礦用液壓支架立柱缸底的鍛造工藝優(yōu)化改進(jìn)研究

張 鵬

（晉能控股裝備制造集團(tuán)中央機(jī)廠，山西 大同 037001）

引言

煤礦開采中液壓支架主要起到支撐作用，以確保煤礦開采過(guò)程的安全。在使用時(shí)需要承受很大的作用力[1]。立柱部分是整個(gè)液壓支架中非常重要的承力結(jié)構(gòu)件，且可以進(jìn)行伸縮以達(dá)到調(diào)整液壓支架整體姿態(tài)的作用，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境[2-3]。立柱結(jié)構(gòu)主要通過(guò)缸底和底座進(jìn)行連接，缸底的作用和重要性是不言而喻的[4]。缸底的制作工藝為鍛造，傳統(tǒng)的鍛造工藝不僅制作周期較長(zhǎng)，且質(zhì)量難以控制，存在浪費(fèi)材料的問(wèn)題[5]。以ZF15000型液壓支架為例，對(duì)立柱缸底的鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)于降低液壓支架的生產(chǎn)周期和成本，提升其生產(chǎn)質(zhì)量具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 液壓支架立柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

目前，煤礦中使用的液壓支架類型有很多種，常見的主要包含三種形式，分別為掩護(hù)式、支撐式及上述兩者的綜合。但不管是何種類型的液壓支架，其整體結(jié)構(gòu)大體相同，主要包含有掩護(hù)梁、頂梁、立柱和底座等結(jié)構(gòu)件。如圖1所示為液壓支架的整體結(jié)構(gòu)示意圖。液壓支架中的立柱結(jié)構(gòu)屬于傳力結(jié)構(gòu)，作用是對(duì)頂梁和底座進(jìn)行連接。頂梁承受的外部作用力會(huì)通過(guò)立柱傳遞到底座中，通過(guò)調(diào)整立柱高度可以對(duì)液壓支架的整體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。因此立柱結(jié)構(gòu)的功能類似于液壓千斤頂。

立柱結(jié)構(gòu)本身包含有多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)件，包括底缸、中缸和活柱，此外還需要液壓油參與實(shí)際工作。立柱結(jié)構(gòu)的工作原理可以概述如下：當(dāng)立柱結(jié)構(gòu)整體需要伸長(zhǎng)時(shí)，在外部壓力作用下將液壓油輸送到底缸內(nèi)部并將中缸推出，當(dāng)中缸運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，位于底部的閥門打開，然后液壓油會(huì)繼續(xù)進(jìn)入到中缸中將活柱推出，直到達(dá)到極限位置。當(dāng)需要縮短立柱結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度時(shí)，其工作原理正好相反。立柱結(jié)構(gòu)在整個(gè)工作過(guò)程中都需要承受相對(duì)較高的壓力，這對(duì)各個(gè)零部件的力學(xué)性能提出了相對(duì)較高的要求。如果性能不達(dá)標(biāo)，在工作時(shí)容易出現(xiàn)變形甚至開裂的問(wèn)題，進(jìn)而威脅液壓支架的工作安全。

圖1 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)示意圖

立柱缸底作為整個(gè)立柱結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)成部分，立柱結(jié)構(gòu)需要通過(guò)缸底與液壓支架底座進(jìn)行連接。缸底主要通過(guò)鍛造的方式進(jìn)行生產(chǎn)，鍛造工藝的好壞直接決定了生產(chǎn)效率，同時(shí)還會(huì)影響鍛造質(zhì)量。

2 立柱缸底傳統(tǒng)的鍛造工藝路線及其問(wèn)題分析

2.1 傳統(tǒng)的鍛造工藝路線

傳統(tǒng)的鍛造工藝過(guò)程可以劃分成為三大步驟，分別為鍛造制坯、外形切割、機(jī)加工成形，整個(gè)生產(chǎn)制作過(guò)程如圖2所示。第一步，需要對(duì)坯料進(jìn)行鍛造制坯，將其鍛造成為半球形狀，采用自由鍛造的形式；第二步，需要通過(guò)切割設(shè)備將整個(gè)缸底的外形切割成為設(shè)計(jì)的形狀，主要是切割出兩邊的耳座，方便與液壓支架底座進(jìn)行固定；第三步，通過(guò)機(jī)械加工的方法，將缸底外形加工成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸形狀，同時(shí)滿足相關(guān)的表面質(zhì)量要求。

2.2 傳統(tǒng)鍛造工藝存在的問(wèn)題

圖2 立柱缸底傳統(tǒng)的鍛造工藝路線

1）整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程需要?jiǎng)澐殖蔀槿齻€(gè)階段，不同階段需要在不同的設(shè)備上完成相關(guān)操作，涉及到鍛壓設(shè)備、切割設(shè)備和機(jī)加工設(shè)備，因此整個(gè)生產(chǎn)流程相對(duì)較長(zhǎng)，需要在不同的車間和設(shè)備之間轉(zhuǎn)換，這就要求投入更多的人力和物力，且生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)率低下；

2）在傳統(tǒng)的鍛造工藝中，切割環(huán)節(jié)和機(jī)加工環(huán)節(jié)都屬于去除材料加工方法，意味著整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中需要切除大量的原材料，材料浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，材料利用率低，同樣會(huì)增加零件的生產(chǎn)成本；

3）缸底的作用是將立柱和底座進(jìn)行連接，工作時(shí)該零件與其他零部件之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這對(duì)零件的形狀尺寸和表面質(zhì)量等都提出了非常高的要求，而機(jī)加工時(shí)受人為因素影響較大，缸底的質(zhì)量穩(wěn)定性欠佳。

3 立柱缸底鍛造工藝的優(yōu)化改進(jìn)及其實(shí)踐效果

3.1 鍛造工藝優(yōu)化

基于以上分析可以看出，傳統(tǒng)的液壓支架立柱缸底鍛造工藝過(guò)程存在一些缺陷和問(wèn)題，已然無(wú)法滿足現(xiàn)代化的高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)要求。為降低生產(chǎn)成本、提升生產(chǎn)質(zhì)量，在總結(jié)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)鍛造工藝過(guò)程進(jìn)行徹底的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)流程再造，最終確定的鍛造方案為模鍛。在完成制坯工作后，可以利用3 t自由鍛錘設(shè)備進(jìn)行一次模鍛成形。最后只需要對(duì)鍛造產(chǎn)品進(jìn)行切邊修剪即可使用。在完成基本工藝設(shè)計(jì)工作后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該優(yōu)化后的鍛造工藝方案，制得的立柱缸底產(chǎn)品形狀尺寸和表面質(zhì)量均能夠滿足如上頁(yè)圖2所示的基本要求。

3.2 改進(jìn)實(shí)踐效果

對(duì)液壓支架立柱缸底結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程進(jìn)行流程優(yōu)化，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：缸底直接通過(guò)模鍛成形，不需要進(jìn)行切割和機(jī)加工，不存在材料浪費(fèi)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)初步統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)一個(gè)缸底零件可以節(jié)約材料50%以上；整個(gè)生產(chǎn)流程得到壓縮，生產(chǎn)周期顯著降低，經(jīng)統(tǒng)計(jì)每生產(chǎn)一個(gè)缸底零件的加工工時(shí)降低了30%左右；由于采用模鍛成形，缸底零件的外形尺寸和表面質(zhì)量主要受模具本身外形尺寸和表面質(zhì)量的影響，人為因素影響相對(duì)較小，能夠顯著提升零件生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)液壓支架立柱缸底的鍛造工藝進(jìn)行流程再造，實(shí)現(xiàn)了工藝過(guò)程的優(yōu)化改進(jìn)。不僅顯著提升了零件的生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)還縮短了整個(gè)生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，可以為液壓支架生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造非常大的經(jīng)濟(jì)效益。