一种轴向振动环境下缠绕式液压胶管沿程压力损失计算方法技术

本发明专利技术公开了一种轴向振动环境下缠绕式液压胶管沿程压力损失计算方法，先通过缠绕式液压胶管的实物模型建立其结构模型，根据结构模型计算其各项工程常数，再根据充液管道的流固耦合理论和受迫振动理论建立缠绕式液压胶管轴向振动的流固耦合模型；判断轴向振动环境下缠绕式液压胶管内流体的流动状态及摩阻系数系数的计算，进而推导出胶管轴向振动的沿程损失数值计算公式，最后进行仿真计算。本发明专利技术为TBM中胶管的选型设计和抗振设计方法提供重要的依据，根据本发明专利技术所提供的计算方法，能有效和精确的计算TBM液压长管道的能量耗散，分析系统的动态响应规律，找到TBM液压管道最佳的布置方式和提高系统的响应速度的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种轴向振动环境下缠绕式液压胶管沿程压力损失计算方法
本专利技术涉及液压传动与控制领域，具体涉及一种轴向振动环境下缠绕式液压胶管沿程压力损失计算方法。
技术介绍
液压系统作为硬岩掘进机TBM的关键系统之一，辅助硬岩掘进机完成推进，撑靴等动作，TBM的工作原理是利用刀具的旋转挤压隧道周围的岩石进行掘进，由于岩石存在缝隙，断层，TBM会在掘进过程中不可避免的产生强烈的振动，缠绕式液压胶管作为TBM液压系统的重要构件，强振动会增大了胶管钢丝层级间应力；会加剧胶管的振动，加速胶管的疲劳破坏；会加大胶管管内流体波动，对下游液压元件产生冲击；影响TBM液压系统的能量传递和工作效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种轴向振动环境下缠绕式液压胶管沿程压力损失计算方法。本专利技术先通过缠绕式液压胶管的实物模型建立其结构模型，根据结构模型计算其各项工程常数，再根据充液管道的流固耦合理论和受迫振动理论建立胶管轴向振动的流固耦合模型；然后判断轴向振动环境下胶管内流体的流动状态及摩阻系数的计算方法，进而推导出胶管轴向振动的沿程损失数值计算公式，最后进行仿真计算。缠绕式胶管流固耦合模型是通过以下技术方案来实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轴向振动环境下缠绕式液压胶管沿程压力损失计算方法，其特征在于包括以下过程：第一步：通过缠绕式液压胶管的实物模型建立其结构模型，根据结构模型计算其各项工程常数，再根据充液管道的流固耦合理论和受迫振动理论建立缠绕式液压胶管轴向振动的流固耦合模型；第二步：判断轴向振动环境下缠绕式液压胶管内流体的流动状态及摩阻系数系数的计算，进而推导出胶管轴向振动的沿程损失数值计算公式，最后进行仿真计算。

【技术特征摘要】
1.一种轴向振动环境下缠绕式液压胶管沿程压力损失计算方法，其特征在于包括以下过程：第一步：通过缠绕式液压胶管的实物模型建立其结构模型，根据结构模型计算其各项工程常数，再根据充液管道的流固耦合理论和受迫振动理论建立缠绕式液压胶管轴向振动的流固耦合模型；第二步：判断轴向振动环境下缠绕式液压胶管内流体的流动状态及摩阻系数系数的计算，进而推导出胶管轴向振动的沿程损失数值计算公式，最后进行仿真计算。2.如权利要求1所述的轴向振动环境下缠绕式液压胶管沿程压力损失计算方法,其特征在于：建立缠绕式液压胶管轴向振动的流固耦合模型包括以下步骤：(1)建立缠绕式液压胶管结构模型，缠绕式胶管是由内胶层、钢丝增强层、外胶层复合而成，首先对缠绕式液压胶管的钢丝层增强层进行分析，取其单层板的厚度为钢丝的直径d，两钢丝中心距为b，首先对单层板进行分析，设缠绕方向为T，面内垂直于钢丝方向为L，单层板的法线方向为r，根据复合材料串并联得到单层板的工程常量为：式中：ET—单层板T方向的弹性模量，Pa；EL—单层板L方向的弹性模量，Pa；Er—单层板r方向的弹性模量，Pa；μTr—单层板Tr面的泊松比；μrL—单层板rL面的泊松比；μTL—单层板TL面的泊松比；GTr—单层板Tr面的剪切模量，Pa；GrL—单层板rL面的剪切模量，Pa；GTL—单层板TL面的剪切模量，Pa；Es—钢丝的弹性模量，Pa；Eru—橡胶的弹性模量，Pa；μs—钢丝的泊松比；μru—橡胶的泊松比；Gs—钢丝的剪切模量，Pa；Gru—橡胶的的剪切模量，Pa；y＝1-x，y'＝1-x'；由此可知单层板的柔度矩阵为：其中：通过对柔度矩阵求逆，得到单层板刚度矩阵[Q]d即：[Q]d＝[S]d-1(3)由于实际缠绕式液压胶管的受力是沿胶管轴向和径向，对(3)进行坐标转化，转化为柱坐标系下的偏轴刚度矩阵为：[Q]k＝[Tij]σ[Q]d[Tij]σT(4)其中：奇数层，k＝2n+1，取β＝α,偶数层，k＝2n，β＝-α，α为钢丝的缠绕角；由于缠绕式液压胶管内外层材料特性与复合层材料特性差异较大；经典的层合板理论不适用于缠绕式液压胶管整体弹性特性的推导，应用P.C.Chou多层板宏观模量分析，具体过程如下：①液压胶管的内外层橡胶为各向同性材料，由橡胶的工程常数可知柔度矩阵Sm为：根据柔度矩阵可以得知其刚度矩阵为：Qm＝S-1m②根据缠绕式液压胶管单层板偏轴刚度矩阵Q1～Qn+2，n为液压胶管的复合层层数以及令内外层橡胶刚度矩阵为Qn+1即Qm、Qn+2即Qm，各层的体积比Vk，k＝1～n+2；求得缠绕式液压胶管的整体刚度矩阵，其刚度系数为：其中：通过刚度矩阵求逆，得到柔度矩阵，得到缠绕式液压胶管的轴向的弹性常数：其中：Ez为胶管轴向弹性模量；νz为胶管轴向泊松比；Gz为胶管轴向剪切模量。(2)建立胶管轴向振动的流固耦合数学模型，针对轴向基础振动环境下流体与液压胶管互动效应的研究，采用充液管道轴向的流固耦合四方程模型和管路受迫振动响应的理论相结合，通过与四方程模型相同的推导，建立缠绕式液压胶管轴向基础振动的流固耦合四方程模型，该控制方程包括两个关于流体方程和两个关于液压胶管方程如下：流体的轴向运动方程：流体的连续方程：胶管的轴向运动方程：胶管的应力-位移的关系方程：其中：式中：V—胶管内流体的流速，m/s；P—胶管内流体的压力，Pa；uz—胶管的轴向速度，m/s；σz—胶管的轴向应力，Pa；e—胶管的管壁厚度，m；rj—胶管的内半径；K—流体体积模量，Pa；ρf、ρt—分别为流体密度，Kg/m3，液压胶管密度，Kg/m3；λf—为流体与胶管的稳态摩擦系数；A1为基础振动振幅；f为基础振动频率。(3)建立缠绕式液压胶管轴向振动的流固耦合仿真模型：为了求解缠绕式液压胶管管路中流体的压力和流速及胶管的轴向内应力和速...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨忠炯，李俊，周立强，蔡岳林，张高峰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43