液压支架试验台多工况下疲劳寿命分析.pdf

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， 独立进行研究所取得的成果。除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研究成果。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 法律责任由本人承担。 论文作者签名苤臣堑塾 日期7 , , e l 争．6 ．fp 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①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②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； ⑧学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤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 。 签名鳌堑堑日期 导师签名 挫 圭塑 日期 加f 华．6 ．扣 如I 吐．f ．I D 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 液压支架试验台多工况下疲劳寿命分析 摘要 液压支架是现代煤矿综采工作面所必须的核心安全支护设备，其可靠 性对综采工作安全生产影响很大。液压支架试验台作为液压支架出厂或检 修的检测设备，直接关系到液压支架是否能够满足井下安全生产的可靠性 要求，液压支架试验台承受的载荷大，有项梁和底座扭转偏载等复杂工况， 循环加载次数高，另外国家对液压支架试验提出了越来越高的标准。因此 对液压支架出厂或大修时的检测检验至关重要，这也要求液压支架试验台 有更高的强度要求，尤其对台架进行疲劳损伤估算很有必要。 本论文对某煤电集团2 0 0 0 0 K N 液压支架试验台在耐久性试验循环加载 下的多工况情况造成的疲劳损伤进行了研究。在广泛了解国内外在液压支 架试验台领域的研究动态，查阅了液压支架试验台相关研究成果的基础上， 提出了多工况条件下估算液压支架试验台疲劳寿命的方案。首先对液压支 架试验台进行了简化受力分析，得到了销与销座承受二向应力状态，不同 工况下，扭转和偏载的应力值较大。对液压支架试验台进行三维建模，简 化了液压系统、电气控制系统以及一些非关键部位的倒角螺栓等。针对结 构不同位置和作用力的关键与否，对液压支架试验台不同部位采用不同的 方式进行网格划分，特别是对关键的传力接触面进行了接触面网格单元控 制，为液压支架试验台的有限元分析作好了准备。建立了由S 7 1 2 0 0 P L C 为 下位机和以工控机为上位机的液压支架试验台自动控制系统，实现了液压 支架试验台在液压支架检测过程中各种动作的控制，以及不同工况加载过 T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 程的自动实现。并且对试验过程中由于卸载太快而导致加载时间过长问题 进行了分析，提出了分时分阶段的卸载方法，既不影响其它控制过程，同 时避免了卸载太快对台架造成的振动。通过传感器实时数据记录，得到了 液压支架耐久性试验的加载曲线。对不同加载工况，将加载曲线导入到有 限元分析软件A N S Y Sw o r k b e n c h 中进行瞬态分析，获得了液压支架试验台 疲劳脆弱点的应力时间曲线，应力曲线经过G o o d m a n 经验公式的修正，结 合1 6 M n 和4 0 C r 材料的P ．S - N 曲线，计算出疲劳脆弱点在销座的转角处， 在完成一个台架试验完后的最大疲劳损伤值为1 ．2 0 5 2 x 1 0 - 3 。最后，针对疲劳 损伤特点，由于销座1 6 M n 材料不能满足强度要求，提出对疲劳脆弱部分零 件更换高强度材料的改进建议。这对增加液压支架试验台的疲劳强度，提 高试验台的使用寿命具有一定的参考价值。 关键词液压支架试验台，多工况，疲劳寿命，有限元法，瞬态分析 Ⅱ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 T H EA N A I Y SI SO FF A T I G U EL ⅢE0 FH Y D R A U L I CS U P P O I U ’ T E S T - B E DI NV 胀I O U SW O R K I N GC O N D I T I o N S A B S T R A C T H y d r a u l i cs u p p o r ti st h ec o r es a f e t ys u p p o r t i n ge q u i p m e n to fi nam o d e m f u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n gm i n i n gf a c e ，i t sr e l i a b i l i t yh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h e s a f e t yo ff u l l ym e c h a n i z e dp r o d u c t i o n ．H y d r a u l i cs u p p o r tt e s tb e da st h et e s t i n g e q u i p m e n tf o rt h eh y d r a u l i cs u p p o r t ’t e s t i n ga n dm a i n t e n a n c e ，w h i c hi sd i r e c t l y r e l a t e dt ow h e t h e ri tc a nm e e tt h es a f er e l i a b i l i t yw h e np e o p l eu n d e rt h em i n e p r o d u c i n g ，H y d r a u l i cs u p p o r tt e s tr i gu n d e rc o m p l e xw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha s b e a r s l a r g el o a d s ，v a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s a n dh i g hn u m b e ro fc y c l i c l o a d i n g s ，a n do u rn a t i o np u tf o r w a r dh i g h e r s t a n d a r d so ft h em i n e ’ss a f e t y p r o d u c t i o n ．S ot h ei n s p e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt ot h eh y d r a u l i cs u p p o r t ’Sf i n a l f a c t o r yt e s ta n do v e r h a u l ，i ta l s od e m a n d st h eh y d r a u l i cs u p p o r tt e s tb e dh a sa h i g h e rs t r e n g t h ，e s p e c i a l l y , i t ’Sv e r yn e c e s s a r yt oe s t i m a t et h ef a t i g u ed a m a g eo f t h ep l a t f o r m ． T h i st h e s i sd i d r e s e a r c ht ot h ef a t i g u ed a m a g ew h i c hw a sm a i n l yc a u s e db y t h ed u r a b i l i t yt e s tu n d e rm u l t i p l ec y c l i cl o a d i n gc o n d i t i o no f2 0 0 0 0 K Nh y d r a u l i c s u p p o r tt e s tr i go fac e r t a i nc o a le l e c t r i c i t yg r o u p ．A i d e rt h eu n d e r s t a n d i n g o ft h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hi nt h ef i e l do f Ⅱl 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h eh y d r a u l i cs u p p o r tt e s tr i g ，a n dr e f e r r e dt ot h ea r t i c l e sw r i t t e nb yt h es c i e n t i f i c r e s e a r c hp e r s o n n e l ，p r o p o s e dam e t h o da b o u th o wt oe s t i m a t et h ef a t i g u el i f eo f h y d r a u l i cs u p p o r t t e s t - b e du n d e rv a r i o u s w o r k i n g c o n d i t i o ni n d u r a b i l i t y t e s t s ．F i r s t ，s i m p l ya n a l y s e dt h eh y d r a u l i cs u p p o r tt e s tb e d ，t h ep i na n dp i nb o s s w e r ei nt h es t a t eo ft w o - d i r e c t i o ns t r e s s ．I na l l c o n d i t i o n s ，t h es t r e s sv a l u eo f t o r s i o na n de c c e n t r i cI o a dw e r et h em a x i m a l ．F i n i s h e dt h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n go fh y d r a u l i cs u p p o r tt e s tI i g ，l e a v e do u th y d r a u l i cs y s t e m , e l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e ma n ds o m en o n c r i t i c a l c h a m f e r i n go rb o l t s ，e t c ．B e c a u s es o m e p o s i t i o n sw e r et h ek e yb e a r i n gc o m p o n e n t ，S Ow et a k e nd i f f e r e n tw a y st om e s h t h ed i f f e r e n tp a n so fh y d r a u l i c s u p p o r tt e s t b e d ，e s p e c i a l l y , t a k e nt h ec o n t a c t s i z i n gc o n t r o lm e t h o dt om e s ht h ek e yb e a r i n gi n t e r f a c e , p r e p a r e df o rt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so fh y d r a u l i c s u p p o r t t e s t r i g ．B u i l d e d aa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mf o rh y d r a u l i c s u p p o r tt e s tr i gw h i c hw e r ec o m p o s e do fa ni n d u s t r i a l c o n t r o lP Ca su p p e rc o m p u t e ra n daS 7 12 0 0 P L Ca sl o w e r c o m p u t e r , r e a l i z e dt h e c o n t r o lo fv a r i o u sk i n d so fa c t i o n si nt h eh y d r a u l i cs u p p o r tt e s tp r o c e s s ，a n da l s o a c h i e v e dt h ea u t o m a t i c a ll o a d i n go fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ．A n dt h e p r o b l e mt h a tt h el o a d i n gt i m ew a st o ol o n gw h i c hd u et ot h eu n l o a dp r o c e s sw a s t o of a s tw a s a n a l y z e d ，p r o p o s e dau n l o a dm e t h o d t i m e s h a r i n gu n l o a d i n ga n d u n l o a di ns t a g e s ，i td i dn o ta f f e c t e do t h e rc o n t r o lp r o c e s s e s ，a n da l s oa v o i d e dt h e v i b r a t i o nc a u s e db yt h ef a s tu n l o a d i n go ft h eb e n c h ．S e n d e dt h er e c e i v e dd a t a c o l l e c t e db ys e n s o rt ot h ec o n t r o li n t e r f a c ew h i c hc o u l d d i s p l a y e dt h ef e e d b a c k d a t a , g o tt h ed u r a b i l i t yt e s tl o a d i n gc u r v e ．I m p o r t e dt h el o a d i n gc u r v ei n t ot h e I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y SW o r k b e n c h ，t o o kat r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i so ft h i sp l a t f o r m , o b t a i n e dt h es t r e s s t i m ec u r v e so fv u l n e r a b l es p o t ，a f t e r t h ec o r r e c t i o nb yG o o d m a ne m p i r i c a lf o r m u l a ，c o m b i n e dw i t ht h eP ．S - Nc u r v e o f16 M na n d4 0 C r , w eg o tt h ew e a k e s tp o i n ta tt h ec o m e ro ft h ep i ns e ta f t e rt h e a l lt e s t so fo n ep l a t f o r m ，t h ev a l u eo ff a t i g u ed a m a g ew a s1 ．2 0 5 2 x 1 0 - 3 ．A tt h e l a s t ，a c c o r d i n gt ot h ef a t i g u ed a m a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，a st h e16 M n m a t e r i a lo ft h e p i ns e tc o u l dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es t r e n g t h ，w ep u tf o r w a r dt h e i m p r o v e m e n t so fr e p l a c et h eh i g h e rs t r e n g t hm a t e r i a lo ff i a g i l ep a n s ．T h i sh a da c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et oi m p r o v et h ef a t i g u es t r e n g t ha n dt h es e r v i c el i f eo f h y d r a u l i cs u p p o r tt e s tr i g ． K E Y W O R D S h y d r a u l i cs u p p o r tt e s t - b e d ，v a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n ，f a t i g u el i f e ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外液压支架试验台的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 国外发展概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 国内发展概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 有限元法发展概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．4 液压支架试验台的国内研究动态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l - 5 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 第二章液压支架试验台多工况受力简析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 液压支架试验台加载工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 液压支架试验台受力简析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 第三章液压支架试验台模型建立⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1P r o ／E 软件三维建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．2 液压支架试验台网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 ．13 D 几何模型网格划分方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．2 ．2 液压支架试验台网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 第四章耐久性试验循环加载曲线的获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 液压支架试验台控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．1 ．1 控制系统的通讯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．1 ．2P L C 控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 耐久性试验加载的控制实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．2 ．1 耐久性试验控制方法的改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．2 耐久性试验控制方法的P L C 实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 ⅥI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第五章液压支架试验台的A N S Y S 瞬态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．1 有限元法基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．2 液压支架试验台的单位作用力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．3 瞬态动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．3 ．1 瞬态分析基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．3 ．2 液压支架试验台的结构瞬态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．4 l 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 l 第六章液压支架试验台疲劳寿命分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．1 疲劳和疲劳寿命⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．2 疲劳累积理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．3 疲劳寿命估算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．5 7 6 ．4 材料的S - N 曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．5 非对称循环的疲劳极限修正⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．6 液压支架试验台的疲劳寿命估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．7 疲劳寿命结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．7 2 第七章论文总结与工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 7 ．1 论文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 7 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 攻读硕士学位期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 V I Ⅱ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 课题背景和意义 第一章绪论 液压支架是现代煤矿综采工作面所必须的核心安全支护设备，也是现在各大煤矿必 不可少的采煤设备之一，其可靠性对综采工作安全生产的进行影响很大。液压支架的使 用性能好与可靠性强对生产工作至关重要。支架可靠性差，在使用过程中不能保持长时 间的正常支护，就必然要进行检修维护工作，而矿井下工作环境差，粉尘多，光线暗， 噪音大，存在许多不安全因素，检修人员工作难度大，更重要的是，耽误了生产工作进 程。因此对液压支架出厂或大修时的检测检验至关重要，保证液压支架各项参数指标的 安全性与可靠性，尽量避免影响生产效率，甚至关系到安全生产大问题【l 】。 对液压支架的出厂检测或检修有多方面的内容，强度方面要求包括支架的静强度和 疲劳强度，液压方面包括液压缸的密封性和安全阀的可控性与灵敏性等，从而确保液压 支架在矿井下的支护工作安全可靠。而煤矿工作环境的复杂性以和国家对煤矿安全生产 要求的加强，液压支架的检测标准也逐步提剐2 瑚。随着技术发展和标准的革新，国内 外液压支架技术发展迅速，支护工作阻力的增大，支护高度的提升，并继续发展，所以 对液压支架试验台的大载荷、大偏载以及最大工作高度有了新的要求。 液压支架试验台是模拟矿井下综采工作面，提供一个让液压支架受力的空间框架。 国内液压支架试验台一般采用以内加载为主的加载方式对液压支架进行检测，台架在大 载荷的多次重复施加情况下，反映到试验台架上，对其是一个很大的考验，对其疲劳强 度的要求必须能满足多工况复杂载荷不致疲劳破坏。近几十年来，计算机技术取得了飞 速发展，各种数值计算方法和有限元法为计算机软件吸纳，方便了工程应用问题的解决， 并取得了良好的经济效益。在物理样机以前，就可以利用C A E 有限元仿真，做出虚拟 样机，并结合各种工况，进而发现设计质量的潜在问题，不仅可以缩短开发周期，而且 在设计出产品后发现潜在的设计质量问题，这对于煤矿行业来说就是安全生产的重要课 题。 按照G B 2 5 9 7 4 ．1 ．2 0 1 0 煤矿用液压支架第l 部分通用技术条件要求，在对其 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 它试验 如强度试验等 全部合格以后，对液压支架进行耐久性试验。液压支架试验台 耐久性试验按照标准要求的载荷条件以及相应的循环次数进行，加载压力分别交替为 1 ．0 5 倍的额定工作压力和O ．2 5 倍的额定工作压力，并且每5 0 0 次循环加载进行一次检查， 调换垫块位置【4 l 。加载压力大，循环次数多，存在偏载这些情况都对液压支架试验台提 出强度要求和耐久性能要求。某矿业集团机电总厂液压支架试验台的载荷能力要求为 2 0 0 0 0 k N ，但其结构设计部分基本采用某煤机厂1 2 0 0 0 k N 的图纸，安全系数低，在特殊 载荷工况下能否满足强度和耐久性能要求均需要进行试验研究。故对液压支架试验台进 行疲劳强度分析很有必要。 1 ．2 国内外液压支架试验台的发展 1 ．2 ．1 国外发展概述 矿用液压支架是煤矿机械化采煤的支护设备，在煤炭开采中有着非常重要的作用。 它与采煤机配套使用，可靠地支护工作面空间，并可以控制工作顶面高度，隔离采空区， 保障了采煤工人的人生安全，改善和提高了采煤和运输效率。 液压支架出现到现在的煤矿综采设备已有6 0 多年，上世纪5 0 年代垛式支架开始应 用于矿井下，与此同时，法国采煤中也使用上了节式支架，这些支架的出现，刷新了千 百年来落后的木支架和金属支架记录，这是历史性的一次革新。英国并在1 9 5 4 年研制 出了第一个液压支架支护综采工作面。6 0 年代初前苏联研制的O M K T 型掩护式支架及 其进行的改进，使固定项梁宽度不适应实际应用中宽度为一变值的问题得到解决，推动 了液压支架发展的新时代。7 0 年代中后期，英国在技术上实现突破，为提高液压支架控 制能力，研制出电液控制式液压支架，这在澳大利亚第一次应用于长臂工作面，使开采自 动化程度提高【5 卅。随着人们对液压支架的使用经验增长，人们设计出更方便简化的液 压支架，出现了二柱式、四柱式和长顶梁等类型液压支架。液压支架的发展不断扩大一 次采全高，在1 9 8 1 年的杜赛尔多夫采矿展览会上，出现了采高为6 m ，并且具有液压调 高机构的掩护式支架。8 0 年代以来，电液控制技术日益完善作为提高生产效率的方式， 把液压支架试验台的各种动作控制过程加入到程序控制和性能检测【7 】。 液压支架技术的日益革新，其检验标准也在与时俱进，各项参数标准的检测均在液 压支架试验台上进行，故相应的液压支架试验台必须跟上时代的标准。从1 9 9 5 年来， 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 国外的高端液压支架开始被国内一些现代化程度较高的大型煤矿所引入，开始形成国外 液压支架制造公司垄断我国高端液压支架市场形势。其主要架型为两柱掩护式大采高和 中厚煤层液压支架，工作阻力为7 6 0 0 ．1 0 0 0 0 K N ，产品制造工艺比较先进，质量可靠， 缸口采用矩形或梯形螺纹连接，立柱和千斤项中使用聚氨酯和复合密封圈。他们的液压 支架整架寿命可达5 0 0 0 0 ．6 0 0 0 0 次耐久性试验【8 1 。D B T 公司和美国匹茨堡作为国外液压 支架试验台设备典型代表，其主要参数如表1 ．1 所示，D B T 公司最高载荷能力，水平加 载6 0 0 0 K N ，垂直承载能力2 0 0 0 0 K N [ 9 1 。 袁1 - 1国外代表试验台主要技术参数 T a b ．1 1M a m t e c h n i c a l p a r a m e t e r so f c l a s s i c a la b o a r d h y d r a u l i cs u p p o r t t e s t f i g 图1 1N I O S H ／M T S 试验台 F i g ．1 - 1T h eh y d r a u l i cs u p p o r tt e s tr i go f N I O S H ／M T S 图1 ．1 为N I O S H ／M T S1 5 0 0 0 k N 试验台，这是一台通用液压支架试验台，由美国厂商 M T S 于上世纪8 0 年代制造，就其结构而言是一台三梁四柱式可以实现无极调高的试验 台，也是当时唯一一台能实现外加载试验台。其上平台采用液压抱紧的方式与四根立柱 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 相连，台架周边放置四根可伸缩斜拉梁，增大了其承受偏载载荷的能力。 图1 ．2 为德国D B T 公司2 0 0 0 0 K N 液压支架试验台，主要使用于中厚煤层，工作阻 力较高，支撑高度在7 m 左右。该产品在设计阶段运用三维数值模方法，利用计算机仿 真软件进行结构受力分析，比国内有竞争力。该试验台为三梁四柱式结构，为使结构稳 定，在台架侧面也设有斜支撑梁，具有设计特色的是，上平台是两层结构，垂直载荷和 水平载荷进行分解，同时降低水平载荷作用高度。 1 ．2 ．2 国内发展概述 图l 一2 德D B T2 0 0 0 0 k N 液压支架试验台 F i g ．1 2T h e2 0 0 0 0 K Nh y d r a u l i cs u p p o r tt e s tr i go f D B T ．G e r ． 2 0 世纪7 0 年代，液压支架被广泛使用，国内开始引进和研究液压支架，其后并开 始制定液压支架试验规范。M T 8 6 ．8 4 液压支架形式试验规范行业标准在1 9 8 4 年发 布，规定了试验加载方式、性能和强度要求，其耐久性试验总次数为5 0 0 0 次；在M T 8 6 8 4 已制定规范要求上，M T 3 1 2 ．1 9 9 2 液压支架通用技术条件将液压支架主体部分耐久 性试验次数增到6 0 0 0 次；随着煤炭行业安全性能要求的提高，主体耐久性试验达到 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 5 0 0 次标准的M T 3 1 2 2 0 0 0 液压支架通用技术条件发布。该标准自2 0 0 1 年实施， 为煤矿液压支护设备提供了质量检测标准，为煤矿开采行业提供了一定的安全保障。 尽管国内检测标准不断更新，技术保障不断加强，但体现在耐久性试验次数上仍赶 不上国外一些标准，2 0 0 2 版欧标的要求为3 0 0 0 0 次，严于M T 3 1 2 - 2 0 0 0 标崔1 0 】，综采工 程技术人员普遍认为这样技术质量的支架在国际上是没有竞争力的，国内支架工艺水平 还没达到1 9 7 9 年进口的1 0 0 套支架技术水平【l l 】。但国内液压支架技术正在迅猛发展。 7 0 年代，我国从发达国家引进了数十套液压支架，在使用体验后，仿制国外先进架型， 相继研发2 0 多种不同规格系列和型号的液压支架。并在8 0 年代中期，在电液控制液压 支架方面开始投入精力。北京煤矿机械厂在1 9 9 1 年研制出我国第一套B M J - I 型支架电 液控制液压支架系统；相继，郑州煤矿机械厂研发出D Y Z K - I 型液压支架电液控制系统， 并在第三年改进制出I I 型液压支架电液控制系统；煤炭科学研究院总院太原分院的 Z Z 5 2 0 0 ／1 1 ／1 8 型电液控制液压支架。河南平煤集团的电液控制液压支架系统，由本安电 路和总线技术把所有单元连接到主机，主机放在防爆外壳中，可进行实时监控，错误诊 断以及下载数据功能，控制系统的每个单元都配有液压动力，一些控制单元可由近远端 双重控制【1 2 】。由此可见国内对电液控制系统的研究起步较早。国内在采高、架型和工作 阻力方面均已超过国外。国产大采高液压支架突破新记录，支护高度已经超过6 ．2 m ，结 构正向6 ．5 m 进发，目前最大采高可达7 ．6 m ，工作阻力达1 8 8 0 0 K N ，国内主要典型液压 支架试验台技术参数如表l 一2 ，可见国内在承载能力和采高方面已经超越国外，尽管我 国3 ．5 m 以上厚煤层储量超过4 0 ％，4 ．0 ．7 ．0 m 厚煤层只占2 0 ％，但是对部分厚煤层来说， 大采高满足了适宜一次采全高的矿井作业，提高了工作效率和经济效益。 表l 一2 国内代表试验台主要技术参数 T a b ．1 2M a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f c l a s s i c a ld o m e s t i ch y d r a u l i cs u p p o r tt e s tr i g 1 ．3 有限元法发展概述 有限元法基本思想的提出一般认为源于2 0 世纪4 0 年代，其实我国最早有限元法思 想体现在刘徽提出的“割圆术”方法求周长。有限元法的核心思想是把要分析的几何体连 5 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 续体划分为多个简单的单元体，把连续无限自由度问题转化为有限自由度问题，把连续 场函数的 偏 微分方程的求解问题变为化成有限个参数的代数方程组的问题求解。有 限元法基本思想为化整体为局部，然后合零散为统一，即把一个实几何体破碎为有限个 单元体，各破碎的相邻单元体通过若干个节点相连，从而复原为之前几何体，先对一个 节点单元进行分析，然后把这些单元综合起来表示整体结构进行分析。由数学角度来说 是把一个微分方程化成一组代数方程，并利用计算机求解。 有限元法在计算机领域广泛应用之前，只是当时一种为人们证实通用的，有坚实理 论基础的计算方法，限于有限元法计算的繁琐性，只应用于一些简单的几何体问题【l 3 1 。 如2 0 世纪4 0 年代，雷尼科夫对杆系结构的离散化求解其力学特性柯兰特对三角形单 元采用挠曲函数划分，并假设得到的划分单元其力学特性都呈简单的线性函数关系。从 简单的杆系三角形单元结构到梁单元和平面单元，单元划分越来越复杂计算量越来越 大，计算机的发展给有限元法带来了新的突破，有限元法的应用从二维到三维问题和复 杂板壳模型，此时人们把眼光从静态力学问题的求解转向动力学的分析，从而解决和利 用动力学平衡相关问题，有限元法的应用也扩展到了各种复杂场问题的求解，如流场、 磁场和热场等等[ 14 1 。有限元法在汽车制造中得到应用，目前国内各汽车制造厂在设计阶 段都对车架和车身等部件进行有限元分析，在能保障强度要求方面尽量减轻车身重量， 节省材料，同时分析车架在承受路面随机振动的疲劳性能，使薄弱环节得到加强；在电 机工程中，电流流过线圈使电机发热，危及到电机的安全运行问题，这其中涉及到磁场 与电热场的复杂场问题，有限元法在计算机中的应用正是解决这样问题的有力工具 [ 1 5 - 1 6 ] 。有限元法在生物医学方面也得到应用，在人体机构中涉及到力学分析时，无法搭 建力学试验模型，而在有限元软件中可以建立十分逼真的三维模型，如心脏、血管和骨 骼等，对实际人体情况进行模拟仿真，目前该方法在国际上已经得到普遍应用，并取得 的很好成效。 1 ．4 液压支架试验台的国内研究动态 有限元方法趋于成熟，被广泛应用与各个领域。液压支架试验台作为一大型的用厚 钢板块焊接成的框架结构，杆件较多，板块较为复杂，液压支