激光熔覆和電鍍再制造的液壓支架立柱效益分析

楊慶東高榮惠董春春杜學(xué)蕓

(1.山東能源機(jī)械集團(tuán)有限公司,山東省新泰市,271222; 2.山東能源機(jī)械集團(tuán)大族再制造有限公司,山東省新泰市,271222)

激光熔覆和電鍍再制造的液壓支架立柱效益分析

楊慶東1高榮惠1董春春1杜學(xué)蕓2

(1.山東能源機(jī)械集團(tuán)有限公司,山東省新泰市,271222; 2.山東能源機(jī)械集團(tuán)大族再制造有限公司,山東省新泰市,271222)

通過對激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱的密封、耐久、強(qiáng)度等性能進(jìn)行對比檢測試驗(yàn),對比分析了液壓支架立柱修復(fù)技術(shù)中激光熔覆再制造和電鍍修復(fù)這兩種技術(shù)產(chǎn)品的性能、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益,結(jié)果表明,激光熔覆再制造技術(shù)具有涂層與基體結(jié)合牢固、組織致密等優(yōu)點(diǎn),再制造的立柱性能遠(yuǎn)優(yōu)于電鍍修復(fù)立柱的性能。

液壓支架立柱 激光熔覆 電鍍修復(fù) 再制造

液壓支架立柱是煤礦機(jī)械關(guān)鍵設(shè)備,長期在酸、堿性腐蝕介質(zhì)中工作,立柱表面承受著腐蝕、磨損和沖擊。目前再制造修復(fù)技術(shù)主要采用電鍍工藝,但是該工藝修復(fù)后的立柱使用壽命較短、可修復(fù)次數(shù)少、且有環(huán)境污染問題,因此,需要一種新涂層技術(shù)取代電鍍。模擬試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)證明,激光熔覆再制造技術(shù)具有涂層與基體結(jié)合牢固、組織致密等優(yōu)點(diǎn),再制造的立柱性能遠(yuǎn)優(yōu)于電鍍修復(fù)立柱的性能。

1 激光熔覆再制造和電鍍修復(fù)立柱的性能描述

2008－2010年,由國家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心組織,按照中國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT313－92,模擬液壓支架立柱實(shí)際工作環(huán)境,對激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱的密封、耐久和強(qiáng)度等性能進(jìn)行了對比檢測試驗(yàn)。在空載行程試驗(yàn)中,立柱在空載工況下,全行程往復(fù)動作3次,其速度不大于200 mm/min,伸縮長度和伸縮程序符合設(shè)計(jì)要求,沒有澀滯、爬行和外滲漏等現(xiàn)象。在最低啟動壓力試驗(yàn)中,立柱在空載工況下,逐漸升壓,分別測定各級缸活塞腔和活塞桿腔的啟動壓力(均在無背壓狀況下試驗(yàn)),使小缸內(nèi)保持額定泵壓,當(dāng)小缸中部通過大缸缸口導(dǎo)向套時(shí),測定大缸活塞桿腔的啟動壓力。在活塞桿密封性能試驗(yàn)中,立柱縮至最小高度,各活塞桿分別在1 MPa和110 MPa額定泵壓下穩(wěn)壓5 min,其中1根活塞桿穩(wěn)壓4 h,在同溫度下壓力未下降、也沒有發(fā)生滲漏現(xiàn)象。在耐久性能試驗(yàn)中,立柱升至底閥開啟前,以額定工作載荷軸向加載,底閥連續(xù)開啟、立柱壓縮速度不大于10 mm/min,每5 m穩(wěn)壓5 min,25 m后立在2/3行程處穩(wěn)壓4 h,穩(wěn)壓壓力為額定壓力的90%,立柱升至最大行程,在柱頭和缸底同側(cè)偏心20 mm的位置,以額定工作工載荷進(jìn)行連續(xù)循環(huán)軸向加載試驗(yàn),加載速度為20 mm/min,立柱活塞腔給以背壓,使大缸活塞桿腔與小缸活塞桿腔加以泵站公稱壓力進(jìn)行降柱,再空載升柱,全行程往復(fù)試驗(yàn),累計(jì)行程25 m,穩(wěn)壓時(shí)立柱沒有下縮,累計(jì)有效壓縮行程300 m,加載壓力至額定工作壓力,然后卸載,循環(huán)次數(shù)不少于2000次。強(qiáng)度試驗(yàn)中,立柱升至全行程,以額定工作載荷的150%軸向加載,持續(xù)5 min。立柱升至全行程,活塞腔內(nèi)加壓至額定泵壓的125%,持續(xù)5 min。立柱升至最大行程在柱頭和缸底同側(cè)偏心30 mm的位置,以110%額定工作載荷軸向加載持續(xù)5 min。立柱升至全行程,軸向預(yù)加額定初撐載荷,以15 k N·m能量沖擊柱頭2次。立柱升至2/3全行程以額定工作載荷的200%軸向加載持續(xù)5 min。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向套與活塞限位機(jī)構(gòu)、立柱缸體均為產(chǎn)生永久變形和破壞,活塞和缸體永久變形不大于0.5 mm,通過實(shí)驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)。激光熔覆再制造立柱使用壽命是電鍍修復(fù)立柱使用壽命的6倍,如圖1所示。激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱在同一煤礦同一工作條件下的實(shí)際使用壽命對比如圖2所示。電鍍修復(fù)立柱使用壽命為1～1.5 a,使用激光熔覆再制造立柱4.5 a仍未出現(xiàn)生銹和密封性能下降等問題,故目前無法確定激光熔覆再制造立柱的使用壽命。

圖1 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱模擬對比試驗(yàn)

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果,激光熔覆再制造立柱實(shí)際使用壽命應(yīng)為電鍍修復(fù)立柱實(shí)際使用壽命的6倍。激光熔覆層與立柱基體是牢固的冶金結(jié)合層,經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的激光熔覆不銹鋼涂層組織致密,無裂紋和氣孔,熔覆層厚,強(qiáng)韌性好,因此,激光熔覆再制造立柱具有很好的耐腐蝕、耐磨和抗沖擊性能。而電鍍鍍層與立柱基體結(jié)合強(qiáng)度低,鍍層中微裂紋和針孔多,耐腐蝕和耐磨損性能低,鍍層薄而且脆,不耐沖擊。

圖2 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱實(shí)際使用壽命對比

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

2.1 立柱的激光熔覆再制造和電鍍修復(fù)各環(huán)節(jié)費(fèi)用及市場售價(jià)的對比

立柱的激光熔覆再制造及電鍍修復(fù)再制造包括拆裝、運(yùn)輸、清洗、激光熔覆或電鍍、機(jī)械加工和凈利潤,各環(huán)節(jié)的成本比較見表1。對于立柱的修復(fù)或再制造而言,無論采用何種工藝進(jìn)行拆裝、運(yùn)輸、清洗和機(jī)械加工,成本相差不大,主要不同之處有兩點(diǎn):

(1)激光熔覆或電鍍環(huán)節(jié)。單一激光熔覆環(huán)節(jié)的成本約為3500元/m2,約為單一電鍍環(huán)節(jié)成本的7倍。

(2)凈利潤環(huán)節(jié)和市場售價(jià)。由于激光熔覆再制造立柱的使用壽命約為電鍍修復(fù)立柱使用壽命的6倍,因此目前單位表面積激光熔覆再制造立柱的市場售價(jià)比電鍍修復(fù)立柱的市場售價(jià)高出很多。

2.2 激光熔覆及電鍍再制造立柱的經(jīng)濟(jì)效益發(fā)展趨勢

激光熔覆再制造立柱是一種新興技術(shù),隨著該技術(shù)的發(fā)展,成本和利潤將會產(chǎn)生較大變化。激光熔覆再制造立柱整個過程中激光熔覆環(huán)節(jié)的成本隨時(shí)間變化情況如圖3所示,在激光熔覆再制造立柱技術(shù)應(yīng)用初期(即2008年)成本很高,此時(shí)激光加工設(shè)備的投資和研發(fā)成本高,而實(shí)際加工量很少,導(dǎo)致了激光熔覆再制造的高成本,隨著激光器的生產(chǎn)技術(shù)成熟,設(shè)備投入成本顯著降低。隨著近幾年激光器的發(fā)展,大功率半導(dǎo)體激光器逐漸取代二氧化碳激光器,成為激光熔覆主要加工設(shè)備,生產(chǎn)用電和用氣費(fèi)用將顯著下降;另外,合金粉末行業(yè)的發(fā)展也使激光熔覆再制造的成本下降;隨著大功率半導(dǎo)體激光器和光纖激光器等新型高性能激光器的規(guī)?；?、國產(chǎn)化生產(chǎn),激光器的購置和運(yùn)行成本會繼續(xù)降低。但是,電鍍技術(shù)的發(fā)展已趨于穩(wěn)定,在成本方面變化不會很大,因此激光熔覆再制造立柱技術(shù)完全可以取代電鍍修復(fù)。

表1 單位表面積立柱激光熔覆再制造和電鍍修復(fù)各環(huán)節(jié)成本比較元/m2

圖3 單位表面積立柱的激光熔覆成本變化趨勢

激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱的成本、凈利潤和市場售價(jià)隨時(shí)間變化而變化的情況如圖4所示。由圖4可以看出,單位表面積電鍍修復(fù)立柱的成本、凈利潤和市場售價(jià)基本保持不變,其原因在于電鍍修復(fù)立柱的技術(shù)和市場早已成熟和穩(wěn)定。單位表面積激光熔覆再制造立柱的成本初期很高,隨時(shí)間明顯下降,截至2022年預(yù)計(jì)成本達(dá)到1700元/m2,其后由于激光熔覆再制造各環(huán)節(jié)的技術(shù)和市場趨于穩(wěn)定,成本變化不大。單位表面積激光熔覆再制造立柱的市場售價(jià)在最初幾年(2008－2012年)保持在8000～9000元/m2,其后由于成本的顯著降低和市場競爭的加劇,市場售價(jià)預(yù)計(jì)逐漸下降,到2016年預(yù)計(jì)達(dá)到6000元/m2,到2022年預(yù)計(jì)達(dá)到4500～5000元/m2,其后變化不大。

圖4 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱的成本、凈利潤和市場售價(jià)隨時(shí)間變化趨勢

2.3 激光熔覆再制造立柱性價(jià)比和電鍍修復(fù)立柱性價(jià)比的比較

性價(jià)比一般用再制造或修復(fù)后的立柱使用年數(shù)除以市場售價(jià)來衡量,激光熔覆再制造立柱性價(jià)比和電鍍修復(fù)立柱性價(jià)比隨時(shí)間變化的情況如圖5所示,由圖5可以看出,電鍍修復(fù)立柱性價(jià)比基本不隨時(shí)間變化,保持在0.4左右;激光熔覆再制造立柱性價(jià)比在2008—2012年保持在0.75左右,之后隨時(shí)間逐漸增加,預(yù)計(jì)到2016年達(dá)到1.0左右。隨時(shí)間增長,激光熔覆再制造立柱性價(jià)比相對電鍍修復(fù)立柱性價(jià)比有絕對優(yōu)勢。

圖5 激光熔覆再制造立柱性價(jià)比和電鍍修復(fù)立柱性價(jià)比的發(fā)展趨勢

3 環(huán)境效益益分析

(1)節(jié)能降耗。由于電鍍層厚度的限制,一般立柱維修2次后,無法再恢復(fù)到新品尺寸,故而不能循環(huán)使用,徹底報(bào)廢,報(bào)廢立柱需要回爐冶煉,需要耗費(fèi)大量能源,產(chǎn)生的CO2和SO2造成大氣污染。激光熔覆再制造不受修復(fù)厚度和修復(fù)次數(shù)的限制,且使用壽命長,如果立柱均采用激光熔覆再制造技術(shù),基本可避免回爐冶煉的工序。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國報(bào)廢液壓支架立柱約為45萬t/a。如果采用激光熔覆再制造技術(shù)代替電鍍,可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤19萬t/a,顯著減少大氣污染,數(shù)據(jù)見表2。

(2)消除水污染。電鍍過程中會產(chǎn)生大量含重金屬六價(jià)鉻的廢水,且電鍍前需要對工件進(jìn)行酸洗,會產(chǎn)生大量酸性廢水和清洗廢水,激光熔覆則不會產(chǎn)生污染環(huán)境的廢水?？梢怨浪?若全國立柱均用激光熔覆再制造取代電鍍修復(fù),將極大的減少廢水量,數(shù)據(jù)見表2。

表2 激光熔覆再制造立柱的環(huán)境效益統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

激光熔覆再制造立柱的性價(jià)比更高、經(jīng)濟(jì)效益更好、環(huán)境友好、可循環(huán)利用,相對電鍍修復(fù)產(chǎn)品有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢,發(fā)展空間大,在立柱再制造行業(yè)中,激光熔覆再制造技術(shù)將會逐漸取代電鍍修復(fù)技術(shù)。

[1] 解文正.激光熔覆技術(shù)在液壓支架上的應(yīng)用研究[D].邯鄲:河北工程大學(xué),2011

[2] 杜伯奇,楊慶東,董和泉等.激光強(qiáng)化不銹鋼立柱的研發(fā)[J].礦山機(jī)械,2009(5)

[3] 王志華.液壓支架立柱的腐蝕機(jī)理及其防護(hù)[J].礦山機(jī)械,2011(9)

[4] 李秀云,牛曙光.液壓支架防腐蝕研究[J].礦山機(jī)械,2005(8)

[5] 段孟杰.液壓支架立柱腐蝕失效分析及防范措施[J].河北煤炭,2002(5)

[6] 李明.煤礦設(shè)備再制造產(chǎn)業(yè)存在問題和解決措施初探[J].中國煤炭,2014(4)

(責(zé)任編輯 孫英浩)

Analysis of hydraulic support column efficiency of laser cladding and electroplating remanufacturing

Yang Qingdong1,Gao Ronghui,Dong Chunchun1,Du Xueyun2
(1．Shandong Energy Machinery Group Co．,Ltd．,Xintai,Shandong 271222,China; 2．Dazu Remanufacturing Co．,Ltd．,Shandong Energy Machinery Group,Xintai,Shandong 271222,China)

According to comparing and testing the leakage,endurance and strength of laser cladding remanufacturing column and electroplating repairing column,the authors analyzed the performances,economic benefits and environmental benefits of these two technology products．The results showed that the performances of laser cladding remanufacturing technology was far better than electroplating repairing technology,for example,the laser cladding remanufacturing technology has such advantages:coating and matrix firmly combining,compact structure and so on．

hydraulic support column,laser cladding,electroplating repairing,remanufacturing

TD406

A

楊慶東(1968－),男,山東滕州人,工程師,本科學(xué)歷,現(xiàn)任山東能源機(jī)械集團(tuán)總經(jīng)理。