液压支架立柱焊接的胎具设计

摘要：液压支架是综合机械化采煤不可缺少的配套设备，立柱是其核心部件，起着承载和保压的作用。立柱的加工问题制约着液压支架向更大型功能化发展，文章针对这一传统的制造难题，结合单位的加工条件以及支架生产的技术要求，在总结经验、创新发展的原则下，设计了实用高效的加工焊接胎具。

关键词：液压支架；立柱；焊接；胎具；中心孔

中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0027-02

液压支架作为煤矿综采的标志和安全保障，为了适应各种复杂地质条件，相继研发出了支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架等。液压支架是一种利用液体压力产生支撑力并实现自动移设来进行顶板支护和管理的一种液压动力装置，是综合机械化采煤不可缺少的配套设备，主要用于水平面和小于等于10°的缓倾斜厚煤层沿底板一次放顶煤采全高开采的长壁综采工作面，也适用于急倾斜特厚煤层水平分层放顶煤综采工作面。从20世纪90年代中期开始，我国液压支架进入了快速发展的阶段。综采技术在这个时期得到推广，全国的综采工作面数量有了大幅度的提高，同时液压支架的使用性能、技术参数、稳定性和可靠性也有了明显的提高，支架的架型不断地丰富。特别是放顶煤开采技术的成功应用，大大地推动了放顶煤液压支架的快速发展。放顶煤液压支架的架型按放煤位置分为高位、中位、低位放顶煤支架；按四连方向来分为正四连杆和反四连杆放顶煤支架等。随着液压支架国产化进程的发展和我国高端液压支架需求量的不断增加，我国液压支架技术进入高速发展阶段。国内主要的液压支架生产厂家，如郑州煤机厂、北京煤机厂、平阳重工等都更加注重液压支架的自主研发，先后生产出了5m、6m甚至7m的高端液压支架。在液压支架结构件的材质方面，对800MPa、900MPa级高强钢板的焊接性能进行了研究；在液压支架电液控制技术方面，也进行了研究和开发。我国液压支架的设计和制造水平逐渐接近国际先进水平。而且通过其可承受工作阻力，从最初的ZF3200/16/25到ZF15000/25/43等大采高支架，甚至于近年来正在研发中的更大工作阻力的支架。液压支架是煤矿井下开采的重要支护设备，液压支架以液压为动力，通过立柱千斤的伸缩实现整体升降、前移等动作，从而达到支撑顶板的目的，立柱是其核心部件，起着承载和保压的作用。煤矿井下恶劣的工况环境，给立柱的使用性能及寿命带来了严峻的考验。随着支架型号和功能的逐步扩展和多样化，液压支架立柱焊接的生产工艺成为了制约支架生产和发展的关键问题，尤其是液压支架立柱提供初撑力，作为承受矿压的直接部件，在实际的综采生产使用中，其焊接质量的好坏直接影响到生产人员的安全。而且立柱的焊接故障往往是近似于瘫痪的机械事故，直接影响到矿井生产的进度与效率。不仅如此，由于立柱缸底的双耳结构以及缸筒内壁较高的加工精度要求，严重制约了其焊接的加工效率和质量，为此做了许多实际情况的分析和具体的技术加工研究。

外缸的环焊工序与活柱等传统的回转类盘轴零件的焊接相比，首先是其缸口的内孔结构以及使用的精度要求，无法使用三爪卡盘进行装夹，即使是使用外卡的方式也会影响到加工面的粗糙度、影响实际使用过程的密封性要求以及矿压冲击下的安全系数实现情况。其次由于缸底的双耳结构，在其装夹的过程中卡盘工具，即便是四爪卡盘借助垫块进行调节装夹，其找正也会花费较多的时间成本。

对此制作了如下的胎具，对于缸口部分的定位与传动，采用圆锥摩擦制动，根据圆锥本身的圆度及良好的定心性，保证了其在使用过程中焊接的均匀性和平整性，以最低限度的焊接热处理和焊接变形保证了其在实际使用过程中焊接质量的有效抗拉系数。圆锥使用尼龙材料，在保证其内部刚性和表面耐磨的基础的同时，利用其硬度小于钢材的特点，较好地保证了在定位过程中对密封关键部位的有效保护以及较小的挤压力破坏，保证了柱管在与导向套的连接过程中的装配精度。有效地防止了因装夹过程的柱管配合面的破坏造成密封圈安装时的划伤及导致螺纹部分不平整造成的串扣等影响支护动力的不利因素。对于缸底的装夹固定则采用了活顶尖的形式，在对缸底加工的同时钻削辅助工艺中心孔，保证了中心孔与缸体相对柱管中心线同心度。对于中心由于液压支架立柱升降过程中，缸底作为初撑力与矿压的提供与承受部分，借助缸底与柱窝的球性支撑面来传递力量，如中心孔太大将直接影响其磨合面的压强，而且容易对柱窝球性在散落煤矸石的影响下出现挤压划伤及受力集中直接影响支架的支护效果及寿命，甚至出现缸底切轴脱槽的情况。反之，中心孔太小则会出现顶尖对缸体支撑力量的情况，容易造成顶尖过度磨损造成的顶尖偏心甚至可能出现缸体离心力作用下的抛出事故隐患，造成设备和操作人员的伤害。在进行多次的理论计算校核和实际验证后，采用B5中心孔进行对缸体缸底的定位。

对于缸体的传动，则根据缸底的耳座结构，通过耳座宽度制定类似于鸡心夹头的夹板进行辅助传动。于未传动状态将夹具放置在非传动状态，保证操作人员的安全，缸体装夹完毕后，通过对缸体小于90°的辅助回转，通过鸡心夹头对缸体进行旋转前的定位。对于胎具槽宽度的选择则采用快速安装，材料耐磨以及减少传动滞后、便于多点堆焊，其宽度选择在大于耳座宽度3～5mm的范围。为防止启动时出现夹板冲击断裂以及降低卡板多次使用造成的牵引变形，与卡槽内侧切割有R10的过渡圆弧。夹具A段采用整体切割的方式，使用12mm厚的Q460钢材，保证其韧性和耐磨性。由于四连杆结构的不稳定性容易造成夹具的整体后移与缸底耳座脱离的情况，C处采用焊接的固定方式。于D处则在是用加长套筒的同时焊接有支撑板，支撑板采用采用双板夹缝接头，在其与夹板粘合的部位通过蝴蝶螺栓進行快速锁紧以防止运行过程中在重力与离心力的作用下夹具甩出耳座的情况。未使用此胎具之前，员工焊接时只能通过托辊架，在两人协作的方式下，一人进行缸体的轴向定位，另一人通过收腰的初始环焊工艺配合焊接，不仅效率低下，而且由于人工传动的非均匀性传动造成了焊缝内部焊接质量的参次不齐、经常滞留气孔等一系列的焊接缺陷，造成较大的焊接变形和焊接应力，直接影响液压支架的抗压能力。新胎具的使用在保证使用要求质量的同时，极大地改善了液压支架立柱的焊接工艺，实现了高效率高质量的立柱焊接加工，减少了支架生产的周期，为更大阻力液压支架的研究提供了必要的技术支撑。

通过新的焊接辅助胎具，装夹较为简单快捷可靠，使立柱的环焊工作从低效率的多人协作到人机的配合，不仅提高了焊接立柱的效率，极大地提高了焊接的质量，而且有效地保证了在矿压阻力使用过程中支架本身的承受能力，为支架的进一步发展及安全使用，提供了技术支持。

参考文献

[1] 姜焕忠.焊接方法及设备[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2] 张修智，等.气体保护焊[M].北京：电力工业出版社，1982.

[3] 殷树言，等.气体保护焊工艺[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.

[4] 中国机械机械工程学会焊接学会.焊接手册第一卷：焊接方法与设备（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2001.

[5] 闻邦椿，等.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6] 毛卫农，李继辉.提高焊接质量的环节与途径[J].焊接技术，2007，（3）.

作者简介：尉建辉（1986-），男，山西大同人，大同煤矿集团机电装备公司中央机厂助理工程师，研究方向：煤矿机械设计制造。