液压支架关键部件深度修复技术的研究

吴 頔

（河南省义马煤业集团股份有限公司机电设备租赁站，河南 义马472300）

1 概述

中国是一个煤炭储量较大，但贫油、少气的国家，这就直接决定了煤炭在我国一次性能源生产和消费中的主导地位。国家能源局表示，2018 年煤炭消费占能源消费总量的比重是59%，2020 年，这个比例将在58%左右。虽然占绝对比重，但安全却困扰着煤矿企业，所以如何保证煤矿井下的支护安全是当今煤矿企业高度关心的问题。液压支架主要用于在综采工作面支护顶板，是以高压液体为动力，可以稳定高效的对综采工作面顶板进行控制和支护，对采空区进行有效隔离，以防止采空区矸石落实作业空间，同时可以保证设备随着工作面采煤推进移动，让采煤机和刮板机推向煤墙，从而保证工作面高效安全推进。

2 部分支架现状

部分煤矿因效益差，购置新设备较少，使用的综采液压支架大部分服务时间长，整体状况很差，难以满足生产安全需要。如销轴与铰接孔的配合间隙标准为2mm，经测量，发现多数配合间隙已经超过2mm，严重的能达到5mm，随着支架升高，顶梁摆动量增大，立柱及千斤顶使用的密封为聚氨酯材质，压缩量小，容易导致支架的摆动量远超密封的压缩量，容易造成立柱及千斤顶漏窜液。由于煤矿井下有着各类灾害和工作条件所限，环境较为恶劣，温度，湿度，硫分较高，千斤顶的缸筒均属于合金材料，缸筒与水及空气接触就会自然的出现大面积锈蚀和锈斑凹坑，活柱升降就会反复摩擦密封，锈蚀部位就会割裂密封，从而让千斤顶出现漏串液、不保压等现象，影响液压支架的支护、拉移性能。通过对一套待修支架的测量，发现就立柱一项，有80%的出现锈蚀环，主要集中在距离缸口约150 至180mm 的位置，锈蚀坑内陷，坑深1 至3mm，环绕整个缸口。支架立柱在使用时，由于顶底板状态都会存在一定的倾斜角度，缸筒也处于倾斜状态，而缸筒内上腔液面处于水平状态。由于目前液压支架的工作液体是乳化液，缸筒内有乳化液，液面以下缺少氧气，并且乳化液油本身就是能起到一定的防锈蚀功能，液面以下不易生锈；但液面上方，特别是液面和空气交界处，存在空气，也就是存在氧分子和水分子，易生成三氧化二铁，在缸口内壁下方形成一条椭圆形斑坑带，造成支架立柱密封损坏，导致漏窜液现象频繁发生，影响工作面正常生产。

3 深度修理工艺介绍

3.1 支架铰接孔修复技术

通过分析发现经常修理的支架，随着支架升高，顶梁摆动量增大，加之千斤顶密封为聚氨酯材质，压缩量小，容易导致支架的摆动量远超密封的压缩量，容易造成立柱及千斤顶漏窜液。首先，对液压支架结构件铰接孔与配套销轴进行测量，统计相关数据，一套ZF7000 型支架，82.5%顶梁与掩护梁铰接孔，70%前连杆与掩护梁铰接孔，67.5%前连杆与底座铰接孔，85%后连杆与掩护梁铰接孔，85%后连杆与底座铰接孔配合间隙均超过2mm，更有甚者达到5mm。其次，按照确定的尺寸数值对铰接孔进行补焊，销轴重新车制。采用ER60 型焊丝对铰接孔进行堆焊，确保无气孔。最后，使用TX6513-130MM镗床对补焊后的各铰接孔进行精镗，控制进刀量来保证粗糙度达到6.3 以上，销轴进行调质与镀锌，最终达到配合间隙为1mm。

3.2 立柱及千斤顶修复工艺

当缸筒出现文中提到的现象是，就无法正常使用了，目前遇到这类问题有以下几种解决方法：3.2.1 制作新缸筒。成本过高；以φ230mm 缸筒为例，新购费用约为5000 元/根，每架支架4根立柱，若全部更换，则需费用20000 元/架，成本较高。3.2.2采用熔覆和内覆不锈钢套技术等。此种方法工艺复杂，熔覆费用约35 元/dm2，φ230mm 立柱缸筒面积为94.6dm2，则每根需3311 元，成本相对较高，不宜采取此方法。通过对市场的了解和反复试验，发现采用缸筒缩径再造修复技术可较好的解决以上难题。此技术，依据“金属热胀冷缩效应”，用中频感应加热装置对油缸内壁进行快速加热、外部缸体喷水急速冷却，实现缸筒缩径。用该技术再造的缸体，不需要改变原来外观，缸体内壁也不需填加其它材料，且再造后的缸体尺寸和性能可完全恢复原设计要求（大部分油缸尺寸超差，φ230mm 缸筒原设计公差为0至0.115mm，检测后大多为0.3-0.6mm，严重的超过1mm。采用缩径工艺后，可使缸筒表面光滑，尺寸恢复到标准公差）。该技术为企业节省资金，可行。

3.3 缸筒缩径原理

立柱及千斤顶缸筒常用材料为27SiMn，需进行调质处理，以获得金相组织为回火索氏体。利用最简单的热胀冷缩原理，同时根据铁的同位素异构理论，通过对缸体实施“内加热、外冷却”的方法，使缸筒达到相变缩径的目的。利用中频感应技术，对缸体内壁进行加热，同时利用高压喷水，对加热内壁的外壁进行快速冷却。首先，通过对内壁进行中频感应加热，缸筒内壁是在高温下急速升温，在很短的时间内内壁加热到相变以上温度（800至1000℃），缸筒材料内部结晶组织随即发生相变，由比容小的回火索氏体组织向比容大的低碳马氏体组织转变。通过高压淋水对缸筒外壁进行冷却，使缸筒由内向外的热膨胀现象受到了抑制，也因此，缸筒内壁胀大的体积在沿着半径向外方向膨胀受到抑制，也只能沿着半径方向向内膨胀，进而使缸体内径减小，从而实现了缩径功能。虽然降温后缸筒材料收缩会使缩小的缸体内径有所增加，但因金相组织的变化，是的缸体的最终内径仍被减小。事实证明，通过对现有待修的支架立柱及千斤顶缸筒进行修复，能实现最大缩径量（直径方向上）约3mm，有足够的余量对缸筒进行再加工。

3.4 缸筒缩径工艺

3.4.1 确定缸筒缩径量。对待修的缸筒内径进行测量，找到缸筒内径的最大值，并以值为准，再定合适的修复余量，并结合修复后内径的要求，最终确定缩径量。

式中，△——单边缩径量，mm；

dmax——实测缸筒最大内径，mm；

d——缸筒原内径尺寸，mm；

δ——单边修复余量，mm。

从而可获得缸筒缩径后的内径d′=dmax-2Δ 或d′=d-2δ

3.4.2 缩径再制造工艺。缩径再制造工艺必须要通过设计的专有装置上进行。自制的缸筒缩径装置，主要拥有缸筒装夹、内壁感应头加热、缸外部喷淋冷却、缸壁远红外激光测温等功能。通过测量和理论计算，确定内径收缩量，再进行精确调整加热感应电流频率、加热部分相对缸筒的移动速度和冷却速度等参数，就可以对缸筒进行缩径，随着感应加热层加深，待缩径的量也增大。在对缸筒内部加热的同时，通过增压水，环绕缸筒外部连续不断的喷淋冷却水，使缸筒表面急速降温，由此降低缸筒内热量向外传导速度，避免缸筒外部不规则、无限制的外扩和变形。再加热的通知，利用远红外激光测温仪实时监控加热温度，保证缩径所需要的相变温度。待修复的缸筒内壁会出现划伤、磨损超差、锈蚀凹坑、涨缸等问题，通过相变缩径以后这些问题都可以控制在计算后的尺寸，而缸体本身的热处理性能指标没有大的变化。再用内径测量表检测缸筒缩径后的内径尺寸，满足缩径的尺寸要求，可以进行滚镗，以达到设计尺寸。

3.5 检验缸筒内表面硬度

通过实验和测量证明，只要严格监控温度，把温度控制在需要的范围内，就能满足HBS240 至280 的硬度要求。所以最后就要对内壁进行硬度检验，如果缸筒内表面硬度低于设计要求时，就要对其表面进行高频淬火处理，使其达到硬度要求。

4 结论

本文研究主要针对煤矿综采工作面液压支架在中后期的修理过程中，出现销轴与铰接孔配合间隙不合理，立柱及千斤顶缸筒内壁有锈蚀凹坑等现象，通过文中方法，能有效处理此类问题，解决支架修复难题。按照目前省内行情，采购1 根φ230 立柱缸筒约需0.4 万元；利用此种技术修复1 根φ230 立柱缸筒需0.18 万元，则每修复1 根φ230 立柱缸筒可节约购置资金0.22 万元。一套ZF7000 支架按照100 架计算，每架共有φ230立柱2 根，一套共节约购置资金44.2 万元。按照此种工艺同时修复其他千斤顶，修复一套支架可节约购置资金数以百万元。同时文中所提出的结构件销轴与孔的配合间隙通过深度修复达到1mm，以ZF7000 为例，一架支架超差铰接孔镗孔需要7000元，重做销轴1000 元，而如果对应的结构件不采用此工艺直接重做的话，按照目前市价，新制作一件前梁和前连杆需要6.5 万元，一套支架节约费用一千余万元。

由此可见，此种深度修复工艺可大量节约购置支架费用，同时延长支架使用寿命，在今后煤矿工作面支架修复中具有很好的经济效益和应用价值。