中煤新集公司方永 王磊——煤炭开采设备维修节支提效对策的研究

 

 

 

摘要：随着社会工业化进程的发展，社会对能源的需求量越来越多，而我国是个多煤少油的资源构成，截止2020年，中国能源结构中煤炭资源仍高达62%。煤矿企业随着产量需求的增大，对提高煤矿机械化水平越来越重视，目前我国煤矿机械化水平已达到95%以上。早在2015年，中煤新集公司所有的采煤工作面已100%实现综采机械化，甚至部分综采工作面已实现无人值守智能化工作。随着大量综采工作面的投入使用，不仅提高了煤矿生产效率、降低安全生产的风险，而且大大降低了煤矿生产劳动强度和人力投入，但同时增加了机电设备检修工作量，增加了新旧设备更替的频率，煤矿企业在设备更新方面的投资逐年增加，特别是综采工作面的液压支架，在使用过程中不可避免的出现了各种不同程度的损伤。在检修维护过程中，因方式方法不足或不准确，检修维护不到位，导致大量液压支架未到使用年限即被报废处理，为了减少经济损失。中煤新集公司通过创新设备检修技术，采取针对不同情况采取电镀、激光熔覆、不锈钢覆合等维修方法，既让企业减少大量资金投入，同时又产生了极大的社会效益。文章重点就液压支架维修过程中遇到的问题及对策进行研究分析，以供参考和借鉴。

关键字：液压支架；电镀；激光熔覆；不锈钢覆合；效果；效益

 

 

引言

随着我国对煤炭需求量不断加大，煤矿企业对煤矿产能的渴望增加，投入大量机械设备，特别是综采工作面机械化的投入，而其中投入资金最多的则是工作面液压支架部分，少则上亿元，多则2至3亿元。为了保证整个工作面在生产周期内能够正常运转，必须保证所有设备完好程度，在每个工作面采煤结束后，所有设备均须拆除升井检查维修。综采工作面的液压支架在检修维护过程中，因方式方法不足、不准确或不合理，导致大量液压支架未到使用年限即被报废处理，给企业带来了重大的经济损失。根据液压支架的受损部位、受损性质、受损程度等分别针对性地采取不同的、合理的维修方法或方式，恢复原性能，这从根本减少新设备的投入，为煤矿企业节约了大量资金，创造了巨大的经济效益。

一、液压支架维修过程中遇到的主要问题

（一）密封件、液压胶管及普通机加工件受损

设备拆解检修中发现密封件普遍出现磨损、变形等现象；液压胶管在设备使用、拆解、运输等过程中出现破损、钢丝外漏锈蚀、漏液，快速接头磨损或变形等现象；普通机加工件如护板、挡板、地板、底座等部位在采煤工作面使用过程中因底板不平、顶板和底板来压不均、采区扰动冲击、设备移动运转冲击等原因造成受损或变形。

（二）立柱外缸、中缸、活柱及推移外缸等精细机加工件受损

立柱外缸、中缸、活柱及推移外缸等精细机加工件表面出现点蚀、小面积镀层锈蚀、大面积镀层锈蚀脱落；精加工面磨损，部分深入基体；基体出现长条状沟槽，损伤全部深入基体。

1.受损原因

1）锈蚀：原缸体或杆体基材有缺陷，导致点蚀；在初始加工中加工工艺或精度有缺陷导致点蚀或小面积锈蚀；另外油缸的工作介质乳化液不具备长效防腐能力，再加上实际生产作业中存在乳化液配制不合格，造成缸体或杆体大面积镀层锈蚀脱落；

2）磨损：乳化液中的杂质或脱落的镀层在油缸反复伸缩过程中产生磨粒磨损，导致精加工面磨损，部分深入基体；

3）拉伤：生产作业中因底板不平、顶板和底板来压不均、采区扰动冲击、设备移动运转冲击等原因造成偏载及导向环磨损等均会导致基体出现长条状沟槽，损伤全部深入基体。

2.受损程度

1）锈蚀：因综采工作面运行周期一般不会超过1年，所以出现锈蚀表面损伤深度在0.1mm以内；

2）磨损：因乳化液中的杂质或脱落的镀层在油缸反复伸缩过程中产生磨粒的粒度及密度不同，镀层基本脱落部分深入基体，损伤深度在0.1mm-1mm；

3）拉伤：因偏载压力不同及导向环磨损程度不同，损伤全部深入基体，损伤深度在1mm-2mm。

二、液压支架维修过程中遇到问题的对策

（一）密封件、液压胶管及普通机加工件维修对策

1）密封件由于修复技术手段缺乏，且价值较低，为了保证液压支架缸体能够正常工作，不漏液泄压，一般情况下均进行全套更换；

2）液压胶管同样因为修复技术手段缺乏、价值较低，且在运行中大部分胶管均处于30MPa左右的高压状态，破损严重的直接更换，破损程度较小，耐压等级有所降低的胶管改为承压较小的回液管路使用，减少报废率。

3）普通机加工件受损变形一般采用整形、矫正后不影响本身强度，可以继续使用。

（二）立柱外缸、中缸、活柱及推移外缸等精细机加工件受损0.05mm-0.1mm

因锈蚀受损的表面采用电镀修复方法：电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止金属氧化（如锈蚀），提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性（硫酸铜等）及增进美观等作用。液压支架电镀维修主要是防止锈蚀、提高耐磨性。

电镀前用酸液将原有镀层全部褪尽，并对被电镀件进行尺寸、精度及表面缺陷进行检测，有部分点蚀深入基体金属的必须先进行修补、磨平并处理干净。经过化学去油→流动清水洗→化学腐蚀→流动清水洗→擦老粉→流动清水洗→腐蚀→流动清水洗→镀铜锡合金20～30μm→流动清水洗→干燥→抛光→洁净表面→流动清水洗→化学去油→流动清水洗→浸蚀→流动清水洗→弱腐蚀→流动清水洗→预热→镀硬铬30～50μm→回收清洗→流动清水洗→干燥→抛光→洁净表面。

对镀层进行检测：电镀处理后，按批次数量的10%进行抽检，采用镀层仪对镀层进行检测，采用硬度仪对镀层硬度进行检测，采用粗糙度检测仪器对表面进行检测，采用外径千分尺对杆径进行检测，直线度用钢直尺进行检测，外观质量检测等，合格率必须达到100%。检测不合格的，重新进行电镀处理，直至检测合格为止。

（三）立柱外缸、中缸、活柱及推移外缸等精细机加工件受损0.1mm-1mm

因磨粒磨损的表面采用激光熔覆修复方法：激光熔覆是指通过同步或预置材料的方式，将外部材料添加至基体经激光辐照后形成的熔池中，并使二者共同快速凝固形成包覆层的工艺方法。激光熔覆的熔覆层稀释度低但结合力强，与基体呈冶金结合，可显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，满足材料表面特定性能要求的同时可节约大量的材料成本。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。

中缸、活塞杆及采掘部件（外圆）表面和缸体内孔激光熔覆，因工艺流程基本相同，此处以缸体内孔激光熔覆工艺为例：

1.检测缸筒内孔尺寸，根据检测结果确定镗孔尺寸，镗孔后内孔尺寸为公称尺寸+（1.2-2.0）mm。若内壁锈蚀、点蚀深度超过上述尺寸则必须做如下处理：先将锈蚀点、点蚀处修补后再镗孔。

2.检测缸筒缸口尺寸，需要维修的缸口根据检测结果确定镗孔尺寸，镗孔后内孔尺寸为公称尺寸+（1.2-2.0）mm。若内壁锈蚀、点蚀深度超过上述尺寸则必须做如下处理：先将锈蚀点、点蚀处修补后再镗孔。

3.对缸筒内孔激光熔覆耐磨耐蚀不锈钢合金，熔覆厚度为单边1.1-1.5mm。

4.对缸筒缸口激光熔覆耐磨耐蚀不锈钢合金，熔覆厚度为单边1.1-1.5mm。

5.缸筒内孔激光熔覆后，镗孔处理，镗孔后内孔尺寸比公称尺寸小0.2-0.4mm。

6.缸筒缸口激光熔覆后，镗孔处理，镗孔后内孔尺寸比公称尺寸小0.2-0.4mm。

7.）对缸筒内孔珩磨至公称尺寸，公差等级取H9，粗糙度Ra≤0.4。

8.对缸筒缸口精加工至公称尺寸，公差等级取H9，粗糙度Ra≤1.6。

9.修理缸筒螺纹，恢复至原设计尺寸。

10.清洗内壁，检测缸筒内孔、缸口尺寸，打磨去除毛刺。缸口螺纹处防锈处理。

修复后，采用硬度仪对覆层硬度进行检测，采用内径千分尺对基础尺寸进行检测，对外观质量及焊缝检测等。检测不合格的，重新进行熔覆处理，直至合格为止。

（四）立柱外缸、中缸、活柱及推移外缸等精细机加工件受损1mm-2mm

因拉伤或过度磨损，损伤全部深入基体，损伤深度在1mm-2mm采用激光熔覆或不锈钢覆合的修复方法，激光熔覆在本文2.3已做阐述，本节只做不锈钢覆合的修复方法介绍：不锈钢覆合是指在金属等基体表面包覆一层不锈钢板并通过辊压等工艺手段使其与基体表面紧密接触，同时分段辅以激光焊接方法使其与基体之间进行固定，以不锈钢表面代替原基体表面用于增加表面的耐磨性和抗腐蚀性。

不锈钢覆合的施工工艺：粗镗内孔或车削外圆→装套覆合辊压→两端倒角切套→两端氩弧焊接→激光分段熔焊→焊缝渗透法检验→磨床磨削→抛光→焊缝渗透法检验→尺寸检验合格→封装。

修复后，采用探伤仪对不锈钢层进行检测，采用硬度仪对修复层硬度进行检测，采用内/外径千分尺对基础尺寸进行检测，外观质量检测等，合格率达到100%。检测不合格的，重新进行不锈钢覆合处理，直至检测合格为止。

三、电镀、激光熔覆、不锈钢覆合的修复效果

（一）电镀效果

1.镀层结合要求：镀层不得有起皮、脱落、起泡、裂纹、粒子、密集麻点、树枝状结晶、局部无镀层及暴露中间层等质量缺陷。

2.尺寸要求：中缸、活柱及活塞杆镀层恢复原设计基准尺寸，公差等级应不低于IT9。

3.活柱及活塞杆密封配合面的表面粗糙度Ra0.4μm，中缸密封配合面粗糙度Ra0.2μm。

4.因基体金属缺陷、砂眼以及电镀工艺过程所导致的麻点或针孔，其镀层孔隙率应≤5点/dm2，直径≤0.2mm。

5.镀层外观质量要求：镀层结晶应细致、均匀，不允许出现树枝状结晶、局部无镀层或暴露中间层、密集的麻点。

6.电镀后中缸、活柱及活塞杆的直线度不得大于2‰。

7.电镀后中缸、活柱及活塞杆的圆柱度为0.02mm。

8.对镀层行程表面落砂痕迹规定：在同一圆周线上不得超过两条，两条痕迹的间隔≤20mm，落砂痕迹长度≤6mm，深度≤0.02mm，落砂痕迹的条数≤10条/m2。

综上，电镀处理后，部件已完全恢复原工件的技术性能指标。

（二）激光熔覆效果

1.修复后熔覆层与基体是冶金结合，熔覆层厚度为0.6-1.0mm，没有孔隙、裂纹等缺陷，熔覆层硬度不低于HRC30，抗拉强度Rm不小于430N/mm2，修复后熔覆层断裂伸展率A5不低于30%。

2.）根据ENISO7438标准做弯曲试验，熔覆层不出现裂纹。

3.修复后熔覆层表面粗糙度Ra≤0.4，缸筒内径公差等级为IT9，熔覆层直线度≤0.10mm，同轴度≤0.05mm。缸体内孔过渡接口处不得有毛刺，装配倒角恢复到原设计标准。

综上，激光熔覆处理后，部件已完全恢复原工件的尺寸技术指标，并且在耐磨性、耐腐蚀性方面由原1年左右寿命提升至3年以上。

（三）不锈钢覆合效果

1.修复后恢复原设计基准尺寸，公差等级应不低于IT9。

2.缸体内壁、活柱及活塞杆密封配合面粗糙度：Ra≤0.4μm，缸口非密封配合面粗糙度：Ra≤3.2μm，缸筒内壁与缸口同轴度要求：≤0.05mm。

3.中缸缸筒内壁与外表面同轴度：≤0.08mm，活柱及活塞杆表面与活塞头同轴度：≤0.08mm，修复后不锈钢覆合层圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半。

4.）修复后不锈钢覆合层硬度HB240-280，抗拉强度σb≥1000Mpa，屈服点σδ≥800Mpa，伸长率δ5≥12%，冲击值σk≥4.9×105J/m2。

5.缸筒内壁、活柱及活塞杆不锈钢覆合后，采用激光熔合工艺将不锈钢层与缸体熔合，不锈钢层结合不得有起皮、脱落或鼓泡等质量缺陷。

6.表面的焊缝应符合GB2649～2653、JB/ZQ4000.3及缸体原设计标准，承压的焊缝能承受额定工作压力的200%的耐压试验。

不锈钢覆合处理后，部件已完全恢复原工件的尺寸技术指标，并且在耐磨性、耐腐蚀性方面由原1年左右寿命提升至3年以上。

（四）对策建议

1.电镀主要针对锈蚀程度不严重的外圆件，不能用于内孔的修复。对于内孔及锈蚀严重的外圆件，须采用不锈钢或激光熔覆工艺进行修复。

2.激光熔覆属于粉末冶金技术，覆合层可以与基体间完全熔合形成一体，但其价格较高，且施工速度偏慢。所以激光熔覆主要用于修复7600、9200立柱外缸、中缸、推移外缸等薄壁缸体

3.不锈钢覆合与激光熔覆虽然都可以实现内孔和外圆的修复，但由于工艺、价格及效率等方面的原因，两者侧重点不同。表现在：不锈钢覆合价格更低，施工速度更快，但由于其属于非冶金技术，不锈钢套与基体间不能熔为一体，使得基体实际有效厚度减小（单边减小2mm）。对于7600、9200立柱外缸、中缸、推移外缸这样的薄壁缸体来说，不适合使用此工艺。所以不锈钢覆合主要用于修复各类立柱活柱、10000、13000立柱外缸、中缸等。

四、电镀、激光熔覆、不锈钢覆合的经济效益分析

（一）电镀经济效益分析

以中煤新集公司2020年的生产消耗情况为例，全年电镀费用约500万元，更换密封及增加的人工成本约200万元，如选择直接更换新件约需资金4300万元，报废件价值约600万元，则全年节省4300-500-200-600=3000万元。

（二）激光熔覆经济效益分析

仍以中煤新集公司2020年的生产消耗情况为例，全年激光熔覆费用约700万元，更换密封及增加的人工成本约200万元，如选择直接更换新件约需资金3000万元，报废件价值约400万元，另使用寿命为原产品的3倍，相当于节省2年的电镀费用约1000万元，同时增加2年更换密封及增加的人工成本约400万元，则全年节省3000-700-200-400+1000-400=2300万元。

（三）不锈钢覆合经济效益分析

同样以中煤新集公司2020年的生产消耗情况为例，全年不锈钢覆合费用约650万元，更换密封及增加的人工成本约200万元，如选择直接更换新件约需资金4000万元，报废件价值约550万元，另使用寿命为原产品的3倍，相当于节省2年的电镀费用约1000万元，同时增加2年更换密封及增加的人工成本约400万元，则全年节省4000-650-200-550+1000-400=3200万元。

仅以中煤新集公司2020年对液压支架采取针对性的维修方法上就节约资金3000+2300+3200=8500万元，在减少了企业大量资金投入的同时也为国家减少了大量的碳排放量，产生了极大的社会效益。

五、结束语

综上所述，我国是个发展中大国，未来较长一段时间，煤炭仍将是我国的基础能源，为此煤矿行业也必须保持长久的发展。煤矿企业应进一步通过研究、引进新技术、创新设备检修技术，采取针对性的维修方法，既能让企业减少大量资金投入，也能为国家减少大量的碳排放量，创造良好的经济效益和社会效益。

 

参考文献：
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