乳化液泵曲軸箱平面磨削裝置的研究與應(yīng)用

李 勇

(皖北煤電集團(tuán)恒源煤電股份有限公司五溝煤礦，安徽省淮北市，235000)

乳化液泵是煤礦井下液壓支架的重要?jiǎng)恿σ簤涸?，乳化液泵依靠曲軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸液和排液，為液壓支架提供乳化液用于支撐頂板。皖北煤電集團(tuán)恒源煤電股份有限公司五溝煤礦(以下簡(jiǎn)稱“五溝煤礦”)采煤工作面采用BRW 315/31.5和BRW 400/31.5型乳化液泵，由于該礦水質(zhì)較差，乳化液泵在日常運(yùn)行中曲軸箱的吸液口表面周圍會(huì)出現(xiàn)不同程度的氣孔、麻點(diǎn)和小坑等破壞形式，致使乳化液泵密封性能降低出現(xiàn)泄壓現(xiàn)象，直接影響工作面液壓支架的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)泄露壓力會(huì)造成人員傷害。

由于出液口屬于密封表面，加工精度較高，目前依靠傳統(tǒng)的手工磨削加工工藝很難進(jìn)行修復(fù)，只能報(bào)廢，造成資源浪費(fèi)，設(shè)備投入成本壓力較大。乳化液泵曲軸箱作為乳化液泵的主體承載結(jié)構(gòu)，占乳化液泵整體費(fèi)用的40%，存在更換新件費(fèi)用較高、返廠維修費(fèi)用較大、維修等待周期較長(zhǎng)等問題，嚴(yán)重制約了設(shè)備的修復(fù)利用率，維修乳化液泵曲軸箱成為亟待解決的問題?；诖?，從提高設(shè)備利用率著手，利用現(xiàn)有加工設(shè)備和工作經(jīng)驗(yàn)挖掘設(shè)備“剩余價(jià)值”，經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐制作出一套乳化液泵曲軸箱平面磨削裝置，此套研磨裝置能夠較好地解決磨削加工難的棘手問題。

1 存在的問題與解決思路

1.1 存在的問題

乳化液泵工作時(shí)由于曲軸箱吸液口與泵頭吸液口長(zhǎng)期受到壓力和震動(dòng)氣蝕的多重作用，易使兩處結(jié)合面O型圈損壞，當(dāng)乳化液通過曲軸箱吸液孔和泵頭吸液口縫隙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的局部壓力，就像無(wú)數(shù)子彈頭連續(xù)打擊曲軸箱吸液口和泵頭周圍表面，相對(duì)泵頭采用不銹耐酸鋼材質(zhì)具有良好的耐腐蝕性能和較高的硬度來說，鑄鐵曲軸箱首先會(huì)遭到破壞，造成曲軸箱吸液口周圍表面產(chǎn)生氣蝕剝落，同時(shí)液體中夾雜活性氣體腐蝕曲軸箱吸液口表面，導(dǎo)致漏液和竄液，長(zhǎng)期運(yùn)行將會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)甚至表面脫落出現(xiàn)小坑，這將導(dǎo)致乳化液泵站不能正常工作。曲軸箱采用高強(qiáng)度鑄鐵整體鑄造而成，是安裝曲軸、減速齒輪箱、連桿、滑塊、高壓缸套及泵頭等部件的基架，又是運(yùn)動(dòng)過程中的主要受力構(gòu)件，由于曲軸箱具有尺寸精度高、形狀復(fù)雜、運(yùn)行中載荷大、表面耐磨性要求高等特點(diǎn)，因而曲軸箱修復(fù)難度較大。五溝煤礦維修現(xiàn)狀如下所述。

(1)五溝煤礦井下工作環(huán)境惡劣，設(shè)備運(yùn)行管理維護(hù)困難，漏液、竄液致使曲軸箱出現(xiàn)麻點(diǎn)現(xiàn)象。損壞的曲軸箱在井下作業(yè)面不具備拆除維修條件。

(2)由于曲軸箱價(jià)格較高，且曲軸箱占整臺(tái)乳化液泵成本的40%，導(dǎo)致整臺(tái)乳化液泵基本沒有修復(fù)價(jià)值。

(3)設(shè)備升井后的維修方法是將氣蝕的部分切割去除后堆焊，利用電磨頭手工打磨平整，此工藝全依賴職工技術(shù)能力和工作經(jīng)驗(yàn)，很難獲得較高的維修質(zhì)量，后期應(yīng)用效果較差，使用壽命得不到保障。

1.2 解決思路

針對(duì)以上制約難題，維修技術(shù)人員從多角度出發(fā)詳細(xì)改進(jìn)維修方案，利用曲軸箱鑄造結(jié)構(gòu)的良好切削加工性能和有規(guī)律的圓周形狀的損壞形式等特點(diǎn)，配合Z3050×16/Ⅰ搖臂鉆床，研制出一套莫氏5號(hào)錐柄磨削裝置，此裝置安裝在搖臂鉆床旋轉(zhuǎn)主軸上，對(duì)損壞的曲軸箱表面進(jìn)行磨削加工至原設(shè)計(jì)平面精度。此套磨削裝置改變了原有落后的修復(fù)方法，錐柄磨削裝置能與搖臂鉆床主軸緊密地配合，依靠摩擦力傳遞扭矩，磨削均勻平穩(wěn)，可對(duì)待修復(fù)的表面進(jìn)行機(jī)械式地修整，在有效解決全依賴職工技術(shù)能力和工作經(jīng)驗(yàn)問題的同時(shí)，提升了修復(fù)質(zhì)量和修復(fù)效率。

2 結(jié)構(gòu)分析

乳化液泵曲軸箱平面磨削裝置由莫氏5號(hào)錐柄、錐柄夾持器、高強(qiáng)度螺栓、碳化硅磨料四大部分組成。莫氏5號(hào)錐柄與錐柄夾持器材料均選用40 Cr，硬度達(dá)到HRC 45～55，莫氏5號(hào)錐柄與錐柄夾持器整體車削加工而成。莫氏5號(hào)錐柄用于靜配合能夠得到高精確定位。由于錐度較小，利用摩擦力的原理可以傳遞一定的扭矩，又因?yàn)槭清F度配合，所以可以方便地拆卸。在同一錐度的一定范圍內(nèi)，工件可以自由拆裝,同時(shí)在工作時(shí)又不會(huì)影響到使用效果，比如鉆孔的錐柄鉆，如果使用中需要拆卸鉆頭磨削，拆卸后重新裝上不會(huì)影響鉆頭的中心位置，實(shí)現(xiàn)自由切換。

錐柄夾持器部分采用圓柱狀外形，轉(zhuǎn)接套端部采用中空結(jié)構(gòu)配置M12內(nèi)螺紋的形式，利用M12高強(qiáng)度螺栓作為固定碳化硅磨料砂輪所用?；谇S箱損壞區(qū)域在進(jìn)液口和出液口附近呈圓周形均勻分布的形狀位置特點(diǎn)，其待磨削區(qū)域均勻分布在進(jìn)液口和出液口外水平表面處，在錐柄夾持器部分安裝的磨料砂輪能夠很好地與曲軸箱的進(jìn)液口和出液口外形尺寸巧妙配合，實(shí)現(xiàn)均勻平滑進(jìn)給磨削。

砂輪磨削磨料的使用根據(jù)曲軸箱的材料性質(zhì)、熱處理方法、工件形狀、尺寸及加工形式和技術(shù)要求等合理選用砂輪片磨料。安裝應(yīng)用時(shí)，將砂輪片居中安裝在刀桿前端面上用螺栓壓緊，把莫氏5號(hào)錐柄安裝在鉆床旋轉(zhuǎn)主軸錐柄套筒中，合理選擇切削用量和進(jìn)給量便可對(duì)待磨表面進(jìn)行磨削加工。

3 修復(fù)流程

由于曲軸箱在使用過程中承受較高的交變載荷，因此在修復(fù)前需要根據(jù)曲軸箱的工作環(huán)境、介質(zhì)、溫度及成本等多種因素進(jìn)行綜合考慮后處理。要求修復(fù)單位既應(yīng)該有負(fù)責(zé)焊接的技術(shù)人員、檢查人員和檢測(cè)人員，又應(yīng)該有焊接工藝要求的焊接設(shè)備并保持完好狀態(tài)，還應(yīng)該有保證焊接質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的焊接措施。修復(fù)單位應(yīng)首先編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書并試焊，對(duì)首次使用的焊材、方法、焊后熱處理設(shè)備進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并根據(jù)評(píng)定報(bào)告確定焊接工藝，制訂修復(fù)方案，采取防止變形和消除應(yīng)力的措施。在修復(fù)曲軸箱過程中，需要對(duì)施焊人員、焊接設(shè)備、焊接材料、焊接環(huán)境和工藝進(jìn)行良好控制，保證修復(fù)和后續(xù)使用的安全性和可靠性。

3.1 清理觀察

拆解并清洗箱體，對(duì)需要修復(fù)的曲軸箱采用煤油清洗，以清除工件表面的油污及浮銹，觀察是否存在裂紋、劃痕及拉傷等。

3.2 測(cè)量檢測(cè)

檢測(cè)曲軸箱形狀尺寸以及完整性，用千分尺檢測(cè)表面磨損量；用校驗(yàn)儀檢測(cè)是否存在彎曲、扭曲等變形；用金屬探傷儀檢測(cè)內(nèi)部是否存在裂紋。

3.3 修復(fù)加工

由于曲軸箱以高強(qiáng)度鑄鐵制造，因此采用氣焊、電弧焊和釬焊等工藝修補(bǔ)。在補(bǔ)焊前，用搖臂鉆將麻點(diǎn)小坑去除以增加焊接結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)曲軸箱的標(biāo)準(zhǔn)尺寸對(duì)曲軸箱進(jìn)行修復(fù)，在施焊過程中，由于對(duì)曲軸箱基體材料加熱，基體材料會(huì)產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變，一方面由于快速加熱和冷卻會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生大量細(xì)密的馬氏體，造成基體熱影響區(qū)產(chǎn)生淬火現(xiàn)象；另一方面由于晶粒在熱作用下，會(huì)產(chǎn)生晶界弱化作用。為了避免以上現(xiàn)象的產(chǎn)生，在施焊前打止裂孔、開坡口、清洗、工件修補(bǔ)部位進(jìn)行循序漸進(jìn)地預(yù)熱，避免熱應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生。采用小電流短段斷續(xù)分散補(bǔ)焊，薄層、分層修補(bǔ)，分層修補(bǔ)焊接時(shí)的層間溫度應(yīng)保持60℃左右(應(yīng)以不燙手為準(zhǔn))，小電流施焊后立即錘擊消除補(bǔ)焊過程中的缺陷，補(bǔ)焊后采取保溫措施減小冷卻速度，利用石棉布覆蓋保溫使其緩冷。乳化泵曲軸箱修復(fù)工藝研究表明，表面焊接層應(yīng)力為張應(yīng)力，張應(yīng)力的存在會(huì)增加開裂傾向，為了降低覆層張應(yīng)力的開裂傾向，焊接后通過人工時(shí)效消除磨削應(yīng)力，通過去應(yīng)力退火消除熱應(yīng)力降低表面張應(yīng)力。

3.4 無(wú)損檢測(cè)

修補(bǔ)完成后利用無(wú)損探傷技術(shù)對(duì)焊接修補(bǔ)后的曲軸箱進(jìn)行檢測(cè)，確保各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)滿足原設(shè)計(jì)文件要求。無(wú)損檢測(cè)采用射線探傷方法進(jìn)行，適用于檢測(cè)鑄件及焊接件等構(gòu)件內(nèi)部缺陷，特別是具有一定空間分布的體積缺陷，射線探傷能夠較直觀地顯示工件內(nèi)部缺陷的大小和形狀，因而易于板頂缺陷的性質(zhì)分析，探傷底片可作為檢驗(yàn)的原始記錄長(zhǎng)期保存。

3.5 安裝應(yīng)用

將修補(bǔ)后的曲軸箱用莫氏5號(hào)錐柄磨削裝置配合搖臂鉆床對(duì)需要修復(fù)的部位進(jìn)行初級(jí)磨削加工至既定尺寸。錐柄刀桿材料選用40Cr，硬度達(dá)到HRC 45～55，刀桿部分車成圓柱形，刀桿伸出端鉆孔攻內(nèi)絲M12螺紋，作為安裝固定砂輪片所用。砂輪片的使用根據(jù)具體情況(如所磨工件的材料性質(zhì)、熱處理方法、工件形狀、尺寸及加工形式和技術(shù)要求等)選用合適的砂輪片。

3.6 磨削加工

將砂輪片安裝在刀桿端面上用螺栓固定牢靠，把莫氏5號(hào)錐柄安裝在鉆床主軸套筒中，合理選擇切削用量和進(jìn)給力便可對(duì)待磨表面進(jìn)行磨削加工。由于曲軸箱是采用鑄鐵材料鑄造加工而成，其加工表面粗糙度為6.3 μm，選擇碳化硅砂輪片，該磨料具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性等特點(diǎn)，適用于鑄鐵、黃銅、耐火材料及非金屬材料的磨削加工。作為初次研磨工具，將多余焊層進(jìn)行初次磨削，在磨削過程中合理控制箱體平面度，待初次磨削后選用棕白混合磨料進(jìn)行研磨修整，以達(dá)到理想的表面質(zhì)量和粗糙度要求。

4 效益分析

4.1 社會(huì)效益

(1)乳化液泵曲軸箱平面磨削裝置修復(fù)工藝形成的熱應(yīng)力小，曲軸箱修復(fù)層與原基體結(jié)合力和致密性高，并具有較高的表面硬度和耐磨性，在承受載荷的過程中不會(huì)出現(xiàn)修復(fù)層破壞。該磨削裝置在使用過程中具有安全可靠、成本低、維護(hù)方便等特點(diǎn)，避免了因設(shè)備的局部損壞而報(bào)廢整套設(shè)備所產(chǎn)生的成本增加問題。

(2)在搖臂鉆床上完成磨削加工修復(fù)，效率高且勞動(dòng)強(qiáng)度低，在有效降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，最大限度地發(fā)揮了現(xiàn)有加工設(shè)備的利用率。

(3)通過實(shí)踐應(yīng)用并經(jīng)射線探傷儀檢驗(yàn)，修復(fù)設(shè)備質(zhì)量符合設(shè)備完好標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地利用了設(shè)備服役時(shí)間，避免了由于曲軸箱吸液口點(diǎn)蝕使整臺(tái)乳化液泵報(bào)廢現(xiàn)象。修復(fù)的乳化液泵經(jīng)一線職工現(xiàn)場(chǎng)使用一段時(shí)間后表明，乳化液泵運(yùn)行平穩(wěn)，壓力流量參數(shù)等符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使用壽命大大提升，取得了良好的安全效益。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)維修費(fèi)用與采購(gòu)新件費(fèi)用進(jìn)行量化對(duì)比，以維修一件曲軸箱為例，從人力、材料、機(jī)械設(shè)備消耗3個(gè)方面統(tǒng)計(jì)共消耗費(fèi)用為1126元，購(gòu)置新件費(fèi)用為12183元，因此修復(fù)后可節(jié)省資金為11057元。全年可修復(fù)乳化液泵曲軸箱共計(jì)11件，可節(jié)約資金121627元。