矿用液压支架立柱缸底的锻造工艺优化改进研究

2021-06-05张鹏

机械管理开发 2021年4期

张鹏

（晋能控股装备制造集团中央机厂，山西大同 037001）

引言

煤矿开采中液压支架主要起到支撑作用，以确保煤矿开采过程的安全。在使用时需要承受很大的作用力[1]。立柱部分是整个液压支架中非常重要的承力结构件，且可以进行伸缩以达到调整液压支架整体姿态的作用，以适应不同的工作环境[2-3]。立柱结构主要通过缸底和底座进行连接，缸底的作用和重要性是不言而喻的[4]。缸底的制作工艺为锻造，传统的锻造工艺不仅制作周期较长，且质量难以控制，存在浪费材料的问题[5]。以ZF15000型液压支架为例，对立柱缸底的锻造工艺进行优化改进，对于降低液压支架的生产周期和成本，提升其生产质量具有重要的理论和实践意义。

1 液压支架立柱结构特点分析

目前，煤矿中使用的液压支架类型有很多种，常见的主要包含三种形式，分别为掩护式、支撑式及上述两者的综合。但不管是何种类型的液压支架，其整体结构大体相同，主要包含有掩护梁、顶梁、立柱和底座等结构件。如图1所示为液压支架的整体结构示意图。液压支架中的立柱结构属于传力结构，作用是对顶梁和底座进行连接。顶梁承受的外部作用力会通过立柱传递到底座中，通过调整立柱高度可以对液压支架的整体姿态进行调整，以适应不同的工作环境。因此立柱结构的功能类似于液压千斤顶。

立柱结构本身包含有多个机械结构件，包括底缸、中缸和活柱，此外还需要液压油参与实际工作。立柱结构的工作原理可以概述如下：当立柱结构整体需要伸长时，在外部压力作用下将液压油输送到底缸内部并将中缸推出，当中缸运动到极限位置时，位于底部的阀门打开，然后液压油会继续进入到中缸中将活柱推出，直到达到极限位置。当需要缩短立柱结构的长度时，其工作原理正好相反。立柱结构在整个工作过程中都需要承受相对较高的压力，这对各个零部件的力学性能提出了相对较高的要求。如果性能不达标，在工作时容易出现变形甚至开裂的问题，进而威胁液压支架的工作安全。

图1 液压支架的整体结构示意图

立柱缸底作为整个立柱结构的重要构成部分，立柱结构需要通过缸底与液压支架底座进行连接。缸底主要通过锻造的方式进行生产，锻造工艺的好坏直接决定了生产效率，同时还会影响锻造质量。

2 立柱缸底传统的锻造工艺路线及其问题分析

2.1 传统的锻造工艺路线

传统的锻造工艺过程可以划分成为三大步骤，分别为锻造制坯、外形切割、机加工成形，整个生产制作过程如图2所示。第一步，需要对坯料进行锻造制坯，将其锻造成为半球形状，采用自由锻造的形式；第二步，需要通过切割设备将整个缸底的外形切割成为设计的形状，主要是切割出两边的耳座，方便与液压支架底座进行固定；第三步，通过机械加工的方法，将缸底外形加工成图纸设计尺寸形状，同时满足相关的表面质量要求。

2.2 传统锻造工艺存在的问题

图2 立柱缸底传统的锻造工艺路线

1）整个生产过程需要划分成为三个阶段，不同阶段需要在不同的设备上完成相关操作，涉及到锻压设备、切割设备和机加工设备，因此整个生产流程相对较长，需要在不同的车间和设备之间转换，这就要求投入更多的人力和物力，且生产周期较长，生产率低下；

2）在传统的锻造工艺中，切割环节和机加工环节都属于去除材料加工方法，意味着整个生产过程中需要切除大量的原材料，材料浪费现象严重，材料利用率低，同样会增加零件的生产成本；

3）缸底的作用是将立柱和底座进行连接，工作时该零件与其他零部件之间存在相对转动，这对零件的形状尺寸和表面质量等都提出了非常高的要求，而机加工时受人为因素影响较大，缸底的质量稳定性欠佳。

3 立柱缸底锻造工艺的优化改进及其实践效果

3.1 锻造工艺优化

基于以上分析可以看出，传统的液压支架立柱缸底锻造工艺过程存在一些缺陷和问题，已然无法满足现代化的高效率、高质量生产要求。为降低生产成本、提升生产质量，在总结大量实践经验的基础上，对传统锻造工艺过程进行彻底的优化，实现流程再造，最终确定的锻造方案为模锻。在完成制坯工作后，可以利用3 t自由锻锤设备进行一次模锻成形。最后只需要对锻造产品进行切边修剪即可使用。在完成基本工艺设计工作后，在现场进行实验，发现该优化后的锻造工艺方案，制得的立柱缸底产品形状尺寸和表面质量均能够满足如上页图2所示的基本要求。

3.2 改进实践效果

对液压支架立柱缸底结构的工艺过程进行流程优化，其优势主要体现在以下几点：缸底直接通过模锻成形，不需要进行切割和机加工，不存在材料浪费的问题。经过初步统计，每生产一个缸底零件可以节约材料50%以上；整个生产流程得到压缩，生产周期显著降低，经统计每生产一个缸底零件的加工工时降低了30%左右；由于采用模锻成形，缸底零件的外形尺寸和表面质量主要受模具本身外形尺寸和表面质量的影响，人为因素影响相对较小，能够显著提升零件生产质量的稳定性。