童川
山东黄金矿业（莱州）有限公司焦家金矿 山东莱州 261400
摘要：焦家金矿自推广“新型井下U型钢支架支护工艺”后，U型钢支架的使用量大幅提高，为确保支架的供应量和质量，研发人员对其制作装置和加工工艺进行了研发攻关。通过液压系统、伺服电机、摆线针轮减速机和特定模具设计制作出U形钢液压冷弯装置，配合研发优化后的制作工艺，实现了U形钢弧度和进度可调式的冷弯工艺。制作前先通过利用CAD对材料用量、支架弧度、圆心定位、旋转搭接进行提前模拟，明确各位置液压油缸的进量，却保各部分长度、高度和弧度精准度，再配合U型钢液压冷弯装置，实施模拟成型后的冷弯、切割、焊接等工艺，使U型钢支架一次成型。在提高了U型钢支架的强度和质量的同时实现机械化标准化量产。
关键词：U型钢支架；制造装置；冷弯工艺
引言
1、U型钢支架支护工艺广泛应用
焦家金矿为解决原有的局部木棚支护方法存在的安全隐患及成本较高的问题，自2013年起采用“新型井下U型钢支架支护工艺”，研发人员对其制作加工工艺进行了探讨研究，U型钢支架支护工艺具有施工简单、安全系数高、承压能力强、支护成本低等优点。
2、U型钢支架需求量不断增加
伴随着“U型钢支架支护工艺”在焦家金矿的广泛应用，U型钢支架的使用量不断增加，2015年仅上半年3m*3m标准U型钢支架需求量就达到了800架，各种应急非标U型钢支架需求量也达到了200多架。
3、U型钢支架外购成本较高
尽管U型钢支架支护工艺的应用已经降低了支护成本，但是U型钢支架的外购价格却仍然居高不下。标准U型钢支架的外购价格为3500元/架，紧急供应非标U型钢支架外购价格为正常标准的1.5倍，占到了总支护成本的70%以上。
针对这一现状，焦家金矿于2015年1月份对井下巷道支护U型钢支架的自制工艺进行技术研发，经过对U型钢支架制造装置和制造工艺的重点攻关，终于实现了井下巷道支护U型钢支架的完全自主加工，并正式进行量产，可及时供应整个焦家金矿的井下支护需求。
二、制造装置和工艺的研发
1、制造装置构造和工作原理
井下巷道支护U型钢支架制作的主要装置是U型钢液压冷弯装置（图1），U型钢液压冷弯装置由摆线针轮减速器、减速机电机、滚轮、油泵电机、齿轮油泵、溢流阀、电磁换向阀、液压油缸、顶轮、操作台、工作台及油箱等部件组成通过机械传动系统、冷弯系统、液压系统、电控系统、辅助系统五大系统协调运行来实现U型钢液压冷弯工艺。
U型钢液压冷弯装置工作原理：将所需冷弯加工的U型钢推放在两主动滚轮冷弯组（图1A、C）之间，启动液压系统使液压油缸推动顶轮冷弯组（图1B）沿滑轨前进，顶压U型钢，待达到设计所需弧度时,使液压系统进入锁紧保压状态，启动机械传动系统，使主动滚轮和顶轮同向转动，依靠摩擦力带动U型钢平稳缓慢前行，从而实现U型钢冷弯作业。在结束时，关闭机械传动系统 ， 同时启动液压系统，使液压油缸后退，带动顶轮冷弯组收回,将冷弯成型的U型钢运走摆放。
图1 U形钢液压冷弯装置示意图
1—减速机电机；2—摆线针轮减速机；3—滚轮；4—工作台；5—滑轨（带刻度尺）；6—液压油缸；7—液压油箱；8—液压系统；9—操作台（电控系统）；10—油泵电机
2、制造装置液压系统设计
液压系统选用液压锁紧回路设计，使液压油缸既能快速完成前进和后退的动作，又能在冷弯时起到保压作用，使U型钢承受径向力恒定不变。为了保证长时间保持在某位置停止不动，提高锁紧精度，选用双液控单向阀——液压锁设计，当三位四通电磁换向阀处于中位时，两个液控单向阀进油及控制油口都与油箱相通，使两个液控单向阀迅速关闭，可实现对液压缸的双向锁紧，即使在外力作用下，回路也能使执行元件保持长期锁紧状态，从而确保了U型钢的弧度精准。
三、自制工艺的攻关点
焦家金矿所用的井下巷道支护U型钢支架是三心门式拱架，为了方便井下运输，将整体支架切分为三个主要部分，即顶弧和左右支腿，井下支护时顶弧与左右支腿搭接，再通过专用支架卡子紧固。
U型钢支架加工过程中多段弧精度要求较高、一旦加工弧度不准确，无法确保三个圆心的位置，就会造成U型钢支架支护时严重变形失效，影响了井下巷道支护工作的安全稳定性，而且成型后的U型钢支架难以复原，加工不准确即报废。为了克服该难点，利用CAD对材料用量、支架弧度、圆心定位、旋转搭接进行模拟，名确了各位置液压油缸的进量，提高了各部分长度、高度和弧度精准度。再配合U型钢液压冷弯装置，通过模拟冷弯、切割、焊接等加工工艺，使U型钢支架一次成型。
一架U型钢支架约需要10米U型钢作为原材料，长度较长、重量偏重不易搬运、大大增加了劳动强度。为了提高机械加工水平，逐步用机械减轻或代替人力，对加工辅助设备进行技术创新，设计制造多自由度万向轮托辊车来辅助冷弯加工和运输，大大降低了工人劳动强度，提高了加工效率。
结语：
该技术的成功研发应用，一是保证了U型钢支架的强度和质量，进一步保障了施工质量和井下安全。二是实现机械化批量生产，降低了能耗，操作简单方便，极大地提高了工效，具备U型钢支架6000套/年的产能。三是可实现按需制造，现已有各种尺寸需求标准和非标U型钢支架90多种，适用于各种井下巷道、斜坡道支护。四是改变了以往U型钢支架外购历史，省去了招投标、物流运输等步骤，大大缩短供应周期，可实现立等可取，无缝衔接井下一线各种紧急支护需求。五是节省了外部U型钢支架加工过程中，高人工费、高材料费、高运输费的成本开支，每套节省开支68.6%，具有一定的推广价值。
论文作者:童川
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/17
标签：型钢论文; 支架论文; 井下论文; 冷弯论文; 装置论文; 工艺论文; 液压论文; 《防护工程》2018年第30期论文;