皖北煤电集团周立新 朱天柱 范一峰——《基于液压支架缸体激光熔覆工艺修复的智能再制造新技术转化应用》

 

 

摘要：新的历史起点上，加强科技创新，实施智能化核心技术创新和成果转化应用，是以习近平同志为核心的党中央对国有企业创新发展作出的重大部署，为新时代国有企业创新发展指明了方向，明确了智能制造的核心功能，提供了根本遵循。详细分析了当前国有煤炭企业智能再制造新技术转化应用背景；阐述了煤矿国有企业液压支架缸体激光熔覆工艺修复的智能再制造新技术转化应用主要做法；总结出基于液压支架缸体激光熔覆工艺修复的智能再制造新技术转化应用主要成效；智能制造不可避免成为中国制造企业的崛起之路，智能制造会带来企业发展结构性的根本改变，企业不仅要变革生产流程，更要建立与智能制造相匹配的企业发展路径。

关键词：国有煤炭企业；智能再制造；液压支架缸体；激光熔覆工艺；技术成果转化

一、智能再制造新技术转化应用背景

（一）智能时代发展的需要

当前工业4.0时代，新一轮的工业革命正深刻影响人类的生产生活方式，智能制造已席卷全球，我国制造业竞争优势逐步减少，同质化压力较大，企业将面向智能制造进行企业转型，从生产型向生产服务型转变。新形势下，我国出台了《中国制造2025》，代表工业4.0方向的智能制造将是中国工业转型升级的重要目标和国家战略，但是在国际经济乏力，新冠疫情全球肆虐，国内经济增速放缓的背景下，我国发展呈现出新的阶段性特征，经济发展新常态下发展速度、结构、动力呈现出新的特点。当前，传统制造业将在两化融合背景下，向着智能化与服务化发展。以智能制造为标志的新工业变革将世界制造业带入了一个新的发展阶段，推动制造业由生产型向生产服务型转变，引导制造企业延伸服务链条、促进服务增值，使企业必须走上转型升级、智能制造的制造业服务化道路。随着市场饱和、市场同质化竞争严重、产能严重过剩，企业只有向智能制造转型才能求得生存，将改变传统车间与业务流程才能实现订单驱动生存。依据中国制造业大调查的数据显示，智能制造所需的资金支持较大，一些企业正在寻求向智能制造的转型条件，产能过剩和市场竞争更会趋势企业寻求智能制造的转型[1]。

2.       提升企业核心竞争力，拓展外部发展空间的需要

2009年起中国能源消耗量略超美国，成为全球最大的能源消耗国，但与美国煤炭占比22%不同，中国能源消耗中煤炭占比高达三分之二，因此，采煤设备的安全、高效运行及更新换代对于保障中国经济高速发展的能源供应的重要性不言而喻。根据数据，在综采工作面停机因素中，机械因素占到60%，其中特别是液压支柱、截齿、中部槽的失效影响极大，据统计，在刮板输送机故障中，断链、刮板和溜槽损坏占整个刮板输送机影响总时间的52.2%；立柱因镀层起皮、脱落出现密封漏液现象而严重影响了支护性能，增加乳化液的消耗量并危及安全生产，成为液压支架长期以来难以解决的痼疾。

液压支架是综采设备的重要组成部分。它能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入回采工作面和推进输送机。它与采煤机配套使用，实现采煤综合机械化，解决机械化采煤工作中顶板管理落后于采煤工作的矛盾，进一步改善和提高采煤和运输设备的效能，减轻煤矿工人的劳动强度，最大限度保障煤矿工人的生命安全。根据研究表明，由于立柱伸缩速度慢、次数少、工作环境差，所以对其耐磨性要求并不高，相对耐蚀性要求较高。现在国产支架立柱材料为27SiMn合金结构钢，调质后镀铬以达到防腐耐磨要求，因为镀铬的工艺特点（物理结合）使得在液压支架工作中因为外力撞击或内部质量问题产生镀层脱落而造成立柱基体腐蚀，基体腐蚀后造成立柱与缸体密封不严而失效。作为为生产矿井提供生产服务的企业，在集团公司实施“精准定位，技术引领，提升核心竞争力，全面走出去”的政策支持下，企业亟需加快推进高端制造技术的成果应用，加大外部市场开发力度，主动出击找市场，扩大业务范围，拓展社会化产品业务。尤其需要重点布局集团公司参股控股矿井，不断巩固扩大朱集西矿市场；常态化参与恒昇、恒晋、招贤煤矿等维修业务。同时应以麻地梁分厂为基地向周边矿井辐射；谋划招贤煤矿、黑龙沟煤矿驻矿设点业务，巩固双方良好的合作关系，切实扩大市场占有率。针对煤机装备、液压支架矿山设备、单轨吊轨道交通等磨损严重、失效、报废的零部件，采用熔覆技术（激光熔覆）、喷涂技术（超音速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂）、表面工程技术（纳米涂层、金属表面陶瓷化、Tyon-D涂层），实现煤矿机电产品的再制造工程。通过再制造产业化方式，设备使用企业可以减少 40%-60% 备件采购成本，起到节省资金、节能、节材和保护环境的效果[2]。

3.       促进企业高质量发展的需要

从煤炭行业发展动力分析，煤炭行业发展的旧动力减弱，新动力不足，必须依靠创新驱动，培育壮大经济发展新动能，加快新旧动能接续转换，走更高质量、更大效益、更可持续发展之路。作为集团公司服务生产矿井设备维修和加工制造的供应商，机械总厂传统主营业务很难自我革命，需要小步快跑，快速迭代，实施高端制造新产品的快速布局生产。从发展速度看，随着国家能源结构调整，煤炭需求小幅提高过渡到稳中趋降将是中长期趋势。从发展模式看，国家推进能源革命，优化煤炭产业布局，行业发展必须转向依靠结构调整和转型升级，方能实现健康持续发展。作为集团公司生产矿井设备维修和加工制造的供应商，该企业的生产结构问题势必影响矿井的煤炭生产和能源保供。新的形势任务倒逼企业必须摈弃传统的“重维修、轻制造”生产方式和管理方式，坚持技术创新和管理创新“双轮驱动”，加快企业“四化”（机械化、自动化、信息化、智能化）等建设投入，实施智能化生产升级改造。同时，利用互联网+、大数据创新思维，逐步开放式创新整合创新资源，广泛开展产学研战略合作，引进高新技术改造传统产业，运用多种创新理念，以适应智能化时代的高质量发展的需要，实施精益生产。

4.       企业自身解放思想，实施经济技术一体化、规模化发展的需要

一是皖北某国有企业作为国有矿山企业老厂，人员思想不够开放，设备严重老化、规模化生产效应较差。企业快速发展，改革创新，离不了新型设备的引进和投入。二是目前企业检测等设备相对陈旧，测量精度不够，生产力低下、故障率高、维修保养困难、升级改造困难等等，严重制约着企业规模化生产，工作模式也很难转型升级；同时生产检测设备相对落后，维修产品质量问题时有发生。三是外部市场开拓动能不足，受制于材料采购价格上涨等因素，机械总厂在市场性经营活动中，缺乏竞争优势。四是适应国家环保政策。随着国家对环保工作越来越重视，由于污染严重，一直以来作为矿用综采综掘设备维修的液压支架千斤顶缸体、活柱表面处理主要工艺的电镀工艺，因电镀为高污染行业，受环保的影响，厂家的生产时断时续，影响矿用液压支架整体维修进度；且电镀单价呈逐年上升趋势，2019-2021年的年中标单价均保持10%上升状态。再由于电镀层对水质要求较高，而淮北矿区水质较差，造成近年来矿用综采液压支架等设备事故时有发生，影响矿井安全生产，带来了一定的经济损失。

综上，在工业智能化4.0时代发展的大背景下，基于集团公司对该下属企业生产服务中心、成本控制中心和价值创造中心的定位，企业需要解放思想，通过内部挖潜、引进高端制造设备、实施产业结构调整，企业方能走上持续健康发展的道路。

二、液压支架缸体激光熔覆工艺修复的智能再制造新技术转化应用主要做法

企业面对新冠疫情持续肆虐、安全环境复杂多变、生产条件先天不足、内部市场逐步萎缩等诸多不利因素，坚持从自主经营、自负盈亏、自我发展的市场主体意识根植出发，以市场倒逼、订单牵引、高端制造引领、高质量服务客户需求为导向，以经营质量和效益为中心，以挖潜降本、市场增效、质量效益、绩效考核、薪酬分配等市场化机制变革为主抓手，优化组织流程，优化资源配置，优化运营模式，实施品牌效应，高端科技成果快速转化，推行经济技术一体化新经营发展模式，走出了一条“不靠外部投入靠内部挖潜，不靠行政命令靠科技创新创效”的经营创新发展之路，促进了企业增效、员工增收，实现员工与企业共同发展。主要做法为：

（一）激光熔覆焊金属镀层表面处理新技术应用初见成效

2019年底，皖北某国有企业新引进Φ600x3000型激光熔覆设备及配套MQ1350型磨床等设备，稳步推进实施立柱活塞杆激光熔覆自制加工项目，填补了皖北地区技术工艺空白。千斤顶（立柱）作为煤矿综采设备液压支架的核心部件，其质量好坏直接影响液压支架的整体使用性能与安全性能。千斤顶（立柱）的损坏形式主要表现为工作表面腐蚀、镀层脱落。探索采用其他维修工艺成为当前液压支架千斤顶（立柱）维修的必然要求。采用激光熔覆工艺修复千斤顶（立柱）是当前行业内一个良好的趋势，其工艺主要优点一是激光熔覆工艺由于其形成的表面为冶金结合、热影响区小、基本无热变形；二是经过优化控制，激光熔覆工艺形成表面的完全成本已接近电镀（13.5-16元/dm2），低于不锈钢敷合（镶套）工艺（28元/dm2）,质保期可达36个月不生锈，具有较好的性价比；三是激光熔覆工艺修复千斤顶活柱表面，一台设备2.5小时可熔覆1，每天可熔覆8，效率优于电镀；四是符合环保政策要求，逐步替代了高能耗、高污染电镀工艺。对煤矿安全生产和高质量发展具有深刻的实践意义，同时煤矿维修企业购置先进的专业设备实施自主维修对推进技术经济一体化也具有实践意义。如图1所示企业外壁激光熔覆客户大规模生产现场（己稳定生产3年）。

 

图1外壁激光熔覆客户大规模生产现场

（二）液压支架千斤顶（立柱）外圆金属表面激光熔覆再制造新技术应用提升了设备维修质量

为提高维修质量，强化维修过程控制，企业从设备入厂开始规范接收流程，助推集团公司高质量发展目标。激光熔覆金属表面处理技术主要利用大功率激光束聚集能量极高的特点，瞬间将被加工件表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉完全熔化，获得与基体冶金结合的致密覆层，基体材料在激光加工过程中仅表面微熔，微熔层为0.05-0.1mm。基体热影响区极小，一般为0.1-0.2mm，激光加工过程中基体温升不超过80℃，激光加工后基本无热变形。基体与合金粉微熔与凝固在0.3秒内完成，从而使得激光熔覆层和基体间形成冶金结合，结合力远高于电镀，从根本上杜绝了由于结合力不强造成的剥落现象，从而提升了设备维修质量[3]。激光熔覆工艺流程如图2所示。

图2 激光熔覆工艺流程

（三）高端制造设备应用经济效益可观

激光熔覆为冶金结合，寿命为传统电镀的3倍以上。大大降低了生产性备件的消耗成本，减少了因维修周期造成的产能降低。

表1：与电镀工艺技术经济效益比较（三年期）

计算单位：每架

工艺类别	质保期	价格（元）	修理次数	维修总费用(元)	升（入）井数	事故率
电镀	3个月	9.35	三次	44565	三循环	高
激光熔覆	3-5年	21.5	一次	41909	一次	低

按照三年期比较，每架支架大修费可节约 3000 元，激光熔覆焊外委维修成本26.9元/dm2，自主修复成本21.5元/dm2，节约5.4元/dm2 ，2021年以来实现产值近600万元。与传统电镀工艺三年期经济比较，全年可节约成本300余万元。并且可以提高安全水平，减少事故率；同时减少了支架升井、入井等费用。

第一期企业激光熔覆中心投资额核算，设备初期投资在：376万元。投资清单如表2所示。

表2：激光熔覆设备投资清单

设备折旧计算如表3所示。

表3：设备折旧计算表

电费及材料成本分析：共计：4万/月12月=48万/年;粉末成本：每需消耗10Kg粉末，360010Kg75元/Kg=270万/年；平均每年的总运行成本=设备折旧（64.6万）+人工成本（61.2万）+电费（48万）+粉末成本（270万）=443.8万元。人工成本表如表4所示。

表4 ：人工成本分析表

根据企业目前的现有客户基础，产能可以完全保证激光熔覆中心的全负荷运行，按照每台设备平均加工保底6，一个月运行25天计算，产能：6/天/台2台25天12月=3600/年。

效益分析：平均每年加工量为3600，按照市场价格3000元/计算，总计收入为：36003000=1080万元。每年利润额=每年收入（1080万）-每年成本（443.8万）=636.2万元。

（四）激光熔覆再制造新技术应用前景较好

一是维修周期短，成本低。使用传统镀硬铬工艺制作的新品立柱，在后续维修中，只要有一点产生锈蚀或者磕碰划伤，整根立柱镀铬层都需要车掉重镀，成本及周期都比较长。如果在制作新品立柱或者第一次维修使用激光激光熔覆工艺后，在后续维修中，有某个点或者几个点产生磕碰划伤，只需要维修出问题位置即可，无需整根处理，大大减少了维修周期和成本。相对于电镀工艺的成熟（20世纪20年代国外开始广泛应用，30年代引入我国），激光加工产业的产生还只是近二、三十年的事情，目前国内外的企业也还在不断探索、创新之中，相应的激光设备价格仍然较高，初期投入会高于电镀工艺，但其加工局限性小（对加工工件无尺寸加求，较大的工件电镀要求加大电解池的尺寸），且随着电子及光学行业的发展，未来激光加工设备的价格降低是可以预见的事情，但电镀因对环境影响极大，会随着国家的严格要求来进一步加大对后续废物处理设备的投资，综合看来，在总的投资上，激光熔覆加工仍有较大的优势[4]。

二是生产环境清洁，符合环保要求。电镀对环境影响极大，特别是电镀后产生的含酸碱及重金属成分的废液，是对水源污染的极大的潜在危害。虽可以在后期通过物理电解和化学中和等方式进行处理，但又意味着需要投入一笔大的资金。由于激光本身不污染环境，其工作现场干净整洁，无有害气体或液体产生，对操作人员无毒无害，激光加工完全在标准厂房里的数控机床上进行，除需要较大的电力容量外，不会产生任何废气、废液，对环境无任何影响。

三是修复范围大，生产效率高，可以进行报废再制造。电镀时镀层厚度为0.03-0.05mm，电镀的沉积速度为25μm/h，需要时间12-20小时。而对于激光表面处理而言，镀层厚度（加工成品后）要达到大于0.4mm，只需耗时2.5h/㎡。并且激光熔覆一层即可达到0.8-1.5mm，最大厚度可以做到7mm而不出现裂纹。

四是操作智能化可视化，自动化程度高。智能化激光表面处理设备将激光器、旋转轴、运动机构、送粉器等关键机构均集成一起，通过控制面板可实现一键操作，设备功能强大，简单易学。同时可实现可视化操作，即通过显器可以实时观察激光表面处理的整个过程，随时观察熔池形貌；并可将整个生产或试验过程通过监控记录下来并随时调出查看。   

五是使用寿命周期长，后期维护简便。相对于电镀而言，激光熔覆因合金粉价格较高，成本也相对较高，但激光熔覆后的支柱使用寿命是电镀的5-6倍，相较而言还是激光更节约成本，而且降低了劳动强度。由于激光熔覆层的厚度（单边0.60-1.00mm）大于电镀层厚度（单边0.04-0.07mm），且与基体属于冶金结合，一旦发生磕碰，可直接用氩弧焊修补、磨平、抛光即可（甚至不用解体立柱）。电镀层一旦磕碰则需要解体、退镀、氩弧焊修补、磨平、抛光、电镀、抛光、组装等，后期维修极为简便。激光熔覆焊液压支架缸体修复效果如图3所示。

          图3激光熔覆焊液压支架缸体修复效果图 

      激光熔覆工艺的加工特点决定了加工工序少，参数可控（厚度可在一定范围内连续可控），加工后的不锈钢涂层有远高于镀铬层的抗蚀性能，且通过厚度的控制（微米到厘米级别，远高于电镀层）可得到完全满足工作要求的耐磨性能，对磨损严重但未报废的支柱进行熔覆再制造（可达到或超过原工艺新产品的使用寿命），降低成本，重复利用。由此可见，使用激光熔覆技术采用普碳钢管熔覆合金涂层的双金属复合管制造液压支柱，可得到极高的性价比，且由于其清洁、环保的加工过程，必将在综采设备升级换代进程中取代电镀落后工艺。

三、基于液压支架缸体激光熔覆工艺修复的智能再制造新技术转化应用主要成效

（一）较高的性价比

激光熔覆为冶金结合，质保期为3年，寿命为传统电镀的5倍。大大降低了生产性备件的消耗以及多次维修的成本，可以提高安全水平，减少事故率。同时，减少支架升井、入井等费用，减少了因维修周期造成的生产影响。机械总厂激光熔覆项目满负荷情况下的完全成本13.48元/dm²，高于电镀9.35元/dm²，低于不锈钢镶套工艺28元/dm²,质保期可达36个月不生锈，具有较好的性价比。按照三年期经济比较，每架支架大修费可节约3000- 4000 元；并且事故率低，安全性能好；同时减少了支架升井、入井等费用。项目产能为每年可熔覆修复800架支架立柱、千斤顶。

（二）激光熔覆后二次维修成本低

激光熔覆工艺修复的立柱、千斤顶，寿命为传统电镀工艺的5倍以上。使用传统镀硬铬工艺制作的新品立柱，在后续维修中，只要有一点产生锈蚀或者磕碰划伤，那么整根立柱镀铬层都需要车掉重新制作，成本及周期都比较长。如果在制作新品或者维修使用激光熔覆工艺后，在后续维修中，有某个点或者几个点产生磕碰划伤，只需要维修出问题位置即可，无需整根处理，大大减少了维修周期和成本[5]。

（三）生产环境清洁

由于激光本身不污染环境，其工作现场干净整洁，无有害气体或液体产生，对操作人员无毒无害，且对环境无任何影响。

（四）生产效率高，修复范围大，可以进行报废再制造

电镀时镀层厚度为0.03-0.05mm，电镀的沉积速度为25μm/h，需要时间12-20小时。而对于激光表面处理而言，镀层厚度（加工成品后）要达到大于0.4mm，只需耗时2.5h/㎡。并且熔覆一层即可达到0.8-1.5mm，最大厚度可以做到7mm而不出现裂纹。大大提高了产品的修复范围，减少了产品的报废率。

（五）科技创新再引领，培育了智能制造新业务

2021年以来，企业依托科技创新、智能设备及新技术的成果转化应用，陆续开发出轧花网、右旋锚杆、高强度锚索、大功率皮带机、各种专用矿车等新产品，进一步丰富了企业的加工制造产品种类，提升了企业的加工制造能力和产品市场竞争力。另外，依托科学技术成果转化，着力推进实施了经济技术一体化工作。2021机械总厂稳步推进实施了8个攻关项目，其中《激光融覆焊技术应用研究》、《掘进机安拆行车的设计与应用》、《井下辅助运输单轨吊轨道通用性技术研究与应用》等6项技术攻关项目获得安徽省重大合理化建议奖，有效推动了科技创新、科学技术成果转化的能力，着力解决了关键性技术难题，培育和提高了自主创新能力，提升了企业主打产品的科技含金量。

参考文献：

[1]邓洲.促进人工智能与制造业深度融合发展的难点及政策建议[J].经济纵横,2018(11):13-20.

 

[2]杨渊鋆,刘军,姚帏之,杨嘉韵.新中国 70 年智能制造研究热点与前沿探讨-基于知识图谱的分析[J].科技管理研究,2020,40(18): 46-54.

[3]王健铭.煤炭企业智能维修与再制造技术的应用[J].中国新技术新产品，2018（1）：18-19.

[4]江吉彬，练国富，许明三.激光熔覆技术研究现状及趋势[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2015，29(1):27-36+46。

[5]朱胜,周超极,周克兵.绿色增材再制造技术[J].中国机械工程,2018,29(21):74-77+98