采煤機調高千斤頂失效分析及預防措施

徐志鵬， 劉 晟， 萬宏鳳

（1.江蘇建筑職業技術學院 智能制造學院， 江蘇 徐州 221116； 2.鄭州煤礦機械集團股份有限公司， 河南 鄭州 450016；3.鄭州職業技術學院， 河南 鄭州 450010）

0 引言

采煤機是煤礦綜采工作面生產過程中的重要設備，在綜采面生產過程中需要根據頂板高度變化適時地調節滾筒高度， 而滾筒高度升降主要通過調高千斤頂的伸縮來實現的，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高千斤頂。因此，調高千斤頂在采煤機生產過程中始終承受著循環交變的載荷[1-3]，其可靠性將直接影響到采煤機是否能夠正常工作， 甚至綜采工作面能否能夠正常生產； 另外， 由于調高千斤頂內部均為高壓液體，一旦由于疲勞等原因發生千斤頂爆裂的情況，還將造成極大的人員危害與經濟損失[4-5]。 因此，本文在煤礦現場實際失效案例的基礎上充分利用化學分析、 力學性能檢測、組織和斷口微觀分析等手段，對某煤礦調高千斤頂開裂油缸進行了失效機理研究， 以期能夠為提高采煤機調高千斤頂的疲勞強度和壽命提供借鑒作用， 并為煤礦綜采工作面的安全穩定生產提供保障。

1 組織性能分析

某煤礦綜采工作面采煤機調高千斤頂在工作過程中出現外缸筒開裂情況并最終導致油缸整體失效。 首先，對調高千斤頂的結構分析可知，千斤頂外缸筒結構圖主要由缸筒、加強套、接頭座和吊環等組成。 而后，結合現場情況對失效起因進行初步判斷，通過圖1 所示的現場照片進行比對并對斷口處的解剖分析能夠發現：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，隨著工作過程中調高千斤頂的循環交變受力，裂紋逐漸向缸筒的上、下兩個方向同時擴展，最終導致缸筒整體開裂。

圖1 現場失效情況

1.1 化學成分

失效調高千斤頂外缸筒材質為27SiMn， 熱處理狀態為調質處理，為確定缸筒材質是否滿足GB/T 3077—1999 相關標準，本文對外缸筒進行了化學成分分析，結果如表1 所示。 其中，C 含量為0.31%符合0.24%～0.32%的國標要求，S 含量為0.008%符合0.035%以內的國標要求，Si 含量為1.34%符合1.10%～1.40%的國標要求，Mn 含量為1.31%符合1.10%～1.40%的國標要求，P 含量為0.016%符合0.035%以內的國標要求，Cr 含量為0.29%符合0.20%以內的國標要求，Ni 含量為0.12%符合0.30%以內的國標要求。 通過以上分析比對可知開裂外缸筒的各項化學成分均達到了國標相關標準要求， 因此可以判定該外缸筒的開裂與其化學成分間不存在直接相關性。

表1 化學成分

1.2 力學性能

為了進一步研判調高千斤頂外缸筒的開裂失效與其力學性能是否具有相關性， 本文按照GB/T 2975—1998標準中的相關規定， 從調高千斤頂外缸筒先后取出3 個試樣，并且分別開展了沖擊、拉伸實驗，所得數據如表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%能夠達到國標要求之外； 屈服強度均值為463MPa 未達到不小于835MPa 的國標要求，拉伸強度均值為741MPa 未達到不小于980MPa 的國標要求，0℃時沖擊功均值為21J 未達到不小于39J 的國標要求。 通過以上數據可以看出， 開裂外缸筒材料的多項力學性能指標低于GB/T 3077—1999 調質處理狀態標準。 因此，初步判定材料的熱處理過程和狀態存在一定問題， 導致采煤機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， 較低的材料強度成為了調高千斤頂外缸筒開裂的原因之一[6-7]。

表2 力學性能

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性能之間相關性之后， 本文對外缸筒試樣的微觀組織進行了分析， 以研判外缸筒的失效是否由于調質處理階段的缺陷所，其結果見圖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到便回火； 或者淬火時過早出水產生高溫回火脆性； 亦或回火時間過短所致。

圖2 失效缸筒微觀組織（×500）

為了進一步確定缸筒失效的具體方式， 本文對外缸筒斷裂區進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， 并且在個別區域中出現貝殼狀紋路，由此可以判斷出該斷口為疲勞失效； 并且可以看出區域內呈現出大量疲勞輝紋， 進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， 斷裂區域內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[11-13]。結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致[14-15]。

圖3 斷裂區宏觀組織

圖4 斷裂區微觀組織

2 失效機理與改進措施

為了進一步明確千斤頂的失效機理， 文本解剖了失效的千斤頂外缸體， 在觀察斷裂區域的特征分析中發現失效起始于一處接頭焊縫，而后裂紋延焊縫向兩端發展。由此可知， 接頭焊縫處如圖5 所示為缺陷集中區域，并且此處的焊接應力較為集中， 采煤機工作過程中調高千斤頂處于循環加載狀態， 當集中的應力超過了缺陷區域所能承受的最大值時便產生了初始的裂紋， 此后裂紋在采煤機滾筒應力的循環作用下向兩端延伸。其次，由于外缸筒熱處理過程中存在問題， 導致外缸筒微觀組織中鐵素體、珠光體與上貝氏體共存，因為鐵素體碳的過飽和度低，加之上貝氏體形成于高溫狀態，因而導致材料的強度低且硬度低[16-17]。 另外，碳化物呈現粗大顆粒狀在鐵素體間呈現出條狀分布狀態， 為裂紋產生后的擴展提供了路徑，或者在遇到沖擊時在鐵素體之間出現脆斷[18-19]。 在查閱失效缸筒生產商的焊接現場記錄時發現在對接頭座進行焊接前沒有進行任何預熱操作。而27SiMn 材質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， 加劇了集中應力狀態下發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

通過以上綜合檢測分析明確了該采煤機調高千斤頂外缸筒開裂為疲勞失效的結論， 其失效原因是由于焊接工藝不達標、焊縫成型不良，并且后續熱處理工藝未按要求實施，導致焊接處強度韌性差，在外界集中應力的作用下形成了焊接冷裂紋并進一步擴展。 為了預防此類采煤機調高千斤頂開裂失效的發生， 本文在對此次調高千斤頂開裂失效問題進行分析的基礎上， 結合相關焊接工藝評定以及現場生產經驗提出以下預防措施： 焊接電流應控制在240～260A 、焊接電壓應控制在26～28V、焊接速度應控制在25～30m/h； 焊接前需要將焊縫預熱至100～150℃，焊接后需要將焊縫覆蓋上防火棉并逐步緩冷至室溫；冷卻后需要進行焊趾修磨，確保焊縫與母材之間過渡圓滑，從而減少應力集中[20-21]。

3 結束語

針對煤礦現場采煤機調高千斤頂的外缸筒開裂問題，本文通過化學成份、力學性能以及微觀組織的分析對開裂失效的機理進行細致的分析研究。 得出了采煤機千斤頂失效是由于焊接工藝不達標、 焊縫成型不良產生的冷裂紋，以及后續熱處理工藝未按要求實施所導致的。并且本文在失效分析的基礎上， 結合焊接工藝標準要求以及現場生產經驗，提出了優化焊接工藝參數，增加焊前預熱，降低焊接熱輸入，焊趾修磨等一系列改進措施，以期能夠有效預防此類采煤機調高千斤頂開裂失效問題的發生，為煤礦綜采工作面的安全穩定生產提供保障。