单体液压支柱缸体炸裂的原因分析及其工艺解决方案

1、单体液压支柱缸体炸裂的原因分析及其工艺解决方案2011年第l9期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATIONO机械与电子.科技信息单体液压支柱缸体炸裂的原因分析及其工艺解决方案赵广引(淮南职业技术学院李全军安徽淮南232001)【摘要】单体液压支柱可供采煤3-作面支护顶板,一旦发生炸裂不但不能有效地管理顶板,造成冒顶事故.而且炸裂的碎片还可能直接伤人.本文通过对缸体炸裂原因的分析,在现有的生产条件下,不增加缸体的厚度和改变缸体的结构,通过调整工艺来提高它的强度.既减少投入,又保证了支柱的安全使用.【关键词】单体支柱;缸体;炸裂;热处理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前言矿用单体液压支柱与金属铰接顶梁配套.可以在一般机械化采煤工作面顶板支护用,亦可供综合机械化采煤端头支护或掘进头等其它巷道内临时性支护用DW型矿用单体液压支柱由顶盖,三用阀,活柱体,油缸,手把体等几个主要零部件组成.工作时通过三用阀注液孔注入高压液体将活柱体升高顶住金属顶梁完成升柱过程;当支柱顶梁紧贴工作面顶板后,支柱内腔的压力为泵站压力,此为初撑过程;当作用在支柱上的载荷超过其额定工作载荷时,三用阀中的安全阀打开.液体外溢使得内腔压力降低,安全阀关闭,支柱内腔液体停止外溢,活柱均匀下缩,

5、支柱的工作载荷始终保持在一定范围,此为恒阻式支撑阶段.最后为卸载过程,打开卸载阀,支柱内乳化液经卸载阀排出,活柱在自重和复位弹簧的作用下回缩,实现降柱.单体支柱发生炸裂,主要是缸体在没有达到额定载荷时的损坏.只有提高缸体的综合机械强度,加大安全系数.才能有效地避免此类安全事故的发生.本论文探讨通过热处理技术来提高缸体的综合机械性能,从而杜绝单体支柱缸体的炸裂1缸体炸裂的现状及其工艺分析1.1缸体炸裂的现状如图1收集的部分缸体损坏实物照片.一部分是使用一段时间后,发生炸裂,还有少数是使用时间不长,即炸裂失效.从断口来看,断口呈纤维状,灰暗无光,属于”韧性脆裂”,说明缸体的脆性偏高,韧性不足一一图

6、1缸体炸裂实物1.2现行缸体加工工艺以DW25型单体支柱为例,其缸体的原材料为27SiMn,尺寸为p114x10mm的管材.现行的加工工艺为:车管头一预处理(酸洗,磷化,皂化)一冷拔(将管材冷拔至外径p114,内径至98)一皂化(二次皂化)一冷拔(将管材二次冷拔至内径plO0)一检查内径尺寸一下料一退火(350oC.保温9O分钟)一珩磨一检查珩磨尺寸一车一铣一电镀132(镀锡青铜)+检验l_3缸体炸裂原因的分析由于冷拔管材经过两次冷拔后,内径由p94扩至q100,金属的形变量很大,金属内部的位错密度显着增大,晶粒破碎现象非常严重,产生了大量的内应力.同时也出现了加工硬化现象,使管材的硬度和强度

7、显着提高.通过检测经过两次冷拔后的管材.缸体表面的硬度一般在240265HB,符合图纸设计的技术要求.所以厂家在以往的生产工艺中,并没有设置退火工序.当在煤矿实际使用中发现有缸体炸裂现象后,才增加了去应力退火工艺,现行的退火工艺参数为:退火温度350,保温90分钟.检测去应力退火后的缸体表面硬度为225255HB,虽然硬度偏下限,但基本满足图纸的硬度要求.通过井下一段时间的使用,虽然炸缸现象有所减少,但并没有根本杜绝.作为液压支柱的缸体,既要有一定的韧性,也要有很好的强度,即良好的综合机械性能,才能满足使用要求.因此,选择合理的去应力退火工艺尤为重要.2对比试验及新工艺的制定2.1强度试验及硬

8、度检测DW25,DW28型单体液压支柱的额定工作载荷250kN.额定工作压力为31.8MPa;DW22以下型单体液压支柱的额定工作载荷300kN,额定工作压力为38.2MPa.缸体的材料为热轧无缝管,材质为27SiMn.为了掌握相关工艺处理下材料的性能,分别对三组试棒(每组三根)进行了试验比较,具体数据如表1(平均值).表1不同工艺下的材料性能试验项目屈服抗拉延伸布式硬度HB冲击强度强度率%功JMPaMP缸体凸面缸体凹面二次冷拔后840985626227613350C退火.保温9O分钟7638228.224825819520C退火,保温9O分钟6l5766l6.52232363l2.2试验结果

9、分析通过试验的结果来看.在经过两次冷拔后,虽然材料的强度最好,但延伸率较低,冲击韧性差,所以缸体的脆性大,容易炸裂.经过理论校核.三种工艺处理后的缸体材料,其屈服强度和抗拉强度皆能满足使用要求.但520oC退火后的缸体材料延伸率显着提高,冲击韧性增加明显.同时在每一中工艺处理后,缸体凹面的布式硬度均要比凸面高近1014HB,这说明缸体在冷拔过程中内表面的金属形变量远远大于外表面金属的形变量,内表面的”加工硬化现象”非常严重.而厂家在平时的硬度检测中,只对缸体的外表面进行检测,而忽(下转第144页)2011年第19期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATIONO高校

10、讲riO科技信息毗)=,ut=一Df1醐一(号)】一志一志咄州)一(鲁)f1t.r1r1F(4-f1)r(4_)F(1+d)6F(1)r(4_卢)一(=垫2竺1一Li21r(5一)r(6B)r(1)12F(6-2f1)F(4-f1)r(1)一垫竺11F(5一)r(1一)F(1+2or)其余的部分U3(,t),U4(,t),(,),u(,t),(,t),可以通过mathmatiea软件得到结果.其解为u(,t)=“o(,t)+Ml(,t)+u2(x,t)+一.不妨取=1.0,口=1.0,以M0(,t)+Ml(,t)+”2(,)为近似解,作HAM和VIM的误差图如图2:图2FokkerPlanck

11、方程用HAM和VIM求解的误差图从图2中可以看出通过用同伦分析法所得近似解与VIM所得近似解非常接近,因此用同伦分析法求解分数阶的FokkerPlanck方程是有效的.Q【参考文献】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.同伦分析方法:一种不依赖于小参数的非线性分析方法rJ】.上海力学.1997,18(3):196200.5廖世俊.超越摄动:同伦分析方法M】.北京:科学出版社,2006:2685.6卢磊,朝鲁同伦分析方法中辅助算子I之选择【J1l内蒙古大学学报,2009,28f4):241245.作者简介:王燕(1979一),女,甘肃庆阳人,甘肃省第三十七中学教师,学(上接第132页】略了对内表面检测.所以即使在350退火后,外表面的硬度降低了且符合图纸的技术要求,但内表面的硬度仍然偏高,因而炸缸现象就会时有发生.把退火温度提高到520oC后,虽然缸体外表面的硬度,看起来已经比图纸要求的硬度下限还略低,

14、但内表面的硬度是比较合适的,且试棒的试验证明,强度可以满足使用要求,延伸率较好.2.3制定新的退火工艺根据上述分析,本课题组降缸体的退火温度设定为520oC.考虑到生产中装炉量较多的实际情况,为了提高生产效率,适当延长退火时间,注意控制升温速度(100150/h),随炉冷至300后,空冷.3效果验证3.1试验验证为了验证退火工艺调整及钢丝槽口改进后的效果.课题组在改进后生产的单体液压支柱中.随机抽取了六根用试验台在压力机上进行试验.分别按额定压力的1.5倍和1.8倍进行高压试验,试验中无缸体炸裂现象发生.试验后对缸体进行了拆检,通过检测没有发现涨缸等塑性变形现象.3.2井下现场使用效果验证经过

15、近半年多的井下使用跟踪,改进后的单体液压支柱基本上杜绝了炸缸现象的发生,说明所采取的工艺改进措施是有效的.4结论责任编辑:常鹏飞27SiMn热轧管,采用冷拔工艺作为单体液压支柱缸体时,金属内部的位错密度显着增大,晶粒破碎现象非常严重,冷拔后产生了大量的内应力.且金属内表面的形变量远远大于外表面金属的形变量,所以内外表面的”加工硬化”程度有差异.在实际生产中,由于装炉量较多.所以原子扩散和晶面滑移很慢.应力难以消除.在考虑去应力退火工艺时,应以内表面的硬度来作为参考值.同时要特别注意控制升温和冷却速度.以保证各晶粒之间的重新结合得以充分协调.实际检测中.一般不好检测内表面的硬度,所以可把外表面的

16、硬度值降低IOHB左右.在本课题组的努力和厂家的大力配合下,通过调整退火工艺和改进钢丝槽口形状,解决了困扰厂家多年的单体液压支柱炸缸问题.在厂家现有的生产条件下,不增加缸体的厚度和改变缸体的整体结构,只通过合理的工艺手段来提高缸体材料强度,避免大幅度增加成本.淮南矿业集团每年用于租赁的单体液压支柱数量在12万根左右.每年发生缸体炸裂的数量约占l%左右.解决了这一问题,不但提高了矿井顶板管理的安全系数,而且还可减少约5O万元的经济损失,经济效益和社会效益皆十分明显.作者简介:赵广引,女,安徽寿县人,高级I程师,副教授,1990年毕业于安徽理工大学(原淮南矿业学院)机械制造X-艺与设备专业,主要从事机械类专业的教学与科研工作.(上接第136页)TeachingandResearchPress,1994/2000.2HallidayM.A.K.&R.Hasan.CohesioninEnglishLondon:Longman.1976.3Halliday,M.A.