盾構(gòu)液壓系統(tǒng)流固耦合長管道效應(yīng)研究.pdf

1、液壓系統(tǒng)中的流體管道是承載物質(zhì)流、能量流、信息流的重要系統(tǒng)元件之一，管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一定程度上影響著液控系統(tǒng)的功能。
　　在盾構(gòu)掘進(jìn)液壓系統(tǒng)中，負(fù)載的突變、工況的變換會(huì)引起系統(tǒng)中流體狀態(tài)突變，從而產(chǎn)生流體壓力脈動(dòng)。流體壓力脈動(dòng)通過流固耦合誘發(fā)管道振動(dòng)，造成噪聲污染，甚至導(dǎo)致管道破壞或機(jī)器失效。決定液壓管道系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)重要因素是復(fù)雜的流固耦合作用，而盾構(gòu)液壓系統(tǒng)中管道長、油壓高、工況與載荷突變，耦合效果十分復(fù)雜，傳統(tǒng)方法預(yù)測的液

2、壓管道動(dòng)態(tài)特性存在較大誤差（特別是管道長而約束弱時(shí)），由此設(shè)計(jì)的管路系統(tǒng)潛藏安全隱患。為使盾構(gòu)機(jī)獲得優(yōu)異的動(dòng)力傳遞性能，深入研究流固耦合長管道效應(yīng)是十分必要的。
　　盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的管道長可達(dá)100余米，流固耦合長管道效應(yīng)十分突出。長管道效應(yīng)由管道沿程壓力損失/能量損耗、油擊、管道振動(dòng)等多種作用綜合形成。在管道效應(yīng)的三項(xiàng)構(gòu)成中，顯然流體和管道都不可能孤立起作用，必然是耦合的結(jié)果。長管道流固耦合效應(yīng)嚴(yán)重影響管道輸流特性和液壓系統(tǒng)控制特

3、性，流固耦合也是抑制流體振蕩和管道振動(dòng)必須計(jì)入的基本要素，因此流固耦合振動(dòng)的研究是此類管道設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制中的核心。為此，本文開展了以下研究并取得了一些相關(guān)的新認(rèn)識:
　　1)長管道液控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究。盾構(gòu)液壓管道長，系統(tǒng)沿程壓力損失大、響應(yīng)滯后、能量損耗大，為改善響應(yīng)速度問題，本論文研究并提出了考慮長管道耦合效應(yīng)作用下閥控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響因素建模方法，通過仿真分析查明了管道結(jié)構(gòu)參數(shù)和蓄能器參數(shù)對系統(tǒng)的影響規(guī)律;在此基礎(chǔ)上開展

4、了以降低能耗為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，得到了相關(guān)參數(shù)的量化關(guān)系。以管道壓力損失最小為目標(biāo)，進(jìn)行了管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確立了基于壓力損失的管道結(jié)構(gòu)參數(shù)域空間。
　　2)液壓長管道流固耦合振動(dòng)特性研究。根據(jù)波動(dòng)理論建立了單跨管道傳遞矩陣。針對盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)中管道長、多跨的特點(diǎn)，通過位移邊界條件、波動(dòng)傳遞理論及流體連續(xù)性理論建立多跨管道場傳遞矩陣，據(jù)此可遞推多跨管道任意跨中的場傳遞矩陣?；谶@種認(rèn)識，論文提出了可適用于多跨輸流管道復(fù)雜管道系統(tǒng)的遞

5、推建模方法，該方法可快速計(jì)算系統(tǒng)中任意跨的場傳遞矩陣，為分析多跨復(fù)雜管道系統(tǒng)提供了較好的理論基礎(chǔ)和方法。建立了長管道振動(dòng)判據(jù);提供了基于避免耦合振動(dòng)的固支數(shù)計(jì)算方法，進(jìn)一步形成了固支數(shù)優(yōu)化計(jì)算模型，克服了以往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇固支數(shù)的不足。
　　3)設(shè)計(jì)與搭建盾構(gòu)機(jī)長管道液壓實(shí)驗(yàn)臺。自主設(shè)計(jì)、開發(fā)了專用研究實(shí)驗(yàn)臺。實(shí)驗(yàn)臺主要功能有:模擬盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓長管道系統(tǒng)工作狀態(tài);實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)及修正所建立的關(guān)于流固耦合長管道效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;適用于開

6、展在不同管道長度、不同管道約束狀況、不同外部負(fù)載、非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下帶長管道閥控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征的實(shí)驗(yàn)研究。為能實(shí)現(xiàn)各種功能，機(jī)電液集成設(shè)計(jì)中提出并實(shí)現(xiàn)了若干項(xiàng)有特色的技術(shù)模塊:負(fù)載和動(dòng)力部分設(shè)計(jì)成對頂油缸裝置，形成大負(fù)載的模擬功能;多跨輸流長管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)成蛇形排列、立柱可移動(dòng)、固支可拆卸的形式，便于有限空間內(nèi)布置長管道、靈活改變管道結(jié)構(gòu)參數(shù);控制系統(tǒng)應(yīng)用模塊化和參數(shù)化理念開發(fā)，使實(shí)驗(yàn)過程能按預(yù)設(shè)程序全自動(dòng)完成;通過配置合理的傳感器、數(shù)

7、據(jù)采集系統(tǒng)及振動(dòng)分析系統(tǒng)，發(fā)明了一種液壓長管系統(tǒng)振動(dòng)效應(yīng)測試方法及裝置。
　　4)液壓長管道系統(tǒng)的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。對液壓長管道系統(tǒng)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析、工作振型測試和激勵(lì)源頻率特性測試，試驗(yàn)表明:液壓長直管道固有頻率在低頻段較為密集;管道跨距對模態(tài)參數(shù)表現(xiàn)出規(guī)律性的影響:跨距越大，管道的梁模型特征越顯著，固有頻率越低，容易使管道結(jié)構(gòu)在動(dòng)負(fù)載狀態(tài)下與外界激勵(lì)發(fā)生共振;通過增加支撐的方法可以降低管道跨距，顯著提高管道的固有頻率，但其導(dǎo)

8、致振型變化的規(guī)律難以確定，不利于進(jìn)行振動(dòng)抑制。
　　本論文研究工作的創(chuàng)新性體現(xiàn)在:
　　1)針對盾構(gòu)液壓閥控系統(tǒng)管道長、液壓系統(tǒng)響應(yīng)復(fù)雜、滯后問題突出的特點(diǎn)，本論文通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究了管道結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整和蓄能器調(diào)節(jié)對響應(yīng)滯后的影響規(guī)律，并提出了以壓力損失最小為目標(biāo)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　2)建立了簡支輸流管道流固耦合傳遞矩陣模型，提出了多跨輸流管道傳遞矩陣遞推建模方法與長管道振動(dòng)判據(jù)，進(jìn)一步形成了固支數(shù)計(jì)算模型，并結(jié)合