采煤機(jī)調(diào)高千斤頂失效分析及預(yù)防措施

徐志鵬， 劉 晟， 萬宏鳳

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司， 河南 鄭州 450016；3.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450010）

0 引言

采煤機(jī)是煤礦綜采工作面生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，在綜采面生產(chǎn)過程中需要根據(jù)頂板高度變化適時(shí)地調(diào)節(jié)滾筒高度， 而滾筒高度升降主要通過調(diào)高千斤頂?shù)纳炜s來實(shí)現(xiàn)的，另外來自煤炭截割的沖擊力通過滾筒、搖臂最終也作用于調(diào)高千斤頂。因此，調(diào)高千斤頂在采煤機(jī)生產(chǎn)過程中始終承受著循環(huán)交變的載荷[1-3]，其可靠性將直接影響到采煤機(jī)是否能夠正常工作， 甚至綜采工作面能否能夠正常生產(chǎn)； 另外， 由于調(diào)高千斤頂內(nèi)部均為高壓液體，一旦由于疲勞等原因發(fā)生千斤頂爆裂的情況，還將造成極大的人員危害與經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。 因此，本文在煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際失效案例的基礎(chǔ)上充分利用化學(xué)分析、 力學(xué)性能檢測(cè)、組織和斷口微觀分析等手段，對(duì)某煤礦調(diào)高千斤頂開裂油缸進(jìn)行了失效機(jī)理研究， 以期能夠?yàn)樘岣卟擅簷C(jī)調(diào)高千斤頂?shù)钠趶?qiáng)度和壽命提供借鑒作用， 并為煤礦綜采工作面的安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供保障。

1 組織性能分析

某煤礦綜采工作面采煤機(jī)調(diào)高千斤頂在工作過程中出現(xiàn)外缸筒開裂情況并最終導(dǎo)致油缸整體失效。 首先，對(duì)調(diào)高千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)分析可知，千斤頂外缸筒結(jié)構(gòu)圖主要由缸筒、加強(qiáng)套、接頭座和吊環(huán)等組成。 而后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)失效起因進(jìn)行初步判斷，通過圖1 所示的現(xiàn)場(chǎng)照片進(jìn)行比對(duì)并對(duì)斷口處的解剖分析能夠發(fā)現(xiàn)：外缸筒起裂位置位于圖中箭頭所示的方形接頭座拐角焊縫焊趾部位，隨著工作過程中調(diào)高千斤頂?shù)难h(huán)交變受力，裂紋逐漸向缸筒的上、下兩個(gè)方向同時(shí)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致缸筒整體開裂。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)失效情況

1.1 化學(xué)成分

失效調(diào)高千斤頂外缸筒材質(zhì)為27SiMn， 熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理，為確定缸筒材質(zhì)是否滿足GB/T 3077—1999 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本文對(duì)外缸筒進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1 所示。 其中，C 含量為0.31%符合0.24%～0.32%的國標(biāo)要求，S 含量為0.008%符合0.035%以內(nèi)的國標(biāo)要求，Si 含量為1.34%符合1.10%～1.40%的國標(biāo)要求，Mn 含量為1.31%符合1.10%～1.40%的國標(biāo)要求，P 含量為0.016%符合0.035%以內(nèi)的國標(biāo)要求，Cr 含量為0.29%符合0.20%以內(nèi)的國標(biāo)要求，Ni 含量為0.12%符合0.30%以內(nèi)的國標(biāo)要求。 通過以上分析比對(duì)可知開裂外缸筒的各項(xiàng)化學(xué)成分均達(dá)到了國標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求， 因此可以判定該外缸筒的開裂與其化學(xué)成分間不存在直接相關(guān)性。

表1 化學(xué)成分

1.2 力學(xué)性能

為了進(jìn)一步研判調(diào)高千斤頂外缸筒的開裂失效與其力學(xué)性能是否具有相關(guān)性， 本文按照GB/T 2975—1998標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定， 從調(diào)高千斤頂外缸筒先后取出3 個(gè)試樣，并且分別開展了沖擊、拉伸實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如表2所示。 從表中可以看出，除了延伸率均值為24%，斷面收縮率均值為58%能夠達(dá)到國標(biāo)要求之外； 屈服強(qiáng)度均值為463MPa 未達(dá)到不小于835MPa 的國標(biāo)要求，拉伸強(qiáng)度均值為741MPa 未達(dá)到不小于980MPa 的國標(biāo)要求，0℃時(shí)沖擊功均值為21J 未達(dá)到不小于39J 的國標(biāo)要求。 通過以上數(shù)據(jù)可以看出， 開裂外缸筒材料的多項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)低于GB/T 3077—1999 調(diào)質(zhì)處理狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。 因此，初步判定材料的熱處理過程和狀態(tài)存在一定問題， 導(dǎo)致采煤機(jī)工作過程中在頻繁遇到煤層過硬、 搖臂工作阻力過大的情況下， 較低的材料強(qiáng)度成為了調(diào)高千斤頂外缸筒開裂的原因之一[6-7]。

表2 力學(xué)性能

1.3 微觀組織

在明確了失效千斤頂外缸筒的開裂失效與其力學(xué)性能之間相關(guān)性之后， 本文對(duì)外缸筒試樣的微觀組織進(jìn)行了分析， 以研判外缸筒的失效是否由于調(diào)質(zhì)處理階段的缺陷所，其結(jié)果見圖2。 從圖中可以看出，試樣屬于典型的正回火組織[8-10]，由鐵素體、珠光體和上貝氏體組成，其中鐵素體和珠光體的占比最大，上貝氏體僅占很少部分。然而，在觀察中未見基體回火索氏體組織，初步判斷由于淬火溫度未達(dá)到便回火； 或者淬火時(shí)過早出水產(chǎn)生高溫回火脆性； 亦或回火時(shí)間過短所致。

圖2 失效缸筒微觀組織（×500）

為了進(jìn)一步確定缸筒失效的具體方式， 本文對(duì)外缸筒斷裂區(qū)進(jìn)行了宏觀與微觀組織分析。 從圖3 所示的宏觀組織圖中可以看出平滑的平斷口特征， 并且在個(gè)別區(qū)域中出現(xiàn)貝殼狀紋路，由此可以判斷出該斷口為疲勞失效； 并且可以看出區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出大量疲勞輝紋， 進(jìn)一步作證了該斷口為疲勞失效的判斷。 從圖4 所示的微觀圖中可以看出， 斷裂區(qū)域內(nèi)存在典型的斷裂韌窩， 由此判斷其失效并非由脆性斷裂所引發(fā)[11-13]。結(jié)合上述分析可以判定該千斤頂外缸筒斷裂事故由疲勞失效所導(dǎo)致[14-15]。

圖3 斷裂區(qū)宏觀組織

圖4 斷裂區(qū)微觀組織

2 失效機(jī)理與改進(jìn)措施

為了進(jìn)一步明確千斤頂?shù)氖C(jī)理， 文本解剖了失效的千斤頂外缸體， 在觀察斷裂區(qū)域的特征分析中發(fā)現(xiàn)失效起始于一處接頭焊縫，而后裂紋延焊縫向兩端發(fā)展。由此可知， 接頭焊縫處如圖5 所示為缺陷集中區(qū)域，并且此處的焊接應(yīng)力較為集中， 采煤機(jī)工作過程中調(diào)高千斤頂處于循環(huán)加載狀態(tài)， 當(dāng)集中的應(yīng)力超過了缺陷區(qū)域所能承受的最大值時(shí)便產(chǎn)生了初始的裂紋， 此后裂紋在采煤機(jī)滾筒應(yīng)力的循環(huán)作用下向兩端延伸。其次，由于外缸筒熱處理過程中存在問題， 導(dǎo)致外缸筒微觀組織中鐵素體、珠光體與上貝氏體共存，因?yàn)殍F素體碳的過飽和度低，加之上貝氏體形成于高溫狀態(tài)，因而導(dǎo)致材料的強(qiáng)度低且硬度低[16-17]。 另外，碳化物呈現(xiàn)粗大顆粒狀在鐵素體間呈現(xiàn)出條狀分布狀態(tài)， 為裂紋產(chǎn)生后的擴(kuò)展提供了路徑，或者在遇到?jīng)_擊時(shí)在鐵素體之間出現(xiàn)脆斷[18-19]。 在查閱失效缸筒生產(chǎn)商的焊接現(xiàn)場(chǎng)記錄時(shí)發(fā)現(xiàn)在對(duì)接頭座進(jìn)行焊接前沒有進(jìn)行任何預(yù)熱操作。而27SiMn 材質(zhì)的碳含量以及鋼淬硬傾向均較大， 由于焊接過程中電流過大使得焊接熱輸入過大，增加了焊縫的冷裂傾向。 并且，接頭座處的焊縫與母材見的過渡性較差， 加劇了集中應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生裂紋并不斷延伸的概率。

圖5 千斤頂外缸筒開裂分析示意圖

通過以上綜合檢測(cè)分析明確了該采煤機(jī)調(diào)高千斤頂外缸筒開裂為疲勞失效的結(jié)論， 其失效原因是由于焊接工藝不達(dá)標(biāo)、焊縫成型不良，并且后續(xù)熱處理工藝未按要求實(shí)施，導(dǎo)致焊接處強(qiáng)度韌性差，在外界集中應(yīng)力的作用下形成了焊接冷裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展。 為了預(yù)防此類采煤機(jī)調(diào)高千斤頂開裂失效的發(fā)生， 本文在對(duì)此次調(diào)高千斤頂開裂失效問題進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上， 結(jié)合相關(guān)焊接工藝評(píng)定以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出以下預(yù)防措施： 焊接電流應(yīng)控制在240～260A 、焊接電壓應(yīng)控制在26～28V、焊接速度應(yīng)控制在25～30m/h； 焊接前需要將焊縫預(yù)熱至100～150℃，焊接后需要將焊縫覆蓋上防火棉并逐步緩冷至室溫；冷卻后需要進(jìn)行焊趾修磨，確保焊縫與母材之間過渡圓滑，從而減少應(yīng)力集中[20-21]。

3 結(jié)束語

針對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)采煤機(jī)調(diào)高千斤頂?shù)耐飧淄查_裂問題，本文通過化學(xué)成份、力學(xué)性能以及微觀組織的分析對(duì)開裂失效的機(jī)理進(jìn)行細(xì)致的分析研究。 得出了采煤機(jī)千斤頂失效是由于焊接工藝不達(dá)標(biāo)、 焊縫成型不良產(chǎn)生的冷裂紋，以及后續(xù)熱處理工藝未按要求實(shí)施所導(dǎo)致的。并且本文在失效分析的基礎(chǔ)上， 結(jié)合焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)要求以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出了優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，增加焊前預(yù)熱，降低焊接熱輸入，焊趾修磨等一系列改進(jìn)措施，以期能夠有效預(yù)防此類采煤機(jī)調(diào)高千斤頂開裂失效問題的發(fā)生，為煤礦綜采工作面的安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供保障。