一種液壓支架及其生產工藝設計的總結

王藝霖，公冉，方佑道

（1.中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601；2.山東能源裝備制造（集團）有限公司，山東 泰安 250101）

1 行業背景

煤機裝備主要指煤炭綜合采掘設備，其核心設備主要包括掘進機、采煤機、刮板輸送機、液壓支架，簡稱“三機一架”。

隨著我國機械工業發展水平的不斷提升，我國采煤機械化程度不斷提升。到“十四五”末，煤礦采煤機械化程度將達到90%以上，掘進機械化程度達到75%以上。

一般綜采設備占到煤炭機械設備總投資比重的70%，其中，“三機一架”又占綜采設備的80%。在一個工作面中，一般需要1臺采煤機、1 臺掘進機、1 臺刮板輸送機和百余臺液壓支架，因此，在“三機一架”中，液壓支架價值量占比較大，約為45%。

2 液壓支架結構

以某公司生產的掩護式液壓支架為例。主要結構件有頂梁、底座、掩護梁、尾梁、推移框架、前后連桿等。如圖1 所示。

圖1 液壓支架

其中，頂梁、掩護梁為整體焊接箱式結構，主要由主筋板、橫筋板、上下蓋板焊接而成；頂梁含內伸縮梁、帶雙側活動側護板，主筋間設有兩個柱窩。

底座為半分體式箱型結構，底座兩個相互連接的座箱被底座中間的過橋分開，在每座箱的主筋間設有兩個柱窩。

前后連桿用于連接掩護梁和底座，形成機械四連桿機構，使頂梁與掩護梁的鉸接點在機構平面中的運動軌跡近似為垂直直線，從而使梁端距（頂梁前端至煤壁的距離）近似恒定值。推移裝置采用倒推式，用推移框架和推移千斤頂與刮板機的中部槽連接。

3 工藝設計原則

以“工藝先進”“質量優先”“高效節能”“智能化”“自動化”“信息化”“環保化”為原則，采用行業領先工藝技術，提高生產效率，降低工人勞動強度，營造安全、潔凈、環保、高效的生產作業環境。

車間平面布局以物流通暢，工藝路線短為原則。

關鍵工藝及關鍵設備選型和設計上采用安全、可靠、一致性和穩定性好的設備及手段，提高產品質量的可靠性和一致性。選用節能型設備，針對耗能大的設備，采用軟啟動、變頻控制等來降低能耗。

4 主要工藝流程

液壓支架主要結構件均為箱形結構，其原材料主要是高強度焊接結構剛制成的板材。

在傳統的教學模式中，由于物理學科一般都更傾向于定性分析，其關鍵之處就在于透徹的理解與掌握特定類型的物理定律。但也不應該忽視，在現階段的高中物理教學中定性分析同樣也占據著關鍵性的地位。當教師帶領學生探究庫侖定律的時候，要逐步的加深對特定公式的定性的理解，在這一前提下過渡到定量的探究。所以，教師可以在課堂上給學生進行提問：在本質上構建物體受力的典型也應當是電荷作用力，那么電荷作用力和你們曾經學到的哪些作用力是很相似的呢？通過對學生思維的啟發，便可以逐漸的過渡到定量的分析，可以全面的塑造學生物理思維的嚴謹性。

主要工藝流程如下。

下料和機加工：鋼板預處理（通過式拋丸）→鋼板數控切割下料→零件清渣打磨→坡口加工→零件校平→折彎、液壓成型→銑邊、鉆孔、鏜孔、結構件預拼。

焊接：結構件拼裝→預熱焊接→整形→焊后機械加工。

涂裝：屏蔽上件→自動拋丸→清理吹灰→噴粉前屏蔽→噴粉（往復機+人工）→紅外預熱→熱風循環固化→強冷→下掛轉裝配。

裝配：頂梁分裝→掩護梁分裝→底座分裝→翻轉→扣裝→整架試驗→存儲→發運。

5 車間布局

以某廠支架制造車間的設計為例。該車間主要生產重量約50 t 液壓支架產品的結構件，年產12 套，約合1 800 架。

該車間為改造車間，廠房總長379 m，總寬181 m，共6跨，每跨30 m。根據液壓支架的生產工藝，將車間劃分為下料機加、焊接、涂裝、裝配4 大工部。并在車間北側新建大棚用于鋼板存放及拋丸。

車間平面布局如圖2 所示。

圖2 車間工藝平面布局

下料工部鋼板按照“U 形”路線進行轉運，為滿足鋼板實現平進平出，不進行任何旋轉，降低員工操作難度，消除安全隱患。

生產區域布置：設備及生產布局按照零件的加工順序自西向東整體推進。

物料配套中心設置在下料工部、焊接工部中間，合格物料由加工區進入配套中心，配套中心按照生產計劃對物料進行“組合、搭配”，分別配送至不同焊接產線，“一進一出”將上下游物流融為一體，從而實現生產的“連續性”“節拍性”。

焊接工部采用“單件流”工藝布局模式，按照加工工序的先后順序布置工位，自西向東依次完成工件的全流程加工。焊接工藝采用目前先進的組焊接變位機+組焊接機器人設備，提升焊接質量及效率，降低焊接勞動強度。

涂裝工部采用環形積放式懸掛輸送鏈，空間小、效率高，南4 跨與焊接工部銜接處設置4 個上件點，北兩跨與裝配工部銜接處設置2 個下件點，整體物流為U 字形。

裝配工部采用模塊式生產模式，設備及生產布局按照裝配工藝路線自東向西整體推進。工位間部件輸送采用行車輔助吊裝。

6 先進工藝及設備

6.1 下料

在下料工序，鋼板厚度40 mm 以下采用精細等離子切割，帶小孔厚度20 mm 以下的零件選用激光切割，40 mm 以上采用火焰切割。

與傳統的火焰切割相比，等離子工藝切割面光潔、無掛渣、熱變形小，切割速度快，是一種應用趨于廣泛的金屬切割技術。故在本次設計主要采用精細等離子鋼板切割工藝。

6.2 焊接

在液壓支架的生產中，焊接是直接影響支架結構強度和支護能力的關鍵工藝之一，也是生產過程中勞動量最大的一道工序，在工藝設計時應當重點考慮。將焊接工藝的六拼六焊分為6 個工作單元布置在一條產線中。即依照工藝進行6 次拼焊和6 次焊接，完成結構件的整體拼裝與焊接。其中在焊接工作量大的工位采用自動化焊接機器人。

在傳統液壓支架生產中采用的焊接機器人為機械臂+固定平臺，不帶焊接變位機，綜合焊達率較低。如圖3 所示。

圖3 傳統焊接機器人

本車間設計中焊接機器人采用變位機+懸掛式帶Z軸和Y軸兩臂機器人工作站，為側龍門雙機器人帶升降結構，機器人采用倒裝的方式安裝在懸臂梁下端，懸臂梁安裝在天軌橫梁滑軌上，天軌橫梁上與懸臂梁下裝有高精度直線導軌，可使懸臂梁及機器人進行縱向與橫向移動，并能與機器人本體進行協調運動[1]。如圖4 所示。

圖4 焊接機器人工作站示例

與傳統焊接機器人相比，采用懸掛式桁架機械臂，覆蓋寬度和深度更大；增加Z軸設計，適合深檔焊接；由于工件結構復雜，焊縫位置多，為使焊縫均處于平角或船形最佳位置焊接，機器人焊接系統配備與機器人可協調的H 形變位機，變位機可進行±180°翻轉，聯動性好，可實現平焊縫和立焊縫一次焊接；變位機為兩側夾緊定位，定位累計誤差更小。提升綜合焊達率。

6.3 涂裝

傳統油性涂料噴漆的工藝，不能滿足環保要求，且涂裝生產線環保設施運營成本高。前處理、噴涂等表面噴涂工序全部由人工進行作業，生產效率低，產品外觀統一度差，產品漆膜質量無法保證，嚴重影響生產產能和產品質量。

涂裝工藝在保證產品質量的前提下，盡量采用環保型噴粉涂裝工藝，與傳統油性漆涂裝工藝比，噴粉過程中粉末零VOC 含量，利用吸附率在90%以上，未利用粉回收后再利用，不產生粉渣，是目前廣泛采用的綠色環保涂裝工藝。同時采用噴涂機器人，提高設備的自動化水平，降低工人的勞動強度，提高工作效果和保持產品質量一致性。

6.4 裝配

裝配工部主要負責部件組裝、產品總裝及調試。部裝分底座組件、掩護梁組件、頂梁組件預裝。目前，部裝和總裝采用固定臺位式裝配。采用橋式起重機起吊工件進行部裝、總裝。

由于部裝工序與總成裝配工序未自動連接成線，工件輸送主要依賴行車起吊轉運，投裝作業勞動強度大。膠管、閥等零部件主要依賴工人進行揀選，低壓電動平車進行配送。物料存儲、配送，未實現信息化、機械化。故在后續發展中，裝配工藝需優化生產組織形式、提升生產效率，降低工人勞動強度，可新增裝配自動生產線，由若干個部裝線+主干線組成，配以相應的起重運輸設施，輸送方式既可步進也可連續，充分利用空間，并大大提高裝配生產能力。提升物料配送準確性、準時性，縮減搬運路線，大型的部件用RGV、小型的零部件用專用的運輸工具運輸到裝配生產線上，或者運送到預裝生產工位上。

7 結語

在工廠工藝設計中，應綜合考慮產品、工藝、物流、生產等多個方面，其中，產品為源頭，工藝和物流為主要設計內容，生產為最終目標和落腳點。

在選用工藝和設備時，除了對傳統生產工藝的熟練掌握外，還應注意對先進技術的調查研究及應用，這是在工廠設計中最具有價值和競爭力的選項，也是工藝設計的發展方向。企業和工廠追求高效和發展，就要求在廠房建設中采用先進的設備、合理完善的工藝流程、科學的規劃布置。本次支架制造的廠房設計實現了包含液壓支架結構件生產的4 大工部集中化、高效化的聯合廠房。并在焊接、涂裝等工藝上采取行業先進技術和設備，對企業提高產能、提升效率和產品質量、打造高端液壓支架有著極大的幫助。