礦用液壓支架立柱缸底的鍛造工藝優(yōu)化改進研究

張 鵬

（晉能控股裝備制造集團中央機廠，山西 大同 037001）

引言

煤礦開采中液壓支架主要起到支撐作用，以確保煤礦開采過程的安全。在使用時需要承受很大的作用力[1]。立柱部分是整個液壓支架中非常重要的承力結(jié)構(gòu)件，且可以進行伸縮以達到調(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)主要通過缸底和底座進行連接，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，且質(zhì)量難以控制，存在浪費材料的問題[5]。以ZF15000型液壓支架為例，對立柱缸底的鍛造工藝進行優(yōu)化改進，對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踐意義。

1 液壓支架立柱結(jié)構(gòu)特點分析

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)，作用是對頂梁和底座進行連接。頂梁承受的外部作用力會通過立柱傳遞到底座中，通過調(diào)整立柱高度可以對液壓支架的整體姿態(tài)進行調(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)本身包含有多個機械結(jié)構(gòu)件，包括底缸、中缸和活柱，此外還需要液壓油參與實際工作。立柱結(jié)構(gòu)的工作原理可以概述如下：當立柱結(jié)構(gòu)整體需要伸長時，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，當中缸運動到極限位置時，位于底部的閥門打開，然后液壓油會繼續(xù)進入到中缸中將活柱推出，直到達到極限位置。當需要縮短立柱結(jié)構(gòu)的長度時，其工作原理正好相反。立柱結(jié)構(gòu)在整個工作過程中都需要承受相對較高的壓力，這對各個零部件的力學性能提出了相對較高的要求。如果性能不達標，在工作時容易出現(xiàn)變形甚至開裂的問題，進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

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

2 立柱缸底傳統(tǒng)的鍛造工藝路線及其問題分析

2.1 傳統(tǒng)的鍛造工藝路線

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

2.2 傳統(tǒng)鍛造工藝存在的問題

圖2 立柱缸底傳統(tǒng)的鍛造工藝路線

1）整個生產(chǎn)過程需要劃分成為三個階段，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)備和機加工設(shè)備，因此整個生產(chǎn)流程相對較長，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，生產(chǎn)率低下；

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

3）缸底的作用是將立柱和底座進行連接，工作時該零件與其他零部件之間存在相對轉(zhuǎn)動，這對零件的形狀尺寸和表面質(zhì)量等都提出了非常高的要求，而機加工時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)化改進及其實踐效果

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程存在一些缺陷和問題，已然無法滿足現(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)大量實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)鍛造工藝過程進行徹底的優(yōu)化，實現(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)備進行一次模鍛成形。最后只需要對鍛造產(chǎn)品進行切邊修剪即可使用。在完成基本工藝設(shè)計工作后，在現(xiàn)場進行實驗，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圖2所示的基本要求。

3.2 改進實踐效果

對液壓支架立柱缸底結(jié)構(gòu)的工藝過程進行流程優(yōu)化，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：缸底直接通過模鍛成形，不需要進行切割和機加工，不存在材料浪費的問題。經(jīng)過初步統(tǒng)計，每生產(chǎn)一個缸底零件可以節(jié)約材料50%以上；整個生產(chǎn)流程得到壓縮，生產(chǎn)周期顯著降低，經(jīng)統(tǒng)計每生產(chǎn)一個缸底零件的加工工時降低了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

通過對液壓支架立柱缸底的鍛造工藝進行流程再造，實現(xiàn)了工藝過程的優(yōu)化改進。不僅顯著提升了零件的生產(chǎn)質(zhì)量，同時還縮短了整個生產(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)濟效益。