乳化液泵曲轴箱平面磨削装置的研究与应用

李 勇

(皖北煤电集团恒源煤电股份有限公司五沟煤矿，安徽省淮北市，235000)

乳化液泵是煤矿井下液压支架的重要动力液压元件，乳化液泵依靠曲轴的旋转带动活塞做往复运动实现吸液和排液，为液压支架提供乳化液用于支撑顶板。皖北煤电集团恒源煤电股份有限公司五沟煤矿(以下简称“五沟煤矿”)采煤工作面采用BRW 315/31.5和BRW 400/31.5型乳化液泵，由于该矿水质较差，乳化液泵在日常运行中曲轴箱的吸液口表面周围会出现不同程度的气孔、麻点和小坑等破坏形式，致使乳化液泵密封性能降低出现泄压现象，直接影响工作面液压支架的正常运转，严重时泄露压力会造成人员伤害。

由于出液口属于密封表面，加工精度较高，目前依靠传统的手工磨削加工工艺很难进行修复，只能报废，造成资源浪费，设备投入成本压力较大。乳化液泵曲轴箱作为乳化液泵的主体承载结构，占乳化液泵整体费用的40%，存在更换新件费用较高、返厂维修费用较大、维修等待周期较长等问题，严重制约了设备的修复利用率，维修乳化液泵曲轴箱成为亟待解决的问题。基于此，从提高设备利用率着手，利用现有加工设备和工作经验挖掘设备“剩余价值”，经过反复实践制作出一套乳化液泵曲轴箱平面磨削装置，此套研磨装置能够较好地解决磨削加工难的棘手问题。

1 存在的问题与解决思路

1.1 存在的问题

乳化液泵工作时由于曲轴箱吸液口与泵头吸液口长期受到压力和震动气蚀的多重作用，易使两处结合面O型圈损坏，当乳化液通过曲轴箱吸液孔和泵头吸液口缝隙时，会产生较高的局部压力，就像无数子弹头连续打击曲轴箱吸液口和泵头周围表面，相对泵头采用不锈耐酸钢材质具有良好的耐腐蚀性能和较高的硬度来说，铸铁曲轴箱首先会遭到破坏，造成曲轴箱吸液口周围表面产生气蚀剥落，同时液体中夹杂活性气体腐蚀曲轴箱吸液口表面，导致漏液和窜液，长期运行将会出现麻点甚至表面脱落出现小坑，这将导致乳化液泵站不能正常工作。曲轴箱采用高强度铸铁整体铸造而成，是安装曲轴、减速齿轮箱、连杆、滑块、高压缸套及泵头等部件的基架，又是运动过程中的主要受力构件，由于曲轴箱具有尺寸精度高、形状复杂、运行中载荷大、表面耐磨性要求高等特点，因而曲轴箱修复难度较大。五沟煤矿维修现状如下所述。

(1)五沟煤矿井下工作环境恶劣，设备运行管理维护困难，漏液、窜液致使曲轴箱出现麻点现象。损坏的曲轴箱在井下作业面不具备拆除维修条件。

(2)由于曲轴箱价格较高，且曲轴箱占整台乳化液泵成本的40%，导致整台乳化液泵基本没有修复价值。

(3)设备升井后的维修方法是将气蚀的部分切割去除后堆焊，利用电磨头手工打磨平整，此工艺全依赖职工技术能力和工作经验，很难获得较高的维修质量，后期应用效果较差，使用寿命得不到保障。

1.2 解决思路

针对以上制约难题，维修技术人员从多角度出发详细改进维修方案，利用曲轴箱铸造结构的良好切削加工性能和有规律的圆周形状的损坏形式等特点，配合Z3050×16/Ⅰ摇臂钻床，研制出一套莫氏5号锥柄磨削装置，此装置安装在摇臂钻床旋转主轴上，对损坏的曲轴箱表面进行磨削加工至原设计平面精度。此套磨削装置改变了原有落后的修复方法，锥柄磨削装置能与摇臂钻床主轴紧密地配合，依靠摩擦力传递扭矩，磨削均匀平稳，可对待修复的表面进行机械式地修整，在有效解决全依赖职工技术能力和工作经验问题的同时，提升了修复质量和修复效率。

2 结构分析

乳化液泵曲轴箱平面磨削装置由莫氏5号锥柄、锥柄夹持器、高强度螺栓、碳化硅磨料四大部分组成。莫氏5号锥柄与锥柄夹持器材料均选用40 Cr，硬度达到HRC 45～55，莫氏5号锥柄与锥柄夹持器整体车削加工而成。莫氏5号锥柄用于静配合能够得到高精确定位。由于锥度较小，利用摩擦力的原理可以传递一定的扭矩，又因为是锥度配合，所以可以方便地拆卸。在同一锥度的一定范围内，工件可以自由拆装,同时在工作时又不会影响到使用效果，比如钻孔的锥柄钻，如果使用中需要拆卸钻头磨削，拆卸后重新装上不会影响钻头的中心位置，实现自由切换。

锥柄夹持器部分采用圆柱状外形，转接套端部采用中空结构配置M12内螺纹的形式，利用M12高强度螺栓作为固定碳化硅磨料砂轮所用。基于曲轴箱损坏区域在进液口和出液口附近呈圆周形均匀分布的形状位置特点，其待磨削区域均匀分布在进液口和出液口外水平表面处，在锥柄夹持器部分安装的磨料砂轮能够很好地与曲轴箱的进液口和出液口外形尺寸巧妙配合，实现均匀平滑进给磨削。

砂轮磨削磨料的使用根据曲轴箱的材料性质、热处理方法、工件形状、尺寸及加工形式和技术要求等合理选用砂轮片磨料。安装应用时，将砂轮片居中安装在刀杆前端面上用螺栓压紧，把莫氏5号锥柄安装在钻床旋转主轴锥柄套筒中，合理选择切削用量和进给量便可对待磨表面进行磨削加工。

3 修复流程

由于曲轴箱在使用过程中承受较高的交变载荷，因此在修复前需要根据曲轴箱的工作环境、介质、温度及成本等多种因素进行综合考虑后处理。要求修复单位既应该有负责焊接的技术人员、检查人员和检测人员，又应该有焊接工艺要求的焊接设备并保持完好状态，还应该有保证焊接质量达到标准的焊接措施。修复单位应首先编制焊接作业指导书并试焊，对首次使用的焊材、方法、焊后热处理设备进行焊接工艺评定，并根据评定报告确定焊接工艺，制订修复方案，采取防止变形和消除应力的措施。在修复曲轴箱过程中，需要对施焊人员、焊接设备、焊接材料、焊接环境和工艺进行良好控制，保证修复和后续使用的安全性和可靠性。

3.1 清理观察

拆解并清洗箱体，对需要修复的曲轴箱采用煤油清洗，以清除工件表面的油污及浮锈，观察是否存在裂纹、划痕及拉伤等。

3.2 测量检测

检测曲轴箱形状尺寸以及完整性，用千分尺检测表面磨损量；用校验仪检测是否存在弯曲、扭曲等变形；用金属探伤仪检测内部是否存在裂纹。

3.3 修复加工

由于曲轴箱以高强度铸铁制造，因此采用气焊、电弧焊和钎焊等工艺修补。在补焊前，用摇臂钻将麻点小坑去除以增加焊接结合强度。根据曲轴箱的标准尺寸对曲轴箱进行修复，在施焊过程中，由于对曲轴箱基体材料加热，基体材料会产生组织转变，一方面由于快速加热和冷却会在热影响区产生大量细密的马氏体，造成基体热影响区产生淬火现象；另一方面由于晶粒在热作用下，会产生晶界弱化作用。为了避免以上现象的产生，在施焊前打止裂孔、开坡口、清洗、工件修补部位进行循序渐进地预热，避免热应力裂纹的产生。采用小电流短段断续分散补焊，薄层、分层修补，分层修补焊接时的层间温度应保持60℃左右(应以不烫手为准)，小电流施焊后立即锤击消除补焊过程中的缺陷，补焊后采取保温措施减小冷却速度，利用石棉布覆盖保温使其缓冷。乳化泵曲轴箱修复工艺研究表明，表面焊接层应力为张应力，张应力的存在会增加开裂倾向，为了降低覆层张应力的开裂倾向，焊接后通过人工时效消除磨削应力，通过去应力退火消除热应力降低表面张应力。

3.4 无损检测

修补完成后利用无损探伤技术对焊接修补后的曲轴箱进行检测，确保各项技术参数满足原设计文件要求。无损检测采用射线探伤方法进行，适用于检测铸件及焊接件等构件内部缺陷，特别是具有一定空间分布的体积缺陷，射线探伤能够较直观地显示工件内部缺陷的大小和形状，因而易于板顶缺陷的性质分析，探伤底片可作为检验的原始记录长期保存。

3.5 安装应用

将修补后的曲轴箱用莫氏5号锥柄磨削装置配合摇臂钻床对需要修复的部位进行初级磨削加工至既定尺寸。锥柄刀杆材料选用40Cr，硬度达到HRC 45～55，刀杆部分车成圆柱形，刀杆伸出端钻孔攻内丝M12螺纹，作为安装固定砂轮片所用。砂轮片的使用根据具体情况(如所磨工件的材料性质、热处理方法、工件形状、尺寸及加工形式和技术要求等)选用合适的砂轮片。

3.6 磨削加工

将砂轮片安装在刀杆端面上用螺栓固定牢靠，把莫氏5号锥柄安装在钻床主轴套筒中，合理选择切削用量和进给力便可对待磨表面进行磨削加工。由于曲轴箱是采用铸铁材料铸造加工而成，其加工表面粗糙度为6.3 μm，选择碳化硅砂轮片，该磨料具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性等特点，适用于铸铁、黄铜、耐火材料及非金属材料的磨削加工。作为初次研磨工具，将多余焊层进行初次磨削，在磨削过程中合理控制箱体平面度，待初次磨削后选用棕白混合磨料进行研磨修整，以达到理想的表面质量和粗糙度要求。

4 效益分析

4.1 社会效益

(1)乳化液泵曲轴箱平面磨削装置修复工艺形成的热应力小，曲轴箱修复层与原基体结合力和致密性高，并具有较高的表面硬度和耐磨性，在承受载荷的过程中不会出现修复层破坏。该磨削装置在使用过程中具有安全可靠、成本低、维护方便等特点，避免了因设备的局部损坏而报废整套设备所产生的成本增加问题。

(2)在摇臂钻床上完成磨削加工修复，效率高且劳动强度低，在有效降低生产成本的同时，最大限度地发挥了现有加工设备的利用率。

(3)通过实践应用并经射线探伤仪检验，修复设备质量符合设备完好标准，最大限度地利用了设备服役时间，避免了由于曲轴箱吸液口点蚀使整台乳化液泵报废现象。修复的乳化液泵经一线职工现场使用一段时间后表明，乳化液泵运行平稳，压力流量参数等符合作业标准，使用寿命大大提升，取得了良好的安全效益。

4.2 经济效益

对维修费用与采购新件费用进行量化对比，以维修一件曲轴箱为例，从人力、材料、机械设备消耗3个方面统计共消耗费用为1126元，购置新件费用为12183元，因此修复后可节省资金为11057元。全年可修复乳化液泵曲轴箱共计11件，可节约资金121627元。