煤矿液压支架活柱性能加工工艺技术优化

高荣梅

（大同市同煤集团机电装备公司中央机厂，山西 大同 037000）

据相关资料统计，煤炭在我国的化石能源消耗中大约占据67%的比例，是国家发展的基础能源。液压支架对于保障煤矿的煤炭开采具有重要作用。根据实际使用经验可知，综采液压支架中活柱是比较容易受损伤的部件之一，对于液压支架整体的使用寿命具有重要影响，所以研究提高活柱性能的工艺手段具有重要意义。

现从活柱加工工艺出发，对埋弧堆焊、激光熔覆、新的加工工艺、活柱滚压加工等方法对活柱性能的影响进行研究，并提出控制活柱质量的激光熔覆工艺参数。此类最新的研究方法相较于传统的活柱修复、加工工艺优势明显。对于此类方法的研究，对于后期液压支架活柱的加工具有重要参考意义。先进的活柱制造工艺有助于提升提高液压支架的使用寿命，同时减小了活柱生产制造企业的生产成本[1]。

1 活柱结构

活柱是液压支架中重要的部件，由于其关系到整个液压支架的举升、支撑等作用，且在实际使用中常受到液压支架顶板载荷的反复作用，导致活柱容易出现故障。由于活柱在加工时，存在一些加工难点，致使产品经常返修甚至报废，间接地增加了生产企业的负担，同时在实际使用中也遇到需不断检修、更换的问题[2]。

不同的液压支架上活柱的结构也有所差异，总体结构都相似，活柱的结构见图1。活柱结构包括柱塞、柱筒、柱头等结构，差异主要存在于筒体的表面精度、焊接工艺、表面处理等，加工工艺的差异对活柱整体的使用寿命具有较大的影响。

图1 液压支架活柱

2 活柱性能影响分析

2.1 材料对活柱性能的影响

液压支架整体是由中厚钢板焊接而成，在实际煤矿开采使用中承受着较大的工作载荷和冲击，因此液压支架本身结构就必须承受住较大的载荷与冲击。活柱作为液压支架的关键部件，活柱材料对其性能亦有决定性的影响。

目前主流的活柱材料为X431-Co M2，随着近年来国内煤矿开采量的不断增加，液压支架的支护阻力也越来越大，为了解决液压支架重量的问题，先期对各种材料进行了研究，逐步提高了材料的强度等级。1998年左右，国内出现活柱使用27SiMn、30MnNbRE、30CrMnSiA 等材料，随着技术的不断进步，又开始应用性能更高的材料，液压支架活柱的不同材料力学性能见表1[3]。

表1 液压支架用材料与力学性能

2.2 加工工艺对活柱性能的影响

常见的加工工艺如车削精度、焊接方法、表面处理方法等，对活柱的结构性能影响较大，从工艺制造的角度上来研究提高活柱性能的方法，一直以来都是学者研究的重点方向。以焊接工艺为例，影响焊接质量的因素不止焊接方法，同时焊接电流、堆焊速度、送丝速度、堆焊螺距、焊丝后移量等对焊接质量都有较大的影响[4]。

3 矿用液压支架千斤顶活柱破坏原因分析

3.1 油缸磨损

在实际使用中，液压支架受到频繁的工作载荷，同时井下环境条件较差，支架液压油缸臂中可能混进了较多的尘土、杂质，导致在液压缸动作时出现卡滞现象，从而对活柱和密封液压元件造成磨损。

3.2 结构损坏

主要原因是液压支架在运行过程中，主要依靠各类液压缸来完成动作，但是当遇到煤矿巷道围岩出现崩塌时，液压支架受到较大的载荷冲击，如果液压缸结构不足以抵抗大载荷冲击，则会出现液压缸的破坏。

3.3 采煤机运行不平稳

采煤机有时候运行不平稳，液压支架受到一个较大的偏载荷，这时液压油缸容易受到破会，从而导致活柱破坏[5]。

4 提高活柱结构性能的工艺方法

4.1 表面涂层工艺

如在活柱表面涂附FM-2 防腐抗冲击粉末材料，可以有效提高活柱性能，据相关资料显示，该涂层的对接强度可以到达90 MPa，抗剪切强度大于50 MPa，抗腐蚀、抗划伤、抗冲击等具有良好的性能。

4.2 活柱滚压加工

基于外圆滚压技术，可有效降低结构件表面的粗糙度，由机械的挤压不但可以提高表面质量，还可以降低活柱内部的残余应力，从而提高产品的可靠性，提升活柱的抗腐蚀能力和使用寿命。通过物理加工手段，提升工件表面粗糙度，滚压技术工作原理见图2[6]。

图2 滚压加工原理

滚压加工过程对活柱质量影响较大的因素较多，现对主要影响因素总结如下：

（1）活柱表面预留滚压余量：机械滚压对活柱的表面形状尺寸会产生一定的影响，因此需要保留足够的滚压余量，根据相关资料显示，当活柱滚压余量在0.02～0.03 mm 时，滚压后，活柱表面仍存在肉眼可见的刀痕；当滚压余量在0.03～0.05 时，滚压效果最好。

（2）进给量的影响：根据相关资料研究显示，活柱滚压最佳滚压进给量为0.5～0.6 mm/r。

（3）滚压次数：滚压次数与活柱表面精度也密切相关，一般认为滚压一次效果最好。

（4）滚压速率：滚压速率对滚压质量的影响相对较小，一般选择滚压速率90～170 mm/min。

4.3 埋弧堆焊技术

埋弧堆焊对于解决活柱损伤、提高活柱性能具有重要作用，埋弧堆焊性能稳定，无论是在活柱损伤的修复、活柱生产加工中都具有重要意义。

4.4 激光熔覆

激光熔覆技术是利用激光作为热源，激光照射工件与涂层材料，从而达到将两者固化连接，可显著增加原工件表面耐磨、抗腐蚀、抗氧化等能力。激光熔覆技术相较于传统的电镀涂层技术具有对涂层的稀释率较低、冷却速度快受温度影响的区域较小、熔覆区域可控等优点。激光熔覆和电镀涂层性能对比，见表2。

表2 激光熔覆和电镀性能对比

5 活柱加工工艺参数的控制

要想提高活柱性能，也需要不断地进行试验研究。工艺参数对活柱的性能影响较大。以活柱熔覆为例对其熔覆的工艺过程进行简要介绍，活柱熔覆加工结构见图3。

在熔覆前需保证在肉眼观察下，无明显裂纹、凹坑等缺陷。熔覆区表面应清理干净，并将活柱两端卡住，在活柱端头20 倒角位置熔覆一周，此方法可以防止熔覆分泌材料泄漏，同时也可以防止在熔覆过程中对金属造成过度烧蚀。激光熔覆状态下活柱结构见图3，下面对影响活柱性能的材料、工艺参数进行说明：

熔覆材料控制：为了保证熔覆产品具有良好的抗腐蚀能力，熔覆材料的稀释率需要控制在4%～8%之间，根据试验研究显示，对熔覆试样进行扫描，扫描的结果显示当熔覆稀释率控制在此范围时，试样的材料分布更加均匀，力学性能更好。熔覆层材料组织的扫描分析结果，在120 um 厚度范围内，熔覆层主要组成元素为：Fe、C、Ni、Si，Ni、Si，有关元素含量增加平稳，说明激光熔覆速度快，热影响小。

熔覆工艺参数控制： 熔覆过程采用了额定功率为15 kW 的半导体激光器。熔覆工艺参数的控制：选择熔覆宽度为30 mm；保护气流量控制为4.9 l/h，气体为Ar；送粉速度为140 g/min，进给量700 mm/min，熔覆层厚度：1.5～2.0 mm, 主轴转速控制范围0.5～1 r/min；温度稳定，正负偏差不大于5℃。

图3 熔覆状态下活柱结构

6 结语

要确保活柱的质量，在操作过程中保护气流量控制为4.9 l/h； 熔覆层厚度：1.5～2.0 mm 效果最佳；同时要控制主轴转速控制范围0.5～1 r/min；温度稳定，正负偏差不宜大于5℃。工艺参数的控制对于保障活柱的质量具有重要意义，该工艺参数的研究对于活柱激光熔覆研究具有重要参考意义。