液压支架结构件焊接工艺及工装设计

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1、液压支架结构件焊接工艺及工装设计摘要我国也于20 世纪 90 年代开始加速发展液压支架制造产业，国内液压支架也 逐渐向大工作阻力、高性能、超高可靠性方向发展。这对液压支架焊接可靠性提 出了更高的要求。提高液压支架焊接可靠性的研究已经成为液压支架制造领域的 前沿课题之一。本文分析了结构件的组成，结构件的类型，结构件中常见的焊接 缺陷及其产生原因，介绍了液压支架结构件焊接质量要求，并从焊接工艺出发阐 述了各工序的质量控制手段，望对类似结构件焊接有所借鉴。关键词：液压支架；结构件；焊接工艺；工装设计一、绪论（一）研究背景我国液压支架技术起步于 20 世纪 60 年代末70 年代初，当时煤炭科学研究

2、总院北京开采所等单位开始对液压支架展开研究。30 多年来，先后开发研制了 垛式、节式、掩护式和支撑掩护式等系列液压支架，并且针对不同地质条件和煤 层序度开发了中厚煤层液压支架、大采高液压支架、薄煤层液压支架、放顶煤液 压支架、人倾角液乐支架和铺网式等液压支架。但在材料选择方面，长期以来- 直没有太人变化，一直采用 16Mn 低合金结构钢板。20 世纪 80 年代以来，世界煤炭 T 业进入由传统产业向现代化发展的阶段。 科学技术的发展，带动了煤矿开采机械化装备的发展。美国、德国、澳大利亚等 国家率先在井下开采中大力提高机械化和白动化程度，采用大功率、高可靠性、 重型设备，实现高度集中化生产，发展

3、综采高产高效工.作面。我国也于上世纪 90 年代开始加速发展高产高效现代化矿井。液压支架是现代化煤矿采掘工作面的重要支护设备，随着煤矿高产高效矿井 的建设以及煤矿开采的日益加深,液压支架的工作环境更加恶劣，对支架的要求 更高。目前液压支架正朝着大工作阻力、超强稳定性、电液控制智能化的方向发 展，支架结构件的焊接质量直接影响着煤矿的安全生产，因此制定合理的焊接工 艺尤为重要。（二）研究意义液压支架是高产高效现代化煤矿采掘工作面的重要设备，起支撑顶板、推移 刮板机等重要作用。其结构主要为复杂的厚板箱形结构，焊缝复杂多变，焊接质 量是评价液压支架可靠性的关键因素。自 20 世纪 80 年代起，世界煤

4、炭工业开 始由传统化向现代化发展，带动了液压支架飞速发展，美国等国家率先在井下采 用大工作阻力、高可靠性的液压支架，实现了高度集中化生产。我国也于 20世 纪 90 年代开始加速发展液压支架制造产业，国内液压支架也逐渐向大工作阻力、 高性能、超高可靠性方向发展。这对液压支架焊接可靠性提出了更高的要求。提 高液压支架焊接可靠性的研究已经成为液压支架制造领域的前沿课题之一。在煤矿开采过程当中，液压支架设备主要是使用在煤矿开采水平面不超过 10 度的缓倾斜煤层当中，在实际的使用工作当中具有稳定性良好，防护性能较 强以及移动速度较快等特性。在巷道顶板的支护工作当中的适应性较强，液压支 架全部由钢结构材

5、料焊接构成，在整个结构焊接的类型上相对较多，同时造成焊 接工作量明显提升，实际的焊接尺寸大小不容易控制，因此，经常会产生煤矿液 压支架结构焊接的缺陷问题，以下针对这些问题进行了分析和研究。（三）研究方法及手段根据论文研究的要求，研究液压支架焊接性能，从焊接工艺角度进行分析其 焊接性能，承载能力主要通过有限元分析对支架整体进行受力分析，找出其应力 分布规律，为支架设计选用正确的高强钢提供科学依据。（四）文献综述对于材料焊接性能的研究，源丁二次世界大战。国外在这方面研究较早，产 生了不少的理论。但是由于焊接涉及到的影响因素很多，因而更多的是进行实验 研究，然后佐以理论分析。就液压支架而言，国外如美

6、国、南非、澳大利亚、德国等国家为节约昂贵的 劳动力费用，增加产量，提高生产效率和降低生产成本，广泛采用高技术、高性 能和高度自动化的设备。为了便于自动控制和提高设备运转的可靠性，他们要求 支架的结构和动作功能尽可能的简单,因而大量采用整体顶梁的高支撑阻力的两 柱掩护式支架,以保证回采工.作面的快速推进。为了保证支架在工作过程中结构 的强度绝对可靠，他们不惜制造成本，要求设计的支架额定工作阻力高出实际所 需工作阻力的一倍左右，因而大量地采用高强度钢板。在朱诗顺对液压支架的钢 材强度的屈服极限达到700Mpa-1000Mpa。为我国支架常用低合金高强度钢板强 度的 2-3.6 倍。就德国而言，过去

7、设计支架常用的材料为ST52-3;邹茉莲对于特殊条件下以 及出口美国的支架采用高强度钢板，如STE690或STE880。易见其材料较国内 上了一个台阶。澳大利亚作为世界主要产煤国之一，近年来随着煤炭开采深度的不断加大， 长壁工作面数及其原煤产量在不断增加。长壁开采原煤总产量由 1995 年的 5 434.2万t增至2000年的8220.07万t:长壁面数由1995年29个增加至2000年的 34 个。相应的其工作面装机功率也越来越大，设备重型化趋势明显。其液压支 架设计阻力在采深70300m的情况下达到860010 400kN,采煤机、刮板输送机 装机功率分别在881kW和3x400kW以上。

8、赵宏珠在论中美两国液压支架的使 用效果中提到，由于工作面设备配套能力大，设备可靠性高，保证了长壁工作 面的高产高效。在焊接研究方面，美国、前苏联、德国等国都进行得早，对于一些常用的钢 材其都进行过详尽的研究,得出了具体的结论。在毛德兵的综放开采技术在澳 大利亚的应用前景中提到德国北威州材料试验局（MPA）对支架常用钢板的共 100多个大试样进行了工作强度特性试验。美国美国焊接学会曾对约531种钢梁 和析架的进行过焊接接头疲劳性能进行过研究，前苏联曾对高强钢能否制造疲劳 载荷控制构件进行过系统的研究。与国外相比，国内在高强钢方面的研究相对有些滞后，这与我国钢材的发展 现状有关。只是对于16Mn这

9、种低合金钢，由于在国内广泛应用，主要用丁焊接 结构，郑修麒对其机械性能以及焊接件的疲劳性能进行过深入地研究。但是就本 课题而言， 16Mn 这种低强度合金钢，不是本课题研究的内容（目前就是采用高 强钢来代替 16Mn。近年来，随着对.工程质量要求的加深，对焊接接头力学性能的研究逐渐多 了起来，相关的文章也开始见于报端。鉴于国内 16Mn 钢材的应用较为普遍， 对于其进行的研究也较多，赵少华，王国法，赵少东都是关于16Mn钢焊接接头 疲劳寿命的研究。近儿年随着国内桥梁道路建设的兴起，对于14MnNbq这种桥 梁用钢焊接接头寿命研究也日益多起来，如陈旭，张源等是关于14MnNbq焊接 接头疲劳寿命

10、的研究。张玉玲等是国内近期关于将名义应力用于大型焊接构件疲 劳研究的报道。其采用我国第一台2000kN和20 000kN液压伺服疲劳试验机，进行了大吨位疲劳试验。并将有关研究成果纳入 2000 年公布实施的铁路桥梁钢结构设计规范TB10002.2-99。其采用的也是14MnNbq钢。如此同时，李建军等对于 14MnVN 的焊接接头寿命研究 44、20g 钢对接焊 接接头应力一应变特性的研究也开始展开以及林盛，李东能够人对SS400（宝钢 商业牌号、碳素钢）焊接件疲劳性能的研究也开始进行。在研究方法开始试图用边界元李强，王波、有限元求解焊接接头疲劳寿命陶 晓燕，但是上述方法很少考虑到焊接接头的材

11、料变化（通过弹性模量 E 来体现材 料性质），并且难以解决焊接接头中的应力集中问题，其中有限元分析更是需要 强大的焊接件疲劳数据库系统。液压支架结构件的组成（一）液压支架结构件组成部分液压支架结构件主要由插板、挑梁、尾梁、顶梁等部件组成，液压支架结构 件主要用来煤矿采掘面支护，承受重力荷载，因此各种支架结构件的材质主要是 钢板，然后焊接而成，再由这些结构件组成液压支架的箱体结构。在液压支架结 构件焊接过程中，由于结构复杂、焊接量大，很难有效控制焊接变形，因此如何 保障液压支架结构件的焊接质量，减少焊接变形是液压支架加工制造企业面临的 关键问题。（二）液压支架选型原则液压支架在选型过程中依据如下

12、原则:1. 支护强度与工作面矿压相适应。支架的初撑力和工作阻力要适应直接顶和基本顶岩层移动产生的压力，将空顶区的顶底板移近量控制到最小程度。2. 支架结构应与煤层赋存条件相适应。3. 支护断面应与通风要求相适应，保证有足够的风量通过，而且风速不得超 过煤矿安全规程规定。4. 液压支架应与采煤机、刮板输送机等设备相匹配。支架的宽度应与刮板输 送机中部槽长度相一致，推移千斤顶的行程应较采煤机截深大100200m m,支 架沿工作面的移架速度应能跟上采煤机的工作牵引速度，移架速度还应满足生产 指标的要求,支架的梁端距应合理。（三）液压支架选型依据及内容1. 选型依据支架选型前必须将工作面的煤层、顶底

13、板采区的地质条件全面查清、探明, 编出综采采区、综采工作面的地质说明书。2. 选型内容支架选型时,要求确定如下内容:支架类型,如支撑掩护式或掩护式;立柱根 数;支护阻力，包括初撑力、额定工作阻力;支架结构高度，包括最大和最小高度; 顶梁和底座的结构形式、尺寸及其相对位置;对防滑、防倒、防片帮、调架、移 架、端面维护等装置的要求;操作方式、阀组功能等。（四）各类液压支架的特点液压支架的类型很多，按和围岩的相互作用可分为支撑式、掩护式和支撑掩 护式三类;按移架方式可分为整体自移式和迈步前移式两类;按使用地点不同分工 作面支架和端头支架两类;按煤层厚度和开采方法不同分为铺联网支架和放顶煤 液压支架。

14、1.支撑支架支撑式支架在结构上没有掩护梁，支柱直接通过顶梁对顶板起支撑作用的支 架称为支撑是支架，可以分为节式和垛式两种。支撑是支架结构简单，但是稳定 性差比如节式支架有一定的优点，但是其突出的优点不适合大采高要求。节式支架的优点是:（1）结构简单，尤其是滑移顶梁支架的立柱可用一般的 单体液压支柱（2）支架的质量较轻，滑移顶梁支架的质量每架仅700Kg，最大 部件的质量为 150Kg 左右，故便于搬运，拆装;（3）架顶梁窄，灵活性，调架 容易 P6。节式支架的缺点是:（1 ）支架的侧向稳定性差，且架间空隙大，顶板容易漏 矸，因此通常要铺设顶往以防止漏矸，使材料消耗增加及工艺复杂（ 2）支架的

15、底座面积较小，在软底的工作面使用时，常易压入底板（ 3）当煤层倾角过大， 采高大于2.8m时。即使增加调架千斤顶,与难于保证移架时支架的正常状态（4） 滑移顶梁支架的前、后梁间靠弹簧板相连，移架时容易破坏，为力减少移架时卸 载面积，通常要减少支架间距PT,支架当矸情况不良（5）支架顶梁较长，顶板 在同一地点经受的反复支撑次数较多。2.支撑掩护式液压支架的特点根据液压支架的特性，具有两支柱的掩护式液压支架和具有四支柱的支撑掩 护式液压支架，由于支柱数的不同，与地层的相互作用关系也不同。掩护式液压 支架的两个支柱相对于煤壁向前倾斜，支柱支撑顶梁的力产生水平分力，这个力 作用在支架前端的直接顶上使之

16、处于压紧状态，促使直接顶趋于稳定。相比之下， 支撑掩护式液压支架的四根支柱相对于煤壁两两相背反向倾斜，其支撑力的水平 分力相互抵消，因而也就不能提供水平作用力。由此可见，掩护式支架在饺接较 明显或松散破碎直接顶地层中的支护效果较好，因它提供的水平作用力阻滞了直 接顶岩块沿破裂面滑落，增强了地层的总体稳定性。支撑掩护式液压支架的优点之一是其垂直方向的支撑合力距煤壁的距离较 远，这意味着对于岩表突出的顶板，这种支架的支护效果会更好，因为这将使其 支撑力作用在更有效的支撑点上。另外它与顶、底板的接触压力较均匀，最大接 触压力也相对较小，具有很高的稳定性。然而支撑掩护式液压支架前后两对支柱 产生的多重推力路径影响了这种支架在易出现空洞地层中的支护效果。支架后部 支柱的推力使顶梁产生逆时针方向的旋转位移，从而使顶梁与底板间的接触面积 减小，使顶板地层更趋干空洞化，迸而导致由