杜 奇

（國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司 設(shè)備維修中心，鄂爾多斯 017000）

0 引言

面對國家“雙碳”要求，近年來煤炭行業(yè)貫徹新發(fā)展理念，踐行綠色低碳環(huán)保，著眼新的發(fā)展方向，堅定不移的走安全、高效、生態(tài)、智能的高質(zhì)量發(fā)展路子，構(gòu)建數(shù)字化、智能化新產(chǎn)業(yè)和業(yè)態(tài)。提出加快推進構(gòu)建煤炭產(chǎn)業(yè)綠色、低碳體系，指明了煤炭清潔高效開采、低碳綠色利用、污染達標(biāo)排放的的工作方向。

煤礦安全智能的高質(zhì)量發(fā)展道路，首先需要安全、可靠、智能的煤礦自動化裝備來保證，而刮板輸送機是煤礦井下綜采工作面最為重要的設(shè)備之一，它的主要作用有三個，一是把采煤機割下來的煤塊轉(zhuǎn)運至順槽轉(zhuǎn)載機；二是承載采煤機在其上行走，三是作為液壓支架拉架的支點。所以刮板輸送機的安全、可靠和智能化就顯得尤為重要。將直接影響神東作為央企擔(dān)當(dāng)責(zé)任使命，安全保證煤炭供應(yīng)的政治要求。

中部槽是刮板輸送機的最關(guān)鍵部件，每臺運輸機約有100節(jié)左右的中部槽，其重量占整機總重的80%左右,無論是結(jié)構(gòu)形式還是功能占比都對整機的可靠運行起到至關(guān)重要的作用，其可靠性和耐磨性直接決定著綜采工作面設(shè)備的綜合性能和效益。因此，提高中部槽的焊接質(zhì)量非常重要，那么如何提高中部槽的焊接質(zhì)量？重點是研究槽幫與中板，槽幫與封底板的焊縫質(zhì)量。因此，無論從安全可靠、成本節(jié)約的角度去考慮，開展高耐磨、高質(zhì)量的中部槽設(shè)計制造迫在眉睫[4]。

國能神東煤炭集團是全國唯一一個2億噸煤炭生產(chǎn)基地，擁有各類刮板輸送機56套，公司在2021年工作會議上提出全面開啟二次創(chuàng)業(yè)的新征程，全力構(gòu)建神東創(chuàng)新驅(qū)動、綠色發(fā)展的新格局。作為區(qū)域內(nèi)重要的煤炭生產(chǎn)企業(yè)，謀劃轉(zhuǎn)型發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫。對于高質(zhì)量的裝備要求更是時不可待，因此設(shè)計研究一條刮板輸送機中部槽智能焊接流水線首當(dāng)其沖。以下重點闡述流水線的產(chǎn)能設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)格、焊接工藝、裝備選型及流水線布局等。

1 產(chǎn)能設(shè)計

1.1 產(chǎn)能規(guī)劃

根據(jù)市場調(diào)研，結(jié)合神東煤炭公司及外部市場需求，預(yù)測最大需求約為1462節(jié)/年，為保障產(chǎn)能，合理投入，利用我公司現(xiàn)有車間，選用先進工藝、技術(shù)和裝備，初步規(guī)劃產(chǎn)能為每班6節(jié)中部槽，每個班8小時。也就是一年1500節(jié)左右的產(chǎn)能。所有的裝備配置、選型全部是基于這個產(chǎn)能設(shè)計以及各個工序的用時和節(jié)拍時間來確定的。圖1為中部槽三維圖。

圖1 中部槽三維模型圖

1.2 生產(chǎn)規(guī)格

設(shè)計的流水線適合生產(chǎn)的中部槽規(guī)格尺寸為：

1）長度：1500mm～2050mm；

2）內(nèi)槽寬：800mm～1400mm；

3）最大尺寸（mm）：長2050×寬1400×高736；

4）最大重量：5700kg。

2 中部槽焊接工藝研究

2.1 所選用材質(zhì)的牌號和性能研究

一節(jié)完整的中部槽是鏟板槽幫、擋板槽幫、中板和底板焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。其中各部件材質(zhì)為：槽幫、齒軌座均為ZG30MnSiMo；中、底板為hardox450；折彎彎板為Q460E。

圖2 中板焊接結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 中部槽槽幫

中部槽槽幫均屬鑄件，材料為ZG30MnSiMo，屬中碳低合金Mn-Si鑄鋼（C=0.25～0.35%），表1為ZG30MnSiMo的化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)。表2為力學(xué)性能。

表1 ZG30MnSiMo化學(xué)成分

表2 力學(xué)性能表

由上表可知，ZG30MnSiMo屬于碳當(dāng)量大于百分之0.4的高強耐磨鋼，其冷裂敏感系數(shù)大于百分之0.3，冷裂的傾向性和可能性很大，且中部槽強度高、剛性大，焊接時應(yīng)力較為集中，焊接性較差[5]。

2.1.2 中部槽中板和底板材料

中部槽中底板全部選用hardox450，材料厚度40mm（中板）、30mm（底板）。Hardox450悍達耐磨鋼板是由瑞典SSAB公司生產(chǎn)制造的高韌性、具有良好彎曲性能的多用途耐磨鋼，被廣泛的應(yīng)用于礦山機械產(chǎn)品中。

Hardox450鋼板具有高耐磨性，而其硬度及強度，化學(xué)成分也隨著厚度的增加而發(fā)生改變，如表3和表4所示。

表3 hardox450的力學(xué)性能

表4 hardox450的最大碳當(dāng)量

由上表可知，Hardox450耐磨鋼板具有非常高的硬度、強度以及較高的碳當(dāng)量，Hardox450焊接時有淬硬傾向，有產(chǎn)生氫致裂紋的可能性。因此焊接中需要重點關(guān)注如何防止冷裂紋和氫致裂紋[1]。

2.2 激光復(fù)合打底工藝的選擇與研究

2.2.1 激光復(fù)合打底工藝的選擇

中板和槽幫打底焊接為什么選用單機器人單絲激光復(fù)合打底工藝？因中板與槽幫這種異型鋼焊接（槽幫ZG30MnSiMo、中板hardox450）的關(guān)鍵是要解決焊透與變形的問題。采用傳統(tǒng)的MAG弧焊工藝，為了保證焊透，槽幫和中板需留3-4mm間隙，該間隙比較大，熔化的鐵水容易下淌，不易實現(xiàn)單面焊背面成型，而且焊接速度慢，更重要的是焊后變形大，為了防止變形，需要焊拉筋，有的在槽幫上焊直拉筋，有的在端頭焊U型拉筋，去掉拉筋后還需打磨，不僅浪費人力、時間，而且浪費材料，如圖3所示。

圖3

然而激光MAG復(fù)合焊接工藝，需要的裝配間隙較小，0～2mm即可，中板坡口比較小，一方面能節(jié)約焊材，另一方面激光復(fù)合焊接熱源能量集中、焊接熱影響區(qū)小、焊接變形小、并且在平焊的位置即可實現(xiàn)單面焊雙面成型，可完全實現(xiàn)中板焊縫全焊透，不用背面再清根。在無拉筋狀態(tài)下，保證變形控制在1.5mm的要求范圍內(nèi)。

圖4 中板與槽幫激光-MAG復(fù)合焊接(單面焊雙面成形，無需焊切拉筋)

2.2.2 激光-電弧復(fù)合焊的研究

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)具有有焊接變形小、速度高、殘余應(yīng)力小、熱影響區(qū)窄等特點、是20世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展成熟起來的一種優(yōu)質(zhì)、高效、新型的焊接技術(shù)。該技術(shù)耦合了單純激光焊接和埋弧焊接的優(yōu)點，同時彌補了二者的缺陷，實現(xiàn)了1+1＞2的效應(yīng)。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是目前國內(nèi)外焊接領(lǐng)域公認(rèn)的21世紀(jì)最具有發(fā)展和應(yīng)用前景的焊接新技術(shù)之一，特別是在對焊接質(zhì)量、焊接變形、焊接效率要求較高的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的焊接制造中具有其他焊接技術(shù)無法企及的獨特技術(shù)優(yōu)勢。在歐美等國家激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)自2000年便已在造船、汽車、工程機械、軌道交通、能源電力等制造業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在我國激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)也已基本成熟并在兵器、礦山機械、軌道交通、船舶、航天等領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用[3]。

2.3 中部槽焊接工藝的梳理

對中部槽的焊接工藝、序進行全面梳理。從彎板、底板、中板和鏟幫的預(yù)熱開始梳理每道工序的用時，確定了中部槽焊接的節(jié)拍時間，繪制了中部槽焊接工藝流程圖，如圖5所示。

圖5 中部槽焊接工藝流程圖

3 中部槽智能焊接流水線的設(shè)計與創(chuàng)新點

3.1 中部槽制造場地和設(shè)備布局

整個中部槽制造占用了現(xiàn)有車間3聯(lián)跨其中的1跨半（北部一跨和中間半跨），其中圖6紅色圖框（左上半跨）是上智能焊接流水線之前的前序工序布置，包括原材料存放、中底板、彎板、擋煤板及電纜槽隔板下料、中板破口加工、彎板折彎、彎板孔自動切割機器人以及彎板軌座組對等。圖6黃色圖框（右上半跨）是中部槽智能焊接流水線，圖6橘色圖框（右下半跨）是中部槽焊接完下線后的機加工區(qū)域以及電纜槽焊接區(qū)域，主要是對中部槽兩個端面、中板的搭接面及啞鈴型窩進行機加工。

圖6 中部槽制造場地和設(shè)備布局圖

該布局完全按照精益化管理理念及工藝工序布局，從北大門進原材料，左邊下料、右邊焊接。真正實現(xiàn)了物流路線最短、浪費最少。

3.2 中部槽智能焊接流水線的設(shè)計

首先把中部槽散件（槽幫、中底板、彎板組件）全部存放在中轉(zhuǎn)區(qū)，通過覆蓋于中轉(zhuǎn)區(qū)、預(yù)熱區(qū)及自動組對區(qū)激光復(fù)合打底區(qū)的數(shù)控龍門式桁架機械手，吊運至可以存放4組中部槽的自動連續(xù)式預(yù)熱爐內(nèi)進行預(yù)熱，然后通過數(shù)控龍門式桁架機械手調(diào)運至中板、槽幫自動組對設(shè)備進行組對、激光復(fù)合打底。打完底后通過數(shù)控龍門式桁架機械手吊至中轉(zhuǎn)臺，此時RGV車過來將打完底的中部槽運至四個任意一個工作站上面進行填充、蓋面、焊接。中板焊完后進行是底板與槽幫的組對、點焊。焊接完后進行滿焊。然后是彎板軌座組件和槽幫的組對、點焊和焊接。底板、彎板組件與槽幫組對、點焊利用流水線上的第二臺數(shù)控龍門式桁架機械手進行倒運。第二臺數(shù)控龍門式桁架機械手覆蓋于底板組對、點焊、彎板軌座組件與槽幫組對、點焊以及2臺保溫爐之間。最后時效完成后進行相控陣超聲波自動探傷，然后下線。以上就是整個自動焊接生產(chǎn)線的工藝路線和設(shè)備布局，具體如圖7所示。

圖7 中部槽智能焊接流水線布局圖

整個焊接流水線的裝配配置為：2臺龍門式絎架機械手、1臺4組連續(xù)式自動預(yù)熱爐、1套中板槽幫自動組對設(shè)備、1套激光復(fù)合焊接設(shè)備。3套雙機器人雙絲焊接工作站、1套雙機器人單絲焊接工作站、1臺掏焊轉(zhuǎn)機、1臺自動探傷設(shè)備、2臺保溫爐、3臺RVG物流搬運車和集控室。

3.3 中部槽智能焊接流水線創(chuàng)新點

3.3.1 采用先進的激光-MAG復(fù)合打底焊接工藝

傳統(tǒng)單脈沖MAG焊接，焊接熔池大、焊縫熔深淺。鈍邊不易焊透。為了把坡口鈍邊熔透，要留大間隙，焊接速度慢，焊后變形大。而單純激光焊接，焊接熔池小，但是焊縫熔深深，容易實現(xiàn)單面焊雙面成型。那么復(fù)合焊的熔深深而寬，激光復(fù)合焊接分別繼承了單獨激光焊和弧焊的優(yōu)點，獲得“1+1＞2”的焊接效果。如圖8所示。

圖8 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)原理圖

3.3.2 柔性程度高

槽幫與中板打底工藝能夠兼容激光-MAG復(fù)合打底、脈沖-MAG打底和傳統(tǒng)-MAG打底（弧焊）三種打底焊接工藝。首先選用激光復(fù)合打底，如果是激光系統(tǒng)或者焊接過程變形超差或者有別的其他問題，可迅速切換打底工藝，在打底區(qū)域配置了一臺脈沖焊機（單脈沖打底焊，無拉筋時不易保證全焊透與控制變形。也可以采用傳統(tǒng)-MAG打底（弧焊）。也就是首先用人工烤槍預(yù)熱，然后人工組對、點焊，再在4個任意1個工作站進行對稱立式打底。因此該設(shè)計不會因為某個裝備或者工藝故障，導(dǎo)致整個產(chǎn)線停產(chǎn)。

3.3.3 采用工作島式的布置方式而非一字型布局

焊接流水線配置了四個功能完全一樣的焊接工作站，均可實現(xiàn)中板兩條焊縫、底板外焊縫及彎板軌組件與槽幫的焊接。如果其中1個工作站出現(xiàn)故障，并行作業(yè)，可以在其他3個工作站進行焊接作業(yè)，不會影響整個生產(chǎn)線的運行，生產(chǎn)線故障率低。

3.3.4 物流設(shè)備智能、路線短

采用充電式RGV智能物流小車實現(xiàn)各位間物件的搬運。為了方便提醒周圍工作人員，RGV智能物流小車車體前方、后方均安裝激光安全檢測裝置、信號燈及聲音報警裝置。如果RGV車發(fā)生設(shè)備故障或者發(fā)現(xiàn)周圍有障礙物，此時RGV自動發(fā)出聲光報警并減速或停車，同時通過無線通訊系統(tǒng)發(fā)出信號給RGV監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可根據(jù)報警的信息指揮現(xiàn)場人員排除故障或障礙物。同時RGV智能物流小車具備兩種充電功能，一種是預(yù)定位置通過電磁感應(yīng)方式自動補電，另外一種是在RGV車存放區(qū)通過電源充電。當(dāng)RGV車出現(xiàn)低電量充電預(yù)警時，RGV車會發(fā)出充電信號給集控系統(tǒng)，集控系統(tǒng)可調(diào)度RGV車自動到預(yù)定位置進行補電。

中部槽焊接完成下線后，RGV智能物流小車將焊接好的中部槽轉(zhuǎn)運至需要機加工的存放臺上。避免了再用叉車或者其他形式的物流車來回倒運?？s短了物流路線、提高了物流倒運效率。同時為了提供安全性，RGV智能車軌道過跨處設(shè)有自動對開門。正常自動門處于關(guān)閉狀態(tài)，此時人行（物流）通道暢通。當(dāng)RGV過跨時，自動門打開將人行（物流）通道關(guān)閉，此時RGV通道暢，人行（物流）通道關(guān)閉。這樣可以徹底解決人員、物流的交叉運行的安全隱患。具體如圖9所示。

圖9 RGV智能物流路線圖

3.3.5 安全性高

5個焊接工作站（1臺雙機雙絲[2]、3臺雙機單絲和1臺掏焊專機）全部布置在一側(cè)，便于焊接煙塵集中凈化，同時避免了煙塵凈化長距離管道的吸力衰減問題。有人員參與的焊接引收弧板、底板、彎板組件組對布置在另一側(cè)。該設(shè)計實現(xiàn)了人線分離，保障了人員安全。如圖10所示，橘色圖框（上部分）為焊接工作站布置，藍色圖框（下部分）為人員參與的組對側(cè)布置。

圖10 流水線布置設(shè)計圖

4 結(jié)語

在煤礦安全、智能、高質(zhì)量的發(fā)展指引下，煤機裝備的智能、安全、高效就顯得尤為重要，本文從中部槽制造的產(chǎn)能設(shè)計規(guī)劃、場地設(shè)備布局、工藝路線研究、裝備選型應(yīng)用等方面研究設(shè)計了一條技術(shù)一流、工藝新型、裝備先進、安全可靠、智能物流的國內(nèi)一流的中部槽自動化焊接流水線。重點對中部槽槽幫材質(zhì)、中底板材質(zhì)及焊接工藝進行了研究分析，特別闡述了激光復(fù)合打底工藝的特點和優(yōu)點。對中部槽自動焊接流水線設(shè)計思路和創(chuàng)新點進行了詳細的論述。