一种液压支架及其生产工艺设计的总结

王艺霖，公冉，方佑道

（1.中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601；2.山东能源装备制造（集团）有限公司，山东 泰安 250101）

1 行业背景

煤机装备主要指煤炭综合采掘设备，其核心设备主要包括掘进机、采煤机、刮板输送机、液压支架，简称“三机一架”。

随着我国机械工业发展水平的不断提升，我国采煤机械化程度不断提升。到“十四五”末，煤矿采煤机械化程度将达到90%以上，掘进机械化程度达到75%以上。

一般综采设备占到煤炭机械设备总投资比重的70%，其中，“三机一架”又占综采设备的80%。在一个工作面中，一般需要1台采煤机、1 台掘进机、1 台刮板输送机和百余台液压支架，因此，在“三机一架”中，液压支架价值量占比较大，约为45%。

2 液压支架结构

以某公司生产的掩护式液压支架为例。主要结构件有顶梁、底座、掩护梁、尾梁、推移框架、前后连杆等。如图1 所示。

图1 液压支架

其中，顶梁、掩护梁为整体焊接箱式结构，主要由主筋板、横筋板、上下盖板焊接而成；顶梁含内伸缩梁、带双侧活动侧护板，主筋间设有两个柱窝。

底座为半分体式箱型结构，底座两个相互连接的座箱被底座中间的过桥分开，在每座箱的主筋间设有两个柱窝。

前后连杆用于连接掩护梁和底座，形成机械四连杆机构，使顶梁与掩护梁的铰接点在机构平面中的运动轨迹近似为垂直直线，从而使梁端距（顶梁前端至煤壁的距离）近似恒定值。推移装置采用倒推式，用推移框架和推移千斤顶与刮板机的中部槽连接。

3 工艺设计原则

以“工艺先进”“质量优先”“高效节能”“智能化”“自动化”“信息化”“环保化”为原则，采用行业领先工艺技术，提高生产效率，降低工人劳动强度，营造安全、洁净、环保、高效的生产作业环境。

车间平面布局以物流通畅，工艺路线短为原则。

关键工艺及关键设备选型和设计上采用安全、可靠、一致性和稳定性好的设备及手段，提高产品质量的可靠性和一致性。选用节能型设备，针对耗能大的设备，采用软启动、变频控制等来降低能耗。

4 主要工艺流程

液压支架主要结构件均为箱形结构，其原材料主要是高强度焊接结构刚制成的板材。

在传统的教学模式中，由于物理学科一般都更倾向于定性分析，其关键之处就在于透彻的理解与掌握特定类型的物理定律。但也不应该忽视，在现阶段的高中物理教学中定性分析同样也占据着关键性的地位。当教师带领学生探究库仑定律的时候，要逐步的加深对特定公式的定性的理解，在这一前提下过渡到定量的探究。所以，教师可以在课堂上给学生进行提问：在本质上构建物体受力的典型也应当是电荷作用力，那么电荷作用力和你们曾经学到的哪些作用力是很相似的呢？通过对学生思维的启发，便可以逐渐的过渡到定量的分析，可以全面的塑造学生物理思维的严谨性。

主要工艺流程如下。

下料和机加工：钢板预处理（通过式抛丸）→钢板数控切割下料→零件清渣打磨→坡口加工→零件校平→折弯、液压成型→铣边、钻孔、镗孔、结构件预拼。

焊接：结构件拼装→预热焊接→整形→焊后机械加工。

涂装：屏蔽上件→自动抛丸→清理吹灰→喷粉前屏蔽→喷粉（往复机+人工）→红外预热→热风循环固化→强冷→下挂转装配。

装配：顶梁分装→掩护梁分装→底座分装→翻转→扣装→整架试验→存储→发运。

5 车间布局

以某厂支架制造车间的设计为例。该车间主要生产重量约50 t 液压支架产品的结构件，年产12 套，约合1 800 架。

该车间为改造车间，厂房总长379 m，总宽181 m，共6跨，每跨30 m。根据液压支架的生产工艺，将车间划分为下料机加、焊接、涂装、装配4 大工部。并在车间北侧新建大棚用于钢板存放及抛丸。

车间平面布局如图2 所示。

图2 车间工艺平面布局

下料工部钢板按照“U 形”路线进行转运，为满足钢板实现平进平出，不进行任何旋转，降低员工操作难度，消除安全隐患。

生产区域布置：设备及生产布局按照零件的加工顺序自西向东整体推进。

物料配套中心设置在下料工部、焊接工部中间，合格物料由加工区进入配套中心，配套中心按照生产计划对物料进行“组合、搭配”，分别配送至不同焊接产线，“一进一出”将上下游物流融为一体，从而实现生产的“连续性”“节拍性”。

焊接工部采用“单件流”工艺布局模式，按照加工工序的先后顺序布置工位，自西向东依次完成工件的全流程加工。焊接工艺采用目前先进的组焊接变位机+组焊接机器人设备，提升焊接质量及效率，降低焊接劳动强度。

涂装工部采用环形积放式悬挂输送链，空间小、效率高，南4 跨与焊接工部衔接处设置4 个上件点，北两跨与装配工部衔接处设置2 个下件点，整体物流为U 字形。

装配工部采用模块式生产模式，设备及生产布局按照装配工艺路线自东向西整体推进。工位间部件输送采用行车辅助吊装。

6 先进工艺及设备

6.1 下料

在下料工序，钢板厚度40 mm 以下采用精细等离子切割，带小孔厚度20 mm 以下的零件选用激光切割，40 mm 以上采用火焰切割。

与传统的火焰切割相比，等离子工艺切割面光洁、无挂渣、热变形小，切割速度快，是一种应用趋于广泛的金属切割技术。故在本次设计主要采用精细等离子钢板切割工艺。

6.2 焊接

在液压支架的生产中，焊接是直接影响支架结构强度和支护能力的关键工艺之一，也是生产过程中劳动量最大的一道工序，在工艺设计时应当重点考虑。将焊接工艺的六拼六焊分为6 个工作单元布置在一条产线中。即依照工艺进行6 次拼焊和6 次焊接，完成结构件的整体拼装与焊接。其中在焊接工作量大的工位采用自动化焊接机器人。

在传统液压支架生产中采用的焊接机器人为机械臂+固定平台，不带焊接变位机，综合焊达率较低。如图3 所示。

图3 传统焊接机器人

本车间设计中焊接机器人采用变位机+悬挂式带Z轴和Y轴两臂机器人工作站，为侧龙门双机器人带升降结构，机器人采用倒装的方式安装在悬臂梁下端，悬臂梁安装在天轨横梁滑轨上，天轨横梁上与悬臂梁下装有高精度直线导轨，可使悬臂梁及机器人进行纵向与横向移动，并能与机器人本体进行协调运动[1]。如图4 所示。

图4 焊接机器人工作站示例

与传统焊接机器人相比，采用悬挂式桁架机械臂，覆盖宽度和深度更大；增加Z轴设计，适合深档焊接；由于工件结构复杂，焊缝位置多，为使焊缝均处于平角或船形最佳位置焊接，机器人焊接系统配备与机器人可协调的H 形变位机，变位机可进行±180°翻转，联动性好，可实现平焊缝和立焊缝一次焊接；变位机为两侧夹紧定位，定位累计误差更小。提升综合焊达率。

6.3 涂装

传统油性涂料喷漆的工艺，不能满足环保要求，且涂装生产线环保设施运营成本高。前处理、喷涂等表面喷涂工序全部由人工进行作业，生产效率低，产品外观统一度差，产品漆膜质量无法保证，严重影响生产产能和产品质量。

涂装工艺在保证产品质量的前提下，尽量采用环保型喷粉涂装工艺，与传统油性漆涂装工艺比，喷粉过程中粉末零VOC 含量，利用吸附率在90%以上，未利用粉回收后再利用，不产生粉渣，是目前广泛采用的绿色环保涂装工艺。同时采用喷涂机器人，提高设备的自动化水平，降低工人的劳动强度，提高工作效果和保持产品质量一致性。

6.4 装配

装配工部主要负责部件组装、产品总装及调试。部装分底座组件、掩护梁组件、顶梁组件预装。目前，部装和总装采用固定台位式装配。采用桥式起重机起吊工件进行部装、总装。

由于部装工序与总成装配工序未自动连接成线，工件输送主要依赖行车起吊转运，投装作业劳动强度大。胶管、阀等零部件主要依赖工人进行拣选，低压电动平车进行配送。物料存储、配送，未实现信息化、机械化。故在后续发展中，装配工艺需优化生产组织形式、提升生产效率，降低工人劳动强度，可新增装配自动生产线，由若干个部装线+主干线组成，配以相应的起重运输设施，输送方式既可步进也可连续，充分利用空间，并大大提高装配生产能力。提升物料配送准确性、准时性，缩减搬运路线，大型的部件用RGV、小型的零部件用专用的运输工具运输到装配生产线上，或者运送到预装生产工位上。

7 结语

在工厂工艺设计中，应综合考虑产品、工艺、物流、生产等多个方面，其中，产品为源头，工艺和物流为主要设计内容，生产为最终目标和落脚点。

在选用工艺和设备时，除了对传统生产工艺的熟练掌握外，还应注意对先进技术的调查研究及应用，这是在工厂设计中最具有价值和竞争力的选项，也是工艺设计的发展方向。企业和工厂追求高效和发展，就要求在厂房建设中采用先进的设备、合理完善的工艺流程、科学的规划布置。本次支架制造的厂房设计实现了包含液压支架结构件生产的4 大工部集中化、高效化的联合厂房。并在焊接、涂装等工艺上采取行业先进技术和设备，对企业提高产能、提升效率和产品质量、打造高端液压支架有着极大的帮助。