一種液壓支架及其生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的總結(jié)

王藝霖，公冉，方佑道

（1.中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601；2.山東能源裝備制造（集團(tuán)）有限公司，山東 泰安 250101）

1 行業(yè)背景

煤機(jī)裝備主要指煤炭綜合采掘設(shè)備，其核心設(shè)備主要包括掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架，簡稱“三機(jī)一架”。

隨著我國機(jī)械工業(yè)發(fā)展水平的不斷提升，我國采煤機(jī)械化程度不斷提升。到“十四五”末，煤礦采煤機(jī)械化程度將達(dá)到90%以上，掘進(jìn)機(jī)械化程度達(dá)到75%以上。

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

2 液壓支架結(jié)構(gòu)

以某公司生產(chǎn)的掩護(hù)式液壓支架為例。主要結(jié)構(gòu)件有頂梁、底座、掩護(hù)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(hù)梁為整體焊接箱式結(jié)構(gòu)，主要由主筋板、橫筋板、上下蓋板焊接而成；頂梁含內(nèi)伸縮梁、帶雙側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，主筋間設(shè)有兩個(gè)柱窩。

底座為半分體式箱型結(jié)構(gòu)，底座兩個(gè)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(shè)有兩個(gè)柱窩。

前后連桿用于連接掩護(hù)梁和底座，形成機(jī)械四連桿機(jī)構(gòu)，使頂梁與掩護(hù)梁的鉸接點(diǎn)在機(jī)構(gòu)平面中的運(yùn)動(dòng)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(jī)的中部槽連接。

3 工藝設(shè)計(jì)原則

以“工藝先進(jìn)”“質(zhì)量優(yōu)先”“高效節(jié)能”“智能化”“自動(dòng)化”“信息化”“環(huán)保化”為原則，采用行業(yè)領(lǐng)先工藝技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，營造安全、潔凈、環(huán)保、高效的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。

車間平面布局以物流通暢，工藝路線短為原則。

關(guān)鍵工藝及關(guān)鍵設(shè)備選型和設(shè)計(jì)上采用安全、可靠、一致性和穩(wěn)定性好的設(shè)備及手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和一致性。選用節(jié)能型設(shè)備，針對耗能大的設(shè)備，采用軟啟動(dòng)、變頻控制等來降低能耗。

4 主要工藝流程

液壓支架主要結(jié)構(gòu)件均為箱形結(jié)構(gòu)，其原材料主要是高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)剛制成的板材。

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，由于物理學(xué)科一般都更傾向于定性分析，其關(guān)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(yīng)該忽視，在現(xiàn)階段的高中物理教學(xué)中定性分析同樣也占據(jù)著關(guān)鍵性的地位。當(dāng)教師帶領(lǐng)學(xué)生探究庫侖定律的時(shí)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(xué)生進(jìn)行提問：在本質(zhì)上構(gòu)建物體受力的典型也應(yīng)當(dāng)是電荷作用力，那么電荷作用力和你們曾經(jīng)學(xué)到的哪些作用力是很相似的呢？通過對學(xué)生思維的啟發(fā)，便可以逐漸的過渡到定量的分析，可以全面的塑造學(xué)生物理思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。

主要工藝流程如下。

下料和機(jī)加工：鋼板預(yù)處理（通過式拋丸）→鋼板數(shù)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(jié)構(gòu)件預(yù)拼。

焊接：結(jié)構(gòu)件拼裝→預(yù)熱焊接→整形→焊后機(jī)械加工。

涂裝：屏蔽上件→自動(dòng)拋丸→清理吹灰→噴粉前屏蔽→噴粉（往復(fù)機(jī)+人工）→紅外預(yù)熱→熱風(fēng)循環(huán)固化→強(qiáng)冷→下掛轉(zhuǎn)裝配。

裝配：頂梁分裝→掩護(hù)梁分裝→底座分裝→翻轉(zhuǎn)→扣裝→整架試驗(yàn)→存儲→發(fā)運(yùn)。

5 車間布局

以某廠支架制造車間的設(shè)計(jì)為例。該車間主要生產(chǎn)重量約50 t 液壓支架產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件，年產(chǎn)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(jù)液壓支架的生產(chǎn)工藝，將車間劃分為下料機(jī)加、焊接、涂裝、裝配4 大工部。并在車間北側(cè)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(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，為滿足鋼板實(shí)現(xiàn)平進(jìn)平出，不進(jìn)行任何旋轉(zhuǎn)，降低員工操作難度，消除安全隱患。

生產(chǎn)區(qū)域布置：設(shè)備及生產(chǎn)布局按照零件的加工順序自西向東整體推進(jìn)。

物料配套中心設(shè)置在下料工部、焊接工部中間，合格物料由加工區(qū)進(jìn)入配套中心，配套中心按照生產(chǎn)計(jì)劃對物料進(jìn)行“組合、搭配”，分別配送至不同焊接產(chǎn)線，“一進(jìn)一出”將上下游物流融為一體，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的“連續(xù)性”“節(jié)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(jìn)的組焊接變位機(jī)+組焊接機(jī)器人設(shè)備，提升焊接質(zhì)量及效率，降低焊接勞動(dòng)強(qiáng)度。

涂裝工部采用環(huán)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(shè)置4 個(gè)上件點(diǎn)，北兩跨與裝配工部銜接處設(shè)置2 個(gè)下件點(diǎn)，整體物流為U 字形。

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

6 先進(jìn)工藝及設(shè)備

6.1 下料

在下料工序，鋼板厚度40 mm 以下采用精細(xì)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(tǒng)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(yīng)用趨于廣泛的金屬切割技術(shù)。故在本次設(shè)計(jì)主要采用精細(xì)等離子鋼板切割工藝。

6.2 焊接

在液壓支架的生產(chǎn)中，焊接是直接影響支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支護(hù)能力的關(guān)鍵工藝之一，也是生產(chǎn)過程中勞動(dòng)量最大的一道工序，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮。將焊接工藝的六拼六焊分為6 個(gè)工作單元布置在一條產(chǎn)線中。即依照工藝進(jìn)行6 次拼焊和6 次焊接，完成結(jié)構(gòu)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(dòng)化焊接機(jī)器人。

在傳統(tǒng)液壓支架生產(chǎn)中采用的焊接機(jī)器人為機(jī)械臂+固定平臺，不帶焊接變位機(jī)，綜合焊達(dá)率較低。如圖3 所示。

圖3 傳統(tǒng)焊接機(jī)器人

本車間設(shè)計(jì)中焊接機(jī)器人采用變位機(jī)+懸掛式帶Z軸和Y軸兩臂機(jī)器人工作站，為側(cè)龍門雙機(jī)器人帶升降結(jié)構(gòu)，機(jī)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(dǎo)軌，可使懸臂梁及機(jī)器人進(jìn)行縱向與橫向移動(dòng)，并能與機(jī)器人本體進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)[1]。如圖4 所示。

圖4 焊接機(jī)器人工作站示例

與傳統(tǒng)焊接機(jī)器人相比，采用懸掛式桁架機(jī)械臂，覆蓋寬度和深度更大；增加Z軸設(shè)計(jì)，適合深檔焊接；由于工件結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)器人焊接系統(tǒng)配備與機(jī)器人可協(xié)調(diào)的H 形變位機(jī)，變位機(jī)可進(jìn)行±180°翻轉(zhuǎn)，聯(lián)動(dòng)性好，可實(shí)現(xiàn)平焊縫和立焊縫一次焊接；變位機(jī)為兩側(cè)夾緊定位，定位累計(jì)誤差更小。提升綜合焊達(dá)率。

6.3 涂裝

傳統(tǒng)油性涂料噴漆的工藝，不能滿足環(huán)保要求，且涂裝生產(chǎn)線環(huán)保設(shè)施運(yùn)營成本高。前處理、噴涂等表面噴涂工序全部由人工進(jìn)行作業(yè)，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品外觀統(tǒng)一度差，產(chǎn)品漆膜質(zhì)量無法保證，嚴(yán)重影響生產(chǎn)產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量。

涂裝工藝在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量采用環(huán)保型噴粉涂裝工藝，與傳統(tǒng)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(chǎn)生粉渣，是目前廣泛采用的綠色環(huán)保涂裝工藝。同時(shí)采用噴涂機(jī)器人，提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效果和保持產(chǎn)品質(zhì)量一致性。

6.4 裝配

裝配工部主要負(fù)責(zé)部件組裝、產(chǎn)品總裝及調(diào)試。部裝分底座組件、掩護(hù)梁組件、頂梁組件預(yù)裝。目前，部裝和總裝采用固定臺位式裝配。采用橋式起重機(jī)起吊工件進(jìn)行部裝、總裝。

由于部裝工序與總成裝配工序未自動(dòng)連接成線，工件輸送主要依賴行車起吊轉(zhuǎn)運(yùn)，投裝作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大。膠管、閥等零部件主要依賴工人進(jìn)行揀選，低壓電動(dòng)平車進(jìn)行配送。物料存儲、配送，未實(shí)現(xiàn)信息化、機(jī)械化。故在后續(xù)發(fā)展中，裝配工藝需優(yōu)化生產(chǎn)組織形式、提升生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，可新增裝配自動(dòng)生產(chǎn)線，由若干個(gè)部裝線+主干線組成，配以相應(yīng)的起重運(yùn)輸設(shè)施，輸送方式既可步進(jìn)也可連續(xù)，充分利用空間，并大大提高裝配生產(chǎn)能力。提升物料配送準(zhǔn)確性、準(zhǔn)時(shí)性，縮減搬運(yùn)路線，大型的部件用RGV、小型的零部件用專用的運(yùn)輸工具運(yùn)輸?shù)窖b配生產(chǎn)線上，或者運(yùn)送到預(yù)裝生產(chǎn)工位上。

7 結(jié)語

在工廠工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品、工藝、物流、生產(chǎn)等多個(gè)方面，其中，產(chǎn)品為源頭，工藝和物流為主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，生產(chǎn)為最終目標(biāo)和落腳點(diǎn)。

在選用工藝和設(shè)備時(shí)，除了對傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的熟練掌握外，還應(yīng)注意對先進(jìn)技術(shù)的調(diào)查研究及應(yīng)用，這是在工廠設(shè)計(jì)中最具有價(jià)值和競爭力的選項(xiàng)，也是工藝設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。企業(yè)和工廠追求高效和發(fā)展，就要求在廠房建設(shè)中采用先進(jìn)的設(shè)備、合理完善的工藝流程、科學(xué)的規(guī)劃布置。本次支架制造的廠房設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了包含液壓支架結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的4 大工部集中化、高效化的聯(lián)合廠房。并在焊接、涂裝等工藝上采取行業(yè)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，對企業(yè)提高產(chǎn)能、提升效率和產(chǎn)品質(zhì)量、打造高端液壓支架有著極大的幫助。