液压支架关键零部件材料性能分析及工艺研究.pdf

第 2 O卷 第4期 总第 1 2 5期 2 0 1 5年 8月 煤矿 开采 C0AL MI NI NG TECHNOLOGY V o 1 ． 2 0 N o ． 4 S e r i e s N o ． 1 2 5 Au g us t 2 01 5 ■医 固疆 液压支架关键 零部件材料性能分析及工艺研 究 任 怀伟 天地科技股份有限公司 开采设计事业部 ，北京 1 0 0 01 3 [ 摘要] 针对液压支架在井下承受冲击、腐蚀等恶劣环境条件，造成塑性变形、疲劳、立柱 失效的问题，对液压支架关键元部件材料进行性能分析，提 出材料质量一致性、机械及抗腐蚀性能， 以及加工工艺对液压支架可靠性和寿命 的影响；通过 T MC P T h e r mo M e c h a n i c a l C o n t r o l P r o c e s s 技 术提升材料质量稳定性，采用激光熔覆和不锈钢包覆技术提高立柱表面耐腐蚀性，采用刮削滚光工艺 提高零件加工精度和效率。材料性能及加工工艺的升级将有效提升产品品质，大幅提高我国装备制造 水平，提升产品的市场竞争力。 [ 关键词] 液压支架失效；材料质量稳定性；高性能钢板；激光熔覆；刮削滚光 [ 中图分类号]T D 4 0 4 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 5 0 4 ． 0 0 0 1 0 4 Ana l y s i s o f Ke y Co mp o ne n t s’ M a t e r i a l Pr o p e r t y o f Po we r e d Su pp o r t a nd Te c hn i q u e REN Hua i we i C o a l Mi n i n g＆ D e s i g n i n g D e p a r t me n t ，T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e p r o b l e m o f p l a s t i c d e f o r ma t i o n， f a t i gu e，p r o p i n v a l i d a t i o n of p o w e r e d s u p p o rt c a u s e d b y i mp a c t l o a d a n d u n d e g r o u n d s e v e r e e n v i r o n me n t ， b y a n a l y z i n g ma t e r i al p r o p e r t i e s o f p o w e r e d s u p p o ’ S k e y c o mp o n e n t s ， i t wa s p u t f o r w a r d t h a t ma t e r i a l q u ali c o n s i s t e n c y ，me c h a n i c al a n d a n t i c o r r o s i v e p r o p e r t y a n d p r o c e s s i n g t e c h n i q u e w o u l d i n f l u e n c e p o we r e d s u p p o rt’ S r e l i a b i l i t y a n d l i f e ． T MC P t e c h n o l o g y w a s a p p l i e d t o i mp r o v i n g ma t e rial q u ali t y s t a b i l i t y ， l a s e r c l a d d i n g a n d s t a i n l e s s s t e e l c a l d d i n g t e c h n o l o gy w a s a p p l i e d t o i mp r o v i n g p r o p s u r f a c e a n t i c o r r o s i v e ， a n d s c r a p i n g b a r r e l i n g t e c h n i q u e wa s a p p l i e d t o i mp r o v i n g c o mp o n e n t s ’ ma c h i n i n g p r e c i s i o n a n d e f f i c i e n c y ． T h e i mp r o v e me n t o f ma t e r i al q u a l i t y a n d u p g r a d i n g ma c h i n i n g t e c h n i q u e w o u l d e ff e c t i v e l y e n h an c e p r o d u c t q u ali t y， l a r g e l y i mp r o v e e q u i p me n t ma n u f a c t u ri n g l e v e l a n d ma r k e t c o mp e t i t i v e n e s s ． Ke y wo r d sp o we r e d s u p p o rt i n v ali d a t i o n ； ma t e r i al q u ali t y s t a b i l i t y ； h i g h p e rfo r ma n c e s t e e l p l a t e ； l a s e r c l a d d i n g ； s c r a p i n g b a r r e l i n g 1 液压支架失效形式及影响因素 液压支架是煤矿生产 中的重要设 备 ，是支撑、 维护顶板 和保 障井下安全生产 的关键⋯ 。液压支 架主体部件可分 为结构件 顶 梁、掩护梁 、连杆 和底座 以及立柱、千斤顶 两类 ，其失效 形式和 影响因素也各不相 同。 随着工作面推进 ，上覆岩层周期性断裂 ，来压 强烈 ，支架必须承受这种反复冲击的影响。当液压 支架承受载荷和冲击后，其应力高于材料的屈服极 限后就会发生塑性变形 ，从而产生破坏。同时，随 着采煤机的前进，支架要随之 “ 降立柱一 前移一 升 立柱一 增阻支护”循环工作 ，总是处于减压卸载 、 增阻加压 的状态 。而低周 疲劳 条 件疲 劳极 限 的特点之一就是作用 于零件、构件 的应力水平较 高 ，支架的受力 特点说 明其有很 强的低周疲劳特 性 。液压支架结构件本身是 由高强板焊接而成的， 随着材料强度级别的提高，其屈强比越来越大，裂 纹敏感性越来越高 ，焊接性能越来越差 ，其疲劳 性 能会呈下降态势，而焊接更是加剧 了硬度条件的不 均匀性 ，因而液压支架尤其是高端液压支架很容易 发生疲劳破坏 J 。由此可见 ，液压支 架 的结构 件 主要破坏形式是塑性变形和疲劳失效。 立柱 、千斤顶的失效形式主要有橡塑类密封件 损坏 、管路及接头连接件 损坏 、钢质导 向件损坏 ， 以及缸 、柱损坏等 四类 3 j 。其 中，第 四类失效是 导致立柱损坏 的主要因素。而且 由于该类部件成本 高 一般 占立柱造价 的 6 0 ％ 一8 0 ％ ，给企业造 成的损失也是最大 的。缸、柱损坏主要表现为密封 配合表面锈蚀、拉划碰砸伤、镀铬层起皮脱落等 ， 此外还存在少量涨缸和变形 。影响立柱、千斤顶缸 体性能的主要 因素包括立柱本身 的基体材料、井下 【 收稿日期]2 0 1 4 1 1 0 6 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l l 一 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 5 ． 04． 0 0 1 [ 基金项 目】国家高技术研究发展计划 8 6 3计划课题 两柱 式超 强力放 顶煤液压 支架研制 2 0 1 2 A A 0 6 A 4 0 7 ；国家重 点基础研 究发展 计划 9 7 3计 划课题 深部围岩 自适应支护原理及 系统创新理论 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 2 [ 作者简介]任怀伟 1 9 8 0 一 ，男，河北廊坊人，副研究员，主要从事液压支架计算机辅助设计、结构分析及优化等方面的研究。 [ 引用格式 ]任怀伟 ．液压支架关键零部件材料 性能分析及工 艺研究 [ J ]．煤矿 开采 ，2 0 1 5 ，2 0 4 1 4，3 1 ． 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 2 5期 煤矿 开 采 2 0 1 5年第 4期 生产环境及表面处理工艺等。 2 液压支架关键零部件材料性能分析 液压支架主要是 由中厚钢板焊接而成 ，其在井 下承受着巨大的载荷和冲击 ，需要具备很高的强度 和抗冲击能力 。因而，材料的力学性能和质量对于 液压支架性能的优劣具有决定性的影响。 2 ． 1 液压支架结构件材料性能分析 截止到上世纪末 ，国内液压支架所用板材一直 为 1 6 Mn 。随着 近年来 煤矿生产能力 的大幅提升 ， 液压支架的支护阻力越来越大，重量不断增加 ，给 支架生产 、运输带来很 大困难 。为 了降低支架 重 量 ，必须提高材料 的强度等级 。在上世纪九 十年 代 ，开始推广使用 1 5 Mn V N，WH 6 0等 4 5 k g 级 的高 强度钢板 。2 0 0 2年 以后 ，国 内生产能力较强 的 煤机企业陆续开始选用 Q 4 6 0 ，Q 5 5 o ，Q 6 9 o等高强 度钢板 。目前 ，Q 6 9 o已在高端液压支架 中得到广 泛应用。更 高强度等级的 Q 9 6 o ，Q 1 1 0 0等则 在推 杆等局部少量采用 。不 同等级 、不 同厚度规格 的液 压支架用高强度钢板的力学性能见表 1 。 表 1 液压支架用钢 板牌 号及 力学性能 ≥ 1 7 ≥ 1 6 ≥ 1 4 ≥ 1 3 ≥ 1 2 ≥ 1 0 ≥40 ≥40 t4o ≥ 4 0 ≥40 ≥ 3 0 美 国、南非 、德国等采煤先进 国家广泛采用高 技术 、高性能和高度 自动化的设备 ，为保证支架在 工作过程中结构强度的绝对可靠 ，因而大量采用高 强 度 钢 板 。钢 材 强 度 的 屈 服 极 限 达 到 7 0 0 1 0 0 0 MP a 。如德 国目前多用 S T E 7 0 0级 屈服强度 -6 9 0 M P a ，抗拉强度 o r 7 0 09 3 0 MP a 钢材 ， D B T公司生产 的 WS 1 ． 7掩护式液压支架主要 结构 部件就采用 了高强度 优 良钢板 S T E 7 0 0 ，其用量 占 总重的7 0 ％ ，中强度钢板 S T E 5 0 0 o r 5 0 0 MP a 及一般钢板 S T E 3 6 0 or - - 3 4 5 MP a 分别只 占1 4 ％ 和 1 6 ％_ 6 J 。由于材质优 良，强度大 ，主要焊接结 构件的使用寿命 可保证 在井下工作循环次数大 于 3 0 0 0 0次。同时 ，选用高强度钢板使得支架单重只 有 2 0 ． 3 8 t ，较其他具有 相 同参数 的支架 轻 1 ． 5 2 ． 2t 。 随着液压支架用钢强度等级的提升 ，其轧制和 焊接加工的难度越来越大。国内外都在开发多种低 裂纹敏感性 、易焊接的高强度钢板 ，如国内宝钢的 Q 5 5 0 C F D和 Q 6 9 0 C F D等、舞 阳 的 WD B 6 2 0 和 WH 8 0 Q 、鞍钢的超低碳贝氏体钢 H Q 6 8 5 D B 2 0 0 4 年 用 于 山西 晋 城 的 首 套 国产 大 采 高 适 用 支 架 Z Y 8 4 0 0 和 H Q 7 8 5 D B、武钢 的 H Q 7 8 5 D等 。国外 如 日本生产的 H T 5 9 0和 H T 7 8 0 、德国 D i l l i n g e r 生产 的 D i l l i m a x 5 5 0和 D i l l i ma x 6 9 0 、瑞 典 S S A B生产 的 WE L D O X 7 0 0等，都具有 焊接裂纹敏感性指数 低 ， 焊接性能优 良等特点。部分钢材的力学性能见表 2 。 表 2 国内外低焊接裂 纹敏感性钢板 力学性能 2 ． 2 液压支架立柱、千斤顶材料性能分析 立柱 、千斤顶是液压支架的核心动力部件 ，其 所用无缝钢管是保证其有效发挥功能的关键 。目前 国内大部分采用 的钢管是 2 7 S i Mn材质 ，其调质性 能好 ，加工工艺成熟 ，但抗腐蚀性能不足。国内大 型煤机企业正在逐步研发 其替代材料 ，并应 用于 1 2 0 0 0 k N以上的高端液压支架产品中。目前在用的 液压支架用无 缝钢管力学性 能见表 3 [ 8 - 9 ] 。此外 ， 郑煤机还单独研发了 Z D Q 7 0 0缸体材料 ，其抗腐蚀 性能和力学性能均能够满足高端液压支架的要求 。 表 3 液压支架用钢管的力学性能分析 国外液压支架立柱 、千斤顶采用的材料 ，其准 确成分 目前还无法获得 ，但通过某进 口支架缸体材 料力学性能分析 ，以及淬透性 、焊接性能、耐腐蚀 2 性能的试验研究 ，其各 种材料特性都较 国 内产 品 好 ，如表 4所示。 图 1和图 2为某进 口支架外缸和中缸硬度测试 一 一 一 ～ 邶 墨 鼹 罟 8罟 8 n ＼ l r、 l r＼ j r r＼ } 一 O 0 0 0 ／ { r／ l r／ { r／ { 一 r r 加 如 加 ∞ ， { 一 ／ l r ／ { ～ ／ { r r ～ ／ I 一 r r、 r r r ∞ ∞ ∞ ∞ 哪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 任怀伟液压支架关键零部件材料性能分析及工艺研究 2 0 1 5年第4期 表 4 某进 口支架缸筒部分力学性 能分析 材 料 ‰ 外缸5 9 0 ． 3 3 7 0 4 ． 6 7 2 2 7 2 1 8 5 H B 2 3 0 中缸7 5 6 ． 6 3 8 3 1 ． 6 9 2 1 7 2 2 1 3 H B 2 7 0 测试点位置 m 图1 外缸筒横截面由外向内硬度测试 分布 曲线 壁厚3 2 mm l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 01 1 1 2 1 3 1 41 5 1 6 1 7 1 8l 9 ∞ 2 1 2 2 测试点4 t ／ m m 图 2 中缸筒横截 面由外向内硬度测试 分布 曲线 壁厚 3 5 m m 结果。从图中可 以看出 ，进 口产 品热处理后材质硬 度一致性非常好，因而缸体在承受液体压力后 ， 其 内部应力也很均匀 ，不会产生局部应力集 中而造成 损伤。 产出高品质的特殊钢材 ；但在工业用大批量的钢板 生产方面，产品质量稳定性还不够。因此 ，液压支 架结构件则可能出现随机的质量和可靠性问题 。 3 ． 2 材料性能影响 国内钢材在强度、韧性等指标方面与国外产 品 基本一致。但煤矿地质条件复杂 ，设备在井下要承 受 巨大的压力、冲击 以及 大量的 s 0 ，H s ，c 1 一 ， s O 一 等介质 的腐蚀 ，因而对材料抗 疲劳破坏 、裂 纹 敏 感 性、耐 腐 蚀 等 特 殊 性 能 都 有 很 高 的 要 求 ” 。国内钢材往往在这些指标方面有所欠缺， 因而设备可靠性和使用寿命始终落后于进 口产品。 3 ． 3加工工艺影响 材料加工工艺是影响煤机产品可靠性和寿命的 另一重 要 因素 ，机 加工精度 、立柱表 面处理 、焊 接 、热处理等都是关键工序。例如 ，立柱 、千斤顶 基体发生腐蚀的部位往往是 自身存在缺陷的部位， 有机械加工产生的凹坑 、应力疲劳腐蚀点 、晶粒粗 大处 、表面裂纹等 。材料加工质量 的高低会对 设备 的性能产生很大的影响。 国内外液压支架在材料和加工工艺方面的差距 造成 了产品可靠性和使用寿命上 的差别 ，这就是我 国虽然是煤机装备第一生产大国，但产品始终在低 端徘徊 ，且附加值不高的主要因素。因而 ，研发新 材料和先进工艺技术是增强产品可靠性和寿命 的核 心 ，是提升产品品质、提高产品竞争力的关键 。 4提升液压支架产 品性能的材料及工艺技术 3 材料性能及工艺对液压支架可靠性和寿命影响 4 1 高性能钢板生产技术 目前 ，国内液压支架用钢的强度等级 已经和国 外产品差距不大 ，但在材料性能、质量稳定性和加 工工艺方面还有较大劣势 ，并严重影响着产品的可 靠性和寿命 。 3 ． 1 材料质量稳定性影响 材料 质量稳 定性直接影响着液压支架 的可靠 性 ，尤其是产品的延伸率 、应变硬化指数和垂直各 向异性指数等参数对支架结构件的力学性能影响最 大 。板材的技术含量和质量稳定性最能体现一个 国 家钢铁行业 的技术实力。国外板材生产的标准要求 高 ，在各品种、牌号 、规格产品的每一项性能和质 量参数 ，在每一炉罐号、每一带卷 的全部长度与宽 度上保持均匀、稳定 、连续和一致 ，材料质量的稳 定性非常好 。 国内钢铁企业虽然在冶炼 、轧制技术及装备等 方面都有了长足 的进步 ，宝钢等大型企业也能够生 解决材料质量的稳定性 问题 ，需综合采用组织 细化 、固溶强化 、沉淀强化和相变强化等技术 ，兼 顾强度 、韧性 、焊接性及其他性能参数相互关系 ， 合理匹配参数 间的消长与平衡。例如，为充分利用 微合金元素 的综合作用 ，降低钢 的碳 含量及碳 当 量 、改善焊接性能 ，宝钢采用两 阶段轧制和冷却 T MC P T h e r m o - Me c h a n i c a l C o n t r o l P r o c e s s 技术 ， 利用厚板轧机的强力轧制和强制冷却技术 ，充分细 化钢的微观组织结构 ，在大 幅度提高强度的同时， 保证了良好的低温韧性 ；同时，不断优化轧制、冷 却工艺参数及其匹配关系 ，改善钢板板形 。 通过改善钢板成分、控制轧制工艺和冷却工艺 的生产参数 ，解决钢板通常存在的力学性能波动和 平直度差等问题 ，实现稳定的工业化批量生产 ，为 液压支架结构件提供性能稳定的高质量材料。 4 ． 2 新型防腐工艺 立柱、千斤顶内外表面一旦锈蚀 ，就会像磨料 3 珊 瑚抛抛 瑚 o 趔器 雉藤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 2 5期 煤矿 开 采 2 0 1 5年第 4期 一 样加速密封件磨损 ，所以防腐尤为重要。立柱和 千斤顶的活塞杆 、中缸及活柱等外露表面必须要经 过防腐蚀处理。电镀技术是最常见的防腐技术。一 般常见的立柱 、千斤顶中的环套类零件多采用锌镀 层 ，活塞杆 、中缸及 活柱外 表面采用铬镀 层。然 而，由于电镀层较薄、硬度也不够 ，井下立柱千斤 顶表面腐蚀 、损伤情况时有发生 ，而且电镀工艺环 境污染较为严重 ，因此有必要研究新的防腐技术和 工艺。 - 1 激光熔覆技术 激光熔覆技术是通过在 基材表面添加熔覆材料 ，并利用高能密度的激光束 使之与基材表面薄层一起熔凝的方法 ，在基材表面 形成与其为冶金结合的添料熔覆层 ，使工件表面耐 腐蚀 、耐磨损和抗冲击性能大大增强 。 目前 ，立柱激光熔覆加工已经在液压支架再制 造过程中开始应用 ，取得 良好效果 ，如 图 3所示 。 但激光熔覆较电镀成本高 ，原因在于熔覆金属硬度 大 ，后期加工难度大；且熔覆厚度较厚 ，后期加工 量也较大 。 图 3立 柱 外 表 面 激 光 熔 覆 加 工 2 不锈钢保护层技术 不锈钢保护层技术 也称为不锈钢包覆工艺 ，可用于缸筒内部及活塞杆 和中缸外 圆的防腐 。不锈钢保护层是一种高性能防 腐贵金属保护层 ，可根据母材规格形状进行加工。 实现这种保护层有 2种方法 卷焊法 和强力旋压 法 。强力旋压法又分为 内径旋压和外径旋压 2种 ， 分别用于缸筒 内表面和活塞杆外表面 。 不锈钢保护层技术特别适合于复杂的高腐蚀性 条件下使 用 ，可大幅提高缸筒 的防腐 性能和可靠 性 。不锈钢保护层耗能低 ，不会造成环境污染 ，但 其加工技术要求高 ，成本较高 ，且其与基体的结合 度无法达到冶金结合的程度 ，应用受到一定限制。 3 刮削滚光工 艺技术受 限于 国内基础工 业 的水平 ，国产立柱、千斤顶加工制造的精度及粗 糙度普遍不高，严重影响了产品性能的发挥 ，降低 了产品质量和使用寿命。珩磨和滚压是最为常用的 两种精加工方法。立柱表 面粗糙度应 保持适度 的 4 值 ，太大会损坏密封 ，太小储油性能不好同样会有 问题 。珩磨加工工艺效果较好 ，但 加工效率太低 ； 滚压加工效率高，但要求加工前 的表面也要达到较 高的表面粗糙度 ，否则滚压效果难 以保证。为此 ， 引进 了刮削滚光的方法。 刮削滚光是把粗镗 、半精镗、精镗、滚压 4道 工序合并为一 ，利用工作时工件对镗滚压头上滚柱 的反作用力来支承镗滚头，这样既保证镗刀的稳定 切削 ，提高镗杆的刚性 ，又使镗削和滚压得以同时 进行 ，提高生产效率。刮削滚光加工效果与珩磨相 近，粗糙度能达 到 R ≤0 ． 6 u rn左 右 ，缸筒外表 面 硬度提 高约 3 0 ％ ，表面疲 劳强度 提高 2 5 ％ 以上 ， 且其加工效率较珩磨高 出几 十倍 。油缸经过滚压 后 ，表面没有锋利的微小刃口，长时间的运动摩擦 也不会损伤密封圈或密封件。若只考虑缸筒影 响， 油缸使用寿命可提高 2～ 3倍 。 5结论 提高液压支架的寿命和可靠性必须从源头抓 起 ，材料性能和加工处理工艺是保证质量和可靠性 的基础和根本。由于在激烈的竞争中，我 国企业无 法摆脱价格战的模式 ，在成本的约束下不能保证产 品材料的高等级以及精细化加工。但随着煤炭工业 的发展，高端装备需求快速增加，迫使装备制造企 业竞争升级 ，开始注重材料和工艺研究。本文通过 试验对液压支架关键元部件材料进行性能分析 ，研 究材料性 能及工艺对液压支架可靠性 和寿命 的影 响，给出提升材料质量均匀性 、表面耐腐蚀性以及 提高零件加工精度的技术方法。这对提升产品品质 具有重要作用 ，可大幅提高我 国装备制造水平 ，提 升产品的市场竞争力。 [ 参考文献] [ 1 ]王 国法 ．液 压支 架 技 术[ M]．北 京 煤 炭 工业 出 版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 2]李博 ．液压支架动载特性及疲劳寿命分析 [ D]．太 原 太 原理工大学 ，2 o 1 3 ． [ 3]王国法 ，徐亚军 ，任怀 伟 ，等 ．高 端液压 支架及 先进制造 技 术 [ M]．北京 煤 炭工业 出版社 ，2 O l O ． [ 4]周玉亮 ．液压支架双 伸缩立柱失效 形式 的研究 与分析 [ J ]． 煤矿机械 ，2 0 0 9，3 0 1 2 6 8 - 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