液壓支架制造工藝關鍵技術研究與應用

文/王 真 孟 響

機器人焊接工作現場

通過引進、消化、吸收和再創新，目前我國重大煤機裝備水平顯著提高，自主創新能力大幅增強。但我國煤機裝備總體水平仍然較低，在設備能力、可靠性、使用壽命、技術先進性等方面亟待進一步提升。如何利用國內外新技術、新工藝使高端煤機的產品質量和性能進一步提高，對整個煤機制造行業來說都具有重要意義。兗礦東華重工有限公司根據液壓支架工作原理及實踐經驗，經過CAD輔助放樣及三維設計和理論強度計算，提出了“焊接工藝研究”“殘余應力分析”和“油缸加工工藝研究”三種設計及工藝改進途徑。實踐證明，此三種工藝改進方式不僅保證了圖紙要求和產品的質量性能，而且也較大幅度地提高了生產效率，具有廣泛的推廣應用價值。

一、焊接工藝的研究與應用

1.機器人全方位焊接系統

針對液壓支架生產過程中結構件焊接存在焊接人員技能水平不足、流動性大、勞動環境差，焊接質量不夠穩定等問題，兗礦東華重工有限公司通過研究適合液壓支架結構件的機器人焊接工作站，并通過合理布置工藝布局，針對機器人焊接工藝深入研究，使機器人焊接應用到液壓支架結構件的生產過程中，達到機器人替代部分人工，并應用機器人焊接工作站提高整體生產效率的目的。

研究智能化機器人全方位焊接系統，對液壓支架頂梁的結構進行分析，引進合理的焊接專機，對頂梁的焊接工藝進行優化，設定合理的焊接順序，在確保產品質量的前提下，提高生產效率，降低生產成本。

引進機器人焊接工作站，對PA、PB、PC、PF位置的焊接工藝和頂梁的結構進行研究，在確保產品質量的前提下，調整優化頂梁拼焊次序，由機器人主要焊接一次焊平焊縫和蓋板焊平焊縫，其余人工補焊，減少工件變位和工件的周轉，保證車間整體綜合生產效率。

以ZF12000支架頂梁一次焊接為例，平位置機器人焊絲量約108.2kg，側立焊接筋板立縫和貼板等焊絲量約32kg，一次焊接總焊絲量約144.2kg，機器人焊接焊絲量占比達到97%。

2.焊接預熱系統

研究焊接預熱系統和液壓支架的結構，設計制造焊接預熱平臺，解決整體預熱帶來的生產效率低、成本高的問題，實現局部加熱。在焊接過程中，持續不斷地保證工件的預熱溫度，確保產品質量。

在焊接過程中用預熱平臺隨時對工件進行預熱，工件在加工過程中實現“一字流”，以5拼5焊的頂梁為例，在一次焊接過程中可減少周轉5次。

二、殘余應力分析

兗礦東華重工有限公司采用殘余應力分析儀對液壓支架在焊接、加工、熱處理等工序產生的殘余應力進行測量，通過大量的數據積累，得到殘余應力分布，從而優化焊接工藝，確保產品質量。

1.結構件殘余應力分析

通過對Q460、Q550、Q690三種板材試件焊接后不同狀態下的殘余應力測量，分析焊接、熱處理對殘余應力的影響。

測試位置為板材表面往下0.3～0.5mm，具體測量數據如表1所示。

表1 鋼板焊接試樣殘余應力測試數據

通過表1數據可知，Q550和Q690板材消氫后焊縫區、熱影響區和母材區殘余應力有所下降，表明焊后消氫處理有利于減小焊后的殘余應力。

2.立柱導向套殘余應力的研究與工藝優化

由于導向套在切削加工時，加工表面在切削力的作用下產生強烈的塑性變形，表層金屬的比容增大，體積膨脹，但因受到與它相連的里層金屬的阻止，從而在表層產生了殘余應力。同時，裝夾力、切削熱也會引起殘余應力。

針對導致殘余應力的上述因素，主要從精車前的時效處理與減少裝夾變形方面進行工藝優化。為驗證與改善工藝參數，采取對ZY20000/33.5/68D立柱大導向套（42CrMo）時效處理前和處理后的殘余應力進行測試，測試位置為導向套表面往下0.3～0.5mm，具體測量數據見表2。

表2 導向套殘余應力測試數據

從表2可以看出，工件時效處理后，殘余應力減小，證明人工時效處理能夠快速釋放或相互抵消零件內部的殘余應力，避免精加工后導向套存在應力失衡進而引起變形或報廢。

三、油缸加工工藝的研究與應用

1.采用高強度無縫鋼管

隨著支架向大工作阻力和高可靠性要求的提高，支架重量也不斷增加，如何在保證強度的前提下，減輕支架重量是支架設計中迫切需要解決的問題。采用以S890為代表的高強度鋼材是最有效的途徑。

以S890為代表的高強度無縫鋼管壁厚可以更薄，減輕結構件的自重和體積，節省加工和安裝費用，降低殘余應力，實現低強度鋼所不能實現的結構構成。高強度無縫鋼管具有高強度、卓越的韌性和抗脆性斷裂性能，并且具有很高的可焊性和優良的加工成型性能。通過熱處理工藝研究可知，S890高強度無縫鋼管的屈服強度可達890MPa，同時具有優異的低溫沖擊韌性。S890高強度鋼材力學性能見表3。

表3 S890 高強度鋼材力學性能

2.油缸防腐工藝

油缸作為礦用綜采設備的主要執行元件，使用過程中容易銹蝕，導致產品穩定性差、壽命短。如何提高油缸的防腐能力，提升油缸的穩定性，延長使用壽命，是目前亟須解決的問題。

通過對國內外先進的防腐工藝進行研究，結合油缸的結構形式和使用環境，在油缸外圓運用激光熔覆工藝，內壁運用鍍銅、熔銅等工藝，達到提高油缸內壁的防腐能力、穩定其產品性能、延長使用壽命的目的。

外缸筒內壁、中缸筒內壁表面鍍銅錫合金，導向套采用表面鍍銅錫合金，鍍層厚度為0.04±0.005mm，內部件采用表面鍍銅錫合金，鍍層厚度為0.025±0.005mm。

外圓鍍層區段有鍍鉻和激光熔覆兩種工藝，鍍層區段采用鍍鉻時，表面錫青銅打底，鍍層厚度為0.05～0.065mm，然后再鍍硬鉻，鍍層厚度不小于0.03mm，鍍層總厚度為0.08～0.10mm；鍍層區段采用激光熔覆時，熔覆層有效厚度≥0.5mm。

防腐工藝的成功運用，提高了油缸的防腐能力，壽命由原來的1年延長為3年。

3.油缸窄間隙焊接工藝

目前，公司液壓支架油缸的焊接采用氣體保護自動焊接設備焊接，由于受焊槍結構的限制，焊接坡口一般為40°～60°，單邊或雙邊V形坡口。隨著立柱缸徑的增大，這種大角度坡口焊接量明顯增大，以Φ500mm立柱中缸為例，坡口最小設計為40°，雙邊V形坡口，坡口深度達51mm，坡口頂面寬度達46mm。采用這種大角度坡口，一是焊絲、氣體消耗量大，產生的焊接工時高；二是焊接過程對焊縫輸入大量的焊接熱，在焊縫兩側形成大片區域的熱影響區，力學性能下降。

窄間隙MAG油缸自動焊接工藝，主要是采用單邊、小坡口的形式降低焊絲、氣體消耗，減少因焊接過程對焊縫輸入大量的焊接熱，減少焊縫兩側形成大片區域的熱影響區，確保熱影響區域晶粒細小，抗沖擊以及抗疲勞性能顯著提高。此外，采用窄間隙焊接方法和工藝能夠提高焊接效率，減少焊材，降低成本，并能提高焊縫質量。

優化焊接參數，根據工藝特點、母材性質、焊接位置、焊接熱輸入、焊接性能和焊接變形控制等進行選擇，優化焊接電流、焊接電壓、焊接速度；優化焊絲彎曲度，在確保焊絲和母材有效熔合的前提下，使焊絲擺幅適應坡口焊接收縮量的變化，焊接熱輸入控制在12kJ/cm以下，使缸筒焊接后徑向變形控制在0.05mm以內，消除了大坡口焊接造成缸筒縮口嚴重的影響，消除了因應焊接應力縮口的珩磨工序，有效節約了成本，提高了效率。從使用一年的統計情況看，節約材料和返修成本70多萬元。

4.油缸立裝工藝

對現有的油缸立式裝配設備進行優化。立柱在裝配時采用雙邊同時夾緊，同時旋緊和裝夾設計成一體，做到結構緊湊，實用性強，使用普通的油泵即可完成各種力矩轉化，保證了中缸、活柱與外缸筒在裝配時的同心度，螺紋式導向套可避免因不同心而造成研傷，提高了產品質量，降低了人工成本。

裝缸機主要由操作系統、液壓系統、缸機主體（地上和地下部分）、配套及拆缸裝置組成。其工作原理是：采用泵站輸出的液壓油來驅動液壓馬達，帶動導向套擰緊中缸體和活柱，擰緊過程中使用夾緊裝置固定外缸體，油缸裝配過程中全程采用立式操作，利用行程調節裝置來調節壓入距離。

四、結語

實踐證明，通過“焊接工藝研究”“殘余應力分析”和“油缸加工工藝研究”三種設計及工藝改進途徑，高端液壓支架制造工藝得到了進一步優化，對于改善員工的工作環境，促進節能減排和降本增效，提升生產效率、產品性能和科技含量，增強企業市場競爭力及經濟效益具有重要意義。