液壓支架關(guān)鍵零部件材料性能分析及工藝研究

任懷偉

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

1 液壓支架失效形式及影響因素

液壓支架是煤礦生產(chǎn)中的重要設(shè)備，是支撐、維護(hù)頂板和保障井下安全生產(chǎn)的關(guān)鍵［1］。液壓支架主體部件可分為結(jié)構(gòu)件 (頂梁、掩護(hù)梁、連桿和底座)以及立柱、千斤頂兩類，其失效形式和影響因素也各不相同。

隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層周期性斷裂，來壓強(qiáng)烈，支架必須承受這種反復(fù)沖擊的影響。當(dāng)液壓支架承受載荷和沖擊后，其應(yīng)力高于材料的屈服極限后就會發(fā)生塑性變形，從而產(chǎn)生破壞。同時(shí)，隨著采煤機(jī)的前進(jìn)，支架要隨之“降立柱－前移－升立柱－增阻支護(hù)”循環(huán)工作，總是處于減壓卸載、增阻加壓的狀態(tài)。而低周疲勞 (條件疲勞極限)的特點(diǎn)之一就是作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，支架的受力特點(diǎn)說明其有很強(qiáng)的低周疲勞特性。液壓支架結(jié)構(gòu)件本身是由高強(qiáng)板焊接而成的，隨著材料強(qiáng)度級別的提高，其屈強(qiáng)比越來越大，裂紋敏感性越來越高，焊接性能越來越差，其疲勞性能會呈下降態(tài)勢，而焊接更是加劇了硬度條件的不均勻性，因而液壓支架尤其是高端液壓支架很容易發(fā)生疲勞破壞［2］。由此可見，液壓支架的結(jié)構(gòu)件主要破壞形式是塑性變形和疲勞失效。

立柱、千斤頂?shù)氖问街饕邢鹚茴惷芊饧p壞、管路及接頭連接件損壞、鋼質(zhì)導(dǎo)向件損壞，以及缸、柱損壞等四類［3－4］。其中，第四類失效是導(dǎo)致立柱損壞的主要因素。而且由于該類部件成本高 (一般占立柱造價(jià)的60% ～80%)，給企業(yè)造成的損失也是最大的。缸、柱損壞主要表現(xiàn)為密封配合表面銹蝕、拉劃碰砸傷、鍍鉻層起皮脫落等，此外還存在少量漲缸和變形。影響立柱、千斤頂缸體性能的主要因素包括立柱本身的基體材料、井下生產(chǎn)環(huán)境及表面處理工藝等。

2 液壓支架關(guān)鍵零部件材料性能分析

液壓支架主要是由中厚鋼板焊接而成，其在井下承受著巨大的載荷和沖擊，需要具備很高的強(qiáng)度和抗沖擊能力。因而，材料的力學(xué)性能和質(zhì)量對于液壓支架性能的優(yōu)劣具有決定性的影響。

2.1 液壓支架結(jié)構(gòu)件材料性能分析

截止到上世紀(jì)末，國內(nèi)液壓支架所用板材一直為16Mn。隨著近年來煤礦生產(chǎn)能力的大幅提升，液壓支架的支護(hù)阻力越來越大，重量不斷增加，給支架生產(chǎn)、運(yùn)輸帶來很大困難。為了降低支架重量，必須提高材料的強(qiáng)度等級。在上世紀(jì)九十年代，開始推廣使用15MnVN，WH60等45kg級的高強(qiáng)度鋼板［3］。2002年以后，國內(nèi)生產(chǎn)能力較強(qiáng)的煤機(jī)企業(yè)陸續(xù)開始選用Q460，Q550，Q690等高強(qiáng)度鋼板。目前，Q690已在高端液壓支架中得到廣泛應(yīng)用。更高強(qiáng)度等級的Q960，Q1100等則在推桿等局部少量采用。不同等級、不同厚度規(guī)格的液壓支架用高強(qiáng)度鋼板的力學(xué)性能見表1［5］。

表1 液壓支架用鋼板牌號及力學(xué)性能

美國、南非、德國等采煤先進(jìn)國家廣泛采用高技術(shù)、高性能和高度自動(dòng)化的設(shè)備，為保證支架在工作過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的絕對可靠，因而大量采用高強(qiáng)度鋼板。鋼材強(qiáng)度的屈服極限達(dá)到700～1000MPa。如德國目前多用STE700級 (屈服強(qiáng)度σs≈690MPa，抗拉強(qiáng)度σb=700～930MPa)鋼材，DBT公司生產(chǎn)的WS1.7掩護(hù)式液壓支架主要結(jié)構(gòu)部件就采用了高強(qiáng)度優(yōu)良鋼板STE700，其用量占總重的70%，中強(qiáng)度鋼板STE500(σs≈500MPa)及一般鋼板STE360(σs≈345MPa)分別只占14%和16%［6］。由于材質(zhì)優(yōu)良，強(qiáng)度大，主要焊接結(jié)構(gòu)件的使用壽命可保證在井下工作循環(huán)次數(shù)大于30000次。同時(shí)，選用高強(qiáng)度鋼板使得支架單重只有20.38t，較其他具有相同參數(shù)的支架輕1.5～2.2t。

隨著液壓支架用鋼強(qiáng)度等級的提升，其軋制和焊接加工的難度越來越大。國內(nèi)外都在開發(fā)多種低裂紋敏感性、易焊接的高強(qiáng)度鋼板，如國內(nèi)寶鋼的Q550CFD 和 Q690CFD 等、舞 陽 的 WDB620［7］和WH80Q、鞍鋼的超低碳貝氏體鋼HQ685DB(2004年用于山西晉城的首套國產(chǎn)大采高適用支架ZY8400)和HQ785DB、武鋼的HQ785D等。國外如日本生產(chǎn)的HT590和HT780、德國Dillinger生產(chǎn)的Dillimax550和Dillimax690、瑞典SSAB生產(chǎn)的WELDOX700等，都具有焊接裂紋敏感性指數(shù)低，焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)。部分鋼材的力學(xué)性能見表2。

表2 國內(nèi)外低焊接裂紋敏感性鋼板力學(xué)性能

2.2 液壓支架立柱、千斤頂材料性能分析

立柱、千斤頂是液壓支架的核心動(dòng)力部件，其所用無縫鋼管是保證其有效發(fā)揮功能的關(guān)鍵。目前國內(nèi)大部分采用的鋼管是27SiMn材質(zhì)，其調(diào)質(zhì)性能好，加工工藝成熟，但抗腐蝕性能不足。國內(nèi)大型煤機(jī)企業(yè)正在逐步研發(fā)其替代材料，并應(yīng)用于12000kN以上的高端液壓支架產(chǎn)品中。目前在用的液壓支架用無縫鋼管力學(xué)性能見表3［8－9］。此外，鄭煤機(jī)還單獨(dú)研發(fā)了ZDQ700缸體材料，其抗腐蝕性能和力學(xué)性能均能夠滿足高端液壓支架的要求。

表3 液壓支架用鋼管的力學(xué)性能分析

國外液壓支架立柱、千斤頂采用的材料，其準(zhǔn)確成分目前還無法獲得，但通過某進(jìn)口支架缸體材料力學(xué)性能分析，以及淬透性、焊接性能、耐腐蝕性能的試驗(yàn)研究，其各種材料特性都較國內(nèi)產(chǎn)品好，如表4所示。

圖1和圖2為某進(jìn)口支架外缸和中缸硬度測試

表4 某進(jìn)口支架缸筒部分力學(xué)性能分析

圖1 外缸筒橫截面由外向內(nèi)硬度測試分布曲線(壁厚32mm)

圖2 中缸筒橫截面由外向內(nèi)硬度測試分布曲線 (壁厚35mm)

結(jié)果。從圖中可以看出，進(jìn)口產(chǎn)品熱處理后材質(zhì)硬度一致性非常好，因而缸體在承受液體壓力后，其內(nèi)部應(yīng)力也很均勻，不會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而造成損傷。

3 材料性能及工藝對液壓支架可靠性和壽命影響

目前，國內(nèi)液壓支架用鋼的強(qiáng)度等級已經(jīng)和國外產(chǎn)品差距不大，但在材料性能、質(zhì)量穩(wěn)定性和加工工藝方面還有較大劣勢，并嚴(yán)重影響著產(chǎn)品的可靠性和壽命。

3.1 材料質(zhì)量穩(wěn)定性影響

材料質(zhì)量穩(wěn)定性直接影響著液壓支架的可靠性，尤其是產(chǎn)品的延伸率、應(yīng)變硬化指數(shù)和垂直各向異性指數(shù)等參數(shù)對支架結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能影響最大。板材的技術(shù)含量和質(zhì)量穩(wěn)定性最能體現(xiàn)一個(gè)國家鋼鐵行業(yè)的技術(shù)實(shí)力。國外板材生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)要求高，在各品種、牌號、規(guī)格產(chǎn)品的每一項(xiàng)性能和質(zhì)量參數(shù)，在每一爐罐號、每一帶卷的全部長度與寬度上保持均勻、穩(wěn)定、連續(xù)和一致，材料質(zhì)量的穩(wěn)定性非常好。

國內(nèi)鋼鐵企業(yè)雖然在冶煉、軋制技術(shù)及裝備等方面都有了長足的進(jìn)步，寶鋼等大型企業(yè)也能夠生產(chǎn)出高品質(zhì)的特殊鋼材;但在工業(yè)用大批量的鋼板生產(chǎn)方面，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性還不夠。因此，液壓支架結(jié)構(gòu)件則可能出現(xiàn)隨機(jī)的質(zhì)量和可靠性問題。

3.2 材料性能影響

國內(nèi)鋼材在強(qiáng)度、韌性等指標(biāo)方面與國外產(chǎn)品基本一致。但煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)備在井下要承受巨大的壓力、沖擊以及大量的SO2，H2S，Cl－，SO等介質(zhì)的腐蝕，因而對材料抗疲勞破壞、裂紋敏感性、耐腐蝕等特殊性能都有很高的要求［10－11］。國內(nèi)鋼材往往在這些指標(biāo)方面有所欠缺，因而設(shè)備可靠性和使用壽命始終落后于進(jìn)口產(chǎn)品。

3.3 加工工藝影響

材料加工工藝是影響煤機(jī)產(chǎn)品可靠性和壽命的另一重要因素，機(jī)加工精度、立柱表面處理、焊接、熱處理等都是關(guān)鍵工序。例如，立柱、千斤頂基體發(fā)生腐蝕的部位往往是自身存在缺陷的部位，有機(jī)械加工產(chǎn)生的凹坑、應(yīng)力疲勞腐蝕點(diǎn)、晶粒粗大處、表面裂紋等［12］。材料加工質(zhì)量的高低會對設(shè)備的性能產(chǎn)生很大的影響。

國內(nèi)外液壓支架在材料和加工工藝方面的差距造成了產(chǎn)品可靠性和使用壽命上的差別，這就是我國雖然是煤機(jī)裝備第一生產(chǎn)大國，但產(chǎn)品始終在低端徘徊，且附加值不高的主要因素。因而，研發(fā)新材料和先進(jìn)工藝技術(shù)是增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性和壽命的核心，是提升產(chǎn)品品質(zhì)、提高產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵。

4 提升液壓支架產(chǎn)品性能的材料及工藝技術(shù)

4.1 高性能鋼板生產(chǎn)技術(shù)

解決材料質(zhì)量的穩(wěn)定性問題，需綜合采用組織細(xì)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等技術(shù)，兼顧強(qiáng)度、韌性、焊接性及其他性能參數(shù)相互關(guān)系，合理匹配參數(shù)間的消長與平衡。例如，為充分利用微合金元素的綜合作用，降低鋼的碳含量及碳當(dāng)量、改善焊接性能，寶鋼采用兩階段軋制和冷卻TMCP(Thermo－Mechanical Control Process)技術(shù)，利用厚板軋機(jī)的強(qiáng)力軋制和強(qiáng)制冷卻技術(shù)，充分細(xì)化鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)，在大幅度提高強(qiáng)度的同時(shí)，保證了良好的低溫韌性;同時(shí)，不斷優(yōu)化軋制、冷卻工藝參數(shù)及其匹配關(guān)系，改善鋼板板形［13］。

通過改善鋼板成分、控制軋制工藝和冷卻工藝的生產(chǎn)參數(shù)，解決鋼板通常存在的力學(xué)性能波動(dòng)和平直度差等問題，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工業(yè)化批量生產(chǎn)，為液壓支架結(jié)構(gòu)件提供性能穩(wěn)定的高質(zhì)量材料。

4.2 新型防腐工藝

立柱、千斤頂內(nèi)外表面一旦銹蝕，就會像磨料一樣加速密封件磨損，所以防腐尤為重要。立柱和千斤頂?shù)幕钊麠U、中缸及活柱等外露表面必須要經(jīng)過防腐蝕處理。電鍍技術(shù)是最常見的防腐技術(shù)。一般常見的立柱、千斤頂中的環(huán)套類零件多采用鋅鍍層，活塞桿、中缸及活柱外表面采用鉻鍍層。然而，由于電鍍層較薄、硬度也不夠，井下立柱千斤頂表面腐蝕、損傷情況時(shí)有發(fā)生，而且電鍍工藝環(huán)境污染較為嚴(yán)重，因此有必要研究新的防腐技術(shù)和工藝。

(1)激光熔覆技術(shù) 激光熔覆技術(shù)是通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層，使工件表面耐腐蝕、耐磨損和抗沖擊性能大大增強(qiáng)［14］。

目前，立柱激光熔覆加工已經(jīng)在液壓支架再制造過程中開始應(yīng)用，取得良好效果，如圖3所示。但激光熔覆較電鍍成本高，原因在于熔覆金屬硬度大，后期加工難度大;且熔覆厚度較厚，后期加工量也較大。

圖3 立柱外表面激光熔覆加工

(2)不銹鋼保護(hù)層技術(shù) 不銹鋼保護(hù)層技術(shù)也稱為不銹鋼包覆工藝，可用于缸筒內(nèi)部及活塞桿和中缸外圓的防腐。不銹鋼保護(hù)層是一種高性能防腐貴金屬保護(hù)層，可根據(jù)母材規(guī)格形狀進(jìn)行加工。實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)層有2種方法:卷焊法和強(qiáng)力旋壓法。強(qiáng)力旋壓法又分為內(nèi)徑旋壓和外徑旋壓2種，分別用于缸筒內(nèi)表面和活塞桿外表面［15］。

不銹鋼保護(hù)層技術(shù)特別適合于復(fù)雜的高腐蝕性條件下使用，可大幅提高缸筒的防腐性能和可靠性。不銹鋼保護(hù)層耗能低，不會造成環(huán)境污染，但其加工技術(shù)要求高，成本較高，且其與基體的結(jié)合度無法達(dá)到冶金結(jié)合的程度，應(yīng)用受到一定限制。

(3)刮削滾光工藝技術(shù) 受限于國內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)的水平，國產(chǎn)立柱、千斤頂加工制造的精度及粗糙度普遍不高，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品性能的發(fā)揮，降低了產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。珩磨和滾壓是最為常用的兩種精加工方法。立柱表面粗糙度應(yīng)保持適度的值，太大會損壞密封，太小儲油性能不好同樣會有問題。珩磨加工工藝效果較好，但加工效率太低;滾壓加工效率高，但要求加工前的表面也要達(dá)到較高的表面粗糙度，否則滾壓效果難以保證。為此，引進(jìn)了刮削滾光的方法。

刮削滾光是把粗鏜、半精鏜、精鏜、滾壓4道工序合并為一，利用工作時(shí)工件對鏜滾壓頭上滾柱的反作用力來支承鏜滾頭，這樣既保證鏜刀的穩(wěn)定切削，提高鏜桿的剛性，又使鏜削和滾壓得以同時(shí)進(jìn)行，提高生產(chǎn)效率。刮削滾光加工效果與珩磨相近，粗糙度能達(dá)到Ra≤0.6um左右，缸筒外表面硬度提高約30%，表面疲勞強(qiáng)度提高25%以上，且其加工效率較珩磨高出幾十倍。油缸經(jīng)過滾壓后，表面沒有鋒利的微小刃口，長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)摩擦也不會損傷密封圈或密封件。若只考慮缸筒影響，油缸使用壽命可提高2～3倍。

5 結(jié)論

提高液壓支架的壽命和可靠性必須從源頭抓起，材料性能和加工處理工藝是保證質(zhì)量和可靠性的基礎(chǔ)和根本。由于在激烈的競爭中，我國企業(yè)無法擺脫價(jià)格戰(zhàn)的模式，在成本的約束下不能保證產(chǎn)品材料的高等級以及精細(xì)化加工。但隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，高端裝備需求快速增加，迫使裝備制造企業(yè)競爭升級，開始注重材料和工藝研究。本文通過試驗(yàn)對液壓支架關(guān)鍵元部件材料進(jìn)行性能分析，研究材料性能及工藝對液壓支架可靠性和壽命的影響，給出提升材料質(zhì)量均勻性、表面耐腐蝕性以及提高零件加工精度的技術(shù)方法。這對提升產(chǎn)品品質(zhì)具有重要作用，可大幅提高我國裝備制造水平，提升產(chǎn)品的市場競爭力。

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