盾構(gòu)液壓系統(tǒng)流固耦合長管道效應研究.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)的設計一定程度上影響著液控系統(tǒng)的功能。
　　在盾構(gòu)掘進液壓系統(tǒng)中，負載的突變、工況的變換會引起系統(tǒng)中流體狀態(tài)突變，從而產(chǎn)生流體壓力脈動。流體壓力脈動通過流固耦合誘發(fā)管道振動，造成噪聲污染，甚至導致管道破壞或機器失效。決定液壓管道系統(tǒng)動態(tài)特性的一個重要因素是復雜的流固耦合作用，而盾構(gòu)液壓系統(tǒng)中管道長、油壓高、工況與載荷突變，耦合效果十分復雜，傳統(tǒng)方法預測的液

2、壓管道動態(tài)特性存在較大誤差（特別是管道長而約束弱時），由此設計的管路系統(tǒng)潛藏安全隱患。為使盾構(gòu)機獲得優(yōu)異的動力傳遞性能，深入研究流固耦合長管道效應是十分必要的。
　　盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的管道長可達100余米，流固耦合長管道效應十分突出。長管道效應由管道沿程壓力損失/能量損耗、油擊、管道振動等多種作用綜合形成。在管道效應的三項構(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嚴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必須計入的基本要素，因此流固耦合振動的研究是此類管道設計與運行控制中的核心。為此，本文開展了以下研究并取得了一些相關(guān)的新認識:
　　1)長管道液控系統(tǒng)動態(tài)響應特性研究。盾構(gòu)液壓管道長，系統(tǒng)沿程壓力損失大、響應滯后、能量損耗大，為改善響應速度問題，本論文研究并提出了考慮長管道耦合效應作用下閥控系統(tǒng)動態(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;在此基礎上開展

4、了以降低能耗為目標的實驗研究，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，進行了管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，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特性研究。根據(jù)波動理論建立了單跨管道傳遞矩陣。針對盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)中管道長、多跨的特點，通過位移邊界條件、波動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@種認識，論文提出了可適用于多跨輸流管道復雜管道系統(tǒng)的遞

5、推建模方法，該方法可快速計算系統(tǒng)中任意跨的場傳遞矩陣，為分析多跨復雜管道系統(tǒng)提供了較好的理論基礎和方法。建立了長管道振動判據(jù);提供了基于避免耦合振動的固支數(shù)計算方法，進一步形成了固支數(shù)優(yōu)化計算模型，克服了以往依據(jù)經(jīng)驗選擇固支數(shù)的不足。
　　3)設計與搭建盾構(gòu)機長管道液壓實驗臺。自主設計、開發(fā)了專用研究實驗臺。實驗臺主要功能有:模擬盾構(gòu)推進系統(tǒng)的液壓長管道系統(tǒng)工作狀態(tài);實驗校驗及修正所建立的關(guān)于流固耦合長管道效應的數(shù)學模型;適用于開

6、展在不同管道長度、不同管道約束狀況、不同外部負載、非穩(wěn)態(tài)運行情況下帶長管道閥控系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特征的實驗研究。為能實現(xiàn)各種功能，機電液集成設計中提出并實現(xiàn)了若干項有特色的技術(shù)模塊:負載和動力部分設計成對頂油缸裝置，形成大負載的模擬功能;多跨輸流長管道系統(tǒng)設計成蛇形排列、立柱可移動、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)應用模塊化和參數(shù)化理念開發(fā)，使實驗過程能按預設程序全自動完成;通過配置合理的傳感器、數(shù)

7、據(jù)采集系統(tǒng)及振動分析系統(tǒng)，發(fā)明了一種液壓長管系統(tǒng)振動效應測試方法及裝置。
　　4)液壓長管道系統(tǒng)的振動實驗研究。對液壓長管道系統(tǒng)分別進行了實驗模態(tài)分析、工作振型測試和激勵源頻率特性測試，試驗表明: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)在動負載狀態(tài)下與外界激勵發(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

8、致振型變化的規(guī)律難以確定，不利于進行振動抑制。
　　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)響應復雜、滯后問題突出的特點，本論文通過仿真與實驗研究了管道結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整和蓄能器調(diào)節(jié)對響應滯后的影響規(guī)律，并提出了以壓力損失最小為目標的節(jié)能優(yōu)化設計方法。
　　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判據(jù)，進一步形成了固支數(shù)計算模型，并結(jié)合