煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)制造新技術(shù)及新工藝研究

吳恒建

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院，太原 030006）

煤礦生產(chǎn)有賴于機(jī)械設(shè)備的輔助，機(jī)械設(shè)備經(jīng)常需要在惡劣環(huán)境中作業(yè)，因此對于設(shè)計(jì)和制造提出了更高要求。煤礦機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)制造受到了行業(yè)的極大重視。目前機(jī)械設(shè)備使用過程中出現(xiàn)一定問題，造成用戶使用感受受到影響。因此，通過研究設(shè)計(jì)制造新工藝和新技術(shù)，利用新工藝和新技術(shù)提高機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量，以滿足不同環(huán)境、不同需要的使用要求，推動煤礦生產(chǎn)、安全有序的展開。

1 煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)制造引入新技術(shù)、新工藝的重要性

我國現(xiàn)有煤礦機(jī)械設(shè)備中，對設(shè)備技術(shù)性能的要求十分嚴(yán)格，讓機(jī)械設(shè)備滿足開采作業(yè)需要。但是現(xiàn)有設(shè)備仍然存在一定不足，導(dǎo)致使用設(shè)備時(shí)使用體驗(yàn)較差。如某些煤礦機(jī)械設(shè)備刷漆不均勻，標(biāo)準(zhǔn)件存在歪斜等情況，導(dǎo)致操作人員使用感受較差。設(shè)計(jì)制造機(jī)械設(shè)備要重視創(chuàng)新外觀設(shè)備，從人性化角度進(jìn)行考量[1]。機(jī)械設(shè)備操作要集中操作功能，保障設(shè)備操作人員的操作體驗(yàn)。設(shè)計(jì)制造機(jī)械設(shè)備通過優(yōu)化外形和應(yīng)用性能，讓操作人員直觀體驗(yàn)得到提高，提高設(shè)備操作性能的同時(shí)，提高操作人員作業(yè)的舒適性。通過新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用，讓機(jī)械設(shè)備外觀質(zhì)量得以提升，優(yōu)化操作人員使用體驗(yàn)，操作人員使用體驗(yàn)的提高，有助于提高煤礦生產(chǎn)效率，為煤礦生產(chǎn)提高經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)提高生產(chǎn)產(chǎn)量，進(jìn)而影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供充足的煤炭資源。

2 煤礦機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)理念

設(shè)計(jì)煤礦機(jī)械設(shè)備要引入人性化理念，設(shè)計(jì)和制造機(jī)械設(shè)備時(shí)，要從人本理念出發(fā)，將實(shí)用性放在首要位置上。設(shè)計(jì)階段要重視考慮操作人員的心理需要，提高機(jī)械設(shè)備操作體驗(yàn)，應(yīng)用設(shè)備過程中要對使用環(huán)境，尤其是井下的惡劣環(huán)境的考慮。設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備時(shí)要重點(diǎn)考慮設(shè)備可靠性充分結(jié)合人、環(huán)境以及設(shè)備，保證設(shè)備設(shè)計(jì)合理性。設(shè)計(jì)制造機(jī)械設(shè)備過程中，關(guān)于操作界面的設(shè)計(jì)要重視操作人員視覺體驗(yàn)，從操作語言到流程設(shè)計(jì)都要滿足生產(chǎn)操作的習(xí)慣，提高設(shè)備操作便捷性。設(shè)計(jì)制造機(jī)械設(shè)備要求設(shè)計(jì)人員全面收集設(shè)備使用環(huán)境、使用工序以及使用目的的信息，全面收集信息，才能融合機(jī)械設(shè)備操作終端，最大程度上為操作人員提供便利。設(shè)備功能要滿足實(shí)際需要，功能按鈕設(shè)計(jì)在操作人員的正前方，操作桿和按鍵要根據(jù)操作人員使用習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

如要重視機(jī)械設(shè)備毛邊處理，讓設(shè)備設(shè)計(jì)制造質(zhì)量有所提高。設(shè)計(jì)制造機(jī)械設(shè)備要積極融入綠色理念，使用材料、設(shè)備壽命以及制造工藝等都需要考慮到環(huán)保性，控制機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)和報(bào)廢期間對于環(huán)境的影響。選擇制造材料時(shí)，要注意選擇可再生、可回收以及兼容性高的材料，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足靈活性要求，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)要考慮到更換零件的便捷性。

3 煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)制造新技術(shù)及新工藝

3.1 改善齒輪表面粗糙度的工藝

滾齒加工要經(jīng)過磨齒、剃齒等多個(gè)程序，制造齒輪要使用最寬泛方法。加工滾齒時(shí)如果齒面粗糙度過于大，會造成剃齒加工不便捷，讓齒應(yīng)力受到影響。若采用研齒和珩齒方法改善粗糙程度，會導(dǎo)致齒形變差。為了讓剃齒精度得到保證，并延長剃刀壽命，滾齒要提供滿足精度要求，同時(shí)達(dá)到一定粗糙度的齒輪。齒輪切削生產(chǎn)中，低速切削狀態(tài)出現(xiàn)刃積屑瘤，造成齒面粗糙度受到影響。分析切削條件和粗糙度的關(guān)系，可以確認(rèn)切削厚度和粗糙度存在直接關(guān)聯(lián)。螺旋斜齒輪材質(zhì)不同，要選擇不同厚度以及滾刀齒槽數(shù)量，分析同齒面粗糙度關(guān)聯(lián)，對齒面粗糙度方法進(jìn)行改進(jìn)。滾刀和螺旋角是同向，要使用順滾方法，反向要使用逆滾方法，不超過最大切削厚度，適合使用正前角滾刀，增加滾刀齒槽，選擇合適的切削液，控制積屑瘤的出現(xiàn)。為了避免齒輪硬度低，導(dǎo)致散熱能力差且組織松軟，可以使用降速、提高垂直走刀量等方法，消除齒面撕拉，降低齒面粗糙程度。

3.2 焊縫跟蹤技術(shù)

中國礦業(yè)大學(xué)對焊縫自動跟蹤進(jìn)行了研究，焊縫自動跟蹤通過使用傳感器、調(diào)節(jié)器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成了反饋系統(tǒng)。跟蹤傳感器通過良好的傳感功能，提高系統(tǒng)傳遞實(shí)時(shí)性。控制器作為低成本、強(qiáng)功能的硬件，可以對運(yùn)行展開有效控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以靈活簡便的實(shí)現(xiàn)跟蹤技術(shù)。焊縫跟蹤常利用伺服電動機(jī)，取代步進(jìn)電動機(jī)，提高供電穩(wěn)定性。

焊縫執(zhí)行決定著機(jī)械設(shè)備功能的發(fā)揮，執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性影響著跟蹤精度。車輪裝置相對簡單，移動裝置的動作更加靈活，適合在平地使用。車輪結(jié)構(gòu)包含三輪、四輪以及六輪三種結(jié)構(gòu)。三輪機(jī)構(gòu)最大優(yōu)勢在于易操作和易控制，四輪機(jī)構(gòu)經(jīng)常用于焊接領(lǐng)域。焊接技術(shù)的發(fā)展，讓機(jī)械手機(jī)構(gòu)被廣泛使用。焊縫跟蹤使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊控制具有一定優(yōu)勢，利用專家系統(tǒng)為決策單元，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用作補(bǔ)償單元，此控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)以及自組織的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用空間。

3.3 特大箱形井架制造技術(shù)

箱形井架包括特大型鋼結(jié)構(gòu)，每節(jié)長度保持在8m附近。主井的井架可以達(dá)到70.6m高，總重可達(dá)730t，平臺梁使用方箱結(jié)構(gòu)。平臺梁和主副腿之間使用一級焊縫，腿梁棱邊以及側(cè)面，單節(jié)在3mm之下，整組焊后小于5mm。為了驗(yàn)證坡口，施工前試驗(yàn)焊接方法和接頭形式。依照接頭和焊接確定焊接電流、電壓以及速度等參數(shù)。

為保證施工質(zhì)量，對工裝配置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)平臺、簡易平臺、卡具、內(nèi)外支撐件等工具，主角的焊接縫要使用P形接口，板邊和坡口使用機(jī)械加工方式完成。對于焊接變形的控制，要依據(jù)分散、對稱原則，按規(guī)定參數(shù)進(jìn)行焊接。廠內(nèi)分片組焊接和安裝現(xiàn)場組都有序進(jìn)行，保證生產(chǎn)井架的安全。

3.4 液壓支架頂梁技術(shù)

煤炭機(jī)械設(shè)備放頂煤液壓支架屬于箱形焊接構(gòu)件，包含七十余個(gè)構(gòu)件，主要構(gòu)件包含高強(qiáng)度合金，鋼板厚度約為10mm～25mm，焊縫高度約為12mm～18mm，由于交叉和雙面角焊縫隙較多。支架頂梁要使用290kg的焊絲，經(jīng)過多次焊接才能完成，使其焊接應(yīng)力以及變形情況十分復(fù)雜。焊接變形加強(qiáng)控制要預(yù)防尺寸偏差，保證結(jié)構(gòu)件質(zhì)量。首先對下料尺寸加強(qiáng)控制，對零件提出公差要求，通過仿形、數(shù)控以及切割下料方式，保證尺寸精準(zhǔn)一致。橫向筋刀剪要和邊結(jié)合，減少主筋間隔從而強(qiáng)化尺寸誤差和焊接變形。要利用芯軸定位方法，待主筋氣割完整下料后，使用定位鉆模工裝確定定位孔，保證孔位和基準(zhǔn)面準(zhǔn)確對應(yīng)。其次使用合理順序，在工裝平臺組對主筋、筋板和底板，以中心重合為原則組對。控制組補(bǔ)償間隙以及收縮量，將組對間隙限制在0.1mm內(nèi)。可使用剛性支撐，界面超過30mm×30mm的界面要利用剛性桿件實(shí)施支撐。最后對焊接順序加以控制，根據(jù)分段、分層以及對稱施焊原則，進(jìn)行焊接。對焊接電流進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，使用氬氣和二氧化碳3：1比例進(jìn)行氣保焊。

3.5 其他技術(shù)

首先可以使用計(jì)算機(jī)集成技術(shù)，也就是CIM技術(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備要引入智能化理念，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量以及制造質(zhì)量。煤礦機(jī)械設(shè)備制造系統(tǒng)包括人類專家和智能機(jī)器兩部分，智能系統(tǒng)利用機(jī)械設(shè)備分析加工制造過程，對設(shè)計(jì)結(jié)果和制造決策提供依據(jù)[3]。智能制造可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化，不斷自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化，讓煤礦設(shè)備設(shè)計(jì)效率和制造質(zhì)量得到提高。

其次要積極使用并行工程法，設(shè)計(jì)制造機(jī)械設(shè)備最初階段，要從全生命周期對成本和質(zhì)量進(jìn)行考慮，煤礦機(jī)械設(shè)備從設(shè)計(jì)初始階段，就要注意TD工藝的處理，讓零部件表層形成硬化表層，通過其良好抗磨性和抗腐蝕性，強(qiáng)化機(jī)械部件壽命。

最后設(shè)計(jì)制造過程中，嘗試引入仿真技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬設(shè)計(jì)結(jié)果和制造結(jié)果，及時(shí)有效的察覺設(shè)計(jì)問題，對問題進(jìn)行處理，提高設(shè)計(jì)制造效率和實(shí)際效果。通過仿真技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)約大量成本，縮短設(shè)計(jì)制造總時(shí)長。

4 結(jié)論

綜上所述，本文認(rèn)識到在煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)制造中引入新技術(shù)、新工藝的重要性，基于設(shè)計(jì)理念，研究了設(shè)計(jì)制造新技術(shù)及新工藝。主要包括改善齒輪表面粗糙度的工藝、焊縫跟蹤技術(shù)、特大箱形井架制造技術(shù)、液壓支架頂梁技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成技術(shù)、并行工程法以及仿真技術(shù)。通過新工藝、新技術(shù)的使用，讓機(jī)械設(shè)備制造和設(shè)計(jì)得以優(yōu)化，提高操作人員的使用感，輔助煤礦生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，為我國發(fā)展提供充足的煤炭能源支持。