大排量乳化液泵曲轴再制造寿命评估研究.pdf

论文题目 大排量乳化液泵曲轴再制造寿命评估研究 作者姓名菱送堕入学时间至Q 兰2 生窆且 专业名称扭越剑造丞甚自动化研究方向左进剑造王茎 装备区甚自动丝 指导教师曾麽良职称数授 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期兰 R E S E A R C Ho NL I F EE V 地U A T I o NO FL A R G E D I S P L A C E M E N TE M U L S I O NP U M PC R A N K S 丑L A F T B A S E DO NR E M A N U F A C T U R I N G AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u W d i m e n to f t h er e q u i r e m e n t so f t h ed e g r e eo f M A S T E RO FP H I L o S O P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y S uX i n g m i n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rZ e n gQ i n g l i a n g C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n d E l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g M a y 2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名．铱竣稠 日 A F F I R M A T I O N 期y 岱、。旷 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l rm yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e d o fa c k n o w l e d g e T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e 咖x 谤 D a t e y 红， 5 。P 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国大采高综采工作面的增多，工作面支护设备得到广泛的应用。大排量乳化 液泵作为工作面的供液设备，其性能影响着整个工作面的高产高效。工作过程中，乳化 液泵曲轴等关键零部件承受着周期性变化的拉、压、弯、扭交变应力，长期的运行容易 产生疲劳破坏，影响工作面的安全生产。近年来，随着在煤矿装备行业的普及应用，再 制造工程已取得相应的研究成果和应用效益。然而针对乳化液泵曲轴，对其再制造过程 中剩余寿命的评估研究仍然不够成熟。本文以B R W 5 0 0 ／3 1 ．5 型大排量乳化液泵的曲轴为 例进行寿命评估研究，通过曲轴再制造修复前、后剩余疲劳寿命预测的实现，为整个煤 矿装备在再制造工程中的寿命评估提供可行性参考。 本文首先调研了再制造工程、．乳化液泵站及疲劳寿命的研究现状，分析了大排量泵 曲轴的实际工况，设计出曲轴再制造工程的工艺路线及剩余寿命预测的架构。应用 S o l i d w o r k s 软件建立了曲轴的三维实体模型。通过对曲轴受力的理论推导及M a t l a b 计算， 得出曲轴所受的最大载荷，应用A N S Y SW o r k b e n c h 平台分别对最大载荷下的曲轴进行 了有限元静力分析。同时，建立了曲轴系仿真模型，利用A D A M S 软件进行运动学及动 力学仿真，获得了曲轴周期内的虚拟载荷历程。 最后，将有限元分析得到的应力结果与动力学仿真得到的载荷谱文件导入到n C o d e D e s i g n L i f e 软件中，通过曲轴材料的参数，确定S N 曲线，依据线性疲劳累积损伤理论 分别对再制造前、后曲轴的剩余寿命进行了评估，这为乳化液泵曲轴的再制造工程以及 现场的实际应用提供了理论依据。 关键词乳化液泵曲轴，再制造，有限元分析，动力学仿真，寿命评估 A B S T R A C T W i t ht h ei n c r e a s eo fl a r g em i n i n gh e i g h tf u l l y m e c h a n i z e df a c ei nC h i n a , t h es u p p o r t e q u i p m e n ti nw o r k i n gf a c ei sw i d e l yu s e d ．A st h el i q u i d - s u p p l ye q u i p m e n t , t h ep e r f o r m a n c e o fl a r g ed i s p l a c e m e n te m u l s i o np u m pi n f l u e n c e st h eh i 曲p r o d u c t i o na n de f f i c i e n c yo ft h e w h o l ew o r k i n gf a c e ．T h ec r a n k s h a f ti se x p o s e dt op e r i o d i c a l l ya l t e r n a t i n gs t r e s si n v o l v e di n c o m p r e s s i o n ，t e n s i o n ，b e n d i n ga n dt o r s i o ns t r e s s ．I ti se a s yt oc a u s ef a t i g u ed a m a g ea f t e rt h e l o n gr u na n di n f l u e n c et h es a f e t yp r o d u c t i o no ft h ew o r k i n gf a c e ．O nt h eo t h e rh a n d ， r e m a n u f a c t u r i n gh a sg r a d u a l l ys p r e a dt ot h ec o a lm i n ee q u i p m e n ti n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s ， w h i c hh a sp r o d u c e ds i g n i f i c a n tr e s e a r c hr e s u l t sa n d a p p l i c a t i o nb e n e f i t s ．H o w e v e r ，r e s e a r c ho n r e m a i n i n gl i f ea s s e s s m e n tf o rr e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fe m u l s i o np u m pc r a n k s h a f ti ss t i l ln o t m a t u r ee n o u g h ．I nt h i sd i s s e r t a t i o n ，B P , W 5 0 0 ／31 ．5e m u l s i o np u m pc r a n k s h a f ti s t a k e na s r e s e a r c he x a m p l ea n di t s f a t i g u e l i f ei s p r e d i c t e db ya n a l y s i ss o f t w a r e ．T h et h e o r e t i c a l a p p r o a c ho fr e m a i n i n g l i f ea s s e s s m e n tb e f o r ea n da f t e r r e m a n u f a c t u r i n g i s p r e s e n t e d ． R e m a i n i n gf a t i g u el i f ep r e d i c t i o no ft h ec r a n k s h a f tb a s e do nb e f o r ea n da f t e rr e m a n u f a c t u r i n g i sr e a l i z e d ，w h i c hc a np r o v i d ef e a s i b l er e f e r e n c ea b o u tr e m a n u f a c t u r i n gl i f ee v a l u a t i o no f w h o l ec o a lm i n ee q u i p m e n t ． 、 R e s e a r c hs t a t u so fr e m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ，e m u l s i o np u m ps t a t i o na n df a t i g u el i f ei s i n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l y ．T h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no fl a r g ed i s p l a c e m e n t p u m pc r a n k s h a f ti sa n a l y z e da n dp r o c e s sr o u t e so fr e m a n u f a c t u r i n gf o rc r a n k s h a f ta n d r e m a i n i n gl i f ep r e d i c t i o ni sd e s i g n e d ．At h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h ec r a n k s h a f ti s b u i l tb yS o l i d w o r k s ．T h em a x i m u ml o a do fc r a n k s h a f ti so b t a i n e dt h r o u g ht h e o r e t i c a l d e r i v a t i o no ff o r c ef o r m u l aa n dc a l c u l a t i o nb a s e do nM a t l a b ．F i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i so f t h ec r a n k s h a f tu n d e rm a x i m u ml o a di sc a r r i e do u tb yA N S Y SW o r k b e n c h ．A tt h es a n l et i m e ， t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec r a n k s h a f ts y s t e mi Se s t a b l i s h e da n dt h ev i r t u a ll o a ds p e c t r u mo f t h ec r a n k s h a f tm o v e m e n tc y c l ei so b t a i n e db yk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nb a s e do n A D A M S ． T h es t r e s sr e s u l t s b yf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n dt h el o a d s p e c t r u mb yd y n a m i c s s i m u l a t i o na r ei m p o r t e di n t oD e s i g n L i f es o f t w a r ea tl a s t ．S - Nc u r v ei sd e t e r m i n e db yt h e m a t e r i a lp a r a m e t e r so fc r a n k s h a f t ．T h e r e m a i n i n g l i f eo fc r a n k s h a f tb e f o r ea n da f t e r r e m a n u f a c t u r i n gi s e v a l u a t e dr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h el i n e a rf a t i g u ec u m u l a t i v ed a m a g e 山东科技大学硕士学位论文摘要 t h e o r yo fr e m a n u f a c t u r i n g ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h er e m a n u f a c t u r i n g e n g i n e e r i n go fe m u l s i o np u m pc r a n k s h a f ta n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d ． K e y w o r d s e m u l s i o np u m pc r a n k s h a f t ，r e m a n u f a c t u r i n g ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ， d y n a m i c ss i m u l a t i o n ，l i f ee v a l u a t i o n 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 大排量乳化液泵曲轴再制造寿命评估技术分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 曲轴再制造工程技术分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 曲轴再制造寿命评估架构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 乳化液泵曲轴的建模与有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 乳化液泵曲轴的三维建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 曲轴受力分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 曲轴的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 曲轴的强度校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 曲轴系动力学模型的建立及仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1乳化液泵曲轴系模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 仿真结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 8 5 基于再制造的曲轴寿命评估的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1n C o d eD e s i g n L i f e 软件概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 再制造前曲轴的剩余寿命评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 5 ．3 再制造后曲轴的剩余寿命评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 l 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 山东科技大学硕士学位论文 目录 6 ．1 结论与创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 6 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I 1 ．IR e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2R e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3T h em a i nr e s e a r c hc o m e m s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯7 2 R m a n u f a c t u r i n gl i f ee v a l u a t i o nt e c h n i c a la n a l y s i so fl a r g ed i s p l a c e m e n te m u l s i o n p u m p c r a n k s h a f t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 R e m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n gt e c h n i c a la n a l y s i sf o rt h ec r a n k s h a f t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 R e m a n u f a c t u r i n gl i f ee v a l u a t i o nf r a m e w o r kf o rt h ec r a n k s h a f t ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．12 2 ．3 ．S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3M o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fe m u l s i o np u m pc r a n k s h a f t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 3 ．1E s t a b l i s h m e n to f t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gf o re m u l s i o np u m pc r a n k s h a f t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．2S t r e s sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f t h ec r a n k s h a f t ．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．2 2 3 ．3F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h ec r a n k s h a f t ⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．2 7 3 ．4 S t r e n g t hc h e c ko f c r a n k s h a f t ．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯3 6 3 ．5 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．3 7 4E s t a b l i s h m e n ta n ds i m u l a t i o no fe m u l s i o np u m pc r a n k s h a f ts y s t e md y n a m i c sm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．1E s t a b l i s h m e n to f d y n a m i c sm o d e lf o re m u l s i o np u m pc r a n k s h a f ts y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2S i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．4 5 4 ．3 S u m m a r y ⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．4 8 5 A p p l i c a t i o no nl i f ep r e d i c t i o no ft h ec r a n k s h a f tb a s e d o nr e m a n u f a c t u r i n g ⋯⋯⋯⋯4 9 5 。1 D e s i g n L i f es o f t w a r eo v e r v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 9 5 ．2 R e m a i n g i n gl i f ee v a l u a t i o no f t h ec r a n k s h a f tb e f o r er e m a n u f a c t u r i n g ．．．．⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．51 5 ．3 R e m a i n g i n gl i f ee v a l u a t i o no ft h ec r a n k s h a f ta f t e rr e m a n u f a c t u r i n g ．．．。．．．⋯．．．．．⋯⋯⋯。⋯．⋯。．⋯⋯。．．5 8 5 ．4 S u m m a r y ．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯6 1 6C o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 山东科技大学硕士学位论文目录 6 ．1C o n c l u s i o n sa n di n n o v a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．2 P r o s p e c t s ．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．t ；5 S c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dp u b l i s h e d p a p e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 随着我国大采高综采工作面的日益增多，为了满足大采高的液压支架工作阻力大、 初撑力高以及快速移架、安全支护的需求，对液压支架整个供液控制系统的流量和压力 等都提出了特别高的要求，因此在选用乳化液泵站时需要选择高压、大排量型，这样才 能满足供液的需求。解决高压、大排量乳化液泵这一难题的关键在于生产出高寿命、高 强度的曲轴。在矿井现场的实际工况下，由于承受到周期性变化的惯性力液压力以及力 矩等的作用，而且乳化液泵曲轴的形状较为复杂、过渡尺寸也多，运行时会承受呈现周 期变化的拉、压、弯、扭等交变应力，所以在曲轴的主轴颈、连杆轴颈的过渡圆角部位 会出现很严重的应力集中现象，久而久之，曲轴的这些部位有可能就出现了疲劳裂纹， 最终甚至引发曲轴的断裂。现场很多的案例证明，疲劳断裂是引发曲轴失效的主要原因。 在曲轴失效之后，很可能引发其他相关零部件的异常，进而使得整个设备停止运行，因 此会产生严重的后果，甚至影响着整个矿井的生产和安全。所以，对于乳化液泵曲轴的 疲劳分析的研究是一个难点，也是一个亟需解决的重点问题。 同时，基于我国当前的煤矿形势和节能减排的发展战略，煤矿装备的再制造工程迅 猛发展。再制造工程是将绿色制造的整体寿命周期的理论模式作为指导，把退役零部件 的后半生资源、能源最优化循环利用为目标，通过对退役零部件采用绿色清洗、无损检 测、寿命评估以及修复等加工工艺，达到退役零部件的“资源一产品一再生资源”的良 性循环。经过再制造后的零部件其综合性能达到甚至优于原件，整个再制造过程的成本 约为原件的5 0 ％，能源节省6 0 ％，材料节省7 0 ％，而且能够大大降低对环境的污染，其 环境效益、社会效益和经济效益有着跨越式的提升。特别是针对具有附加值高、易磨损 失效、结构复杂、种类繁多特点的乳化液泵曲轴、液压支架立柱等关键零部件，设计出 一套完善的再制造生产技术路线，使其能够在投入生产应用中，有效解决当前的环境污 染及各种资源浪费严重的难题。 煤矿装备零部件的整个再制造工程包括无损拆解、绿色清洗、剩余寿命评估以及修 复等工艺，这些是实现整个再制造工艺必不可少的关键环节，尤其是剩余寿命的预估更 当奎型垫奎兰堡主兰垡笙奎 堡丝 是决定零部件是否具有再制造价值的关键。其中，再制造零部件剩余寿命的预估主要涵 盖两个层面再制造修复前剩余疲劳寿命的预估和再制造修复后其疲劳寿命的预估。修 复之前剩余疲劳寿命的评估，可以解决再制造可行性的评判问题；修复之后零部件的疲 劳寿命评估，可以解决零部件再制造后的综合性能以及是否具有足够使用寿命等问题【lJ 。 本文以大排量乳化液泵曲轴为例，对其疲劳强度的理论分析和再制造过程中剩余寿命的 预测评估作了研究，这是整个乳化液泵曲轴的再制造工程可行性的基础，具有较强的研 究意义。 1 ．2 ．1 再制造工程研究现状 1 ．2 国内外研究现状 再制造工程是一种特别复杂的系统工程，它覆盖到相应的法规政策以及技术标准等， 产业链条很长。1 9 8 3 年，美国的L u n d 等人最先对再制造工程作了定义，它是指在生产 车间，先对退役的零部件进行拆卸，对那些原有性能已丧失或者是原有性能虽然没完全 丧失但已下降的零部件选择合适的修复技术进行再制造修复，使得整个再制造过程之后 零部件的综合性能、寿命与原零部件的理论值相同或者高于原零部件1 2 J 。它充分考虑到 再制造过程中的能源损耗、材料选择以及环境污染等多个因素，把再制造工程与传统的 维修操作及报废回收严格地区分出来。我国的工程院院士徐滨士先生认为再制造工程是 把对零部件的整个寿命周期的设计作指导，把改善退役零部件的各项性能为目标，将节 能、节材、环保、高效等作为整个再制造过程的准则，把再制造工程中采用的各种前沿 技术作为手段，对退役零部件进行再制造处理，最终实现产业化的一系列工程活动的总 称【3 ，4 】。 随着科学技术的不断进步，零部件的再制造过程也逐步变为其全寿命周期中关键的 一部分，占据着越来越关键的地位。想要使得零部件整个寿命周期的使用价值达到最优 化，设计出一个评判退役零件是报废回收还是再制造后循环使用的标准是十分必要的。 多年来，许多研究人员通过对不同领域内类型各异的待再制造零部件作了大量的研究， 得到界定零部件是否具有再制造价值的条件，主要包括如下几个原则【5 】 1 退役零部件的各项性能已丧失或者下降，但无宏观裂纹； 2 具有成熟的恢复零部件性能的技术，主要包含拆解、清洗、修复加工等； 3 零部件已规范化，具备很好的互换性； ， 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 附加值比较高； 5 相对再制造后零部件的附加值，其材料容易获取而且价格偏低； 6 存在疲劳问题； 7 具备一定的市场空间。 近年来，随着煤炭行业的快速发展，煤矿综采装备更新换代的速度加快，新装备的 需求量在逐步上升，同时废旧装备的数量也在逐年递增，这为煤矿装备再制造工程的研 究及再制造企业提供了广阔的发展空间。每年磨损的煤矿装备不计其数，并逐年递增， 以往仅能做简单维修，大部分成为废品，具有严重的资源浪费现象。同时，考虑到当前 煤矿行业严峻的国际势态和资源短缺及不合理使用造成的环境污染等现状，进行煤矿装 备的再制造是国家循环经济和资源综合利用的发展趋势，具有显著的经济、社会和环境 效益，有力地促进了资源节约型、环境友好型社会的建设。 国外工业发达国家再制造产业发展已经形成相当大的规模，已经形成了一定水平的 再制造技术，特别是在废旧产品的再制造加工方面形成一系列的专业技术和设备，有力 地推动了再制造工程的产业化。然而受缚于完善的再制造技术，使得废旧产品的再制造 率很难进一步提高，同时很难保证再制造产品性能的跨越式提升。 我国的再制造工程虽然发展偏晚，但是近年来得到政府部门的高度重视，因此在该 研究领域获得了较大的支持，使得我国在再制造领域相关技术的研发和攻关都取得很大 的进展，逐步形成了中国特色的再制造零部件尺寸恢复及性能提升的技术体系。尤其在 煤矿综采装备的再制造方面【6 】，等离子熔覆、激光熔覆等再制造快速成形技术日趋成熟， 针对采煤机、液压支架等煤矿装备研发了零部件缺陷、裂纹和应力集中综合检测仪器、 自动化表面工程再制造专机等一系列具有自主知识产权的再制造设备，还取得了立柱、 曲轴、连杆等零部件再制造的自动化工艺等创新性成果，这为我国废旧煤矿装备零部件 再制造工程的产业化发展打下了很好的技术基础。 然而，如何把煤矿综采装备作为一个成套的系统来加以研究，弄清各个设备之间的 相互联系以及外部的约束条件，经过综合的权衡，实现各装备之间寿命和可靠性的相互 匹配，达到再制造煤矿装备的整体优化，仍是一个亟待解决的技术难题。而且，针对退 役煤矿装备零部件的剩余寿命评估技术的研究还存在很多问题，相关专用设备的研发工 作亟待开展。 3 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．2 ．2 乳化液泵站研究现状 在国外，乳化液泵站的主体发展方向表现为采用加大同时参与工作的泵的台数以达 到工作面对乳化液泵站高压、大流量的要求。该泵站多数情况下为三台泵使用一台泵备 用这样的四台泵配备组成，而且还配有完备的电控系统，依照工作现场的需求来到一至 三台乳化液泵同时供液的目的【7 】。在这样的运行模式之下，曲轴的工况主要为中速轻载， 其设计的原则为将周期性载荷作用下的疲劳破坏作为最为重要的考虑因素，而对曲轴的 本身结构设计以及加工制造工艺等的要求不是很高。 当前国内煤矿设备中用到的泵站多为进口的，为提高乳化液泵的使用性能，布置方 式通常为吸液阀与排液阀在同侧；为提升整个泵站的运行寿命与使用的可靠性，原材料 大多选用陶瓷以及不锈钢选择各类传感器，形成完备的监控系统，大大提升了整个泵 站的自动化程度；显示器的界面可以以图形的方式显现出来，为现场操作人员提供了更 为简洁直观的人机交互环境。 在国内，乳化液泵站的发展起源于上世纪7 0 年代，第一套液压支架研制成功并投 入使用，同时采用的第一个乳化液泵站型号为R B l 0 0 ／1 0 。自此，国内液压支架正式通过 乳化液泵站供液的方式来运行。随着综采工作面数量的不断增多及复杂化，支架的移架 速率等参数也不断的提高，乳化液泵的压力、流量也随着逐渐增大。在1 9 9 2 年鉴定通 过的流量达到2 0 0 L ／m i n 的D R B 2 0 0 ／3 1 ．5 型泵站是国内第一套五柱塞的乳化液泵站。由 于乳化液泵的排量、压力等在不断的提升，高寿命、高可靠性的大排量泵逐步成为各个 生产厂家生产的主要目标。目前，我国主要的生产厂家有无锡煤机、南京六合等，但其 产品的结构并没有太大的差别。主要流量系列有1 2 5 、1 6 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 1 5 、4 0 0 、4 5 0 、 5 0 0 、5 5 0 等。其中大排量的乳化液泵站通常都为卧式五曲拐的空间结构型式。 国内乳化液泵站的主要发展思路为在原有配备的一箱两泵的前提下，以提升每一台 泵流量的方式来达到全部供液系统所需要的大排量的需求。矿井下整个泵站的工作模式 通常选用一台泵使用一台泵备用或者为两台泵使用一台泵备用 即共计两或三台泵 的 形式。在这样的工作模式下，其实际的工况则为中速重载或为低速重载，这样将会造成 运动副间的磨损加重、周期应力下的疲劳破坏和失效加快等问题，因此对大排量乳化液 泵站的主要零部件曲轴的设计、制造及使用寿命都提出更严格的要求与挑战。如何保证 4 坐銮型垫奎兰堡主兰垡笙茎 堕笙 乳化液泵曲轴的综合