郑煤机：高可靠薄煤层液压支架顶梁关键制造技术- 工业快报

　　近年来随着煤矿开采技术的飞速发展和中厚煤层的过度开采，煤矿开采已逐渐由中厚煤层向薄煤层过渡，使得薄煤层支护液压支架成为行业的研究重点。薄煤层液压支架顶梁箱体高度很低、长宽比较大、结构强度低，板件加工（切割下料、坡口加工）和焊接过程中加工变形量大，使得此类顶梁的加工制造难度加大。因此，研究高可靠薄煤层液压支架顶梁的关键制造技术迫在眉睫。本文从结构设计、板件加工和部件焊接三方面系统介绍了高可靠薄煤层液压支架顶梁的关键制造技术，以期为行业提供一定的借鉴。

　　1 顶梁结构设计

　　薄煤层液压支架顶梁在使用过程中主要承受上侧老顶的压力和下侧立柱的顶升力，立柱的顶升力主要通过上柱窝进行传递。此类顶梁在服役过程中出现柱窝焊缝开裂或柱窝顶穿顶梁的问题较多。针对此类问题，本文对薄煤层液压支架顶梁的柱窝结构进行了优化设计，优化前后柱窝结构如图1所示。传统顶梁柱窝结构示意图如图1（a）所示，柱窝联接主要通过其与主肋板的焊缝，作用力的传递也主要通过这2处焊缝，当老顶压力过大时就会出现柱窝焊缝开裂，甚至顶穿顶板的情况。优化后结构如图1（b）所示，首先，柱窝联接焊缝由原来的2处增加为4处，使得柱窝的受力能力得到明显提升；其次，通过主肋板与顶板的坡口全熔透焊缝结构进一步增强了柱窝处疲劳性能。该结构目前已在美国、澳大利亚等国家多个煤矿和国内大型煤矿综采工作面上应用，有效杜绝了此类薄煤层液压支架顶梁柱窝焊缝开裂的问题。

　　图1 柱窝结构优化前后示意图

　　2 板件加工

　　薄煤层液压支架顶梁主要板件为主肋板，其主要特点为细长结构（长宽比不小于10），如图2所示。主要加工工艺为热切割下料和热切割坡口，2道工序均采用等离子或火焰切割方式，在切割过程中会因零件受热不均匀导致主肋板前端向上翘曲变形。为防止此类变形产生，在下料和坡口切割过程中均需进行变形控制。

　　图2 顶梁主肋板结构

　　主肋板的下料多选用火焰或等离子切割，采用等离子切割时由于其热量密度集中，主肋板变形量相对较小，但经验表明2种切割方式均会导致主肋板前端5 mm以上的翘曲变形，因此在切割前需要对主肋板预留一定反变形量，并考虑后续坡口切割变形的累加。一般此类主肋板切割前预留10 mm以上反变形量，后续经过切割下料和坡口切割相应加工参数的严格控制方可确保零件变形量在允许范围内（≤3 mm）。

　　采用火焰切割时由于一般为多枪同时切割，为有效抵消切割变形，一般采用对称切割方式，如图3所示，切割过程中切割路线应注意尽量先切割主肋板最前端细长处，最后切割最宽处。也可采用打点切割，即主肋板与钢板框架从前到后多处搭桥连接，切割过程中不断开，切割完成待主肋板空冷至室温后使用割枪将桥接点断开并修磨，达到控制切割变形的目的。同时切割参数也应选用合理，如表1所示。采用等离子切割同样要注意切割参数的控制，如表1所示。主要为切割速度的控制不能过快或过慢，同时等离子切割主肋板时还应注意以下几点：①不能共边切割；②套料切割时对于零件外形要进行顺时针切割，内孔要逆时针切割，以保证切割面质量；③要求电极铪丝消耗最多不能大于1.5 mm，超过1.5 mm必须更换新电极。

　　图3 火焰对称切割示意图

　　表1 主肋板切割工艺参数表

　　主肋板上端一般多为大尺寸双面坡口，主要加工方式为火焰或等离子机器人切割，故也存在较大的热输入而导致主肋板的上端翘曲变形，一般通过切割下料前预留变形可以得到抵消，但由于零件可能来源于不同的钢板，内应力各不相同，导致部分零件变形无法完全抵消。因此，坡口加工时也要在坡口切割平台上增加卡具，防止零件的变形，且需要零件冷却至室温后方可将零件从卡具上取下。

　　3 部件焊接

　　薄煤层液压支架顶梁的焊接变形主要有2种类型：①沿主肋板方向的挠曲变形，即沿顶梁长度方向的弯曲变形；②垂直于主肋板方向的挠曲变形，即沿顶梁宽度方向的弯曲变形，如图4所示。沿主肋板方向的挠曲变形主要由主肋板本身的纵向挠曲变形、主肋板和顶板间焊缝的纵向收缩变形以及横肋板和顶板间焊缝的角变形共同作用而引起。垂直于主肋板方向的挠曲变形主要由主肋板与顶板之间的T形接头（或角焊缝）焊接产生的横向角变形所引起。针对2种焊接变形的主要控制措施有焊前增加背板、控制焊接工艺参数及顺序和焊后矫正等。

　　图4 顶梁焊接变形类型

　　（1）焊前增加背板针对顶梁的垂直方向变形与主肋板的挠曲变形，可在顶梁顶板上方焊接背板如图5所示，背板厚度30 mm，高度200 mm。增加背板后可有效增加顶板的刚度，防止焊接热收缩和内应力引起的挠曲变形。

　　图5 顶梁焊接背板

　　（2）控制焊接工艺参数和焊接顺序过大的焊接电流、电压会产生过高的焊接热输入，从而增加顶梁的热变形量。因此需采用相对较小的焊接工艺参数，以有效地控制焊接变形。推荐的焊接工艺参数如表2所示。焊接顺序应遵循先焊短焊缝、后焊长焊缝的原则，先焊立缝，再焊横缝，最后焊纵缝。坚持整体打底、整体填充、整体盖面及对称跳焊、分中退焊、多层多道焊的原则。在一次拼装完毕后，先将结构件所有焊缝平焊6～8 mm打底焊，使之形成整体框架结构；填充焊时采用多层多道焊的方式，先将顶梁吊立，施焊横肋板与主肋板间纵向短焊缝，然后将梁体放平，施焊横肋板与顶板间横向短焊缝，最后焊主肋板与顶板间纵缝。

　　表2 顶梁推荐焊接工艺参数表