特厚煤层液压支架结构件的制造工艺探讨

王永祥

郑州煤矿机械集团股份有限公司， 河南 郑州 450013

摘要：引言随着液压支架需求量的不断增加，当今液压支架生产制造企业大多数还是以手工焊接作为主导的支架结构件制造方式。而高端支架制造大部分部件都是采用高强板焊接，高强板焊接要求将焊件加热至200℃，施焊温度在80℃以上，焊工的焊接工作需要在不间断的高温条件下进行，工人的劳动强度非常大。并且，手工焊接受到人为因素的制约非常大，难以确保焊接效果，从而不利于支架性能的发挥。因为高端支架构件板材较厚、尺寸大，具备复杂的焊接工艺，从而人工焊接难以提升焊接效率。

关键词：特厚煤层；液压支架结构件；制造工艺

引言

由于是重要的支撑结构，液压支撑由于结构元素的支撑强度不足，在操作过程中容易引起结构元素的变形或损坏，从而对煤炭开采造成危险。液压结构的传统设计包括:根据传统力学计算现场的外部机械特性，分析结构的变形或损伤。在老矿井的深入开发过程中，必须充分了解结构件的整体详细应力分布，然后通过可行性研究设计和优化结构件。非常重要的是对液压支架结构件优化设计的研究，以改变新一代液压支架的特性。

1液压支架结构件制造工艺概述

液压支架通过液压压力产生非常大的支撑力，可以在实现支撑运动自动化和保护及支撑矿井顶板方面发挥作用。这是煤矿开采中机械化作业不可或缺的设备。其中，速度快、稳定性好、适应性理想是最突出的优点。液压支架结构包括跨越梁、顶梁和尾梁等。这种结构被焊接以有效地连接钢板。作为液压支架所能承受的载荷的组成部分，支撑结构对强度标准要求非常高，相应的制造工艺也非常严格。

2液压支架焊接机器人的发展情况

随着智能制造的不断发展和进步，汽车制造和工程机械等方面广泛采用机器人焊接方式，大大提升了焊接质量和制造效率。大部分的液压支架应用立体交叉焊缝、中厚板经短距离焊接而成，焊接可达性不高。另外，工件拼装和定位需要非常高的精度，这大大提高了全自动焊接液压支架机器人的应用难度。近年来，很多企业进行了焊接试验工作，逐步在液压支架连杆焊接生产中应用机器人焊接系统，从而实现了连杆焊接质量与自动化水平的提升。也有一部分企业在焊接复杂箱体构件（支架底座、掩护梁、顶梁等）中应用了先进焊接机器人技术，实现了大规模化的自动化生产模式。当前液压支架焊接中应用焊接机器人面临以下问题：①液压支架的构造基本为箱型，其特点是拼装数和焊接工位多、构造多变，多变复杂的空间焊缝是其主要焊缝；②基本由中厚板拼焊而成的支架结构件，下料和拼接存在较大误差，焊接质量难以保障；③多层多道焊是液压支架焊接的主要形式，其要求较高的焊接机器人程序保障；④变位设备成本大，以及配套系统过于复杂，难以实现批量化生产；⑤焊接机器人与变位设备互相对应，在高温焊接状况下焊接速度比工件降温速度慢，重复加热之后焊接效率下降。

3液压支架结构件组成部分

液压支架的结构部分主要包括梁、前梁、顶梁、尾吊杆、神盾梁、伸缩梁、插接板、前后连接杆、推杆、基座等。屋顶与屋顶直接接触，对屋顶的支持和维护起着重要作用。能把屋顶压力传递给支撑柱的盒状结构元素。神盾梁是四梁结构，前后端分别靠上梁和四杆，通过四梁结构(箱状结构)连接到基座。伸缩梁主要靠在由千斤顶运动固定的滑道上前后移动的伸缩梁千斤顶上，负责矿山机械开采后开放式屋顶的临时支撑和保护。前后连接杆适用于支撑支架和神盾支架，可承载支架的水平构件，提高支架顶板控制的可靠性。底座与下板直接接触，不仅承受上板的垂直压力，还承受下板的向上力和四个梁杆机构传递的扭转力和拉力。

4液压支架结构件制造工艺流程

4.1选择材料和下料

材料的选择是液压支架结构件制造的第一步，对结构件各参数的性能有很大影响。一般来说，高强度钢板用于满足对结构元素强度的高要求。在选择材料之前，必须详细确认和记录钢板的所有机械特性，特别是对后续成型和焊接工艺的影响，并进行关键分析。对于某些材料，必须进行适当的抛丸和气体切割，然后处理氧化物层，再重复抛丸等。

4.2成型工序

成型是结构制造过程中一个非常重要的环节，主要包括两种形式:工件支撑板上的刮削装配和使用特殊成型和安装基体的装配。前者适用于单批或小批零件，后者适用于大批零件。焊接前，成型过程的每个部分的参数都应检查是否符合标准要求，并根据测试结果合理分组。成型过程中，应充分考虑焊接过程中影响结构零件性能的因素，并采取措施有效保证焊接的顺利发展。焊接底之间的距离不得超过2mm。工件应被压扁，且不应采用强变形的方法，以避免后续焊接的负面影响。为了减少焊角变形，工件必须在自由状态下焊接，在工件逐渐冷却后，焊接变形必须测量。

4.3机器人焊接定位控制

自动化焊接液压支架的实现，需要焊接机器人能够进行空间位移以及保持标准的焊枪姿态。实时跟踪定位功能的设置可以对坡口和焊缝宽度进行自动识别，主要有以下3种技术。（1）运动控制技术。多变复杂的空间焊缝是液压支架构件焊缝的主导，其需要焊接机器人对运行过程进行精准控制，确保顺着工件焊缝的空间移动，以及对相关工艺参数进行协调。（2）焊缝跟踪和定位技术。液压支架的组成是拼接的中厚板材，拼接时难以控制误差，以及难以准确定位焊缝，想要使自动焊接实现，需要焊接机器人对改变的焊缝轨迹进行实时跟踪，可以结合改变的焊缝坡口自主调节工艺参数。在用机器人焊接液压支架构件中，现在有些企业应用激光焊缝跟踪技术。（3）多层多道焊接技术。因为液压支架板材厚、尺寸大，为了降低工件热变形量和减少热输入，多层多道焊接的应用较多。机器人焊接的重要技术是自动化多层多道焊接技术，该技术一般首先进行全部焊缝的打底焊接，然后实施盖面焊接。

4.4焊缝检测和焊接应力的消除

由于焊接消耗品、设备、技术和其他条件的影响，焊接过程中经常会形成注射孔、裂纹、不规则的焊接通道、不充分的焊接深度和不良的电弧稳定性等缺陷。因此，完成焊接后，要对焊接缝进行磁粒控制和超声波测试，及时发现缺陷，采取消除这些缺陷的措施，确保焊接质量。焊接应力一般是不可避免的，为了保证焊接质量，可以通过硬化或振动消除。

4.5提升焊接效率和安全性

人工焊接的过程中，为了对工件一系列部位的焊缝进行焊接，要求来回翻转五六次工件，每一次的翻转都要求两名焊工与一名天车工的配合，耗费时间15min以上。应用机器人进行焊接，减少了焊接时翻转工件的时间，当前工件在变位装置上进行一次翻转的时间在0.5min之内。并且以往重点依赖变位机固定设备定位工件，难以精确地重复定位工件，可是机器人默认的坐标系与首件相同，从而造成批量焊接时存在撞枪和偏焊情况。机器人焊接技术的应用，不但减少了工人的劳动强度、减小了用工规模，之前焊接一件工件要求两人，当前仅仅要求一人对机器人看守即可，并且可以同时焊接两个工件，从而节省人工成本。机器人焊接技术的应用还优化了工人工作环境，焊工勿需紧贴工件开展作业，减少焊接高温和烟尘对人身的危害。

结束语

作为煤矿生产中最重要的采矿设备之一，结构的可靠性直接影响到煤矿生产的安全。现代液压支架采用了新的材料、智能技术和信息技术，简单的计算方法在部件结构优化中不再使用。通过计算机，材料科学与机械功能的综合分析和有限元分析，可以了解各种设计形式的部件性能，并选择可靠性最高、综合性能最好的设计方法，达到提高部件安全性和可靠性、降低成本的目的。

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