采煤机调高千斤顶失效分析及预防措施

徐志鹏， 刘 晟， 万宏凤

（1.江苏建筑职业技术学院 智能制造学院， 江苏 徐州 221116；

2.郑州煤矿机械集团股份有限公司， 河南 郑州 450016；
3.郑州职业技术学院， 河南 郑州 450010）

采煤机是煤矿综采工作面生产过程中的重要设备，在综采面生产过程中需要根据顶板高度变化适时地调节滚筒高度， 而滚筒高度升降主要通过调高千斤顶的伸缩来实现的，另外来自煤炭截割的冲击力通过滚筒、摇臂最终也作用于调高千斤顶。因此，调高千斤顶在采煤机生产过程中始终承受着循环交变的载荷[1-3]，其可靠性将直接影响到采煤机是否能够正常工作， 甚至综采工作面能否能够正常生产；

另外， 由于调高千斤顶内部均为高压液体，一旦由于疲劳等原因发生千斤顶爆裂的情况，还将造成极大的人员危害与经济损失[4-5]。

因此，本文在煤矿现场实际失效案例的基础上充分利用化学分析、 力学性能检测、组织和断口微观分析等手段，对某煤矿调高千斤顶开裂油缸进行了失效机理研究， 以期能够为提高采煤机调高千斤顶的疲劳强度和寿命提供借鉴作用， 并为煤矿综采工作面的安全稳定生产提供保障。

某煤矿综采工作面采煤机调高千斤顶在工作过程中出现外缸筒开裂情况并最终导致油缸整体失效。

首先，对调高千斤顶的结构分析可知，千斤顶外缸筒结构图主要由缸筒、加强套、接头座和吊环等组成。

而后，结合现场情况对失效起因进行初步判断，通过图1 所示的现场照片进行比对并对断口处的解剖分析能够发现：外缸筒起裂位置位于图中箭头所示的方形接头座拐角焊缝焊趾部位，随着工作过程中调高千斤顶的循环交变受力，裂纹逐渐向缸筒的上、下两个方向同时扩展，最终导致缸筒整体开裂。

图1 现场失效情况

1.1 化学成分

失效调高千斤顶外缸筒材质为27SiMn， 热处理状态为调质处理，为确定缸筒材质是否满足GB/T 3077—1999 相关标准，本文对外缸筒进行了化学成分分析，结果如表1 所示。

其中，C 含量为0.31%符合0.24%～0.32%的国标要求，S 含量为0.008%符合0.035%以内的国标要求，Si 含量为1.34%符合1.10%～1.40%的国标要求，Mn 含量为1.31%符合1.10%～1.40%的国标要求，P 含量为0.016%符合0.035%以内的国标要求，Cr 含量为0.29%符合0.20%以内的国标要求，Ni 含量为0.12%符合0.30%以内的国标要求。

通过以上分析比对可知开裂外缸筒的各项化学成分均达到了国标相关标准要求， 因此可以判定该外缸筒的开裂与其化学成分间不存在直接相关性。

表1 化学成分

1.2 力学性能

为了进一步研判调高千斤顶外缸筒的开裂失效与其力学性能是否具有相关性， 本文按照GB/T 2975—1998标准中的相关规定， 从调高千斤顶外缸筒先后取出3 个试样，并且分别开展了冲击、拉伸实验，所得数据如表2所示。

从表中可以看出，除了延伸率均值为24%，断面收缩率均值为58%能够达到国标要求之外；

屈服强度均值为463MPa 未达到不小于835MPa 的国标要求，拉伸强度均值为741MPa 未达到不小于980MPa 的国标要求，0℃时冲击功均值为21J 未达到不小于39J 的国标要求。

通过以上数据可以看出， 开裂外缸筒材料的多项力学性能指标低于GB/T 3077—1999 调质处理状态标准。

因此，初步判定材料的热处理过程和状态存在一定问题， 导致采煤机工作过程中在频繁遇到煤层过硬、 摇臂工作阻力过大的情况下， 较低的材料强度成为了调高千斤顶外缸筒开裂的原因之一[6-7]。

表2 力学性能

1.3 微观组织

在明确了失效千斤顶外缸筒的开裂失效与其力学性能之间相关性之后， 本文对外缸筒试样的微观组织进行了分析， 以研判外缸筒的失效是否由于调质处理阶段的缺陷所，其结果见图2。

从图中可以看出，试样属于典型的正回火组织[8-10]，由铁素体、珠光体和上贝氏体组成，其中铁素体和珠光体的占比最大，上贝氏体仅占很少部分。然而，在观察中未见基体回火索氏体组织，初步判断由于淬火温度未达到便回火；

或者淬火时过早出水产生高温回火脆性；

亦或回火时间过短所致。

图2 失效缸筒微观组织（×500）

为了进一步确定缸筒失效的具体方式， 本文对外缸筒断裂区进行了宏观与微观组织分析。

从图3 所示的宏观组织图中可以看出平滑的平断口特征， 并且在个别区域中出现贝壳状纹路，由此可以判断出该断口为疲劳失效；

并且可以看出区域内呈现出大量疲劳辉纹， 进一步作证了该断口为疲劳失效的判断。

从图4 所示的微观图中可以看出， 断裂区域内存在典型的断裂韧窝， 由此判断其失效并非由脆性断裂所引发[11-13]。结合上述分析可以判定该千斤顶外缸筒断裂事故由疲劳失效所导致[14-15]。

图3 断裂区宏观组织

图4 断裂区微观组织

为了进一步明确千斤顶的失效机理， 文本解剖了失效的千斤顶外缸体， 在观察断裂区域的特征分析中发现失效起始于一处接头焊缝，而后裂纹延焊缝向两端发展。由此可知， 接头焊缝处如图5 所示为缺陷集中区域，并且此处的焊接应力较为集中， 采煤机工作过程中调高千斤顶处于循环加载状态， 当集中的应力超过了缺陷区域所能承受的最大值时便产生了初始的裂纹， 此后裂纹在采煤机滚筒应力的循环作用下向两端延伸。其次，由于外缸筒热处理过程中存在问题， 导致外缸筒微观组织中铁素体、珠光体与上贝氏体共存，因为铁素体碳的过饱和度低，加之上贝氏体形成于高温状态，因而导致材料的强度低且硬度低[16-17]。

另外，碳化物呈现粗大颗粒状在铁素体间呈现出条状分布状态， 为裂纹产生后的扩展提供了路径，或者在遇到冲击时在铁素体之间出现脆断[18-19]。

在查阅失效缸筒生产商的焊接现场记录时发现在对接头座进行焊接前没有进行任何预热操作。而27SiMn 材质的碳含量以及钢淬硬倾向均较大， 由于焊接过程中电流过大使得焊接热输入过大，增加了焊缝的冷裂倾向。

并且，接头座处的焊缝与母材见的过渡性较差， 加剧了集中应力状态下发生裂纹并不断延伸的概率。

图5 千斤顶外缸筒开裂分析示意图

通过以上综合检测分析明确了该采煤机调高千斤顶外缸筒开裂为疲劳失效的结论， 其失效原因是由于焊接工艺不达标、焊缝成型不良，并且后续热处理工艺未按要求实施，导致焊接处强度韧性差，在外界集中应力的作用下形成了焊接冷裂纹并进一步扩展。

为了预防此类采煤机调高千斤顶开裂失效的发生， 本文在对此次调高千斤顶开裂失效问题进行分析的基础上， 结合相关焊接工艺评定以及现场生产经验提出以下预防措施：
焊接电流应控制在240～260A 、焊接电压应控制在26～28V、焊接速度应控制在25～30m/h；

焊接前需要将焊缝预热至100～150℃，焊接后需要将焊缝覆盖上防火棉并逐步缓冷至室温；
冷却后需要进行焊趾修磨，确保焊缝与母材之间过渡圆滑，从而减少应力集中[20-21]。

针对煤矿现场采煤机调高千斤顶的外缸筒开裂问题，本文通过化学成份、力学性能以及微观组织的分析对开裂失效的机理进行细致的分析研究。

得出了采煤机千斤顶失效是由于焊接工艺不达标、 焊缝成型不良产生的冷裂纹，以及后续热处理工艺未按要求实施所导致的。并且本文在失效分析的基础上， 结合焊接工艺标准要求以及现场生产经验，提出了优化焊接工艺参数，增加焊前预热，降低焊接热输入，焊趾修磨等一系列改进措施，以期能够有效预防此类采煤机调高千斤顶开裂失效问题的发生，为煤矿综采工作面的安全稳定生产提供保障。

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