賀靜
農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析
賀靜
銅陵學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院;工程液壓機(jī)器人安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;銅陵市增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 銅陵 244000
為提高農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析的準(zhǔn)確性,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法。在分析了軟管失效影響因素的基礎(chǔ)上建立了軟管擠壓過(guò)程有限元分析模型,對(duì)薄壁軟管以及應(yīng)力進(jìn)行模擬,最后建立臨界屈曲應(yīng)變模型,得到農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此次研究的農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法提高了軟管失效分析的準(zhǔn)確性,并提高了分析效率與分析實(shí)時(shí)性,滿足了軟管失效分析需求。
農(nóng)田灌溉機(jī); 軟管; 失效分析
薄壁軟管具有重量輕、體積小、耐腐蝕、耐高溫、高壓、吸振和補(bǔ)償管道大位移差等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉機(jī)械中,由于受多種因素的影響,軟管失效事故也較多。對(duì)于因事故、環(huán)境污染和重大經(jīng)濟(jì)損失而引起的軟管失效問(wèn)題,顯得尤為重要。當(dāng)前,有較多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于軟管失效問(wèn)題的研究,文獻(xiàn)[1]研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合柔性軟管的失效與修復(fù)方法,該研究主要對(duì)影響軟管失效的原因進(jìn)行了分析,提出了其失效機(jī)理,并提出了相應(yīng)的維修方法;文獻(xiàn)[2]研究了彎管壓力平衡型膨脹節(jié)高溫蠕變失效分析方法。該方法主要利用了有限元分析軟件進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)模擬,對(duì)其失效機(jī)制進(jìn)行了分析。然而,上述文獻(xiàn)研究受到一定因素的影響,導(dǎo)致分析結(jié)果準(zhǔn)確度較低,為此設(shè)計(jì)一個(gè)農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法,以解決目前存在的問(wèn)題。
本文以日本住友金屬公司HR3C為例進(jìn)行研究。該鋼以TP310為基材,加入鈮、氮合金元素,生產(chǎn)出一種熱強(qiáng)度高的新型耐熱鋼。HR3C在ASME標(biāo)準(zhǔn)中的材質(zhì)是SA213-TP31 OHCBN,而日本JIS標(biāo)準(zhǔn)中的材質(zhì)是SUS310mTB。
在極端復(fù)雜的工作環(huán)境中軟管失效情況[3],軟管與灌溉機(jī)不僅存在著相互作用,而且由于輸送液體的原因,對(duì)于軟管失效的定量分析和精確工作過(guò)程建模都較難,為此預(yù)先對(duì)軟管失效影響因素分析。
2.1.1 疲勞性破壞在軟管的作用過(guò)程中,軟管受到徑向交變應(yīng)力的作用,軟管受剪切力的表面受剪切力向外伸展而變薄[4],兩個(gè)側(cè)面受壓力[5],材料被連續(xù)堆積,其作用圖如下所示:
圖 1 軟管受力圖
灌溉機(jī)工作中軟管溫度不斷上升,彎曲強(qiáng)度和疲勞極限迅速下降,導(dǎo)致軟管變形。另一方面,當(dāng)交變應(yīng)力超過(guò)軟管的持久性極限時(shí),軟管外壁開(kāi)裂,裂紋逐漸增大,最終導(dǎo)致軟管疲勞失效。滲漏使其離開(kāi)軟管部分,出現(xiàn)裂紋[6],使軟管回到空心形狀,在真空負(fù)壓抽吸的過(guò)程中,空氣自然地從縫隙中吸入軟管。
2.1.2 撕裂性破壞灌溉機(jī)在灌溉中,會(huì)受到固體顆粒、石子等的影響,會(huì)劃傷軟管內(nèi)部表面,留下細(xì)小的裂紋,極易造成內(nèi)應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致裂紋,使其吸水能力降低,泄漏。
2.1.3 突發(fā)性爆破由于軟管不連續(xù)性,輸出液體有一定的脈動(dòng)力,加上管子彎管多,阻力大,瞬時(shí)壓力可達(dá)1.0 MPa以上,迅速膨脹。如果這種力超過(guò)了它的拉伸強(qiáng)度,軟管的力學(xué)性能就迅速下降,每一層都開(kāi)始脫落,最后破裂[7]。
2.2.1 水力學(xué)因素水動(dòng)力分析結(jié)果表明,固液泵的主要失效形式是磨粒磨損失效,分散的磨粒群體的水力磨損與磨粒形狀[8]有關(guān):圓角、角形、尖角、危險(xiǎn)顆粒;流速。根據(jù)不同工程項(xiàng)目施工單位泥漿噴射器的使用情況,發(fā)現(xiàn)其磨損因素與使用情況基本一致。
2.2.2 灌溉機(jī)擠壓因素管子的變形阻力大小與管子內(nèi)徑、材料、擠壓輪直徑及中心架外徑有關(guān)。
本文的主要研究方向是如何量化軟管泵的性能參數(shù),從而為泵結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)化提供必要的依據(jù)。為此在上述分析的基礎(chǔ)上,
從工作原理上看,灌溉機(jī)的排量度[9]和軟管內(nèi)徑[10]的截面積有關(guān):
qv=(1)
公式(1)中,qv代表泵的理論排量,代表擠壓輪的運(yùn)動(dòng)速度,代表軟管的橫截面積。
2.2.3 軟管內(nèi)外徑之比的影響如下圖所示,當(dāng)管內(nèi)壓力均勻分布時(shí),管壁[11]上任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由作用于該點(diǎn)的三個(gè)垂直主應(yīng)力決定。
圖 2 軟管常壓下受力圖
其中,σ代表周向應(yīng)力,σ代表主應(yīng)力平行于管子軸線方向,稱軸向應(yīng)力;σ代表沿著管壁的直徑方向,稱為徑向應(yīng)力。其對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為:
上述公式(2)、(3)、(4)中,代表內(nèi)壓,r代表管子外壁半徑,r代表管子內(nèi)壁半徑,代表管壁上任意一點(diǎn)的計(jì)算半徑。
基于上述結(jié)果,建立有限元分析模型,對(duì)于農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管的各個(gè)部分,需要采用合適的單元進(jìn)行模擬,保證建立的模型能夠反應(yīng)材料的本構(gòu)關(guān)系。ANSYS程序中提供了230多種單元,在此次研究中,主要采用Solid45、Solid46、Conta173、Targe170四種單元。Solid45體單元,對(duì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型分析,它由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度,用來(lái)表示軟管位移的方向。Solid46層,這是一種Solid45體積單元的分層單元,主要用來(lái)模擬厚殼或體層。CONTA173接觸單元和TARGE170 目標(biāo)單元形成一對(duì)面—面接觸單元,用來(lái)模擬軟管與灌溉機(jī)薄壁的接觸。薄壁軟管的模擬是通過(guò)上述過(guò)程進(jìn)行的,并據(jù)此建立了邊界條件,軟管失效機(jī)理的分析主要是針對(duì)軟管應(yīng)力-應(yīng)變的分析。為限制軟管的剛體位移,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,采用合適的邊界條件。分析表明,由于軟管具有左右對(duì)稱性,可對(duì)對(duì)稱面施加對(duì)稱性約束,此次研究中把薄壁作為剛面處理,并對(duì)其進(jìn)行固定約束。
在上述有限元分析模型建立完成的基礎(chǔ)上,根據(jù)ASTM F1216等標(biāo)準(zhǔn),考慮到材料的長(zhǎng)期蠕變性能,建立臨界屈曲應(yīng)變情況。當(dāng)屈曲應(yīng)變達(dá)到臨界值時(shí),僅與結(jié)構(gòu)的幾何尺寸有關(guān),與材料的彈性模量無(wú)關(guān),而與材料剛度無(wú)關(guān),從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)失效[15]。穩(wěn)定的應(yīng)變極限表示為:
公式(5)中,εr代表臨界屈曲應(yīng)變,D代表軟管內(nèi)襯直徑,t代表軟管內(nèi)襯壁厚,m代表軟管初始應(yīng)應(yīng)變。在此基礎(chǔ)上,分析長(zhǎng)期應(yīng)變情況,軟管在屈服軌跡上移動(dòng)的位置如圖3所示:
上圖中,A、B、C、D、E、F分別代表移動(dòng)點(diǎn)。其計(jì)算表達(dá)式為:
=0++T(6)
式中代表材料某一個(gè)時(shí)刻發(fā)生應(yīng)變,0代表材料使用時(shí)間,+代表材料應(yīng)變改變率,T代表第個(gè)試驗(yàn)時(shí)間下的應(yīng)變常數(shù)。進(jìn)而得到施加應(yīng)力后軟管的應(yīng)變情況,從而得到農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析結(jié)果。
為了驗(yàn)證此次研究的農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法的有效性,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。將文獻(xiàn)[1]纖維增強(qiáng)復(fù)合柔性軟管的失效與修復(fù)方法與文獻(xiàn)[2]中彎管壓力平衡型膨脹節(jié)高溫蠕變失效分析方法與此次研究的分析方法對(duì)比,對(duì)比三種分析方法的有效性。
此次研究的測(cè)試環(huán)境如圖4所示:
圖 4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)硬件組成
圖 5 實(shí)驗(yàn)流程
通過(guò)采集卡和PLC采集壓力、位移等各種傳感器和報(bào)警信號(hào),并將其傳送到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。通過(guò)虛擬軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,輸出到顯示器、打印機(jī)等輸出設(shè)備,從而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示。
農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法與傳統(tǒng)兩種根系方法的分析時(shí)間對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。
表 1 失效分析時(shí)間
通過(guò)分析上表能夠發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合柔性軟管的失效與修復(fù)方法、彎管壓力平衡型膨脹節(jié)高溫蠕變失效分析方法在幾次實(shí)驗(yàn)下,所花費(fèi)的軟管失效分析時(shí)間較此次研究的分析時(shí)間多。
三種方法的失效分析準(zhǔn)確性對(duì)比結(jié)果如圖6所示,此次研究的分析方法能夠準(zhǔn)確分析出軟管失效情況,較傳統(tǒng)分析方法的失效分析準(zhǔn)確性高。
圖 6 失效分析準(zhǔn)確性對(duì)比
軟管發(fā)生失效的實(shí)際時(shí)間為已知,將三種方法發(fā)現(xiàn)軟管失效的時(shí)間與實(shí)際時(shí)間對(duì)比,對(duì)比三種方法的實(shí)時(shí)性。
表 2 失效情況發(fā)生后發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)性對(duì)比
通過(guò)分析可知,在軟管失效情況發(fā)生后,此次研究的方法在短時(shí)間內(nèi)就能夠發(fā)現(xiàn)失效情況,較傳統(tǒng)兩種分析方法的分析實(shí)時(shí)性好。綜上所述,此次研究的農(nóng)田灌溉薄壁軟管失效分析方法分析準(zhǔn)確性高、分析時(shí)間短,并且分析實(shí)時(shí)性好。原因是此次研究的分析方法預(yù)先對(duì)失效影響因素進(jìn)行了分析,并建立了有限元分析模型以及臨界屈曲應(yīng)變模型,從而獲得了較好的軟管失效分析結(jié)果。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此次研究的分析方法的有效性。此次研究的分析方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于,采用了有限元分析軟件對(duì)軟管擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬,并采用臨界屈曲應(yīng)變模型對(duì)其失效情況進(jìn)行了分析,從而獲得了較好的分析結(jié)果。然而由于研究時(shí)間的限制,此次研究的分析方法還存在一定的不足,在后續(xù)研究中,將做更深入的探討。
[1]王元,莫仁杰,王勇.纖維增強(qiáng)復(fù)合柔性軟管的失效與修復(fù)[J].中國(guó)造船,2019,60(1):244-251
[2]張力文,李佳南,劉強(qiáng),等.彎管壓力平衡型膨脹節(jié)高溫蠕變失效分析[J].熱加工工藝,2018,47(1):261-264
[3]劉省勇,何英勇,謝洪虎,等.核電廠氣閘門(mén)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用薄壁齒輪失效分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)研究[J].核動(dòng)力工程,2020,239(2):125-129
[4]丁思云,李鳳成,王永樂(lè),等.基于故障與失效分析的機(jī)械密封運(yùn)行維護(hù)方法研究[J].流體機(jī)械,2020,573(3):35-39
[5]李循跡,王福善,李發(fā)根,等.機(jī)械復(fù)合管襯層塌陷失效分析及對(duì)策研究[J].金屬熱處理,2019,44(1):556-559
[6]趙玉飛,張彥軍,郭繼銀,等.埋地管道絕緣接頭內(nèi)腐蝕失效分析及機(jī)理研究[J].材料保護(hù),2020,498(7):154-160
Failure Analysis of Thin-walled Hose of Farmland Irrigation Machine
HE Jing
;;244000,
To improve the accuracy of the thin-walled tube irrigation machine failure analysis, design a irrigation machine thin-walled tube failure analysis method. On the analysis of the factors that affect hose failure hose extrusion process was established on the basis of finite element analysis model, the thin wall tube and simulation, stress the last critical buckling strain model was established, irrigation machine thin-walled tube failure analysis results are obtained. Experimental results show that the study of farmland irrigation machine thin-walled tube failure analysis method improve the accuracy of the hose failure analysis, and improve the analysis efficiency and real-time, and meet the demand of the hose failure analysis.
Farmland irrigation machine; thin wall hose; failure analysis
TU99
A
1000-2324(2021)02-0283-05
10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.022
2020-11-05
2020-12-06
安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2020A0701)
賀靜(1976-),女,碩士,講師,主要從事金屬材料研究. E-mail:tljingh@sina.com
山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年2期