液壓支架綠色設計及關鍵零部件再制造技術研究

摘要：為降低資源消耗、減少環境污染，實施液壓支架綠色設計、推廣再制造產業勢在必行。文章介紹了支架綠色設計的內涵和特點，并就支架密封理論與技術的現狀及發展趨勢、水壓傳動的可行性及研究進展等關鍵問題進行了探討。

關鍵詞：液壓支架；綠色設計；再制造；水壓傳動；支架密封

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）19-0029-02

為從根本上解決環境污染問題，近年來在全球范圍內掀起了一股綠色消費浪潮，綠色設計應運而生，相應的綠色產品的設計理論也成為研究熱點。液壓支架作為煤礦井下關鍵設備，為使支架適應不同的采煤工藝和開采強度，保證開機率和使用壽命，我們必須從單純產品設計理念向設備全生命周期設計理念改變，使支架在整個生命周期內發揮功用最大且對環境影響最小，防止煤礦裝備盲目追求大型化，實現煤炭科學生產和煤機制造企業的可持續發展。

1 液壓支架綠色設計的內涵和特點

綠色設計的根本思想是在產品的整個生命周期內，優先考慮其環境屬性，如可拆卸性、可回收性、可維修性、可重復利用性等，并將環境性能作為產品的設計目標和出發點，在滿足環境目標的前提下，保證產品應有的功能、使用壽命、經濟性和質量等，并力求資源利用合理化、廢物產生少量化、對環境無污染或少污染。

液壓支架的綠色設計就是要考慮采用高水基乳化液甚至純水等環境友好型傳動介質，并且系統少泄漏或低泄漏，工作噪聲較低（<65dB），同時容易拆卸，報廢后可實現回收再制造。隨著液壓支架向重型、高壓、大流量方向發展，其振動噪聲、泄漏、污染及回收再制造尤顯意義重大。

2 加強密封理論與技術研究，最大限度減少系統泄露

液壓支架在井下工作環境惡劣，系統壓力高、流量大，供液距離長，液壓元件多且密封結構復雜，因此對各密封元件的可靠性及壽命要求較高。長期以來國內密封產品的開發主要是引進、跟蹤和仿制，缺少自主創新，技術攻關只側重結構設計，集成技術研究較少，制造、工藝及檢測手段落后，材料利用率較低，國內同類產品普遍比國外產品重20%～30%。

加強液壓支架密封理論與技術研究，首先要從理論上深入分析液壓支架的密封工況和磨損機理，總結常見失效形式和原因，研制和設計新型密封結構，提出合理的技術指標，提高密封可靠性。近年來，隨著密封理論研究的深入，新型無模切削加工聚氨醋密封被廣泛使用，支架密封效果大大改善，可靠性顯著提高。

3 開展水介質液壓支架基礎理論研究，創建潔凈礦山

水壓傳動以淡水或海水作為傳動介質，具有保護環境、節省資源和能源等綠色特性。

液壓支架的工作介質為乳化液，為了防腐，缸體、活塞桿、液壓閥的閥芯及閥套等表面均需電鍍，對工廠周圍的環境造成了嚴重污染。另外，為了減少膠管數量，支架立柱及千斤頂的安全閥不接回液管路，安全閥開啟時，帶壓乳化液直接排向采空區，嚴重地污染了礦山周圍的水質和生態環境。

純水作為支架液壓系統的工作介質，仍存在一些技術障礙，主要是：（1）純水黏度低，對較軟的金屬容易產生拉絲腐蝕，加劇泄露；（2）純水具有較強腐蝕性，會加速金屬表面磨損，而且水的pH值及水中寄存的微生物也會對控制系統和閥產生不良影響；（3）純水潤滑性差，高壓時易造成閥芯與閥體直接接觸，加速液壓元件磨損；（4）純水壓傳動易形成氣蝕和水擊，引起系統振動和噪聲。

由于純水與乳化液理化性質不同，現有的支架液壓元件和系統不能直接用于水介質液壓支架，應該針對水壓傳動的特點，認真研究水壓傳動所面臨的關鍵問題，研制新的液壓元件和系統。主要包括：（1）水介質液壓元件閥芯與閥體間的摩擦學研究，深入分析其摩擦機理，充分利用純水極為有限的潤滑作用，切實解決元件的摩擦、磨損及潤滑問題，提高水壓元件和系統的穩定性和可靠性；（2）深入研究水壓元件及系統中氣蝕、水擊的產生機理，降低水壓元件的振動和噪聲，提高系統平穩性；（3）試驗新型耐腐蝕材料在水壓元件中的應用并進行質量、經濟、環境等方面的評估；（4）研制先進的水壓傳動實驗裝置，對水壓元件的尺寸、靜動態特性進行理論分析、計算機仿真和實驗驗證，為水介質液壓支架液壓元件設計和制造提供理論依據。

4 推廣液壓支架關鍵零部件再制造技術，實現資源可重復利用

4.1 液壓支架關鍵零部件再制造的產生與定義

1999年，徐濱士院士首提再制造概念。按照徐院士的觀點，液壓支架關鍵零部件的再制造是指以支架全壽命周期理論為指導，以報廢或落后的液壓支架為對象，以尺寸、性能恢復和技術改造為內容，充分吸納材料表面工程等技術，進行的正規化、規模化生產。

4.2 液壓支架立柱、千斤頂等關鍵零部件再制造過程中的關鍵技術

液壓支架的各種功能都是通過立柱和千斤頂的伸縮動作來實現。支架井下工作環境惡劣，受溫度、濕度和巖石崩落等影響，極易造成立柱、千斤頂缸體和活塞桿鍍鉻層剝落，同時缸筒內徑磨損變大，造成液體泄露，導致支架整架失效。

目前，國內對立柱、千斤頂的再制造處理是首先進行拆卸、清洗，檢測活塞桿及缸筒磨損程度，根據磨損程度的不同采取不同的技術工藝，達到圖紙幾何精度。主要包括：（1）化學鍍技術。其原理是不需要通電，利用強還原劑在含有金屬離子的溶液中，將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成致密鍍層的方法。鍍液不含有害物質，屬國家倡導的節能環保工藝。可用此技術來修復缸體、活塞桿等易磨損件。對磨損較小（<0.1mm）的缸體采用化學鍍Ni-P合金或Ni-P-B合金；對磨損較大（0.l～1mm）的油缸缸體采用鍍鐵+化學鍍Ni-P合金。（2）不銹鋼鑲套滾壓復合技術。不銹鋼鑲套技術是對缸體內壁摩擦超差表面進行鏜削處理，然后將不銹鋼套裝入缸體，再快速一次性旋壓缸體內孔，使不銹鋼鋼套與缸體內壁形成“螺紋”緊密聯接，成為復合體油缸，使缸徑內孔尺寸恢復到原設計尺寸。該技術主要是針對磨損較大（>1mm）的油缸缸體進行修復，采用此技術既增加了材料表面硬度，又提高了耐腐蝕性。

此外，等離子熔覆技術可以使熔覆表面耐磨壽命提高2～3倍，可用此技術來修復液壓支架的柱窩、柱帽等

構件。

5 結語

（1）良好的可拆卸性是支架維護性好、材料可回收利用的重要保證。因此，在支架設計初期就要充分考慮結構拆卸的難易，提出切實可行、經濟的設計目標和方案，把技術和經濟成本降到最低。

（2）深入研究和推廣低泄漏、高可靠性液壓支架密封理論與技術，可以提高支架整體壽命和可靠性；開展水介質液壓支架基礎理論研究，試驗新材料、新制造工藝；創建潔凈礦山，實現礦山及周邊地區的可持續

發展。

參考文獻

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作者簡介：蘇磊（1987-），男，江蘇徐州人，神華神東煤炭集團公司三道溝煤礦管理處機電隊隊長，研究方向：煤礦機電管理。endprint