采煤機(jī)斷裂液壓拉桿修復(fù)技術(shù)探析

楊 光

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同037003）

引言

在滾筒采煤機(jī)中，液壓拉桿是一個(gè)非常重要的輔助單元，其可以與高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行配合，將行走單元連為一體。當(dāng)采煤機(jī)處于復(fù)雜的環(huán)境中，諸如存在煤層抖動(dòng)對(duì)滾筒產(chǎn)生的振動(dòng)，軌道不平整性對(duì)機(jī)械本身產(chǎn)生的抖動(dòng)，這些都會(huì)使得機(jī)械強(qiáng)度急劇下降，更有甚者導(dǎo)致液壓支架出現(xiàn)斷裂。

某礦區(qū)采購(gòu)了幾臺(tái)EKF采煤機(jī)，其都設(shè)計(jì)為液壓拉桿支架，依據(jù)機(jī)型以及功能的不同，可以使用3～4根拉桿進(jìn)行固定。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在礦區(qū)維修區(qū)域存放著大量的斷裂拉桿，不僅占用不必要的資源，而且還會(huì)增加采購(gòu)拉桿的費(fèi)用。因此，假如能夠找到合適的維修工藝可以對(duì)斷裂的拉桿進(jìn)行修復(fù)、測(cè)試以及再利用，這樣不僅可以最大限度優(yōu)化資源，而降低配件的采購(gòu)率，進(jìn)而可以促進(jìn)公司的長(zhǎng)期發(fā)展。

1 液壓拉桿特點(diǎn)

本文以EKF SL900型中最短的S283153號(hào)拉桿為研究目標(biāo)，其主要包括左右牽引單元、聯(lián)接框架3段兩個(gè)單元，如圖1所示。其采用三根液壓拉桿以及相應(yīng)的高強(qiáng)度螺栓形成剛性體，同時(shí)并未設(shè)置托架[1]。

圖1 EKF SL900型主機(jī)與液壓拉桿示意圖

S283153拉桿廠家提供的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 采煤機(jī)液壓拉桿主要性能參數(shù)表 mm

材料力學(xué)中軸向拉桿靜強(qiáng)度：

式中：F為螺母預(yù)緊力，F(xiàn)=1 200 kN；d1為螺紋牙底直徑，73.425 mm。

當(dāng)處于靜載荷的情況下，通常需要控制預(yù)緊力螺栓連接對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)S=1.2～1.5。

其計(jì)算公式如下：

計(jì)算得σs=425.1 MPa＜[σ]。

其拉桿直徑主體單元直徑92 mm＞d1=73.425 mm，這時(shí)拉桿受到的應(yīng)力必須小于425 MPa，該數(shù)值小于維修廠金屬材料拉桿的輕度。

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，拉桿與原直徑相比較發(fā)現(xiàn)，靜強(qiáng)度以及拉升率對(duì)應(yīng)的裕量很大，因此在現(xiàn)實(shí)中修復(fù)裕度較大，同時(shí)可以將斷裂的拉桿進(jìn)行篩選以及修復(fù)再使用。

2 修復(fù)工藝

2.1 拉桿母材分析

為了使得修復(fù)前后的材質(zhì)性能不發(fā)生變化，為此對(duì)多個(gè)拉桿進(jìn)行抽樣化驗(yàn)，下頁(yè)表2表示母材成分。

該型號(hào)的材質(zhì)為：40CrNiMoA，其表面以及相應(yīng)的芯位置的硬度（HRC）為38～42，在組織方面表現(xiàn)為均勻的細(xì)小顆粒，同時(shí)不存在冶金缺陷，該材質(zhì)經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理之后，進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，其中σb=1 100 MPa，伸長(zhǎng)率δb≥12%以及相應(yīng)的斷面收縮率Ψ≥50%。

表2 液壓拉桿材料主要成分表 %

為了保證修復(fù)之后的拉桿能夠達(dá)到原來(lái)的性能，鑒于原材料與熱工藝等，選用的焊材為J857焊條，與此同時(shí)可以提高焊接位置的抗腐蝕性，此外對(duì)于表層而言需要使用奧氏體不銹鋼焊條進(jìn)行覆蓋焊接[2]。

鐵路行業(yè)十分關(guān)心的一些問(wèn)題，如輪軌噪聲、鋼軌粗糙度尤其是波浪形磨耗的萌生和發(fā)展以及車輪多邊形的形成等，從根本上說(shuō)是由于輪軌的高頻相互動(dòng)力作用產(chǎn)生的。在頻(率)域中處理輪軌相互動(dòng)力作用時(shí)，通常需要計(jì)算車輪在輪軌接觸點(diǎn)處的動(dòng)柔度。在過(guò)去，多數(shù)研究者在計(jì)算車輪的動(dòng)柔度時(shí)不考慮車輪的旋轉(zhuǎn)，甚至把車輪當(dāng)成剛體，只有少數(shù)人在做了一定的簡(jiǎn)化后考慮了車輪的旋轉(zhuǎn)。

2.2 焊件的準(zhǔn)備和接頭制備

當(dāng)拉桿出現(xiàn)塑性斷裂時(shí)，出現(xiàn)如下情況均不能進(jìn)行修復(fù)：第一，直徑收縮量超過(guò)6%；第二，桿體上存在較多的變形；第三，單元一根拉桿出現(xiàn)斷裂；第四，螺紋出現(xiàn)損壞等。由此可以看出，在進(jìn)行維修時(shí)，可以選擇2根同直徑的尺寸、完好的部分達(dá)到1/2的斷裂拉桿以及螺紋完好的部分進(jìn)行拼接。

在進(jìn)行修復(fù)的過(guò)程中，通常需要選擇多根斷裂的拉桿，同時(shí)開始對(duì)其進(jìn)行噴砂、噴丸處理。同時(shí)對(duì)于表面而言，需要清理表面油污與腐蝕等，對(duì)拉桿直徑進(jìn)行逐端測(cè)量，對(duì)于直徑超過(guò)6%以上以及彎曲嚴(yán)重的需要將其切斷。為了保證在修復(fù)的過(guò)程中，兩根拉桿都保持相同的同軸度，需要減少焊接工藝以及相應(yīng)的未焊透現(xiàn)象，圖2表示相應(yīng)的拉桿焊接接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖2 拉桿對(duì)接接頭示意圖（單位：mm）

在進(jìn)行車削的過(guò)程中，必須依據(jù)設(shè)計(jì)尺寸對(duì)結(jié)接頭進(jìn)行加工，可以依據(jù)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行切割，必須保證兩個(gè)拉桿件對(duì)接之后總長(zhǎng)度保持下4 850 mm以內(nèi)，在進(jìn)行車削時(shí)保證同軸度以及外圓面，從而可以實(shí)現(xiàn)專用裝夾以及固定工裝工序。

2.3 焊接工藝

在進(jìn)行焊接時(shí)，可以使用挖補(bǔ)焊法，其中焊接的設(shè)備選用瑪瑞IGBT控制直流氫弧焊機(jī)WSM7-400380V400A，而相應(yīng)的打底層選用J857焊條，其直徑參數(shù)為Φ4.0 mm，該面層選用A102焊條，其直徑參數(shù)為Φ4.0 mm，這些焊條在進(jìn)行焊接之前，需要對(duì)其預(yù)熱使溫度達(dá)到250℃，烘烤的時(shí)間設(shè)定為1 h，最后將其放置在保溫線中溫度設(shè)置在100～150℃。

1）首先使用丙酮將接頭位置的乳化液等雜質(zhì)清除，接著使用干燥的壓縮空氣吹風(fēng)把接頭位置的雜物吹掉，接著使用打底焊條在三處呈點(diǎn)焊進(jìn)行固定，最后，使用連接焊打底一圈。

2）把對(duì)接焊頭均勻地劃分為三等分，同時(shí)借助碳弧氣刨第一等分全部接頭，同時(shí)對(duì)表面氧化層進(jìn)行清理，當(dāng)出現(xiàn)金屬光澤時(shí)停止打磨。接著，使用丙酮對(duì)表面進(jìn)行清理，以及使用干燥壓縮空氣將其吹干，最后使用烤槍將其預(yù)熱到150～200℃的范圍內(nèi)。

3）在進(jìn)行打底焊接時(shí)，電流數(shù)值設(shè)置在220～240 A范圍內(nèi)，使用多層多道焊接形式以及相應(yīng)的控制層溫度保持在250～300℃的范圍內(nèi)，直徑方向需要預(yù)留5 mm該面層。當(dāng)已經(jīng)完成焊接后，需要使用覆蓋石棉對(duì)其進(jìn)行保溫。最后，可以通過(guò)敲擊或者局部噴丸等形式消除焊接應(yīng)力。

4）同理對(duì)第二等分接頭進(jìn)行處理與焊接。

5）在對(duì)該面層進(jìn)行焊接式，焊接電流范圍為220～240 A，使用多層多道焊接形式以及相應(yīng)的控制層溫度保持在250～300℃的范圍內(nèi)，在焊接收弧時(shí)，選用回焊的形式，焊道接口可以使用退火處理，同時(shí)需要選用覆蓋石棉將其保溫并緩慢冷卻到溫室。

6）經(jīng)過(guò)拋光打磨，實(shí)施超聲波探傷檢測(cè)，當(dāng)確定不存在焊接缺陷時(shí)，其整體時(shí)效保證在7～10 d，同時(shí)實(shí)施轉(zhuǎn)測(cè)試。

2.4 硬度檢測(cè)

接頭表面的硬度可以選用硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，通常取接頭中間與兩端3個(gè)均等位置，共計(jì)9個(gè)，表3表示相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。

表3 液壓拉桿接頭硬度值情況表

去除檢測(cè)結(jié)果中最大值與最小值，對(duì)所剩下的數(shù)值取平均值，數(shù)值為43，在接頭位置硬度高于材料焊接位置，其在允許的范圍內(nèi)，由此可以看出接頭焊接硬度能夠滿足工程需要，與此同時(shí)其具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，進(jìn)而可以有效地改善拉桿的工況。

對(duì)拉桿進(jìn)行檢測(cè)以及時(shí)效處理，將其設(shè)置在某礦42201-1綜采工作面SL900-6832采煤機(jī)井下進(jìn)行試驗(yàn)，另外還有兩根完好的拉桿，其已經(jīng)工作300 d，完成產(chǎn)量達(dá)到60萬(wàn)t，經(jīng)過(guò)修復(fù)拉桿并未出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，由此可以看出該拉桿滿足工程需要[3]。

3 結(jié)論

1）對(duì)于存在螺紋、桿件多部分以及腐蝕的拉桿，將其報(bào)廢處理，同時(shí)對(duì)其他桿件進(jìn)行修復(fù)。

2）在對(duì)原件表面進(jìn)行處理時(shí)，檢測(cè)母材成分、硬度以及相應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)依據(jù)企業(yè)所具有的條件進(jìn)行修復(fù)以及設(shè)定相應(yīng)的工藝流程。

3）在設(shè)計(jì)接頭時(shí)，首先可以使用車床對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，接著選用相應(yīng)的焊材進(jìn)行焊接修復(fù)，最后對(duì)焊接位置進(jìn)行硬度、探傷以及時(shí)效性處理。

4）保證修復(fù)前后螺紋不變，同時(shí)強(qiáng)度、抗腐蝕性都應(yīng)該滿足工程實(shí)際需要。

5）對(duì)于積壓斷裂的拉桿可以有選擇地進(jìn)行修復(fù)，不僅可以有效地節(jié)約資源，而且可以防止因拉桿短缺而影響工期。與此同時(shí)，可以培養(yǎng)具有特殊修復(fù)能力的焊接工人，因此具有較高的綜合效益。

參考文章

[1]龐俊峰，龐曉麗.薄煤層采煤機(jī)整機(jī)加強(qiáng)及配重方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2019（2）：116-118.

[2]陳洪月，李永紅，鄧文浩，等.滾筒采煤機(jī)液壓拉桿受力分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2018（1）：118-122.

[3]馬英.采煤機(jī)液壓拉桿瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].煤礦開采，2019（1）：45-47.