單體液壓支柱缸體炸裂的原因分析及其工藝解決方案

1、單體液壓支柱缸體炸裂的原因分析及其工藝解決方案2011年第l9期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATIONO機械與電子.科技信息單體液壓支柱缸體炸裂的原因分析及其工藝解決方案趙廣引(淮南職業(yè)技術學院李全軍安徽淮南232001)【摘要】單體液壓支柱可供采煤3-作面支護頂板,一旦發(fā)生炸裂不但不能有效地管理頂板,造成冒頂事故.而且炸裂的碎片還可能直接傷人.本文通過對缸體炸裂原因的分析,在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下,不增加缸體的厚度和改變缸體的結構,通過調整工藝來提高它的強度.既減少投入,又保證了支柱的安全使用.【關鍵詞】單體支柱;缸體;炸裂;熱處理PreliminaryAnal

2、ysisonTheCausesandSolutionsofTheIndividualHydraulicPillarsCylinderBurstZHAOGuang-yinLIQuan-jan(HuainanVocationalandTechnicalCollege,HuainanAnhui,232001,China)【Abstract】Hydmu1icpropcansupporttherooff0rthecoalface.Incaseofburst,itcannotmanagetheroofeffectively,andevencausingroofcollapse.Theburstofdebr

3、ismayalsobeadirectassault.Basedontheanalysisforthereasonsofcylinderburst,wemadeaconclution:underthepresentproductionconditions,weneednottoincreasethethicknessandchangthecylinderblockstructure,onlybyaajustingtheprocesstoincreaseitsstrength,whichnotonlyreducesinvestment,butalSOensuresthesafeuseofthemi

4、ne.【Keywords】Hydraulicpmp;Block;Burst;HeattreatmentO前言礦用單體液壓支柱與金屬鉸接頂梁配套.可以在一般機械化采煤工作面頂板支護用,亦可供綜合機械化采煤端頭支護或掘進頭等其它巷道內臨時性支護用DW型礦用單體液壓支柱由頂蓋,三用閥,活柱體,油缸,手把體等幾個主要零部件組成.工作時通過三用閥注液孔注入高壓液體將活柱體升高頂住金屬頂梁完成升柱過程;當支柱頂梁緊貼工作面頂板后,支柱內腔的壓力為泵站壓力,此為初撐過程;當作用在支柱上的載荷超過其額定工作載荷時,三用閥中的安全閥打開.液體外溢使得內腔壓力降低,安全閥關閉,支柱內腔液體停止外溢,活柱均勻下縮,

5、支柱的工作載荷始終保持在一定范圍,此為恒阻式支撐階段.最后為卸載過程,打開卸載閥,支柱內乳化液經(jīng)卸載閥排出,活柱在自重和復位彈簧的作用下回縮,實現(xiàn)降柱.單體支柱發(fā)生炸裂,主要是缸體在沒有達到額定載荷時的損壞.只有提高缸體的綜合機械強度,加大安全系數(shù).才能有效地避免此類安全事故的發(fā)生.本論文探討通過熱處理技術來提高缸體的綜合機械性能,從而杜絕單體支柱缸體的炸裂1缸體炸裂的現(xiàn)狀及其工藝分析1.1缸體炸裂的現(xiàn)狀如圖1收集的部分缸體損壞實物照片.一部分是使用一段時間后,發(fā)生炸裂,還有少數(shù)是使用時間不長,即炸裂失效.從斷口來看,斷口呈纖維狀,灰暗無光,屬于”韌性脆裂”,說明缸體的脆性偏高,韌性不足一一圖

6、1缸體炸裂實物1.2現(xiàn)行缸體加工工藝以DW25型單體支柱為例,其缸體的原材料為27SiMn,尺寸為p114x10mm的管材.現(xiàn)行的加工工藝為:車管頭一預處理(酸洗,磷化,皂化)一冷拔(將管材冷拔至外徑p114,內徑至98)一皂化(二次皂化)一冷拔(將管材二次冷拔至內徑plO0)一檢查內徑尺寸一下料一退火(350oC.保溫9O分鐘)一珩磨一檢查珩磨尺寸一車一銑一電鍍132(鍍錫青銅)+檢驗l_3缸體炸裂原因的分析由于冷拔管材經(jīng)過兩次冷拔后,內徑由p94擴至q100,金屬的形變量很大,金屬內部的位錯密度顯著增大,晶粒破碎現(xiàn)象非常嚴重,產(chǎn)生了大量的內應力.同時也出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象,使管材的硬度和強度

7、顯著提高.通過檢測經(jīng)過兩次冷拔后的管材.缸體表面的硬度一般在240265HB,符合圖紙設計的技術要求.所以廠家在以往的生產(chǎn)工藝中,并沒有設置退火工序.當在煤礦實際使用中發(fā)現(xiàn)有缸體炸裂現(xiàn)象后,才增加了去應力退火工藝,現(xiàn)行的退火工藝參數(shù)為:退火溫度350,保溫90分鐘.檢測去應力退火后的缸體表面硬度為225255HB,雖然硬度偏下限,但基本滿足圖紙的硬度要求.通過井下一段時間的使用,雖然炸缸現(xiàn)象有所減少,但并沒有根本杜絕.作為液壓支柱的缸體,既要有一定的韌性,也要有很好的強度,即良好的綜合機械性能,才能滿足使用要求.因此,選擇合理的去應力退火工藝尤為重要.2對比試驗及新工藝的制定2.1強度試驗及硬

8、度檢測DW25,DW28型單體液壓支柱的額定工作載荷250kN.額定工作壓力為31.8MPa;DW22以下型單體液壓支柱的額定工作載荷300kN,額定工作壓力為38.2MPa.缸體的材料為熱軋無縫管,材質為27SiMn.為了掌握相關工藝處理下材料的性能,分別對三組試棒(每組三根)進行了試驗比較,具體數(shù)據(jù)如表1(平均值).表1不同工藝下的材料性能試驗項目屈服抗拉延伸布式硬度HB沖擊強度強度率%功JMPaMP缸體凸面缸體凹面二次冷拔后840985626227613350C退火.保溫9O分鐘7638228.224825819520C退火,保溫9O分鐘6l5766l6.52232363l2.2試驗結果

9、分析通過試驗的結果來看.在經(jīng)過兩次冷拔后,雖然材料的強度最好,但延伸率較低,沖擊韌性差,所以缸體的脆性大,容易炸裂.經(jīng)過理論校核.三種工藝處理后的缸體材料,其屈服強度和抗拉強度皆能滿足使用要求.但520oC退火后的缸體材料延伸率顯著提高,沖擊韌性增加明顯.同時在每一中工藝處理后,缸體凹面的布式硬度均要比凸面高近1014HB,這說明缸體在冷拔過程中內表面的金屬形變量遠遠大于外表面金屬的形變量,內表面的”加工硬化現(xiàn)象”非常嚴重.而廠家在平時的硬度檢測中,只對缸體的外表面進行檢測,而忽(下轉第144頁)2011年第19期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATIONO高校

10、講riO科技信息毗)=,ut=一Df1醐一(號)】一志一志咄州)一(魯)f1t.r1r1F(4-f1)r(4_)F(1+d)6F(1)r(4_盧)一(=墊2竺1一Li21r(5一)r(6B)r(1)12F(6-2f1)F(4-f1)r(1)一墊竺11F(5一)r(1一)F(1+2or)其余的部分U3(,t),U4(,t),(,),u(,t),(,t),可以通過mathmatiea軟件得到結果.其解為u(,t)=“o(,t)+Ml(,t)+u2(x,t)+一.不妨取=1.0,口=1.0,以M0(,t)+Ml(,t)+”2(,)為近似解,作HAM和VIM的誤差圖如圖2:圖2FokkerPlanck

11、方程用HAM和VIM求解的誤差圖從圖2中可以看出通過用同倫分析法所得近似解與VIM所得近似解非常接近,因此用同倫分析法求解分數(shù)階的FokkerPlanck方程是有效的.Q【參考文獻】1ZaidOdibat,ShaherMomani.NumericalsolutionofFokker-Planckequationwithspaceandtimefractionalderivatives_JlPhysicsLettersA2007,369(5-6):349358.2MehiDeghan,JalilManafian,AbbasSaadatmandi.Solvingnonlinearfractiona

12、lpartialdifferentialequationsusingthehomotopyanalysismethod【J1lNumericalMethodsforPartialDifferentialEquations,2010,26(2):4484793ZaidOdibat,ShaherMomani,HangXuAreliablealgorithmofhomotopyanalysismethodforsolvingnonlinearfractionaldifferentialequationsJ1.AppliedMathmatiealModeling,2010,34(3):593600.4

13、廖世俊.同倫分析方法:一種不依賴于小參數(shù)的非線性分析方法rJ】.上海力學.1997,18(3):196200.5廖世俊.超越攝動:同倫分析方法M】.北京:科學出版社,2006:2685.6盧磊,朝魯同倫分析方法中輔助算子I之選擇【J1l內蒙古大學學報,2009,28f4):241245.作者簡介:王燕(1979一),女,甘肅慶陽人,甘肅省第三十七中學教師,學(上接第132頁】略了對內表面檢測.所以即使在350退火后,外表面的硬度降低了且符合圖紙的技術要求,但內表面的硬度仍然偏高,因而炸缸現(xiàn)象就會時有發(fā)生.把退火溫度提高到520oC后,雖然缸體外表面的硬度,看起來已經(jīng)比圖紙要求的硬度下限還略低,

14、但內表面的硬度是比較合適的,且試棒的試驗證明,強度可以滿足使用要求,延伸率較好.2.3制定新的退火工藝根據(jù)上述分析,本課題組降缸體的退火溫度設定為520oC.考慮到生產(chǎn)中裝爐量較多的實際情況,為了提高生產(chǎn)效率,適當延長退火時間,注意控制升溫速度(100150/h),隨爐冷至300后,空冷.3效果驗證3.1試驗驗證為了驗證退火工藝調整及鋼絲槽口改進后的效果.課題組在改進后生產(chǎn)的單體液壓支柱中.隨機抽取了六根用試驗臺在壓力機上進行試驗.分別按額定壓力的1.5倍和1.8倍進行高壓試驗,試驗中無缸體炸裂現(xiàn)象發(fā)生.試驗后對缸體進行了拆檢,通過檢測沒有發(fā)現(xiàn)漲缸等塑性變形現(xiàn)象.3.2井下現(xiàn)場使用效果驗證經(jīng)過

15、近半年多的井下使用跟蹤,改進后的單體液壓支柱基本上杜絕了炸缸現(xiàn)象的發(fā)生,說明所采取的工藝改進措施是有效的.4結論責任編輯:常鵬飛27SiMn熱軋管,采用冷拔工藝作為單體液壓支柱缸體時,金屬內部的位錯密度顯著增大,晶粒破碎現(xiàn)象非常嚴重,冷拔后產(chǎn)生了大量的內應力.且金屬內表面的形變量遠遠大于外表面金屬的形變量,所以內外表面的”加工硬化”程度有差異.在實際生產(chǎn)中,由于裝爐量較多.所以原子擴散和晶面滑移很慢.應力難以消除.在考慮去應力退火工藝時,應以內表面的硬度來作為參考值.同時要特別注意控制升溫和冷卻速度.以保證各晶粒之間的重新結合得以充分協(xié)調.實際檢測中.一般不好檢測內表面的硬度,所以可把外表面的

16、硬度值降低IOHB左右.在本課題組的努力和廠家的大力配合下,通過調整退火工藝和改進鋼絲槽口形狀,解決了困擾廠家多年的單體液壓支柱炸缸問題.在廠家現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下,不增加缸體的厚度和改變缸體的整體結構,只通過合理的工藝手段來提高缸體材料強度,避免大幅度增加成本.淮南礦業(yè)集團每年用于租賃的單體液壓支柱數(shù)量在12萬根左右.每年發(fā)生缸體炸裂的數(shù)量約占l%左右.解決了這一問題,不但提高了礦井頂板管理的安全系數(shù),而且還可減少約5O萬元的經(jīng)濟損失,經(jīng)濟效益和社會效益皆十分明顯.作者簡介:趙廣引,女,安徽壽縣人,高級I程師,副教授,1990年畢業(yè)于安徽理工大學(原淮南礦業(yè)學院)機械制造X-藝與設備專業(yè),主要從事機械類專業(yè)的教學與科研工作.(上接第136頁)TeachingandResearchPress,1994/2000.2HallidayM.A.K.&R.Hasan.CohesioninEnglishLondon:Longman.1976.3Halliday,M.A.