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太原理工大学硕士研究生学位论文 液压支架报废评价体系的研究 摘要 液压支架作为现代化高产高效率矿井中综合机械化采煤的关键设备 之一，是保证作业空间和安全生产的重要设备，其重量约占整个综合采煤 设备总重量的8 0 - - - , 9 0 ，其费用约占整个综采设备总费用的6 0 - - 7 0 。 对于液压支架报废条件的研究，将有助于为煤炭生产企业设备报废管理 提供较为科学的理论依据和方法。 该论文通过参考有关资料对液压支架的失效分析，制定了液压支架 报废技术检验规范。进行了液压支架报废条件的理论分析，通过经济性 寿命、安全性寿命、可靠性寿命和技术性寿命的综合分析，建立了液压 支架综合寿命评价体系。在模糊评判理论分析的基础上，建立了液压支 架模糊综合评判的数学模型以及液压支架报废模糊综合评判准则。最后 通过对d b t 2 4 3 1 9 型液压支架的技术性能检测和报废技术评价，对论文 所建立的报废评价体系的准确性和合理性进行检验。 依据采掘设备的经济性寿命、安全性寿命、可靠性寿命、技术性寿 命评价体系所建立的模糊综合评判方法，实现矿井采掘设备的报废管理 在国内外尚属首例。本课题的完成对煤炭生产企业引进设备的报废管理 提供了较为科学合理的方法，对提高设备利用率，指导设备更新，加强 生产经营管理，确保煤炭生产的高产高效，增强企业的经济竞争实力具 有较大的帮助。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：液压支架，报废管理，评判标准，报废检验规范 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h es c r a p p e de 、乙地u a t i o n s y s t e mo fh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t a bs t r a c t t h eh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r ta r eu s e dt oa s s u r et h ew o r k s p a c ea n d s a f e t yi nm o d e mf r u i t f u la n de f f i c i e n tc o a lm i n i n g ，w h o s ew e i g h ta n dc o s t c o u n tf o ra b o u t8 0 - - 9 0 a n d 6 0 - 7 0 r e s p e c t i v e l y i nw h o l e c o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dc o a lm i n i n gm a c h i n e s t h er e s e a r c ho n t h e s c r a p p e dc o n d i t i o n so fh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t sw i l lh e l po f f e r1 1 5m o r e s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l es u g g e s t i o n sa b o u tt h er e t i r e m e n to fm e c h a n i z e d m i n i n ge q u i p m e m si nc o a lp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s t h es c r a p p e dc h e c k i n gc r i t e r i o n so fh y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t sa r e f o r m u l a t e di nt h i sp a p e rb yc o m p a r i s o nw i t ho t h e rr e l a t i v er e f e r e n c e so n s u p p o r t sf a i l u r ea n a l y s i s t h es c r a p p e dc o n d i t i o no fp o w e r e ds u p p o r t si s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y a n dt h e c o m p l e x l i f e a p p r a i s e m e n ts y s t e m i s c o n s t r u c t e db ya n a l y z i n gt h ee c o n o m y , s a f e t y , r e l i a b i l i t ya n dt e c h n o l o g yl i f e o fs u p p o r t s o nt h eb a s eo ft h e o r yo ff u z z ym a t h e m a t i c s ，t h em a t h e m a t i c m o d ea n df u z z yc o m p l e xa p p r a i s e m e n tn o r ma r eg a i n e d a tl a s t , d b t 2 x 4 319 p o w e r e ds u p p o r t s a r et a k e nf o r e x a m p l et oa p p r o v et h ea c c u r a c ya n d r e a s o n a b i l i t yo ft h e o r yg e n e r a l i z e di nt h i sp a p e r i ti st h ef i r s tt i m et or e a l i z et h em a n a g e m e n to fc o a lm i n i n ge q u i p m e n t s r r l 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e t i r e m e n tt h r o u g ht h e 吻c o m p l e xa p p r a i s e m e n tm e t h o d c o n s i d e r i n g t h ef a c t o r so fe c o n o m y , s a f e t y , r e l i a b i l i t ya n dt e c h n o l o g yl i f ee v a l u a t i o n t h e a c c o m p l i s h m e n to f t h i sp a p e rw i l lh e l po f f e rt h ec o a lp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e st o m a n a g et h em i n i n gm a c h i n e sr e t i r e m e n tm o r es c i e n t i f i c a l l ya n dr e a s o n a b l y , i m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t i o ，i n s t r u c tt h eu p d a t eo fn e wm a c h i n e ，s t r e n g t h e n p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t , m a k es u r eo fh i g hy i e l da n dh i g he f f i c i e n c y , a n d e n h a n c et h ec o m p a n ye c o n o m i c a lc o m p e t e n c e k e y w o r d s ：h y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t , r e t i r e m e n tm a n a g e m e n t ， a p p r a i s e m e n tn o r m s ，t h es c r a p p e dc h e c k i n gc r i t e r i o n s i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的 指导下，独立进行研究所得的成果。队文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本声明的法律现任由本人承担。 论文作者签名：二配乏l 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规 定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的 原件与复印伯件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复 制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学 校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此 规定) 。 签名： 正1 一 导师签名： 日期：! 望：么垒： 日期：丛丝= 么 太原理r 人学硕士研究生学位论文 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 液压支架作为现代化高产高效矿井中综合机械化采煤的关键设备之一，是保证 作业空间和安全生产的重要设备，其成本和维修费用相对较高。一般液压支架的报废 是根据设备规定的使用年限、循环次数以及过煤量来确定的，相对硬性，没有充分考 虑液压支架的安全性寿命、经济性寿命、可靠性寿命、技术性寿命，即在液压支架达 到规定的使用、循环次数以及过煤量时，是否具有可维修价值、能否继续安全可靠 地运行，能否以量化的指标来综合衡量液压支架的四个寿命体系，从而判断液压支架 是否报废，是本文尝试研究的内容。 ， 神华集团公司神东煤炭分公司至1 9 9 5 年开始使用引进采掘设备以来，引进设 备总量达到1 6 7 2 台( 套) 3 0 余亿元，占设备资产总值的8 3 左右。近年来，有大量 的引进设备达到生产厂家提供的使用年限和过煤量，而且设备的技术状况也日趋变 差，不能够满足矿区高强度、超能力生产方式，如何科学合理地确定引进设备的报废， 一直是集团公司与生产部门共同关注的问题。 本项目的完成对神华集团公司引进设备的报废管理提供了较为科学合理的方 法，对提高设备利用率，指导设备更新，加强生产经营管理，确保煤炭生产的高产高 效，增强企业的经济竞争实力具有较大的帮助。 1 2 设备报废条件研究概况 1 2 1 国外采掘设备报废条件研究概况 从联机检索获取的资料可以看出，国外有关设备报废的研究文献大都集中在设 太原理一l ：大学硕士研究坐学位论文 备报废后的回收利用，如有关汽车报废后的回收再利用问题、废旧会属材料的回收管 理问题、设备报废后塑料制品的处理等，其中有关设备的报废条件及标准集中在汽车 方面，尚来见到有关采掘设备报废条件研究韵报道。 1 2 。2 国内采掘设备报废条件相关规定及其他行业关于设备报废规定 1 ) 原煤炭工业部有关设备管理的规定 原煤炭工业部( 能源部) 制定的煤炭工业企业设备管理规程( 1 9 8 9 ) 中第五十四、 五十五条综采设备报废条件指出疆：巍设备超过规定使用年限，严重磨损或遭受灾害 与事故，其一次修复费用超过设备原值8 0 以上者，可申请报废。但是对于不易购置 的设备，其修复费用虽然较大，但应设法修复使用。其中明确指出，进口采煤机l o 年、液压支架1 0 年、正作蕊刮扳输送机5 年、连续采煤枫王0 年。 2 ) 龙门起重机报废机制的建议标准 码头及铁路龙门起重机报废f 2 l1 3 1 应当以可靠性指标为依据，经济性指标为指导， 安全性指标为绝对控制指标，同时指出：制定实施塔式起重机淘汰报废标准是一个系 统工程，它涉及到设计、制造、使用、管理等方面。 3 ) 施工机械的报废管理 武汉理工大学交通学院宋春节指出f 4 1 ：施工机械的报废应以经济性分析角度给出 相应的报废指标，然后考虑可靠性寿命及技术性、安全性等因素。， 黑龙江省引嫩工程管理处张匿祥等吲在“施工机械加速更新的探讨”文中指出： 机械设备的寿命应有设计寿命、经济寿命、技术寿命三种。同时提出设备大修对其工 作性能的影响：设备在第一、第二次大修后性能各降低5 左右，丽且在第三次大修 后要降低1 5 ，甚至更多。设备大修后的故障率明显提高，使用效率髓显下降。 4 ) 电梯的报废标准 电梯的报废陋1 是一项非常认真严肃的工作，它综合考虑设备的安全运行、技术进 步、国家相应标准的修订、社会经济的发展、用户的承受能力及维护保养的费用等多 方面的因素。目前国家没有报废的标准，其建议标准规定：使用年限1 5 年，经过2 次大修，曼技术落后无大修价值的。 2 太原理1 ：大学硕十研究生学位论文 1 3 论文主要内容 该论文通过参考有关资料对液压支架的失效分析，制定了液压支架报废技术检验 规范。进行了液压支架报废条件的理论分析，通过经济性寿命、安全性寿命、可靠性 寿命和技术性寿命的综合分析，建立了液压支架综合寿命评价体系。在模糊评判理论 分析的基础上，建立了液压支架模糊综合评判的数学模型以及液压支架报废模糊综合 评判准则。最后通过对d b t 2x4 3 1 9 型液压支架的技术性能检测和报废技术评价，对 论文所建立的报废评价体系的准确性和合理性进行检验，具体如下： 1 ) 液压支架的失效分析 通过液压支架的应力测试分析、液压支架的有限元分析、液压支架的使用分析， 制定液压支架报废的技术检验规范，以便掌握液压支架的技术状况。 2 ) 液压支架报废条件的理论分析 通过经济性寿命、安全性寿命、可靠性寿命和技术性寿命的综合分析，建立液压 支架寿命评价体系。 3 ) 液压支架报条件的模糊综合评判 在模糊综合评判理论分析的基础上，建立液压支架模糊综合评判的数学模型以及 液压支架报废模糊综合评判准则。 4 ) 液压支架报废评价体系的应用 通过对d b t 2x4 3 1 9 型液压支架的技术性能测试和报废技术评价，检验论文所建 立的报废评价体系的准确性以及合理性。 太原理t 大学硕士研究生学位论文 第二章液压支架的失效分析 2 1 液压支架基本知识 液压支架是以高压液体为动力，由若干个液压元件( 液压缸、液压阀) 与一些金属 构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备。具有强度高、移动速度快、 支护性能好、安全可靠等特性。自2 0 世纪5 0 年代以来，液压支架已逐步成为采煤工作 面核心设备，世界上主要产煤国家投入了大量的人力物力和财力对其进行研究开发。 目前，以液压支架为主体的支护趋于成熟，世界上已生产制造出数百种架型和上万种 型号的液压支架，以适应各类煤层开采支护需要 2 1 1 液压支架的型式分类 根据不同的划分标准，液压支架可以划分为不同的种类。按其对顶板的支护方式 和结构特点不同，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型；按适用工作面 截高范围可分为薄煤层支架、中厚煤层支架和大采高支架；按适用采煤方法可分为一 次采全高支架、放项煤支架、铺网支架以及充填支架；按液压支架在工作面的位置可 分为工作面支架、过渡支架与端头支架；按控制方式的不同可分为本架控制支架、邻 架控制支架和成组控制支架；按照不同的控制原理可分为液压直接控制支架、液压先 导控制支架以及电液控制支架等等不同分类，但基本结构就是支撑式、掩护式和支撑 掩护式，目前应用以掩护式为主。 2 1 2 掩护式液压支架的主要结构件 掩护式液压支架目前在国内应用较为广泛，下面本文作者将以掩护式支架为例介 绍支架的一般结构。顶梁千斤顶控制着顶梁向上和向下的摆动，两根双作用油缸支撑 在顶梁与底座之间，有效地扩大支架的工作范围，使支架尽可能有大的工作高度。底 座是在钢板焊接的箱型结构上设有两个柱窝，并与两根立柱铰接，底座的后部与前后 4 太原理t 大学硕十研究生学位论文 连杆铰接，前端焊接有安装推移千斤项的联接耳板，推移千斤顶的另一端与工作面运 输机连接，通过推移千斤顶的伸缩，进而实现支架整体的推溜和移架行走等动作。液 压支架总体如图2 1 所示： 图2 1 液压支架总体 f i g 2 - 1t h ep o w e r e ds u p p o r t 1 ) 项梁 顶梁直接与顶板接触，支撑顶板，承受顶板压力并切断采空区顶板，使顶板冒 落，同时为回采工作面提供足够安全的工作空间，是液压支架的主要承载部件之一。 顶梁由主筋板、若干条顺筋、横筋及上、下盖板等组焊成变截面箱结构。主筋夹 空内焊有两个柱窝，与立柱球头呈球面接触；顶梁箱体部设有套筒，套筒内通过弹簧 套筒、侧推千斤项及导杆和活动侧护板相连接；在柱窝中部空间设置铰接平衡千斤顶 的耳板；顶梁后部与掩护梁铰接。 顶梁常用的形式有三种，即整体顶梁、铰接式顶梁和楔形结构顶梁。整体顶梁的 特点是结构简单，可靠性好。项梁对顶板载荷的平衡能力较强，前端支撑力较大。可 设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸，为改善接 顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端一般上翘。 铰接式顶梁的前梁在前梁千斤顶的推拉作用下可以上下摆动，对不平顶板的适应 性强。运输的时候，可以将前梁放下，使其自然与顶梁相垂直，可以有效的减小运输 尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利 移架，前梁间一般要留有一定f l 勺l b j 隙，但这样的设计会增加破碎顶板漏矸的可能性。 s 太原理： 人学硕士研究生学位论文 楔形结构顶梁利用构件问摩擦自锁原理，通过楔块与楔形梁和后梁之间的摩擦作 用，使楔形梁、楔块和后梁在受载时保持为一个整体，如同整体刚性顶梁，这样，该 梁就具有整体刚性顶梁前端支护力大的优点。由于楔形梁与后梁为铰接结构，当操作 楔形梁千斤顶伸出或缩回时带动楔块前后移动，从而使楔形梁绕铰轴上下摆动，其摆 动范围取决于楔块的行程和楔角的大小。由于摆动范围较铰接式顶梁小，因而该梁又 具有铰接式顶梁的灵活性。 根据顶板条件和使用要求，顶梁可设置伸缩梁。一般整体顶梁只能设置内伸式伸 缩梁。在铰接式顶梁的前梁上可设置内伸式伸缩梁，或设置外伸式伸缩梁。伸缩梁一 般是为了实现超前支护而设置的。其伸缩值可以根据使用要求确定，一般为6 0 0 - 8 0 0 r a m 。内伸式伸缩梁，结构可靠性好，但接顶效果较差。外伸式伸缩梁，接顶效果 好，但结构可靠性较差，易变形。也可采用内伸和外伸相结合的结构形式。 2 ) 掩护梁 掩护梁是由钢板焊接而成的箱型结构，下端通过前、后连杆与底座铰接成四连杆 机构，起着稳定支架重心和防止采空区岩石涌入工作面的重要作用，既能保证支架顶 梁的顶端与煤壁的间距基本恒定，又能承担了支架在工作过程中的水平分力，以保证 支架工作的稳定性。 掩护梁主要用来阻挡采空区冒落的矸石窜入架内，维护架内工作空间；同时通过 与前、后连杆铰接及前、后连杆与底座依次铰接来构成支架四连杆机构，既要承受 项板的水平推力、侧向力及扭转力矩，还要保证支架的梁端距变化尽可能小，所以掩 护梁是支架的主要连接和掩护部件，必须要有足够强度和刚度。 掩护梁上端与顶梁后端铰接；中部设置铰接平衡千斤顶的耳板；下端与前、后连 杆上端铰接；两侧以与顶梁相同方式设置侧推装置，分别装有活动侧护板。 3 ) 底座 底座与底板直接接触，是支架的主要承载部件，它有以下功能作用： ( 1 ) 承受由立柱与连杆等传递的顶板载荷，并传递给底板； ( 2 ) 是整个支架结构稳定性、整体的基础； ( 3 ) 为支架辅助件，例如推移装置、抬架装置、调架机构、操纵控制元件等提 供依托与根基； ( 4 ) 通过推移装置与工作面输送机连接为输送机和支架交替前移提供支撑点。 4 ) 前连杆、后连杆 6 太原理i ：火学硕士研究生学位论文 该支架的前：后连杆均为两侧双向布置，分别与底座和掩护梁铰接组成四连杆机 构，使支架上下构成一个完整的运动整体，并按一定的双扭线轨迹运动，从而保证了 支架具有合理的粱端距；同时还承受较大的侧向力和扭转力矩，使支架具有抗扭能力。 5 ) 活动侧护板 支架的顶梁和掩护梁均设有活动侧护板，主要用来保证支架之间具有良好的接 触，以调节架间距，防止架问漏矸，并起到一定的防倒作用。各活动侧护板的伸缩均 由弹簧套筒和各自侧推千斤顶控制。 6 ) 推杆 推杆前端通过连接头与输送机相连，中部耳座与推移千斤顶连接构成推溜拉架装 置，靠推移千斤顶的伸缩实现移架、推溜。推杆分为三部分，前、后均为箱形结构， 中间通过弹簧圆钢铰接组成。一般来说，支架箱形体结构连接方式基本上采用焊接方 式进行连接。考虑到安全性和加工方便等因素，支架结构件工作焊缝焊接接头形式一 般常采用搭接接头。接头和角接头，很少使用对接接头，力求避免使用十字接头。 2 1 3 结构件截面的基本形状 液压支架的主要结构件：顶梁、掩护梁、底座和连杆都是箱形体结构的梁体，其 截面的基本形状一般可分为四类。 1 ) 对称多腔室箱形截面，如具有双侧活动护板的支架的顶梁非柱窝截面掩护 梁的主梁截面，整体连杆的主体截面等，这种对称的结构截面，多为三腔室和五腔室 闭合截面，如下图2 2 所示： 一砑霞 图2 - 2 对称多腔室箱形截面 f i g 2 - 2 s y m m e t r i cm u l t i - c o m p a r t m e n tb o x s h a p e d 2 ) 非对称多腔室闭合截面，如具有单侧活动侧护板的支架的项梁主体截面，掩 护梁和整体连杆主体截面等，这种非对称的结构截面，多为五腔室和四腔室闭合截面。 如下图2 - 3 所示： 7 太原理： 人学硕十研究生学位论文 j ? ，joi 。07 j i7 。j | ，f 、 ：夕 ： ：， j jf ，| 一一? + ? i i ， ，( - 一 。 ， 7 图2 - 3 非对称多腔室闭合截面 f i g 2 - 3 a s y m m e t r i cm u l t i - c o m p a r t m e n tc l o s e ds e c t i o n 3 ) 多腔室局部开口截面，如顶梁柱窝处截面，为安装侧推千斤顶而开口处的截 面等如下图2 - 4 所示： 圉虱窿国囝匿虱国巨，l ，彭，杉 图2 - 4 多腔室局部开口截面 f i g 2 - 4m u l t i c h a m b e rp a r t i a lo p e n i n gs e c t i o n 4 ) 单腔室和双腔室截面，如分体连杆截面，顶梁、掩护梁和组合连杆的连接耳 子等部位的截面，分体底座截面等。如下图2 5 所示： i ； ； ，| 十 ，1 7 ，7 7 ， 图2 - 5 单腔室和双腔室截面 f i g 2 - 5 s i n g l ec h a m b e ra n dd u a l - c h a m b e rr o o ms e c t i o n 2 2 液压支架有限元分析 1 ) 唐玫1 7 】应用m s c n a s t r a n 软件在三种最危险的受力工况( 即顶梁受扭转、 项梁受单侧偏载、底座受扭转) 下分析顶梁柱窝处受力，得出顶梁受单侧偏载时，由 于柱窝及其与周围的焊接结构件均受到较大扭矩，故此处局部应力达到最大。为分析 开裂原因，针对顶梁受单侧偏载工况，对柱窝局部进行细化计算，得出以下结论： ( 1 ) 通过增加柱窝两侧的边缘板，可大幅度降低应力峰值，有效地提高柱窝局部 太原理= 大学硕+ 研究生学位论文 强度和刚度； 一 ( 2 ) 4 个耳子与侧边缘板的接触面积直接影响扭矩的传递，随着接触面积的增大， 焊缝的焊接应力明显增大； ( 3 ) 可考虑进一步减少耳子与边缘板的接触面积，减小边缘板与顶梁焊缝处的焊 接力，但需注意柱窝的底部实体不能过于减薄，否则引起柱窝刚性减弱，满足不了设计 要求； ( 4 ) 应尽可能增大耳子与边缘板的过渡半径。 2 ) 王进军以z f s 5 0 0 0 1 8 2 8 型液压支架底座为例l 引，分析了底座在扭转工况下的 应力分布情况。在扭转工况下，底座应力集中区域主要分布在柱窝、垫块边界，过桥 及其筋板的连接处，其中最大应力发生在前过桥的转角处。原因主要是由于底座的横 截面是分离箱体结构，降低了截面的抗扭能力，此时底座的扭矩大部分由前过桥承担， 而且从前过桥结构来看，其转角为直角，这也加大了应力集中现象。 3 ) 王进军等人以z f s 6 0 0 0 1 7 3 0 放顶煤液压支架为例1 9 1 ，用a b a q u s 有限元分析 。 软件进行整架强度有限元分析，在顶梁偏载工况下，整个支架的等效应力较大值集中 分布在顶梁和掩护梁上。顶梁在柱窝及其附近，约束边界附近区域、主肋板与顶板的 焊接部位以及顶梁与掩护梁的铰接耳座处都存在着应力集中。当顶梁偏载工况下，耳 座、主肋板、销轴孔等处都存在着应力集中，其中最大应力发生在掩护梁与前连杆的 铰接耳座上。 4 ) 根据液压支架技术1 0 i 中液压支架计算机模拟试验结果分析，对于两柱掩护式 液压支架，顶梁的应力集中区在柱窝附近与柱窝的前方；掩护梁的应力集中区域由于 受平衡千斤顶的影响，相对靠近顶梁部位及与四连杆连接耳座处；由于掩护式支架的 底座底盖板为分离式底盖板，前端有过桥连接，后端有箱形结构相连，应力集中区域 在前过桥及柱窝附近的主竖筋板。 5 ) 液压支架的整架非线性有限元分析1 1 1 ，在非线性有限元分析的过程中，结构 模型不同部位之间的接触是一类特殊的不连续约束，它允许力从模型的一部分传递到 另一部分。当两个表面发生接触时就有约束产生，而当两个接触的面分丌时就不存在 约束关系了。因此，对液压支架进行整架有限元分析必须考虑其结构件之问的接触， 这样所得的结果才更加准确。而对液压支架结构件间接触问题的求解有两个大难点： 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 其二接触区域是随载荷、材料和边界等因素变化的；其二，接触问题需要计算摩擦。 在有限元结构力学模拟分析中，存在三种非线性关系，即材料非线性、边界非线性和 几何非线性。材料非线性是指高应变时材料发生屈服，其应力一应变关系成为非线性； 边晃非线性是指边界条件随着载荷的变化而发生变化；几何非线性是指在模型分析中 位移的大小影响到结构响应的情况。可见，液压支架设计中遇到的接触关系属于边界 非线性问题。马端志等人分析了液压支架结构件问的非线性关系，并z f d c 3 0 0 0 2 8 4 7 型液压支架项梁偏载工况为例，分析液压支架结构件应力的分布情况得出如下结论： ( 1 ) 较大应力分布在前后连杆和掩护梁上； ( 2 ) 顶梁应力值在柱窝及其附近，约束边界附近区域、主肋板与顶板的焊接部位 以及顶梁与掩护梁的铰接耳座等处都存在着应力集中现象； ( 3 ) 前后连杆和掩护梁应力的分布在液压支架的1 0 余种加载工况中，前后连杆 和掩护粱在项梁偏载工况下的受力最为恶劣，耳板、主肋板和销轴孔等处都存在着应 力集中，其中最大应力发生在掩护梁与前连杆的铰接耳板上。 根据有限元分析成果的总结，从统计的角度得出液压支架应力分布集中区域，结 论如下： 1 ) 顶梁的应力集中区在柱窝附近与柱窝的前方，主肋板与顶板的焊接部位以及 顶梁与掩护梁的铰接耳座，顶梁平衡千斤顶连接耳处； 2 ) 底座应力集中区域主要分布在柱窝、垫块边界，过桥及其筋板的连接处： 3 ) 掩护梁的应力集中区域主要分布在掩护梁平衡千斤顶连接耳处，耳板主肋 板和销轴孔，掩护梁与前连杆的铰接耳板； 4 ) 前后连杆的应力集中区域主要分布在耳板、主肋板、销轴孔和掩护梁与前连 杆的铰接耳板。 2 3w s l 7 液压支架应力测试 w s l 7 型液压支架为德国d b t 公司生产的两柱掩护式支架，在神华集团神东煤炭 分公司已经使用了1 1 年零4 个月，过煤量达3 0 0 0 万吨以上，为了分析研究w s l 7 型液压支架的疲劳强度，并预测其剩余寿命，神华集团公司神东煤炭分公司委托太原 i o 太原理工人学硕士研究生学位论文 理工大学进行w s l 7 型液压支架的应力测试工作，以了解支架在各种试验工况下的应 力应变大小，为支架的剩余寿命研究提供依据。 2 3 1 试验依据与方法 1 ) 测试依据 w s l 7 支架压架标准( 郑州煤机机械集团有限责任公司) 及m t 3 1 2 9 2 液压支 架通用技术条件。 2 ) 测试仪器及系统 本次试验的数据采集系统采用东华测试数据采集与分析系统，其中采用d h 3 8 1 7 动态应变测试系统( 1 套1 6 通道) 与d h 5 9 2 3 、d h 5 9 2 0 动态测试分析系统( 两套8 + 1 2 通道) ，同时工作的通道数为3 6 个。此方案获得数据的同步性较好，可真实反映支架 在同一试验条件下的应力应变情况，为以后的分析提供真实可靠的数据，而且在支架 的耐久性试验中可以进行连续数据采集。 3 ) 动态应变测试系统的技术特点 ( 1 ) 利用计算机的并口实时进行数据传送，与笔记本计算机配合可以使用，最大程 度上满足了对便携式仪器的要求，可方便地应用于野外测试； ( 2 ) 每通道包含独立的放大器和a d 转换器，因此所有通道并行同步采样： ( 3 ) 自动平衡包括1 6 位d a 转换器硬件控制以及软件运算，达到完全清零； 藏： ( 4 ) 产品模块化设计，可容易地构成8 通道或1 6 通道的动态测试分析系统； ( 5 ) 数字磁带机信号记录功能，利用计算机海量的存储硬盘，长时间实时、无间断 记录多通道信号( 8 通道同时工作时，每通道采样速率可达2 0 k h z ) ； ( 6 ) 将任意两通道的测量数据定义为x 轴和y 轴，边采样边绘制成曲线，完成x y 记录仪( 滞回曲线) 的功能。 4 ) 技术指标 ( 1 ) 每台计算机最多可控制1 6 通道动态应变测量系统； ( 2 ) 满度值：l m v 、3 m v 、l o m v 、3 0 m v 分档切换； ( 3 ) a d 分辨率：1 2 b i t ； ( 4 ) 采样速率：8 通道同时工作时，每通道1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、l k 、2 k 、 5 k 、l o k 、2 0 k ( h z ) 分档切换；1 6 通道同时工作时，每通道1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、 1 k 、2 k 、5 k 、l o k ( h z ) 分档切换： 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 采样速率准确度：0 0 5 ： ( 6 ) 测量值的不确定度：不大于0 5 3u ： ( 7 ) 使用环境：符合g b 6 5 8 7 1 - 8 6i i 组条件的环境： ( 8 ) 电源电压：2 2 0 v 1 0 ，5 0 h z 。 5 ) 测点布置 应力测量点应布置在应力比较大的位置和应力变化的关键部位，考虑到结构与载 荷的对称性，并根据理论分析和有限元分析结果，测点布置如图2 6 至2 1 1 所示： lo 图2 - 6 顶梁测点布置 f i g 2 - 6a r r a n g e m e n to f t e s t i n gp o i n t so f t h ec a n o p y l3l4 、 、 图2 - 7 掩护梁底盖板测点布置 f i g 2 - 7 a r r a n g e m e n to f t e s t i n gp o i n t so f t h eb o t t o mc o v e , b o a r do fs t e e r i n gs h i e l d 1 2 太原理i ：人学硕十研究生学1 1 奇：论文 l8 i7 。l6 、15 图2 - 8 掩护梁顸盖板测点布置 f i g 2 8a r r a n g e m e n to f t e s t i n gp o i n t so f t h er o o f c o v e rb o a r do f s t e e r i n gs h i e l d 卜 ：l _ 图2 - 9 前连杆测点布置 f i g 2 9a r r a n g e m e n to f t e s t i n gp o i n t so ft h eb e f o r ec o n n e c t i n gr o d 图2 1 0 后连杆测点布置 f i g 2 - 1 0 a r r a n g e m e n to f t e s t i n gp o i n t so f t h ea f t e rc o n n e c t i n gr o dm e a s u r i n gp o i n tl a y o u t 3o 图2 - 1 1 底座测点布置 f i g 2 一i1a r r a n g e m e n to f t e s t i n gp o i n t so l t h eb a s e 1 3 太原理工人学硕七研究生学位论文 表2 - i 测点分布表 t a b 2 - 1t a b l eo f t h ea r r a n g e m e n to f t e s t i n gp o i n t s 测点序号测试项目序号主要受力部件主要测点说明应变方向 顶梁与掩护梁 l 、8测试1 9顶梁 2 向 连接耳座 3 、7测试1 q顶梁顶梁柱窝 2 向 2 、4 、5 、6测试1 q顶梁顶梁立( 筋) 板3 向 掩护梁与项梁 1 0 气1 l 、1 2测试l q掩护梁 2 向 f 连接耳座 1 3测试1 卅一掩护梁底盖板 掩护梁底盖板平衡 2 向 千斤顶耳座处 1 4测试1 叫 掩护梁底盖板、”掩护梁立板2 向 1 5 、1 7测试l q 掩护梁项盖板掩护梁尾部应力-2 向 1 6 、1 8测试1 川掩护梁顶盖板 掩护梁尾部应力3 向 2 0 、2 1测试1 q前连杆 连杆耳座 单向 2 2 、2 3测试l q后连杆 连杆耳座单向 过桥与底座 3 0测试1 9 底座 3 向 主体焊缝 3 1 、3 2测试1 q 底座过桥应力3 向 - 底座柱窝及 3 3测试1 9底座2 向 外侧立板 3 4 、3 5 、测试1 叫 底座底座内、外侧立板2 向 3 6测试1 9底座后过桥 2 向 共计测点2 8 个，其中3 向测点9 个，2 向测点1 7 个、单向测点2 个，需要测试 仪器通道数6 3 个，依据w s l 7 型液压支架试验标准，本次压架试验测试工况如表2 - 2 所示。 1 4 太原理 人学硕十研究生学位论文 表2 - 2 试验工况内容 t a b 2 2t h ei n f o r m a t i o no fd i f f e r e n tt e s t i n gm o d e 工况序号加载项目垫块位置压架次数 测试一顶梁偏载，底座弯曲左侧和右侧 2 0 0 0 测试二顶梁弯曲，底座前端加载后和前 1 0 0 0 0 测试三顶梁三点加载，底座弯曲左前和右前 4 0 0 0 测试四顶梁扭转，底座四点加载左前和右后 3 0 0 0 测试五项梁侧护板弯曲，底座扭转左刖利石后 z u o o 测试六顶梁弯曲，底座扭转 左前和右后 2 0 0 0 测试七项梁弯曲，底声= 点加载小挚块左后和右后 2 0 0 0 顶梁中心加载， 测试八 ： 外侧与内侧 3 0 0 0 底座对称边缘加载 顶梁后端加载， 测试九 左侧与右侧 2 0 0 0 底座同侧边缘加载 6 ) 测试技术方案 经过分析比较，拟采用少通道( 3 6 个) 同步测试方案。此方案虽然测试数据较 少，但数据的同步性较好，可真实反映支架在同一试验条件下的应力应变情况，一为以 后的分析提供真实可靠的数据，而且在支架的耐久性试验中可以进行连续数据采集。 2 3 2 应力测试 1 ) 测点布置 测试方案的测点布置如表2 3 所示 2 ) 试验步骤 按照w s l 7 支架压架标准( 郑州煤机机械集团有限责任公司) 进行强度与耐久性 试验，分九个测试项目，及测试一至测试九，其中强度测试中每个测试项目采样3 次( 与每个工况位置加载3 次同步) ，耐久性试验中每加载1 0 0 次采样1 次，此次试 验中，共计采样次数为3 2 7 次。 太原理一】：大学硕十研究生学位论文 表2 - 3 测试方案测点布置 测点序主要受力 应变 。主要测点说明仪器通道数测试仪器 号 部件 方向 顶梁与掩护梁连 1 2 向 2 接耳座 顶梁 3 、7顶梁柱窝2 向 4 2 ：吝。 顶梁立( 筋) 板 3 向 6 d h 3 8 1 7 、掩护梁与顶梁连 1 1 、1 2 2 向 4 接耳座 掩护梁底盖板平 、 1 3 掩护梁 2 向 2 衡千斤顶耳座处 一j 1 4 掩护梁立板2 向 2 d h 5 9 2 3 1 5 掩护梁尾部应力 3 向 3 2 2连杆耳座单向 1 连杆 2 0连杆耳座 单向 1 过桥与底座 ， 3 03 询 3 主体焊缝 ，3 1过桥应力2 向 2 d h 5 9 2 0 底座底座柱窝及 ，酌2 向2 外侧立板 底座内、外侧立 3 4 、3 5 2 向 4 板 总计 3 6 2 3 3 试验分析 1 ) 数据分析 根据目前所提取的数据统计，各种试验工况下的最大应力值如表2 4 所示。从 表2 - 4 可以看出，项梁受力状况比较大，最大应力出现在测点7 与测点3 ，即立柱柱 1 6 太原理大学硕士研究生学位论文 窝处，其数值达到7 5 0 3 m p a 和6 4 2 4 m p a ，而且发生在顶梁三点加载，底座弯曲的工 况( 工况3 ) 。相对藤言，掩护梁与底座的应力较小，掩护粱最大应力为4 6 4 。2m p a ， 发生在顶梁偏载、底座弯益工况( 工况1 ) ，且为掩护梁与顶梁连接耳座处的测点1 2 。 底座最大应力出现在测点3 3 与3 4 ，与理论分析相符。 表2 - 4 各种- y - ；l 最大应力值 t a b 2 _ 4m a x i m u ms t r e s sv a l u eu n d e rd i f f e r e n tt e s t i n gm o d e 主要受力 测点序号主要测点说明应变方向应力值m p a 部件 l 顶梁与掩护梁连接耳庵2 向2 9 4 5 ( 发生工况：1 ) 3 顶梁柱窝2 向6 4 2 4 ( 发锻工况：3 ) ? 顶梁顼梁柱窝 ” 2 惫 7 5 0 。3 ( 发生：提：3 ) 2 顶梁立( 筋) 板3 向4 0 4 5 ( 发生工况：1 ) 5 项梁立( 筋) 板3 向3 8 2 7 ( 发生：i ：况：3 ) l 王 掩护粱与顼梁连接耳座2 向 8 l 。2 ( 发生：t 况：1 ) 1 2 掩护梁与顶梁连接耳座2 向4 6 4 2 ( 发生t 况：1 ) 二 1 3 掩护梁掩护梁底盖板平衡千斤顶耳庶处2 向1 2 2 1 ( 发生i = 况：1 ) 1 4 掩护粱立叛2 向 1 3 5 。4 ( 发生王况：1 ) 1 5 掩护梁尾部应力3 向1 7 5 8 ( 发生【况：1 ) 2 2 逐杆耳座 一 一单向3 2 。6 ( 发生r 况：3 ) 连扦 2 0 逐杼耳座擎岗 1 3 6 。9 ( 发生t 况：t ) 3 0 过桥与底座主体焊缝3 向1 0 0 6 ( 发生工况：3 ) 3 l 过桥应力2 向6 0 。9 ( 发生。 ：况：3 ) 3 3底座底座糕窝及外侧立板2 囱2 5 9 。3 ( 发生 瑰：3 ) 3 4 底座内、外侧立板2 向2 6 2 9 ( 发生。l ：况：3 ) 3 5 底座内、外侧立板2 向2 1 1 2 ( 发生：f 况：3 ) 2 ) 现象分析 ( 1 ) 支架在开始试验时，即在工况一( 顶梁偏载、底座弯越) 试验条件下，顶梁 内部国现剧烈声响，可能是顶梁内部筋板变形或焊缝开焊，此声响在试验工况三和试 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 验工况九时再没有出现； ( 2 ) 支架在试验到接近5 0 0 0 次时，顶梁上固定侧护板的耳子断裂，这是由于顶梁 在三点加载时，导致侧护板受力所致； ( 3 ) 支架在进行测试项目八时，即顶梁中心加载，底座对称边缘加载工况，在顶 梁尾部与掩护梁连接的耳座外侧出现裂缝，左侧裂缝长5 5 m m ，宽l m m ，右侧裂缝长 7 0 m m ，宽2 m m , 此处钢板厚度为2 0 m m ，且全部裂通。 2 3 4 测试结论 通过对d b t 公司生产的w s l 7 型液压支架的压架试验，经过四个试验工况1 2 0 0 0 次的耐久性试验，从目前的应力分析结果可以得出如下结论： 1 ) w s l 7 型液压支架在经过3 0 0 0 多万吨的过煤量，在按照d b t 公司的试验标准 进行的耐久性试验中，通过1 2 0 0 0 多次的耐久性试验，支架无明显的几何变形和焊缝 开焊现象，而且主要受力部位的应力值7 5 0 多m p a ，这说明了d b t 支架的材料强度高， 材质好，焊接工艺优良，从而保证了支架的高使用寿命； 2 ) 支架项梁上固定侧护板的耳子断裂，说明固定侧护板的耳子也是受力构件，在 支架的设计及检修时应引起注意； 3 ) 本次试验支架的顶梁尾部开裂为疲劳损坏，但此部位不是主要承载部位，不会 影响支架的整体性能，在支架的大修时进行补焊即可，可见这批支架经过检修后还可 以继续使用。 综上所述，本次试验的w s l 7 型液压支架的总体结构件状况还比较好，可以继续 使用，但具体使甩的循环次数有待后续的试验与综合分析研究得出。 2 4 液压支架试验应力与变形分析 液压支架在进行强度试验时，其测点应力的变化是随机的，但是从统讳i 勺角度发 现几个规律性的结论1 0 l ： 1 ) 支架顶梁两端集中加载时，顶梁上测点应力较大，其它部件上测点应力相对 较小，项梁变形呈上部凸起； 太原理j f 大学硕士研究生学位论文 2 ) 支架顶梁中间加集中载荷时，项梁上测点应力较大，其它部件