劉 威, 白運(yùn)洲, 宋華鋒, 吳跟上, 劉旭玲, 李松晶

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 鄭州 450002; 2.河南省西淅高速公路建設(shè)有限公司, 河南 南陽 474450;3.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 鄭州 451450; 4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

引言

在預(yù)應(yīng)力橋梁施工中,預(yù)應(yīng)力筋的張拉效果是保證橋梁承載能力的關(guān)鍵因素。目前的張拉系統(tǒng),一種是利用壓力傳感器控制張拉力,另一種是根據(jù)液壓系統(tǒng)的壓力計算液壓缸的推力從而得到鋼絞線的張拉力。對于油壓表換算張拉力的張拉系統(tǒng),油壓表的測量精度和讀數(shù)誤差是關(guān)鍵因素。預(yù)應(yīng)力張拉液壓系統(tǒng)在工作過程中由于系統(tǒng)內(nèi)部壓力損失、克服摩擦阻力、補(bǔ)充容積損失等原因要產(chǎn)生能量損耗,這些損耗的能量將變成熱能使液壓系統(tǒng)溫度升高[1-3]。油溫過高會導(dǎo)致液壓油的黏度降低,容易引起泄漏,效率下降,光滑油膜強(qiáng)度降低,加速機(jī)械的磨損,生成碳化物和淤碴,油液氧化加速油質(zhì)惡化,油封、高壓膠管過早才化等。如果液壓油溫度較低,油的黏度則會變大,流動性差,阻力大,工作效率降低[4-6]。

由于液壓油黏度對溫度變化十分敏感,而且其黏度變化直接與液壓動作、傳遞效率和傳遞精度有關(guān),造成活塞潤滑性能變差,千斤頂內(nèi)摩擦阻力增大,致使千斤頂內(nèi)壓力升高而預(yù)應(yīng)力筋拉力不足,油壓表力值與相對應(yīng)的實際張拉力值誤差很大[7]。為了消減這一問題帶來的影響,研究人員和工程技術(shù)人員從不同角度進(jìn)行了理論分析和實驗研究。

地域溫差和季節(jié)溫差也是工程機(jī)械液壓油黏度變化較大的主要原因,為了克服這個問題,實際工程應(yīng)用中會在季節(jié)交換和施工工地變換時更換液壓油,比如在冬季用黏度較低的46號抗磨液壓油,在夏季用黏度較高的68號抗磨液壓油[8-9]。由于非油質(zhì)問題而更換能夠正常使用的液壓油造成資源和人力的雙重浪費(fèi),有悖于“綠色環(huán)?！钡氖┕ぷ谥?而且由于殘留造成兩種液壓油混用過程中發(fā)生化學(xué)變化而變質(zhì),影響液壓系統(tǒng)正常工作。

ANSYS有限元軟件對于工程研究有著極其重要的地位,通過ANSYS有限元軟件,可以得到張拉千斤頂?shù)臏囟葓觥釕?yīng)變場及熱應(yīng)力場工作規(guī)律。把有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較,對測試溫度與仿真數(shù)據(jù)之間的差距給出原因分析。張拉千斤頂內(nèi)溫度分布規(guī)律、熱應(yīng)力場分布規(guī)律以及熱應(yīng)變場分布規(guī)律為摩擦阻力和油壓表測量精度補(bǔ)償模型提供重要指導(dǎo),并且為千斤頂材料選取和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持,本研究ANSYS仿真方法采用熱-流-固耦合的方法。

1 前卡式張拉千斤頂結(jié)構(gòu)與工作原理

千斤頂主要由外缸體、內(nèi)鋼體、活塞桿、前部頂管、夾緊鎖片、夾緊殼套、提手、內(nèi)缸鎖緊塊、夾片退管、夾片套管、缸底鎖緊帽、缸底、彈簧護(hù)套、內(nèi)六角圓柱頭螺釘、十字槽沉頭螺釘以及密封圈(墊)組成,其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 27 kN前卡式千斤頂結(jié)構(gòu)Fig.1 Construction of 27 kN front jack

2 熱力學(xué)模型

2.1 熱傳導(dǎo)模型

對于通常的千斤頂熱力學(xué)研究來說,主要面臨的研究問題為導(dǎo)熱和對流兩種熱傳導(dǎo)形式。張拉千斤頂油缸外壁對于外部的試驗環(huán)境的熱輻射忽略不計。導(dǎo)熱是張拉千斤頂油缸內(nèi)部兩部件接觸面之間的熱量傳遞形式;熱對流是千斤頂內(nèi)液壓油與固體的傳熱方式。由于液壓油在受到壓力的作用下流入千斤頂,因此液壓油和千斤頂內(nèi)部固體表面之間的對流傳熱呈現(xiàn)出一種強(qiáng)制性的對流形式。

本研究中的張拉千斤頂,導(dǎo)熱是其自身內(nèi)部各個零件的換熱方式,而式(1)則是表示的熱流密度與溫度的關(guān)系方程:

(1)

式中,T—— 溫度,℃

λ—— 導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)

Q—— 單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量,W/m3

導(dǎo)熱問題屬于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱范疇,因此需要運(yùn)用導(dǎo)熱微分式(1)和定解條件式(2)來全面描述高溫閥工作時的具體導(dǎo)熱問題:

(2)

對于對流換熱系數(shù)hc選取是重中之重,并且對于對流換熱邊界是張拉千斤頂內(nèi)部的液壓油所接觸的所有表面,所以需要分別計算自然對流換熱和強(qiáng)制對流換熱的換熱系數(shù)。牛頓冷卻方程可以表達(dá)對流換熱的計算公式:

q=hc(T1-T2)

(3)

式中,hc—— 對流換熱系數(shù),W/(m2·℃)

T1—— 固體的壁面溫度,℃

T2—— 流體的壁面溫度,℃

q—— 對流換熱的熱流密度,W/m2

對于式(4),其推導(dǎo)出的是對流換熱系數(shù),在實際工程應(yīng)用中,為了分析并得到各種對流換熱系數(shù),通常采用經(jīng)驗公式:

(4)

式中,λ—— 流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)

d—— 流體管的等效直徑,m

Nu—— 努塞爾數(shù)(Nusselt)

從式(4)可以看出,為了得到對流換熱系數(shù),還需要計算流體的無量綱換熱準(zhǔn)數(shù)-努塞爾數(shù),該系數(shù)大小與普朗特數(shù)和雷諾數(shù)相關(guān),以上3個系數(shù)與流體的流動狀態(tài)密切相關(guān)。

熱膨脹是物體由于溫度改變而產(chǎn)生的脹縮現(xiàn)象。熱膨脹系數(shù)與熱應(yīng)變隨時間的變化率和物體溫度隨時間的變化率有關(guān),并且是瞬時的,其表達(dá)式為:

(5)

α(T) —— 隨溫度變化的瞬時熱膨脹系數(shù),m/℃

不考慮到熱膨脹系數(shù)的各向異性,可以得出結(jié)論,該系數(shù)在物體的各個方向上都呈現(xiàn)出一致性。因此,在對上述公式的兩側(cè)同時進(jìn)行積分的過程中,可以得到熱應(yīng)變的表達(dá)式:

ε=α(T)(T-T0)

(6)

式中,T—— 物體的實際溫度,℃

ε—— 物體的熱應(yīng)變,m

T0—— 選取的參考溫度,℃

千斤頂?shù)牟牧鲜怯绊懫錅囟鹊囊蛩刂?本研究的千斤頂采用的材料是45號鋼,高溫燃油流經(jīng)高溫閥后殼體內(nèi)溫度會持續(xù)增加,此過程由于殼體溫度增加、材料熱膨脹系數(shù)的增加,二者均使得殼體內(nèi)熱應(yīng)變變大,熱平衡狀態(tài)下殼體內(nèi)熱應(yīng)變最大。

熱應(yīng)力的大小無法用數(shù)學(xué)表達(dá)式直接計算出來,必須在物體內(nèi)進(jìn)行單元體分析以獲得應(yīng)力數(shù)值。單元總應(yīng)變ε與節(jié)點位移u呈線性關(guān)系,單元總應(yīng)變ε包含3個應(yīng)變分量,分別為彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變以及溫度引起的熱應(yīng)變。彈性要符合胡克定律,塑性材料要符合彈塑性有限形變J2流理論。單元體受到的載荷可以表示為:

(7)

式中,BT—— 轉(zhuǎn)換矩陣

DT—— 與溫度有關(guān)的彈塑性系數(shù)矩陣

Δu—— 節(jié)點位移變化量,m

ΔP—— 等效外力,N

ΔT—— 溫度差,℃

根據(jù)式(7)所示,單元體所承受的所有載荷均包括由等效外力所產(chǎn)生的載荷以及由熱應(yīng)變所產(chǎn)生的等效熱載荷。對于一個具有相同尺寸的圓柱體來說,由于受力情況不同,其表面上各點所承受的力也就不一樣了。在進(jìn)行物體的應(yīng)力應(yīng)變分析時,若無外力干預(yù),則物體內(nèi)部的熱應(yīng)變即為其總應(yīng)變,而由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力則為其總應(yīng)力。

2.2 流體動力學(xué)模型

本研究探討的是千斤頂內(nèi)部的流場分析和溫度場分布,同時運(yùn)用宏觀流體力學(xué)中的流體連續(xù)性方程和納維-斯托克斯方程對其進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上建立了計算其速度場、溫度分布以及油膜厚度的數(shù)學(xué)模型。在千斤頂內(nèi)流體運(yùn)動方程中,壓力和黏性力扮演著主導(dǎo)角色,這一現(xiàn)象類似于流體薄膜潤滑理論,但可以通過雷諾方程理論進(jìn)行簡化,從而被歸類為不可壓縮流體。由于活塞是在氣缸里工作,所以活塞上產(chǎn)生的摩擦阻力很小,可忽略。流體的運(yùn)動呈現(xiàn)出分層狀態(tài),其所受到的體積力和慣性力并未被考慮在內(nèi)。通過ANSYS仿真可以得到正常工作時千斤頂內(nèi)流場分布,以及千斤頂內(nèi)液壓油在工作時瞬態(tài)溫度場和穩(wěn)態(tài)溫度場結(jié)果圖。

2.3 邊界條件

熱傳導(dǎo)模型和湍流模型邊界條件可以有多種選擇,本研究所選擇的邊界條件:

熱傳導(dǎo)模型邊界條件:

(1) 張拉千斤頂進(jìn)油處的溫度需保持不變(仿真溫度設(shè)定為60 ℃,其原因一方面是試驗條件影響只能達(dá)到60 ℃,另一方面需要與試驗進(jìn)行比較);

(2) 在底部的邊界處,存在一個具有軸對稱性質(zhì)的邊界條件(根據(jù)幾何模型特征選取);

(3) 溫度墻函數(shù)的邊界條件決定了流體和固體的接觸面;

(4) 其他邊界處為絕熱(假設(shè)通過邊界的熱通量很小可忽略不計)。

湍流模型的邊界條件:

(1) 進(jìn)口流速即為張拉千斤頂入口管處;

(2) 張拉千斤頂出口處為法向流動(設(shè)定壓力值);

(3) 當(dāng)流體通過固體時,其與對數(shù)墻函數(shù)所形成的接觸面呈現(xiàn)出邊界條件。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 液體流動特性

流場分析對于千斤頂?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)也是一個很重要的因素,在進(jìn)行流場分析時,對于千斤頂?shù)母鱾€參數(shù)也進(jìn)行了設(shè)置:在液壓油進(jìn)入千斤頂內(nèi)部最開始的地方,流速設(shè)置為0.013 m/s,這樣千斤頂整個工作過程時長是15 s,也就是說從開始進(jìn)油到千斤頂張拉完全總共過程為15 s;對流場的分析選擇的是湍流強(qiáng)度及油體黏度,分別設(shè)置為5%和10 Pa·s。進(jìn)行仿真并且得到了以下數(shù)據(jù)云圖,千斤頂進(jìn)油時流體速度場分布圖如圖2所示,千斤頂油缸進(jìn)油口流體流線場如圖3所示。

圖2 進(jìn)油時流體速度場分布圖Fig.2 Diagram of fluid velocity field during oil-taking

圖3 流場內(nèi)流線圖Fig.3 Internal flow chart of flow field

通過對進(jìn)油口流體速度和流場內(nèi)流線分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)液壓油進(jìn)入千斤頂時,流速最快的則是進(jìn)油口,由壓強(qiáng)公式可知,入油口通孔很細(xì)小,也就是流經(jīng)面積小, 進(jìn)油壓強(qiáng)有61 MPa, 則通過理論與仿真結(jié)果可知,進(jìn)油口處液壓油流速為整體最大處,并通過流體速度仿真圖可知,油缸內(nèi)部流速整體趨于平穩(wěn)且慢速[10]。

3.2 熱力學(xué)特性仿真結(jié)果分析

由于千斤頂在工作過程中高強(qiáng)度負(fù)載以及長時間工作,總是避免不了整體溫度的快速上升,而高溫對于千斤頂影響最大的就是液壓油, 液壓油的工作狀態(tài)與自身的黏度相關(guān),而黏度會被溫度所影響,所以熱力學(xué)特性分析是必要的,也是整體實驗最為核心的部分。對于仿真進(jìn)行邊界條件的設(shè)置,用穩(wěn)態(tài)溫度分析使其整體溫度達(dá)到最高狀態(tài),也就是油溫以及周圍溫度達(dá)到60 ℃的穩(wěn)態(tài)狀態(tài),接著就開始對其進(jìn)行瞬態(tài)分析,不同時間時熱流耦合瞬態(tài)溫度場仿真結(jié)果如圖4所示。拉長分析時間,分析其整體溫度分布情況,并記錄5個點的溫度,如圖5所示。

圖4 熱流耦合瞬態(tài)溫度場仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of heat flux coupled transient temperature field

圖5 各關(guān)鍵測點的溫度變化仿真曲線Fig.5 Simulation curve of temperature change for each keymeasurement point

在圖5中,A,B,C,D,E分別對應(yīng)5個傳感器,其對應(yīng)位置可從距離進(jìn)油口的距離來排列,分別是A,D,B,E,C,并且傳感器的位置都在千斤頂兩側(cè),詳細(xì)位置如圖6所示。從理論中得出,越接近進(jìn)油口的位置,其溫度的變化越大,選取了對應(yīng)的5個溫度位置。從仿真結(jié)果可以看出,千斤頂整體的熱量對流情況呈反比例函數(shù)狀態(tài),在高溫時函數(shù)斜率最高,其溫度散熱對流也非?？?5000 s從60 ℃降到了30 ℃;從30 ℃以后開始,函數(shù)斜率開始降低,熱量對流效率也開始降低,5000 s只降低了10 ℃左右,并且從仿真能看出,千斤頂在12200 s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài),也就是千斤頂整體與環(huán)境溫度相符{11-12}。

圖6 溫度傳感器安裝Fig.6 Temperature sensor installation

4 實驗研究

4.1 溫度采集設(shè)備

實驗過程需要對千斤頂油缸內(nèi)部的液壓油溫度進(jìn)行實時的監(jiān)視,本實驗對千斤頂油缸表面進(jìn)行了加工,在油缸外體對稱位置穿孔焊接了5個溫度傳感器,使溫度傳感器探測頭直接接觸油缸內(nèi)的液壓油,并使傳感器直接連接溫度顯示器實時進(jìn)行溫度顯示,并通過外部設(shè)備如錄像機(jī)進(jìn)行實時溫度變化的記錄,如圖6所示。

4.2 具體實驗內(nèi)容

對張拉千斤頂進(jìn)行熱力學(xué)特性試驗,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,選取出張拉千斤頂?shù)膹埨Ы镯數(shù)倪M(jìn)油口,出油口,活塞和外表面進(jìn)行記錄,并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比,目的為了使2個結(jié)果相互印證。測試情況: 液壓油的加熱使用電阻絲加熱棒直接在油中進(jìn)行加熱,由于電阻絲會產(chǎn)生高溫現(xiàn)象,會損壞液壓油的油體結(jié)構(gòu),所以需要在油中進(jìn)行持續(xù)攪拌加熱,到達(dá)60 ℃后,采集溫度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為1 kHz。

假設(shè)千斤頂和液壓油接觸的表面被視為恒溫邊界條件,而其他表面則被視為對流換熱邊界條件,那么在液壓油工作溫度為60 ℃的情況下,且張拉千斤頂自身溫度已經(jīng)達(dá)到熱平衡狀態(tài),對千斤頂?shù)乃矐B(tài)溫度場仿真分析,而圖7則呈現(xiàn)了這個過程中各個測點的溫度變化曲線。

圖7 溫度變化曲線(5個關(guān)鍵試驗點)Fig.7 Temperature change curve (5 key test points)

根據(jù)仿真結(jié)果,千斤頂殼體表面各個測點在200 s之前的溫度上升速度較快,經(jīng)過約12200 s的過渡時間后,各個測點的溫度逐漸趨于穩(wěn)定,此時千斤頂內(nèi)部的溫度場達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。通過分析對比各測點的瞬時溫升曲線可以看出,隨著時間的增加,各點的平均溫升速率都會逐漸減小。穩(wěn)態(tài)下,各測點最高溫度在25.4 ℃左右,最低溫度在24.6 ℃左右,千斤頂殼的表面最高溫度和最低溫度差在3.6 ℃左右。對比熱流耦合邊界與溫度邊界條件下的仿真結(jié)果,利用熱流耦合邊界所得仿真結(jié)果表明,千斤頂瞬態(tài)過程較長,約需10000 s才能達(dá)到熱平衡狀態(tài),穩(wěn)態(tài)時千斤頂內(nèi)溫度相差較大,各測點最高溫度均無法與液壓油工作溫度相匹配;根據(jù)溫度邊界條件所得到的仿真結(jié)果,千斤頂?shù)乃矐B(tài)過程短暫而迅速,僅需約200 s即可達(dá)到熱平衡狀態(tài)。一旦達(dá)到穩(wěn)態(tài),千斤頂內(nèi)部的溫度差異微乎其微,整個千斤頂?shù)臏囟扰c液壓油的工作溫度極為接近,如表1所示。

觀察并分析表1,4個關(guān)鍵點的試驗和仿真結(jié)果都有偏差,整體都表現(xiàn)在試驗結(jié)果要比仿真結(jié)果高一些,但對比兩個結(jié)果,其整體變化趨勢一致。

試驗結(jié)果與仿真結(jié)果有所偏差的原因有:

(1) 在仿真過程中,對于張拉千斤頂?shù)膶α鲹Q熱系數(shù)的選取與實際情況有差異;

(2) 由于環(huán)境影響,千斤頂在重復(fù)試驗過程中會存在一定的溫度泄漏,再者,由于環(huán)境溫度變化的影響(冬夏),其氣體溫度也會存在一定的泄漏,而仿真計算在溫度設(shè)定時是不會存在泄漏的情況,熱量損失則小于試驗;

(3) 在仿真過程中,千斤頂?shù)淖匀粚α鬟吔绲臈l件設(shè)置存在的問題與試驗存在一定的差距;

(4) 在試驗過程中,液壓油的水浴加熱和管道的熱量損失對其溫度的影響是較大的,并且,為了達(dá)到試驗?zāi)康?張拉千斤頂本身所鑲嵌的熱電偶會對千斤頂本身的結(jié)構(gòu)有所影響,在工作過程中會產(chǎn)生液壓油的少許泄漏,這對試驗結(jié)果也存在少許的影響。然而當(dāng)傳熱系數(shù)不能用于流體與固體熱通量計算時,可采用固體內(nèi)熱傳遞模型與流體內(nèi)湍流模型耦合計算實現(xiàn)千斤頂熱力學(xué)分析。

為確保千斤頂?shù)恼＿\(yùn)行,必須選用具有較低熱膨脹系數(shù)的金屬材料,以應(yīng)對高溫對活塞和油缸之間配合間隙的影響。為了解決因熱膨脹而導(dǎo)致的配合間隙問題,可以考慮在活塞和油缸兩側(cè)進(jìn)行不同的加工,以創(chuàng)造出相應(yīng)的配合間隙[13]。

5 結(jié)論

通過對前卡式千斤頂在60 ℃工作溫度下的熱力學(xué)特性進(jìn)行仿真研究,研究獲得了千斤頂殼體內(nèi)部的溫度、熱應(yīng)變和熱應(yīng)力場分布情況。經(jīng)過試驗研究,本文對千斤頂?shù)臏囟葓龇植歼M(jìn)行了深入探究,發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果存在一定程度的偏差,并對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析。試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果表明,該仿真分析方法適用于千斤頂內(nèi)部熱應(yīng)變場和熱應(yīng)力場的變化,從而為千斤頂?shù)木妊a(bǔ)償和材料選擇提供了可靠的理論支持。通過對比發(fā)現(xiàn),由于受環(huán)境溫度影響較大,千斤頂殼體內(nèi)存在著明顯的溫度梯度現(xiàn)象。為了進(jìn)一步完善千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn),需要進(jìn)行更深入的仿真研究,以探究其在高溫環(huán)境下的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變情況。