[發明專利]一種軸向振動環境下纏繞式液壓膠管沿程壓力損失計算方法

有效

• 申請號: 201810985271.5
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109241602B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 楊忠炯;李俊;周立強;蔡岳林;張高峰
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/28;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 長沙程思專利代理事務所(普通合伙) 43279
• 代理人: 郭敏

本發明公開了一種軸向振動環境下纏繞式液壓膠管沿程壓力損失計算方法，先通過纏繞式液壓膠管的實物模型建立其結構模型，根據結構模型計算其各項工程常數，再根據充液管道的流固耦合理論和受迫振動理論建立纏繞式液壓膠管軸向振動的流固耦合模型；判斷軸向振動環境下纏繞式液壓膠管內流體的流動狀態及摩阻系數系數的計算，進而推導出膠管軸向振動的沿程損失數值計算公式，最后進行仿真計算。本發明為TBM中膠管的選型設計和抗振設計方法提供重要的依據，根據本發明所提供的計算方法，能有效和精確的計算TBM液壓長管道的能量耗散，分析系統的動態響應規律，找到TBM液壓管道最佳的布置方式和提高系統的響應速度的方法。

技術領域

本發明涉及液壓傳動與控制領域，具體涉及一種軸向振動環境下纏繞式液壓膠管沿程壓力損失計算方法。

背景技術

液壓系統作為硬巖掘進機TBM的關鍵系統之一，輔助硬巖掘進機完成推進，撐靴等動作，TBM的工作原理是利用刀具的旋轉擠壓隧道周圍的巖石進行掘進，由于巖石存在縫隙，斷層，TBM會在掘進過程中不可避免的產生強烈的振動，纏繞式液壓膠管作為TBM液壓系統的重要構件，強振動會增大了膠管鋼絲層級間應力；會加劇膠管的振動，加速膠管的疲勞破壞；會加大膠管管內流體波動，對下游液壓元件產生沖擊；影響TBM液壓系統的能量傳遞和工作效率。

發明內容

本發明的目的是提供一種軸向振動環境下纏繞式液壓膠管沿程壓力損失計算方法。本發明先通過纏繞式液壓膠管的實物模型建立其結構模型，根據結構模型計算其各項工程常數，再根據充液管道的流固耦合理論和受迫振動理論建立膠管軸向振動的流固耦合模型；然后判斷軸向振動環境下膠管內流體的流動狀態及摩阻系數的計算方法，進而推導出膠管軸向振動的沿程損失數值計算公式，最后進行仿真計算。

纏繞式膠管流固耦合模型是通過以下技術方案來實現的：

(1)建立纏繞式膠管結構模型，由于纏繞式膠管是由內膠層、鋼絲增強層、外膠層復合而成。首先對液壓膠管的鋼絲層增強層進行研究，取其單層板的厚度為鋼絲的直徑d，兩鋼絲中心距為b，首先對單層板進行研究，設纏繞方向為T，面內垂直于鋼絲方向為L，單層板的法線方向為r。實際計算用正方形代替鋼絲的圓形截面，單層板簡化模型(如圖3)。取單層板的部分為研究模型(如圖4)。根據復合材料串并聯可以得到單層板的工程常量為：

式中：E_T—單層板T方向的彈性模量(Pa)；E_L—單層板L方向的彈性模量(Pa)；E_r—單層板r方向的彈性模量(Pa)；μ_Tr—單層板Tr面的泊松比；μ_rL—單層板rL面的泊松比；μ_TL—單層板TL面的泊松比；G_Tr—單層板Tr面的剪切模量(Pa)；G_rL—單層板rL面的剪切模量(Pa)；G_TL—單層板TL面的剪切模量(Pa)；E_s—鋼絲的彈性模量(Pa)；E_ru—橡膠的彈性模量(Pa)；

μ_s—鋼絲的泊松比；μ_ru—橡膠的泊松比；G_s—鋼絲的剪切模量(Pa)；G_ru—橡膠的的剪切模量(Pa)；y＝1-x，y'＝1-x'。

由此可知單層板的柔度矩陣為：

其中：

通過對柔度矩陣求逆，得到單層板剛度矩陣[Q]_d即：

[Q]_d＝[S]_d^-1?(3)

由于實際液壓膠管的受力是沿膠管軸向和徑向，對(3)進行坐標轉化，轉化為柱坐標系下的偏軸剛度矩陣為：