張懷亮 彭玲 周井行

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院∥高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)廣泛應(yīng)用于大型基建項(xiàng)目的隧道建設(shè)中,它長(zhǎng)期工作在有強(qiáng)振動(dòng)的惡劣環(huán)境下[1- 3].強(qiáng)烈的基礎(chǔ)振動(dòng)會(huì)改變TBM液壓閥塊內(nèi)流道流場(chǎng)的分布,導(dǎo)致閥塊流道流通性能不佳,進(jìn)而使得整個(gè)液壓系統(tǒng)性能不穩(wěn)定、能源利用率低,最終影響掘進(jìn)過(guò)程中多個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)[4- 5].因此,研究基礎(chǔ)振動(dòng)參數(shù)對(duì)閥塊流道壓降特性的影響規(guī)律,能為優(yōu)化閥塊結(jié)構(gòu)、減小閥塊內(nèi)流體的壓降波動(dòng)和壓力損失提供理論依據(jù).

由于流道在工程應(yīng)用中的普遍性和流道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、多樣性,吸引了國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究.Souza等[6]運(yùn)用四端子傳遞矩陣得到了管路兩端的壓力和流量特性；Taylor等[7]對(duì)直角彎道內(nèi)流體的流速和壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,獲得了不同條件下的彎道內(nèi)速度分布和壁面壓力分布規(guī)律;Lisowski等[8]對(duì)換向閥流道進(jìn)行幾何建模,并通過(guò)CFD仿真了前后兩種不同換向閥流場(chǎng)特性;張河新等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到了直角轉(zhuǎn)彎流道在不同參數(shù)和工作環(huán)境下的流量及壓力損失規(guī)律;胡國(guó)清[10]仿真得到了多路換向閥閥內(nèi)流道的壓力和速度的變化規(guī)律;王林翔等[11]仿真了滑閥內(nèi)部流道流體的流動(dòng),得到了流道流體的流動(dòng)速度和壓力等仿真結(jié)果;冀宏等[12]對(duì)滑閥和錐閥進(jìn)行了流場(chǎng)仿真,并研究了其壓力分布規(guī)律；吳志強(qiáng)等[13]仿真分析了調(diào)節(jié)閥組的內(nèi)部流場(chǎng),并進(jìn)行了壓損改進(jìn)；葉永玖[14]對(duì)交流液壓管道的動(dòng)態(tài)特性和流場(chǎng)進(jìn)行了研究,得到了系統(tǒng)振動(dòng)頻率與傳輸效率的關(guān)系.

從以上研究可以看出,相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)流道的研究較多,但極少有考慮到基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)流道油液流場(chǎng)的影響.閥塊內(nèi)流道錯(cuò)綜復(fù)雜,卻少有研究對(duì)其進(jìn)行明確的分類(lèi).因此,文中對(duì)閥塊內(nèi)流道進(jìn)行了明確分類(lèi),并研究了基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)各類(lèi)流道壓降的影響規(guī)律.研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步提高整個(gè)液壓系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和工作效率具有重要意義.

1 模型的建立

液壓閥塊是在金屬材料上根據(jù)液壓原理圖的要求鉆削加工出用于油路連通的管口以及內(nèi)部流道.圖1為液壓閥塊內(nèi)流道的連通示意圖,確定與入口方向一致為X向,平行于工藝孔軸向?yàn)閅向,垂直于X、Y向平面為Z向.

圖1 液壓閥塊內(nèi)流道的連通示意圖

Fig.1 Schematic diagram of connected flow channel in hydraulic valve block

綜合分析液壓閥塊流道的結(jié)構(gòu)可知,它們相同的特征有：孔道與孔道通過(guò)直角垂直連接;通常兩個(gè)以上的短孔道組成一個(gè)管網(wǎng);分支管路一般由孔道與工藝孔容腔相交而形成;在閥塊表面,所有的工藝孔都被堵死,形成一段不參與主流道的工藝孔冗余腔.

通過(guò)對(duì)液壓閥塊內(nèi)孔道常用連通方式的梳理總結(jié),將閥塊內(nèi)管網(wǎng)分為3種典型的流道：U型(用于連通同一面上液壓孔道)、V型(用于連接相鄰面孔道)和Z型(用于連通相對(duì)面液壓孔道),建立這3種典型流道流場(chǎng)的幾何模型，如圖2所示.

圖2 典型流道流場(chǎng)示意圖

在ANSYS軟件中對(duì)3種典型流道的流場(chǎng)幾何模型采用分塊形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,即較規(guī)則的區(qū)域用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格處理,不規(guī)則區(qū)域用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格處理[15].此外,考慮到近壁面區(qū)域流體流動(dòng)的復(fù)雜性,在近壁面區(qū)域添加邊界層網(wǎng)格.網(wǎng)格劃分后流道的流場(chǎng)模型如圖3所示.

進(jìn)行流場(chǎng)仿真時(shí)[16],因?yàn)閯?dòng)網(wǎng)格模型可用來(lái)模擬流場(chǎng)由于邊界運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間改變的問(wèn)題,所以閥塊內(nèi)流場(chǎng)由于基礎(chǔ)振動(dòng)隨時(shí)間的變化用動(dòng)網(wǎng)格模型表達(dá)[17].文中采用用戶(hù)自定義函數(shù)(UDF)開(kāi)發(fā)接口定義基礎(chǔ)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式,將彈簧光滑模型和局部重劃模型作為網(wǎng)格的更新模型,能使網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系一直維持不變,保證了計(jì)算精度.再選擇46號(hào)液壓油為流體材料,其密度為870 kg/m3,動(dòng)力黏度為0.039 15 kg/(m·s),熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.12 W/(m·K),比熱容為1 700 J/(kg·K).

圖3 典型流道流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性,考慮已有的實(shí)驗(yàn)條件,以受Y方向上基礎(chǔ)振動(dòng)影響最大的Z型流道為例,通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了流道的壓降與基礎(chǔ)振動(dòng)頻率的關(guān)系.

圖4為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖[18],實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、振動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)組成,被測(cè)Z型(45鋼)流道安裝在液壓系統(tǒng)之中.在液壓系統(tǒng)中,由型號(hào)為Y2- 160M- 4的電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量柱塞泵3運(yùn)行提供動(dòng)力,從而驅(qū)動(dòng)液壓缸推進(jìn),由調(diào)速閥7確定流道入口的流量,比例溢流閥8調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力,節(jié)流閥11模擬系統(tǒng)的負(fù)載.在振動(dòng)系統(tǒng)中,可以由程序控制振動(dòng)臺(tái)輸出所需振動(dòng)信號(hào).在數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)中,由智能信號(hào)采集處理分析系統(tǒng)(DASP)

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

對(duì)流道進(jìn)出口壓力信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集,再連接到EN880無(wú)紙記錄儀對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并記錄,最后通過(guò)DASP- V10分析軟件對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析.

設(shè)定振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)幅值為1 mm,頻率依次設(shè)定為50、60、80、90、100、120 Hz.設(shè)定液壓系統(tǒng)的流量為16 L/min,通過(guò)壓力傳感器(型號(hào)為MIK- P300- 5- 0.1)測(cè)量Z型流道進(jìn)出口壓力.

圖5為不同基礎(chǔ)振動(dòng)下Z型流道壓降實(shí)驗(yàn)值和仿真值的對(duì)比結(jié)果.可見(jiàn)：隨著基礎(chǔ)振動(dòng)頻率的增大,流道壓降的波動(dòng)幅值增大.在基礎(chǔ)振動(dòng)頻率為100 Hz時(shí),實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別為41.1 kPa和35.3 kPa,相對(duì)誤差最大為14.1 %；基礎(chǔ)振動(dòng)頻率為120 Hz時(shí),實(shí)驗(yàn)值和仿真值分別為44.3 kPa和43.6 kPa,相對(duì)誤差最小約為2 %.相對(duì)誤差在15%以?xún)?nèi)的原因是：仿真模型本身是對(duì)實(shí)際情況的一種近似模擬,實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集過(guò)程中也會(huì)有不可避免的誤差.上述結(jié)果證明了仿真模型的正確性.

圖5 實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

3 仿真分析

3.1 有無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)的流道壓降對(duì)比

為了確定基礎(chǔ)振動(dòng)是否對(duì)流道油液流場(chǎng)有影響,以液壓閥塊中使用最普遍的U型流道為例,分別對(duì)有無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)的流道流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析.無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)時(shí),可以看成是一個(gè)穩(wěn)態(tài)計(jì)算,設(shè)置監(jiān)測(cè)窗口為流道進(jìn)出口的壓力.在振動(dòng)幅值為1 mm、頻率為100 Hz,X向基礎(chǔ)振動(dòng)下,壓力隨時(shí)間變化是一瞬態(tài)問(wèn)題,需同時(shí)監(jiān)測(cè)流道進(jìn)出口的壓力和流量(監(jiān)測(cè)流量有利于輔助判斷計(jì)算是否收斂).

如圖6所示,從某一時(shí)刻有無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)的流道壓力云圖可以看出,基礎(chǔ)振動(dòng)下壓力略大于無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)的情況.

圖6 U型流道的壓力云圖

監(jiān)測(cè)有無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)的流道進(jìn)出口壓力差即流體壓降Δp隨時(shí)間t的變化規(guī)律,結(jié)果如圖7所示.無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)時(shí),流體壓降為265.2 kPa,不隨時(shí)間發(fā)生變化.在基礎(chǔ)振動(dòng)下,壓降隨時(shí)間發(fā)生近似周期性的波動(dòng),波動(dòng)周期和基礎(chǔ)振動(dòng)周期一致為0.01 s,波動(dòng)幅值約35.1 kPa,平均壓降為269.0 kPa,相比無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)時(shí)增大了4.0 kPa.可以看出基礎(chǔ)振動(dòng)的加入會(huì)導(dǎo)致流道壓降做周期性波動(dòng),并使得一個(gè)周期內(nèi)壓降平均值比無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)時(shí)略有增加.

圖7 有無(wú)基礎(chǔ)振動(dòng)壓降對(duì)比

Fig.7 Comparison of the pressure drop with and without foundation vibration

3.2 基礎(chǔ)振動(dòng)下的流道壓降特性分析

為了研究基礎(chǔ)振動(dòng)參數(shù)對(duì)典型流道壓降特性的影響,運(yùn)用單因素分析法分析不同振動(dòng)方向和強(qiáng)度下流道壓降隨時(shí)間的變化規(guī)律[19].

3.2.1 振動(dòng)方向?qū)α鞯缐航堤匦缘挠绊?/p>

液壓閥塊安裝在TBM基礎(chǔ)上,會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方向的振動(dòng),因此有必要研究不同振動(dòng)方向?qū)α鞯缐航档挠绊懸?guī)律.設(shè)定基礎(chǔ)振動(dòng)頻率為50 Hz,基礎(chǔ)振動(dòng)幅值為1 mm,分別對(duì)不同振動(dòng)方向下U型、Z型、V型流道流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,監(jiān)測(cè)流道進(jìn)出口壓力.

圖8示出了基礎(chǔ)振動(dòng)方向?qū)型流道壓降的影響.在不同的振動(dòng)方向下,壓降都隨時(shí)間做周期性波動(dòng),波動(dòng)周期和振動(dòng)周期一致為0.02 s.在X方向的振動(dòng)下,壓降波動(dòng)幅值為11.2 kPa;在Y方向的振動(dòng)下,波動(dòng)幅值達(dá)32.0 kPa;在Z方向的振動(dòng)下,即振動(dòng)方向垂直于U型流道平面時(shí),波動(dòng)幅值僅為2.0 kPa.因此U型流道的壓降受Y向基礎(chǔ)振動(dòng)的影響最大,受Z向基礎(chǔ)振動(dòng)的影響最小.

圖8 不同振動(dòng)方向下U型流道壓降對(duì)比

Fig.8 Comparison of the pressure drop for U-shaped flow channel in different vibration directions

圖9示出了Z型流道在不同振動(dòng)方向下壓降隨時(shí)間的變化規(guī)律.在不同的振動(dòng)方向下,壓降隨著基礎(chǔ)振動(dòng)做周期性波動(dòng),波動(dòng)周期和振動(dòng)周期一致.在與流道平面垂直的方向即Z方向的振動(dòng)下,壓降波動(dòng)幅值最小,僅為2.5 kPa;在X方向的振動(dòng)下,壓降波動(dòng)幅值最大,達(dá)到55.0 kPa.在Y方向的振動(dòng)下,流道壓降波動(dòng)幅值為33.0 kPa.因此Z型流道的壓降受X向基礎(chǔ)振動(dòng)的影響最大,受Z向基礎(chǔ)振動(dòng)的影響最小.

圖9 不同振動(dòng)方向下Z型流道壓降對(duì)比

Fig.9 Comparison of the pressure drop for Z-shaped flow channel in different vibration directions

圖10示出了V型流道在不同方向的基礎(chǔ)振動(dòng)下壓降隨時(shí)間的變化規(guī)律.在不同的振動(dòng)方向下,流道的壓降均為周期性波動(dòng),波動(dòng)周期和振動(dòng)周期一致.在X方向的振動(dòng)下,壓降波動(dòng)為26.0 kPa;在Y方向的振動(dòng)下,波動(dòng)幅值為29.6 kPa;在Z方向的振動(dòng)下,波動(dòng)幅值最大為31.2 kPa.因此V型流道受X、Y、Z3個(gè)振動(dòng)方向的影響依次略有增大.

圖10 不同振動(dòng)方向下V型流道壓降對(duì)比

Fig.10 Comparison of the pressure drop for V-shaped flow channel in different vibration directions

3.2.2 振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)流道壓降特性的影響

從上述分析中可得,在不同振動(dòng)方向上,各流道的壓降幅值和平均值隨時(shí)間的變化規(guī)律都是一致的.因此,為簡(jiǎn)化研究過(guò)程,特選取液壓閥塊中最常用的U型流道為代表,設(shè)定基礎(chǔ)振動(dòng)方向?yàn)閄向,研究不同基礎(chǔ)振動(dòng)強(qiáng)度下流道的壓降變化規(guī)律.

(1)基礎(chǔ)振動(dòng)頻率對(duì)流道壓降特性的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集,并參考相關(guān)文獻(xiàn),得到TBM掘進(jìn)過(guò)程中基礎(chǔ)振動(dòng)頻率的范圍為40～100 Hz[20- 21].為了確定基礎(chǔ)振動(dòng)的頻率對(duì)流道壓降特性的影響,設(shè)定基礎(chǔ)振動(dòng)幅值為1 mm,分別取振動(dòng)頻率為50、80、100 Hz,仿真分析流道壓降與振動(dòng)頻率的關(guān)系.

如圖11所示,X向基礎(chǔ)振動(dòng)下,U型流道壓降隨時(shí)間做周期性波動(dòng),波動(dòng)周期等于基礎(chǔ)振動(dòng)的周期.頻率為50 Hz時(shí),壓降波動(dòng)幅值約為11.2 kPa,平均壓降為266.3 kPa;頻率為80 Hz時(shí),壓降波動(dòng)幅值約為20.3 kPa;頻率為100 Hz時(shí),壓降波動(dòng)幅值達(dá)35.1 kPa,平均壓降為268.9 kPa;因此,隨基礎(chǔ)振動(dòng)頻率的增大,流道的壓降波動(dòng)幅值和平均值增大.

(2)基礎(chǔ)振動(dòng)幅值對(duì)流道壓降特性的影響

為了研究基礎(chǔ)振動(dòng)幅值對(duì)流道壓降特性的影響,設(shè)定基礎(chǔ)振動(dòng)頻率為50 Hz,取振幅分別為0.5、1.0、2.0 mm,監(jiān)測(cè)流道進(jìn)出口的壓力,仿真分析振動(dòng)幅值對(duì)壓降特性的影響.

圖11 不同振動(dòng)頻率下流道的壓降變化

Fig.11 Change of the pressure drop of flow channel at different vibration frequencies

如圖12所示,X向基礎(chǔ)振動(dòng)下,U型流道壓降隨時(shí)間做周期性波動(dòng),波動(dòng)周期等于基礎(chǔ)振動(dòng)的周期.振動(dòng)幅值分別為0.5、1.0、2.0 mm時(shí),對(duì)應(yīng)的壓降波動(dòng)幅值為6.4、11.2、21.3 kPa.因此,隨著基礎(chǔ)振動(dòng)幅值的增大,流道的壓降波動(dòng)幅值和平均壓降增大.

圖12 不同振幅下流道的壓降變化

Fig.12 Change of the pressure drop of flow channel at different vibration amplitude

3.2.3 同強(qiáng)度下不同振動(dòng)環(huán)境對(duì)流道壓降特性的影響

TBM上液壓元件所受振動(dòng)強(qiáng)度是在一定范圍內(nèi)的[22].為了研究在相同振動(dòng)強(qiáng)度、不同振動(dòng)環(huán)境下流道壓降的變化規(guī)律,以液壓閥塊中最常用的U型流道為例,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)設(shè)定外界振動(dòng)強(qiáng)度為10g(其中g(shù)為重力加速度，為9.8 m/s2),取不同的振動(dòng)參數(shù),見(jiàn)表1.

表1 基礎(chǔ)振動(dòng)強(qiáng)度為10g時(shí)的不同振動(dòng)參數(shù)

Table 1 Different vibration parameters at the foundation vibration strength of 10g

頻率/Hz5060708090100120150200振幅/mm1.9801.3801.0100.7750.6000.4960.3450.2200.124

由圖13可知,振動(dòng)強(qiáng)度相同，為10g時(shí),取振動(dòng)頻率為50 Hz、振幅為1.980 mm,流道壓降波動(dòng)幅值為22.3 kPa,取振動(dòng)頻率為200 Hz、振幅為0.124 mm,流道壓降波動(dòng)幅值降低至18.4 kPa.可得在相同振動(dòng)強(qiáng)度下,隨著振動(dòng)頻率增加(振幅減小),流道壓降波動(dòng)幅值有所減小.即高頻低幅環(huán)境有利于減小流道壓降波動(dòng).

由圖14可知,振動(dòng)強(qiáng)度相同，為10g時(shí),取振動(dòng)頻率為80 Hz、振幅為0.775 mm,流道的平均壓降為266.6 kPa,取振動(dòng)頻率為200 Hz、振幅為0.124 mm,流道平均壓降為270.1 kPa.可見(jiàn)：隨著頻率增加(振幅減小),流體內(nèi)壓能變化加快導(dǎo)致油液紊流狀態(tài)有所加強(qiáng),平均壓降略有增加，即高頻低幅環(huán)境會(huì)增大流道壓力損失.

圖13 基礎(chǔ)振動(dòng)強(qiáng)度為10g時(shí)流道壓降波動(dòng)幅值隨振動(dòng)頻率的變化規(guī)律

Fig.13 Change rules of the pressure drop fluctuation amplitude of flow channel with the vibration frequency at the vibration strength of 10g

圖14 基礎(chǔ)振動(dòng)強(qiáng)度為10g時(shí)流道的平均壓降隨振動(dòng)頻率的變化規(guī)律

Fig.14 Change rules of the average pressure drop of flow channel with the vibration frequency at the vibration strength of 10g

4 結(jié)論

建立了基礎(chǔ)振動(dòng)下液壓閥塊典型流道的流場(chǎng)仿真模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性,得到以下結(jié)論：

(1)基礎(chǔ)振動(dòng)下,液壓閥塊流道的壓降隨時(shí)間做周期性波動(dòng),波動(dòng)周期與振動(dòng)周期一致.

(2)在X方向振動(dòng)下,應(yīng)避免選用Z型流道;在Z方向振動(dòng)下,應(yīng)避免選用V型流道;在Y方向振動(dòng)下,宜選用V型流道.

(3)隨著基礎(chǔ)振動(dòng)強(qiáng)度的增大,液壓閥塊流道的壓降波動(dòng)幅值和平均值增大.在相同振動(dòng)強(qiáng)度下,高頻低幅環(huán)境有利于減小壓降波動(dòng),但會(huì)加大壓力損失.

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