液壓支架立柱千斤頂失效分析及預防措施

王雷

摘 要：液壓支架是綜采工作面的主要設備，在煤礦開采中主要起支撐、控制工作面頂板和推進刮板輸送機的作用。立柱千斤頂為液壓支架主要動力結構，起到升降和支撐液壓支架的重要作用，由于其使用高壓乳化液，一旦由于疲勞破壞等原因發生千斤頂爆裂，將會造成極大的危害與損失。本文利用化學成分分析、力學性能檢測、組織和斷口微觀分析等手段，對某液壓支架立柱千斤頂的缸筒開裂進行了失效機理分析，為提高煤礦千斤頂疲勞強度和壽命提供借鑒。

關鍵詞：液壓支架;立柱千斤頂;失效分析;焊接工藝

1立柱和千斤頂的結構介紹

1.1立柱的結構

立柱是幫助液壓支架實現承載以及支撐功能的重要構造，根據伸縮的級數，立柱可分為以下三種類型，分別是三伸縮（較少使用）、雙伸縮以及單伸縮（加長桿）。其中，雙伸縮立柱型是由以下部件構成，分別是內活柱構成2級缸、外活柱構成1級缸、導向套以及活塞等。單伸縮立柱分為帶機械以及不帶機械加長桿。具體而言，構成單伸縮立柱的主要構造有缸體、活塞、連接件以及密封件等。

1.2千斤頂的結構

各類千斤頂在液壓支架工作中完成狀態調整、護幫、推移或拉移運輸機等工作，按結構的不同可以分為柱塞式和活塞式兩種。千斤頂的結構包括缸體、活塞、活塞桿、導向套、支撐環、密封件等。

2立柱千斤頂漏液故障原因分析

2.1漏液故障類型

a）缸口漏液。缸口漏液現象主要是由導向套外圓或內圓密封失效造成的。當導向套外圓密封失效時，會造成導向套與缸口之間出現漏液現象;當導向套內圓密封失效時，會造成導向套與活塞桿之間出現漏液現象。缸口漏液現象能夠從立柱外部直接觀察到。b）--活塞漏液。活塞漏液主要是因活塞密封失效導致活塞與活塞桿及缸筒之間出現漏液現象，

2.2液壓密封件失效

液壓支架立柱、千斤頂工作介質為含乳化油3%～5% 水包油型乳化液。由泵站提供的高壓液體通過液壓管路、操縱閥組、液控閥等進入液壓缸的底腔（活塞腔），推動活塞帶動活塞桿運動。同時活塞桿腔液體通過液控閥、操縱閥進入到回液系統，完成液壓缸的動作。

密封件結構設計不合理

密封件是液壓支架的重要配件，必須具有耐磨性、耐腐蝕性、柔韌性、耐水性等性能，在選用密封件時必須充分考慮工作壓力、溫度、沖擊載荷等因素。但是在煤礦實際生產過程中，由于液壓支架密封圈硬度、韌性、彈性等物理性能達不到設計要求，或者密封件溝槽尺寸設計不合理，在使用過程中密封件變形、斷裂、腐蝕等嚴重，導致立柱千斤頂不能正常工作。

B）密封件磨損嚴重

由于在液壓支架工作時乳化液泵會產生高強度壓力，密封件表面產生較大的接觸應力，該應力對密封件外表產生磨損作用;同時，密封件安裝后在千斤頂活塞上存在相對運動，在運動過程中密封件表面產生磨損，從而降低了密封件的密封性能。

2.3液壓支架設計不合理

在實際分析后發現，高端液壓支架的立柱結構一般是雙伸縮式，這種結構缸徑大、千斤頂類型廣，但維修過程繁瑣，不僅需要多種類的試壓試驗框架，而且成本支出也較大。因此，設計研發出分體式試壓試驗構圖，滿足所有種類的立柱和千斤頂的試壓試驗要求極其重要。分體式試壓框架如圖所示。

（1）外部結構

分體式試壓框架的外部結構如圖（a）所示。外部主體結構較為簡單，一般屬于同一框架——分體式試壓框架，作用是平衡試壓試驗時的結構壓力。目前常見的體積最大液壓支架是ZTZ20000/25/38型液壓支架[5]。這種支架的立柱作業阻力達到了3250 kN。壓強的計算公式是：p=F/S式中：p為工作壓強，MPa;F為立柱操作阻力，3250 kN;S為球面局部面積，0.033m2。經計算p=98 MPa。

支架整體結構的連接依靠厚度為30 mm的Q345鋼板，這種構造含有的屈服強度比目前體積最大的液壓支架立柱壓強大好幾倍，因此適用于此項試壓試驗方案。

（2）內部結構

內部結構如圖（b）所示，主要包括底座、底板、行程支撐擋板和球型擋板四部分。底座大小不一，負責平衡所有的立柱和千斤頂，行程支撐擋板負責減少試壓試驗過程中立柱和千斤頂的所耗時程，目的在于整體提高試壓試驗技術水平。不同類型的內部結構均適用于被試件長度1500～4 000 mm，中心高度100～360 mm以及5 000 kN的內加載力，完成了一機多用的目標。

3立柱和千斤頂的失效形式和改善措施

3.1缸體內壁出現銹蝕、坑斑導致立柱和千斤頂動作緩慢或者失效

失效會帶來竄液，從而會引發液壓支架發生自降。產生問題的原因有兩點：第一，乳化液的濃度比3%的標準更低;第二，沒有采用純水乳化液，礦井水元素含量中的氯離子、硫酸根離子超過標準，引發缸壁產生銹蝕。要解決這類問題有兩種措施：嚴格控制乳化液的配比濃度，并且保證該水平至少達到3%及以上的濃度;裝置具有反滲透功能凈化水設備，嚴格控制礦井水含量中各離子在標準值范圍內。

3.2缸體內壁出現拉傷劃痕

與第一種問題一樣，這類失效類型產生的現象同樣是液壓支架立柱及千斤頂出現動作緩慢或者失效，而且竄液也會引發液壓支架發生自降的影響。

產生第二類問題的原因有：乳化液系統中的機械雜質比較多，容易刮傷密封以及缸壁;液壓支架傾斜使得液壓缸發生偏載，引發活塞導向環與缸壁磨損比較嚴重。這類問題的解決辦法有兩種：第一種是及時清洗本架高壓過濾器，并且及時更換損壞的部件;其次，可以對支架的狀態及時進行調整，有效規避偏載。

缸體產生漲缸或者爆裂，導致立柱和千斤頂的功能喪失引發液壓支架自降、降低作業效率問題。產生這種問題的原因有：第一是安全閥發生失效使得外載荷一直增加;第二是缸體磨損比較嚴重，缸壁發生變薄，或者缸體因受力發生變形。應對問題的解決辦法也有兩種：第一，可嚴格按照壓力表對已失效的安全閥進行及時調整更換;第二，可及時更換外壁嚴重銹蝕或者變形的缸體。

導向套處產生漏液，導致機器動作慢或者失效，還會帶來降低效率，浪費乳化液問題。引發這種問題的原因有三點：第一，活塞桿發生變形、彎曲;第二，導向套處缸體銹蝕產生麻坑;第三，導向套密封刮傷或者老化嚴重。解決這類問題的方法也有三種，分別是對彎曲變形的活塞桿及時更換;對不合要求的缸體及時維修更換;采取一定的防護措施，比如，鍍層涂油等，對千斤頂密封及時更換。

結束語：

在綜合應用這些防液壓支架立柱和千斤頂失效措施后，液壓支架立柱和千斤頂失效情況明顯減少，現場生產中液壓缸也不再發生大量損壞的現象，有效延長了液壓支架的整體使用壽命，更好地保障了礦井安全生產。

參考文獻：

[1]劉文龍.研究液壓支架立柱、千斤頂制造的質量控制[J].當代化工研究，2019（09）：34-35.