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★ 科技与工程 ★

熔覆铜合金再制造技术修复立柱缸体的研究与应用

马忠昌

(国家能源集团宁夏煤业矿山机械制造维修分公司,宁夏回族自治区银川市,750021)

摘 要 液压支架立柱在煤矿井下使用一段时间后,立柱缸体内壁会出现不同程度的麻斑剥落、深浅不等的针孔、拉痕,这些缺陷导致立柱产生内泄,表现出初撑力不够。这些缺陷一旦形成,液压缸体在使用中会加速缺陷的进一步扩大,造成密封圈损坏导致密封失效。为了保证使用质量,液压支架升井大修时通常采用更换新缸体,维修成本居高不下,形成系统性浪费。笔者分析了液压立柱缸体损坏的原因,详细介绍了熔覆铜合金再制造技术工艺及技术参数。实际应用表明,通过该工艺修复的缸体内表面能够大幅度提高缸体抗腐蚀和耐磨性能,提高缸体的使用寿命,降低维修成本。

关键词 熔覆铜合金 再制造技术 立柱缸体修复 液压支架

近几年,国家能源集团宁夏煤业有限公司各矿井综采液压支架维修量逐年增加,也不同程度地进入了大修期。立柱是液压支架液压系统中重要的执行元件之一,在使用过程中,立柱缸体在已受污染的乳化液介质长时间使用出现麻坑剥落、拉伤等现象,部分立柱缸体已经无法继续使用,采用电镀等传统维修工艺已与当前环保政策越来越不相适应,已无法满足正常的生产需求,因此在维修中不得不采取更换新件的形式进行维修,导致维修成本逐年增加[1],同时造成设备零部件的系统浪费。

通过吸收消化冷熔焊技术,完成对立柱缸体内表面的熔覆再制造修复,不仅达到维修立柱缸体内表面麻斑剥落、拉伤等缺陷的目的,还提高了立柱缸体耐腐蚀性和抗磨性能,从而提升立柱的使用性能,进而提高液压支架立柱在井下的使用寿命。

1 造成立柱缸体内壁缺陷的原因

1.1 加工制造工艺缺陷

液压支架立柱缸体在加工制造中,部分规模小的生产厂家采用生产效率高的刮、滚压成型工艺制造加工成型,其生产效率高且成本低,但采取此种工艺成型的缸体内表面在滚压中形成表面致密层,在煤矿井下乳化液,确保介质长期作用中高速高压冲刷,缸体表面致密层极易出现微观裂纹受冲刷开始锈蚀,或出现受损面成片锈蚀麻坑现象,一旦出现锈蚀等情况,则在使用中受损面加速出现锈蚀或腐蚀脱落情况。立柱缸体麻坑剥落现象如图1所示。

图1 立柱缸体麻坑剥落现象

规模较大的专业生产厂家经过多年的探索,在加工缸体时通常采用生产效率较低、生产成本较高的粗、精镗、珩磨(抛光)等工序加工工艺进行生产,避免或降低成片剥落的情况,从而提高立柱缸体的使用寿命。

1.2 在组装中造成的缺陷

立柱缸体在组装中未严格执行工艺标准,未严格控制各工序质量,导致缸体内进入或残留杂物,进而影响立柱使用寿命。一是将脏污带入到缸体内,如戴油污手套组装立柱密封件,导致油污粘连沙粒等污物带入缸体内。二是维修中个别零件不标准,需要局部打磨修复,存在修复和组装在同工位上进行,在打磨时产生的沙粒进入缸体内。三是个别零部件拆解后油污等未彻底清洗干净,也会将杂物带入到缸体内。四是新加工活塞等零件毛刺未充分去除毛刺或清除,在运动过程中摩擦造成毛刺脱落。这些沙粒、毛刺等杂物进入缸体内并在缸体内存留,则在后期使用过程中造成缸体内壁拉伤和系统污染的情况。立柱缸体内壁拉伤现象如图2所示。

图2 立柱缸体内壁拉伤现象

因此立柱在组装前要清洗干净、去除毛刺,确保组装零部件完好清洁,确保零部件的清洁与完整后,方可进行组装。在组装密封件时严禁戴手套,严禁在组装工位上进行打磨修复,同时在试验试压前检查试验乳化液确保介质不受污染。在组装、试验过程中严格执行各工序质量标准要求,提高质量的可控性。

1.3 在储存、转运中造成的缺陷

立柱进回液口封口丢失或未进行封口处理,在储存和转运中很容易进入沙粒等杂物,尤其是在西北部风沙多的环境条件下,封口是尤为重要的重点质量控制环节,进入沙粒等杂物的立柱缸体表面极易被拉伤,使用中加速缸体的损坏,导致立柱密封失效发生内窜液现象,从而缩短立柱的使用寿命。

1.4 乳化液介质造成的缺陷

在综采工作面乳化液配比时控制不严,造成煤尘、煤渣、沙粒等混入到乳化液箱体内,造成乳化液介质受到污染,已污染乳化液进入到立柱缸体内很难排出,杂物在缸体内往复高速高压往返运动中造成缸体拉伤,这样会使乳化液介质进一步被污染,从而造成供液系统受到污染,进而造成成批缸体的拉伤损坏。

1.5 在井下使用过程中造成的缺陷

综采工作面一般都有一定的倾角,所以立柱在一定倾角使用中每做一次升降运动,都在偏载的状态下运动,尤其是在大倾角工作面的立柱运动中很容易造成活塞密封件被压缩,导致活塞与缸体内表面直接摩擦运动,这种情况下无法及时调整偏载情况,导致活塞与缸体内表面不同程度拉伤,造成密封失效形成内窜,大大降低立柱的使用寿命。

2 熔覆铜合金再制造修复技术研究

立柱缸体损坏后常采用传统电镀铁修复工艺进行修复[2-3],即一种在低温介质条件下恢复待修件至使用尺寸的传统修复技术,利用电解离子置换的原理将镀液中的金属离子还原成金属原子并沉积在金属表面,形成具有一定厚度和较高结合力的修复层,从而达到待修件修复的目的。立柱缸体修复主要采用低温镀铁工艺修复技术,具有修复效率高、成本低等优点。主要工艺流程为:局部电焊修复严重的麻坑→珩磨(整体表面无麻坑缺陷)→低温镀铁→珩磨(整体光面留10~20 μm)→镀铜照面→珩磨(珩磨至设计公差尺寸及达粗糙度要求)。

近几年,随着对工业排放要求越来越严格以及环境保护越来越受到重视,传统修复工艺的高污染企业均因排放不达标而被关停,在这种大背景下,所有损坏的缸体只能采取更换新件来修复,维修成本也进一步增加,资源利用造成极大的浪费,如何采用新技术、新工艺进行再制造亟需解决。

2.1 立柱缸体内表面修复的技术探索

除电镀补偿修复外,采用其他行业中的修复技术修复立柱缸体内表面是摸索和探讨的问题。经过查阅资料和实际调研,有一种小面积、局部MIG冷焊修复技术已在汽车行业被广泛应用[4],主要采用氩气保护焊接修复的技术,采用脉冲电源、保护性气体和特殊焊丝完成修复工件,该技术具有控制焊接热输入量最低、母材熔化少、焊丝熔化速度快、电弧稳定性好、熔深浅[5]、焊接速度快等工艺特点,且修复范围广。如果采用MIG冷焊技术修复立柱缸体,面临几个难题亟待解决,一是不切缸底的情况下为盲孔,深度最长可达2 m;二是维修缸径从180~450 mm不等;三是修复表面积大、长度长、加工困难;四是如有缺陷很难发现,需要一次成形,否则影响维修质量。如何将小面积、局部MIG冷焊修复技术推广应用到解决上述问题是修复缸体成功与否的关键。

2.2 立柱缸体内表面修复工艺要求及效果

采用MIG冷焊修复技术进行修复,在大面积整体修复的情况下,需要焊接修复热变形量小,达到耐磨性、抗腐蚀性的基本要求,达到较理想的修复质量要求。通过反复试验对比分析表明,冷焊修复技术具备焊接温度低、飞溅少、成型好、焊层易加工、焊道基本无夹砂缺陷等性能特点。采用MIG冷焊修复技术进行修复的立柱在宁夏煤业公司羊场湾煤矿、枣泉煤矿等进行井下工业性试验表明,修复后的工件寿命是新件寿命的3倍以上,因此称该修复技术为熔覆铜合金再制造技术。

2.3 立柱缸体再制造修复技术工艺及其参数

本次通过引进吸收,反复试验采用铜基焊丝对缸体内表面进行熔覆再制造修复,将腐蚀点、拉伤等缺陷镗削处理,达到无腐蚀、无拉痕,采用冷熔焊技术将铜基焊丝熔覆在缸体内表面,再进行加工处理至使用尺寸,主要修复工艺为:镗削→熔覆铜合金→粗镗→精镗→珩磨(珩磨至设计公差尺寸及达粗糙度要求)。

为了达到较好的耐磨性和最佳的使用性能的熔覆层,要求熔覆层表面硬度为HB240-280,要求表面粗糙度Ra≤0.4 μm,对CuSi3、CuAl8、CuSiMn、CuAl8Ni、CuSn、CuSn6等不同材质的焊丝进行对比分析,最终决定采用ERCuNi焊丝。该焊丝熔覆层具有优异的耐腐蚀能力、耐磨性,其焊丝在熔覆修复中堆焊工艺简单、飞溅小、流动性好、易加工、一次成型,基本没有焊道夹砂等缺陷。对熔覆层进行力学性能进行测试,各项指标满足使用要求,熔覆层主要金属化学成分见表1。

1 熔覆层金属化学成分

序号元素百分占比/%1C0.0302Si0.1503Mn0.8004S0.0025P0.0076Ni29.9607Cu68.1648Fe0.5309Pb0.00710Ti0.350

熔覆铜合金再制造修复技术采用逆变熔化极气体保护焊机,具有微电脑波形控制功能,较好地控制电弧动特性、焊接飞溅以及电弧的稳定性,可实现多种焊接参数的存储和调用功能,确保在不同材质和转速下调用不同的功能参数,达到熔覆铜合金工件批量焊接工艺规范参数的一致性。焊接保护气体选用98%氩气+2%氧气的混合气体,更好地保障电弧的稳定性,不同直径的铜合金焊丝焊接作业电流有所不同,用气量也有所不同,焊接速度相对变化。焊接作业参数参考值见表2,熔覆铜合金再制造立柱缸体实物如图3所示。

2 焊接作业参数参考值

焊丝规格/mm种类保护气体焊接电流/A氩气流量/(L·min-1)焊接速度/(mm·min-1)Φ1.0自动Ar+O2150~17012.5~13.580~120Φ1.2自动Ar+O2160~18012.5~13.580~120Φ1.6自动Ar+O2130~15015~1780~150

图3 熔覆铜合金再制造立柱缸体实物

3 效益分析

在液压支架立柱缸体的再制造维修中,经熔覆铜合金再制造技术维修的立柱缸体内表面,能大幅度提高缸体抗腐蚀和耐磨性能,从而较好地发挥液压支架立柱的使用性能,提高立柱在井下的使用寿命。经井下试验对比,经熔覆铜合金再制造维修的立柱使用寿命是原使用寿命的3倍以上。

以国家能源集团宁夏煤业羊场湾煤矿使用的ZY10000/28/62D型液压支架为例,工作面共计162架,立柱共计324根,在维修中约有60%的立柱外缸体和中缸因腐蚀、剥落或拉伤无法修复而报废,需补充外购新件,其费用为: 162架×11万元/架×60%=1069.2万元,新购未做熔覆铜合金处理的立柱缸体在入井使用1~2个工作面后,内表面出现普遍麻坑剥落、腐蚀等情况,再使用第3个工作面时就要进行维修或更换。经熔覆铜合金再制造维修的立柱缸体内表面入井使用3个工作面未出现麻斑剥落、腐蚀等损坏情况,不需更换密封,打压检测后直接复用。如果立柱缸体内表面全部采用熔覆铜合金再制造技术进行修复,液压支架立柱可以使用3个工作面以上,再制造维修立柱缸体费用为162架×3.2万元/架=518.4万元。按照液压支架大修3次进行计算,采用熔覆铜合金再制造技术可节约维修成本1069.2万元/次×3次-518.4万元/次×1次=2689.2万元。

参考文献:

[1] 张永强,马忠昌.多元复合离子渗盐浴技术在液压支架维修中的应用[J].神华科技,2014(5):27-30.

[2] 孙建明,杨银帅,胡振南.液压支架立柱故障分析及修复工艺[J].科技视界,2014(13):113-114.

[3] 李万新.低温镀铁工艺[J].电镀与环保,1984(2):23-25.

[4] 张鑫,王玉松,刘斌.MIG电弧钎焊工艺与汽车车身焊接[J].汽车制造业,2003(6):94-95.

[5] 唐元生.铝镁合金熔化极脉冲MIG焊接技术[J].金属加工(热加工),2011(2):29-30,34.

Research and application of cladding copper alloy remanufacturing technology in repairing column hydraulic cylinder

Ma Zhongchang

(Mining Machinery Manufacturing and Maintenance Branch Company of Ningxia Coal Industry Group, China Energy Investment Group, Yinchuan, Ningxia 750021, China)

Abstract After a period of time of use of hydraulic support column in coal mine, the inner wall of the column cylinder will appear different degrees of pitting, pinholes with different depths and tensile marks. These defects lead to internal leakage of the column, showing that the initial support force is not enough. Once these defects are formed, the hydraulic cylinder will accelerate the further expansion of defects in use, resulting in seal ring damage and seal failure. In order to ensure the use quality, the hydraulic support is usually replaced with a new cylinder block when it is overhauled. The maintenance cost is high, which leads to systematic waste. The author analyzed the reasons for the damage of hydraulic column cylinder, and introduced the remanufacturing technology and technical parameters of cladding copper alloy in detail. The practical application showed that the inner surface of the cylinder block repaired by this process could greatly enhance the corrosion resistance and wear resistance of the cylinder block, improve the service life and reduce the maintenance cost.

Key words cladding copper alloy, remanufacturing technology, column cylinder block repairing, hydraulic support

中图分类号 TD407

文献标识码 A

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引用格式:马忠昌. 熔覆铜合金再制造技术修复立柱缸体的研究与应用[J].中国煤炭,2020,46(10):92-95.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.10.015

Ma Zhongchang. Research and application of cladding copper alloy remanufacturing technology in repairing column hydraulic cylinder[J].China Coal,2020,46(10):92-95.doi:10.19880/j.cnki.ccm. 2020.10.015

作者简介:马忠昌(1978-),男,宁夏隆德人,高级工程师,现就职于国家能源集团宁夏煤业矿山机械制造维修分公司任副总工程师,主要从事矿用设备维修新技术新、工艺的研究开发工作。入选2018年宁夏"青年拔尖人才"自治区学术技术带头人后备人选,完成多个创新项目荣获自治区、协会及国家能源集团科技进步奖。E-mail:15004080@chnenergy.com.cn。

(责任编辑 路 强)