在該基礎上再加入一部分添加劑，可以得到結晶細致、覆蓋能力和光亮度好的鍍鋅層。鋅是一種化學性質很活潑的金屬，鋅鍍層如果不進行后續的鈍化處理，鍍層很快就會變暗，并相繼出現白色腐蝕產物，為了減少鋅的化學活性，筆者采用的是鉻酸鹽溶液來鈍化處理，使鋅鍍層表面形成鉻酸鹽轉化膜層，達到防腐目的。高端產品的導向套采用鍍銅方式較多。根據使用對比情況，采用鍍銅工藝的環套使用較長時間后損傷情況最小。鍍層厚度也可根據具體情況進行相應調整。

當前活塞桿鍍層區段較常用的處理方法分為以下4 種：1）銅打底加硬鉻。2）乳白鉻加硬鉻。3）激光熔覆。4）銅打底加硬鉻與乳白鉻加硬鉻都為活塞桿加工完成后進行，鍍后進行拋光就可以進行組裝。目前銅打底鍍硬鉻使用較少，乳白鉻加硬鉻使用相對較多，鍍層厚度視情況進行調整。鍍鉻所獲得的鉻鍍層除了有良好的耐腐蝕性能和光亮不變色的外觀，更重要的性能是鉻鍍層硬度很高，而硬度提高脆性也會相應提高，尤其是加厚鉻鍍層，在零件銳角和端頭處的鉻鍍層稍受一些沖擊，便會使鉻鍍層崩落，但并不是鍍鉻層與基體結合力不牢，而是鍍層太厚，脆性大所導致的。這是加工厚鍍鉻時常見的問題。為了保證加厚鉻鍍層符合質量要求，在鍍鉻前必須將銳角和端頭處進行倒角或倒圓角，隨著鍍鉻層厚度的增加，倒角和倒圓角也應加大。工件端面邊上鍍上鉻鍍層，結合力可提高，該方法可防止銳角鉻鍍層端頭過厚。煤機上使用的立柱千斤頂必須既能防腐又能增加硬度，為了達到要求采用復合鉻工藝，先鍍乳白鉻再鍍硬鉻，乳白鉻鍍層孔隙少，耐腐蝕性好，但硬度稍低，最后表面再鍍一層硬鉻當前可以達到使用環境要求。激光熔覆工藝原用于產品鍍層區段損壞進行修復，后逐漸直接用于新產品，在活塞桿加工過程中將粉末熔在鍍層區段，后進行精車工序，這種工藝當前處于研究階段，主要問題是防腐性能。

4 成果固化、推廣

上腔接口朝向缸口且安裝不銹鋼過渡接頭的設計結構當前已經在公司生產的多套產品中使用，效果良好，如圖6所示。部分礦方在后續技術交流時建議將其他結構改為該結構，說明該方案已經獲得用戶的認可，解決了因上腔接頭座銹蝕推移千斤頂進行返修、甚至報廢的問題，節省了返修、重投成本。

圖6 新結構推移千斤頂產品實物

缸管熔銅工藝、導向套鍍銅鍍鋅工藝及雙鉻工藝已在產品中大規模使用，簽訂技術協議時部分用戶會主動提出采用該工藝，使用后反饋較好，出現問題的概率也大幅降低。

該設計結構、工藝方式也可通過改變適用于其他功能的油缸，提升油缸整體的工作效率。

5 結語

打造高端產品已成為煤機發展的一種趨勢，設計結構、工藝方式也將隨之更新換代。上腔接口朝向缸口且安裝不銹鋼過渡接頭的設計結構與缸管熔銅工藝、導向套鍍銅鍍鋅工藝及雙鉻工藝的應用提升了推移千斤頂的使用性能，減少了因銹蝕對推移千斤頂導致的損害。

隨著煤炭行業的發展，5G 技術在礦山的應用，相信不久的將來，所有的礦山都會實現智能化、無人化開采，從根本上解決了礦山的安全性問題。推移千斤頂性能的提升也會為煤機發展保駕護航。