（机械电子工程专业论文）盾构机液压长管道振动模态分析与试验研究.pdf

及取 论文 大学 研究 保留 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者虢哗新签名牲魄一年上月翌日 气鬈 i k l 讼 摘要 盾构机的液压长管道给其液压系统带来二大问题：一是管道距离 长，响应滞后；二是管道长期剧烈振动降低系统动态品质，甚至导致 重大安全事故。本文从管道流固祸合振动的基础规律入手，结合盾构 机液压系统的特点，主要从以下几个方面进行了研究： i 构建了盾构机长管道液压实验台。结构上创新设计了一种大推 力可变负载的对顶油缸装置，实现了对盾构推进系统大负载突变特点 的模拟；测试上深入研制了一种多组合液压输流长管系振动效应测试 装置，从而确保了拟实复杂管道系统振动测试的科学性和可靠性。 2 推导了盾构机液压长管道流固耦合振动的轴向及横向振动微 分方程，建立了液压长管道流固耦合振动的整体传递矩阵；对典型长 直液压管道( 长度8 0 0 0 m m ，长径比大于9 0 0 ) 的流固耦合振动模态参 数进行了数值分析；对比传递矩阵法与试验测试得到模态参数，分析 了该方法用于实际液压长管道模态计算时的有效性和局限性。 3 开展了液压长管道系统的模态试验研究。测量并分析了油液静 充满状态下长直液压管道( 长度为8 0 0 0 r a m ) 在三种跨度下( 单跨、 双跨、四跨) 下的前1 4 阶固有频率及其振型；对液压长管道系统在 多种实际工作情况下的振型进行了试验和分析；从优化管道参数和优 化激励因素两个方面，提出了液压长管道的减振措施。- 关键词：盾构机，长管道系统，流同耦合，模态分析 本课题得到国家9 7 3 项目( 2 0 0 7 c b 7 1 4 0 0 4 ) ) 的资助 翟 k l 。n 似 a bs t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cp i p i n gs y s t e mi nt u n n e lb o r i n g m a c h i n e ( t b m ) a r el a r g es l e n d e r n e s sr a t i o ，h i g hf l u i dp r e s s u r ea n dl o w f l o wv e l o c i t y d u et of l u i ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，t h ev i b r a t i o no fp i p ew a s i n c r e a s e d ，a n dc o n t r o ls i g n a lw a sl a g g e df e e d b a c k m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t s o ff s lw e r ei n t e n s i f i e db yt h ev a l v ec l o s u r e ，t h ec h a n g e so fl o a d sa n d e v e nt h ei m p u r i t i e si n t e r f u s e di nt h eo i l t h e s ea l s or e s u l ti ns e v e r e v i b r a t i o no fp i p e l i n e s ，a n de v e nt h e r em i g h tb ee x t r e m ec o n d i t i o n ss u c h a sp i p e sc r a c k i n g c o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cp i p i n g s y s t e mo fs h i e l dm a c h i n e ，s t u d i e so f s e v e r a lf o l l o w i n ga s p e c t sw e r ed o n e 访t h i sa r t i c l e ： 1 t h eh y d r a u l i ce x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a ss e tb yr e f e r e n c i n gt h e l o n gh y d r a u l i cp i p i n gs y s t e mi nt b m i ns t r u c t u r ed e s i g n ，t h ed e v i c e so f t w oh y d r oc y l i n d e r si no p p o s i t ev e r t e xw i t hal a r g et h r u s tl o a dw e r e i m i t a t e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fal a r g et h r u s tl o a di nt h et b mp i p i n g s y s t e m i nt e s t i n gs y s t e m ，am u l t i - s t r e a mc o m b i n a t i o nt e s td e v i c e sw e r e d e v e l o p e df o r v i b r a t i o ne f f e c to ft b mp i p i n gs y s t e m ，t oe n s u r et e s t s c i e n t i f i c a l l ya n dr e l i a b l y 2 t h ea x i a la n dl a t e r a lv i b r a t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o nc o n s i d e r i n g f l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nf o rh y d r a u l i cl o n gp i p e l i n eo fs h i e l dm a c h i n e w a sd e r i v e da n ds u m m e d ，a n dt h e o v e r a l lt r a n s f e rm a t r i xc o n s i d e r i n g n f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o no fh y d r a u l i c l o n gp i p e l i n ew a sd e d u c e di n d e t a i l ；f o rat y p i c a ll o n gs t r a i g h th y d r a u l i cp i p e l i n e ( 1 e n g t h8 0 0 0 m m ， l e n g t ht od i a m e t e rr a t i og r e a t e rt h a n9 0 0 ) ，t h en u m e r i c a la n a l y s i so fi t s m o d a lp a r a m e t e r s c o n s i d e r i n g f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nw a sd o n e ； c o m p a r e dw i t hm o d a lp a r a m e t e r sg o tf r o mt h et e s t ，t h ev a l i d i t ya n d l i m r a t i o no ft h em e t h o du s e df o rt h em o d a lc a l c u l a t i o no ft h ea c t u a l h y d r a u l i cl o n gp i p e l i n ew e r ea n a l y z e d 3 t h em o d a lp i l o ts t u d yo fh y d r a u l i cl o n gp i p e l i n ew a sc a r r i e do u t t h ef i r s t14f r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so ft h el o n gs t r a i g h tp i p e l i n e ( 1 e n g t h8 0 0 0 m m ) b e e nf i l l e dw i t ht h es t a t i o n a r yo i l ，u n d e rt h et h r e es p a n s ( s i n g l es p a n ，d o u b l e c r o s sa n df o u r - c r o s s ) ，w e r em e a s u r e da n da n a l y z e d ； t h et e s ta n da n a l y s i sf o rt h ev i b r a t i n gm o d eo fh y d r a u l i cl o n gp i p e l i n e u n d e rm a n ya c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n sw e r ed o n e ；f r o mt w oa s p e c t so f t h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r sa n do p t i m i z a t i o nm o t i v a t o r s ，t h ed a m p i n g m e a s u r e so fh y d r a u l i cl o n gp i p e l i n ew e r e p r o p o s e d k e y w o r d s ：t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，l o n gp i p e l i n es y s t e m ，f s i ，m o d a l a n a l y s i s ， i i i 6 一 一 目录 摘要i a b s t r a c t 。，i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究目的及意义1 1 2 研究背景2 1 2 1 输流管道中流同祸合的i 差要形式2 1 2 2 输流管道中流固祸合模型的发展4 1 3 输流管道流固祸合振动的主要研究方法5 1 3 1 输流管道系统模态分析计算5 1 3 2 输流管道系统振动试验研究6 1 3 3 输流管道系统的能量流研究9 1 4 本文研究日标及主要内容9 第二章盾构机液压长管道试验台的搭建1 1 2 1 输流管道振动试验台的研究背景1 l 2 2 盾构机长管道液压试验台1 3 2 2 1 试验台结构图1 3 2 2 2 试验台基本功能1 4 2 2 3 试验台的创新点1 6 2 2 4 试验台的实际装置图2 0 2 3 小结2 2 第三章液压长管道流固耦合振动的计算模态。2 3 3 1 液压长管道流固耦合振动的单元传递矩阵2 3 3 1 1 直管轴向运动的单元传递矩阵2 4 3 1 2 直管横向运动的单元传递矩阵2 7 3 1 3 弯管的单元传递矩阵3 0 3 2 传递矩阵法求解液压长管道模态频率3 1 3 2 i 液压长管道的场传递矩阵3 l 3 2 2 液压长管道的模态频率求解3 1 3 3 小结3 3 第四章液压长管道流固耦合振动的模态试验分析3 4 4 i 概论3 4 4 2 液压长管道的频率响应函数分析3 4 4 2 1 单自由度系统的频率响应函数分析3 4 4 2 2 梁模型的频率响应函数分析3 6 4 2 3 盾构机液压长管道的频率响应函数分析3 7 4 3 液压长管道模态参数识别的单点激励法3 8 4 4 液压长管道振动频响函数的测试4 2 4 4 1 锤击法的适用性4 2 4 4 2 传感器的选取4 4 4 5 液k 长管道振动模态测试系统4 4 4 6 小结4 6 第五章盾构机液压长管道振动试验研究4 7 5 1 试验方案及仪器4 7 5 1 1 试验方案4 7 5 1 2 试验仪器4 9 5 2 液压长管道系统充液静止状态f 的模态试验5 0 5 2 1 中间无固支的长直管道模态试验5 2 5 2 2 中间一固支的长直管道模态试验5 4 5 2 3 中间二固支的长直管道模态试验5 7 5 2 4 长直管道模态试验分析及讨论5 9 5 3 液压长管道：i ：作振型分析6 1 5 4 液压长管道激励源频率特性测试6 8 5 5 液压长管道减振措施6 9 5 5 1 液压长管道系统的耦合振动6 9 5 5 2 液压长管道系统的减振措施6 9 5 6 小结7 2 第六章全文总结与展攀7 3 6 1 论文总结7 3 6 2 论文展望7 4 参考文献7 5 致谢7 9 攻读硕士学位期间的研究成果8 0 k 矗、 中南人学硕上学位论文第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 全断面大型掘进装备( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ) 简称盾构机，是一种隧道 工程专用的大型高科技综合施工设备。现代盾构机的发展得到了众多技术的支 持，其主要包括传感器及控制技术、导向及遥控技术、测量及通讯技术、力学及 结构技术等，盾构机集机械、电子、液压、传感、信息为一体，能够在各种地层 地质条件下开挖作业、土渣输送、隧道衬砌的拼装、行进中导向的纠偏等功能。 现在盾构机广泛应用于地铁施工、铁路修建、公路修筑、水电水利等各个领域。 进入2 0 0 0 年来，我国城市化进程逐渐加快，地下铁路建设伴随大规模的城市建 设也开始在我国各主要城市开始规划、设计和施工。5 1 在地下铁路的施工中， 盾构施工法得到了人们的普遍关注，截至2 0 0 9 年6 月，我国已有l o 个城市拥有 共3 0 条城市地铁交通运营线路，运营里程达到8 1 3 7 公里，另有1 9 个城市在建 或筹建地铁线路。预计至2 0 1 5 年前后共规划建设6 9 条线路，长2 0 3 3 9 2 k m ， 总投资超过7 7 0 0 亿元瞪1 。 图1 - 1 泥水盾构掘进机 t l - 南人学硕e 学位论支第一章绪论 盾构机液压动力系统不同于其他液压系统，其需要传递极大的功率、执行机 构与液压源之问的距离很长、负载随着i ：层变化而出现大幅度随机变化。盾构机 液压系统的控制性能直接关系到其t 作的安全和t 作效率1 铀1 。随土层实时变化 的突变负载和较大范围内功率调节要求盾构机的液压动力系统具有良好的动态 品质和功率突变能力。当其液压系统的k 管道比较短时，管道内的流固祸合影响 可以忽略不计：但当管道超过一定长度时，由于流固耦合的影响，管道各种参数 对管道的动态响应特性和管道流固耦合振动的影响就会成倍增长。因此对液压长 管道的流固耦合振动的研究也就显得非常必要和紧迫。图1 - i 为传统的泥水盾构 机，图1 - 2 所示为先进的土压平衡式盾构掘进设备系统。 本研究课题得到了国家霞点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 资助，其子课题 名称为掘进装备动力系统的能量传递规律( 项目编号2 0 0 7 c b 7 1 4 0 0 4 ) 。 1 2 研究背景 图1 - 2 土压平衡式盾构掘进机 1 2 1 输流管道中流固耦合的主要形式 输流管道系统的耦合作用是非常负责的，根据其机理可以分为流同祸合、波 流耦合和波波耦合等三类。波流耦合和波波耦合是由于流体的压缩性引起的，而 2 r | l 南人学硕上学付论文 第一章绪论 在输流管道的研究中，般部忽略流体的压缩性，因此对输流管道系统的祸合作 用t 要针对的流固耦合效应来进行研究。输流管道流固耦合振动中流体脉动和管 道振动间的关系如图1 - 3 ”1 所示： 管道破裂 j r 流体运动 t | 闸阀操作 图1 - 3 输流管道流固耦合振动关系图 一园 输流管道流固耦合作用的主要可以分为三类：摩擦耦合、泊松耦合和连接祸 合州1 ： 1 摩擦耦合 由于管道壁面和黏性流体相互接触，当流体在输流管道内流动时，管壁与流 体之问产生摩擦力。在通常情况下，摩擦耦合对输流管道系统动力特性影响很小， 但当管道的约束不够强，该摩擦力将会改变管道的运动状态。这将使管道壁与流 体的边界层上出现类似“团状运动”的湍流状态，使得管道运动特性变的非常复 杂。 2 泊松耦合 泊松耦合是管道应力与流体压力之间产生的由局部范围内相互作用而出现 的沿程耦合，泊松耦合的强弱程度与管道材料的泊松比密切相关。对于管道特性 而言，泊松耦合对其影响非常大，在某些极端情况下，泊松效应还会引起剧烈冲 击，对输流管道系统造成即为严重的危害。 3 连接祸合 管道系统包括直管、弯管、以及各种形状的接头连接而成，在材质上有钢管、 胶管，一些特殊情况下还会用到p v c a b s 材质的管道的。当这屿管道相互连接时， 其结合部的流体管道横截面会发生突变，从而导致这些部位压力无法稳定而导致 管道结构与流体之间耦合，即为连接耦合。连接耦合可能会导致管道支撑的松动、 3 中南人学硕上学位论文第章绪论 在特定方向上出现移动和挠曲等。 1 2 2 输流管道中流固耦合模型的发展 1 经典水锤模型 1 9 世纪上叶，出于对乐器中驻波和对血管中血液脉动研究的需要，人们就 【三发现，在无限大流体中声波传播的速度为引： ：1 厚 ( 1 - 1 ) v 乃 式中，k ，为流体的体积压缩模量，一般情况下为温度和压力的函数。所为 流体的质量密度。 传统的水锤理论经过近一百年的研究，己相当完善，尽管在实际管系计算中 仅仅进行水锤计算是远远不够的，但它仍是管路中液体计算部分的主要内容。 2 扩展水锤模型 1 8 7 8 年，k o r t e v e g 教授川定性地指出：如在对输流管道的研究中不忽略管 壁中的轴向应力，管道材料的泊松比所导致的输流管道径向收缩对压力波动的影 响是非常大的。 l a m b 刮继承了k o r t e v e g 的思想，并对其进行了完善，提出流体与结构之间 的相互影响可以分成三种情况：( 1 ) 输流管道自身运动对压力波的影响； ( 2 ) 输流管道内流体速度对管道轴向振动的影响；( 3 ) 输流管道内流体对管道径向 振动的影响；据此，其总结出一个定义管道轴向应力波波速的公式为： 口。：厍 ( 1 - 2 ) 矿万 u 。2 式中，以为管道的质量密度。 s k a l a k n5 1 继承并发展了l a m b 的工作，在对耦合模型进步深入研究中，提 出了在考虑管道转动惯量和弯曲刚度的心模型：此外，在研究中他还发现：在无 穷多个波动模态中，只有最低两阶的模态有相对应的物理波动；这两个最低模态 一个对应管道轴向应力波，即l a m b 波；一个对应流体压力波，即y o u n g 波引。 此后，t h o r l e y 通过实验观察到了输流管道内的轴向应力波，从而证实了s k a l a k 双波耦合理论是正确的“h 引 3 直管梁模型 在e u l e r b e r n o u lli 梁理论和非线性拉格朗f 1 应变的基础上，根据能量守恒 4 中南人学硕l 学位论艾 第章绪论 定律、h a m il t o n 变分原理及描述变形体内流体运动的n - s 方程，不考虑流体重 力、内阻尼、外部拉压力等，可以建立两端简支的液压管道的耦合振动方程。 日塑o z 4 + m v 2 窘+ 2 m v 塞m + 肘) 可o w = o ( 1 - 3 ) 其中：朋2 胁，+ 朋p2 乃 + 砟爿p ，盯是管道的抗弯刚度，l i l t ，踢分别是油 液、管道单位长度质量，v 是油液平均流速，z 是管道横向位移。它们分别表现 了影响书流管道系统的振动的丰要因素。 4 流固耦合4 - 方程模型 ， 在所有针对输流流管道流固耦合振动的研究中，应用最广放、最受到重视的 模型就是流固祸合4 一方程模型n 蚴。流固祸合四方程模氆最早用来研究管道的轴 向振动，后来经过研究，考虑了管道的横向振动和扭转运动，进而发展为六方程 位 2 4 1 、八方程幢卜2 7 1 ，并最终发展为1 4 - 方程胁引1 模型。对流固耦合4 一方程模型及 扩展的1 4 - 方程模型的描述和研究将在第三章深入展开。 1 3 输流管道流固耦合振动的主要研究方法 对考虑流固耦合的实际输流管道系统振动的研究是指在理论研究成果的基 础上，在符合实际工作情况的条件下，对管系进行适当的假设，使得复杂的管道 振动得以简化。输流管道振动的流固耦合机理及其建模理论已经比较完善，对输 流管道振动的研究其主要分为三部分：一足输流管道系统振动响应的计算，二：是 输流管道系统振动模态分析，三是输流管道系统能量流研究；本文主要侧重于后 两者。 1 3 1 输流管道系统模态分析计算 传统输流管道系统模态分析均不考虑流固耦合作用，即假设管道为刚性体， 不发生形变，流体对管道仅有重力作用。但近年来，各国学者研究发现，传统理 论仅对固定约束较多、管道横向形变较小的工程实例能满足精度要求，但当管道 系统刚性不够或外部激励幅值大时，流体与管道之间的耦合作用使得系统的模态 频率及阵型发生变化，在该种情况下，耦合作用不应被忽略，多次发生在核电站、 炼油厂的管道断裂事故，其原因就在于流固之间的耦合作用使得整个管道系统的 模态频率发生变化，如其使管道结构模态有所降低船圳。进一步地，现有输流管 道系统模态分析研究主要针对低频范围内的低阶模态，即主要考虑液体压力波， 管道中的纵波、弯曲波和扭转波，其运动方程简单，求解较为容易。如考虑高频 段，管道运动方程变为非线性的高阶微分方程，其数值计算极为复杂。在工程运 5 中南人学硕士学位论文第一章绪论 用中，一般管系基本处于低频范围，且根据现有资料显示，运用低频进行流同耦 合振动的分析有足够的精度，故本论文重点考虑低频范围内的管道振动情况。 考虑流同耦合作用时，国内外学者对输流管道系统模态分析研究时采用的方 法有：有限元法( f e m ) 协1 、和传递矩阵法( t m m ) 旧7 瑚1 等。 1 有限元法( f e m ) 及其相关方法 有限元法是进行模态分析的种常用方法，其本身已经比较成熟。使用有限 元法进行输液管到系统的模态分析有二三种方法，一是使用现有的通用有限元软 件，对管道和流体域进行分别建模。第二种是将自己编写的流体有限元软件与通 用有限元软件想结合，以弥补通用有限元软件流体建模的难度。第三种方法是自 己编写有限元软件，对流体与管道进行分析。 2 传递矩阵法( t 删) 传递矩阵法是一种常用的进行链式结构模态分析的有效方法，可以对大多数 直管、弯管以及各种边界条件和支撑条件下的输流管道流固耦合振动进行计算和 分析。使用传递矩阵法可以解决波松耦合、摩擦耦合、连接耦合和弯管的边界耦 合问题。传递矩阵法已经被公认为一种较为实用的对书流管道系统振动进行频域 分析的数学手法。 1 3 2 输流管道系统振动试验研究 六十年代以来，各国学者都致力于理论和试验两个方面来对输流管道的振动 进行研究，在试验研究方面的主要进展如下： 1 d u n d e e 钢管试验睁4 0 1 装置主管( 直管) 为一充水或充气( 根据需要而定) 、 两端封闭、且两端自由悬挂式钢管，可用于模拟或精确测量多种流固耦合现象。 y i _ - - _ - - - _ - 二二二二) s o l i d 删n x l l 翌型竺! 坚 兰， ；一l 一一幸 半三o 图1 - 4d u n d e e 钢管试验原理图 此外，其还进行了单弯管管系和“t ”型分支管系的试验：其包含传感器的 安装如图1 - 5 所示( t 型分支管系与单弯管的传感器安装图相似) ： 6 中南犬学硕卜学位论支 第章绪论 三鱼拦主兰d 删。为彳 删p i i i g 铀s j bs ( j ； 一 1 2 5i _ 簪孑吾手i m 4 兰影i m 4 = p t lmm 谨鼍卜w 耵m 巧硼r 1 瑚一 图1 - 5 单弯管管系的测试系统 其中：p t 表示鹾力传感器，s g b 表示应变计 在前两组试验的基础上，还完成了不同管径和不同管道材料的组合管系的试 验，其主要包括以下三种： a 两端等长钢管，一段半径为r ，另外一段半径为r 2 ； b 4 7 5 m 试验管道对比：4 5 m 长的钢管，加装0 2 5 m 的p v c 管，与4 7 5 m 的全 钢管对比； c 6 7 5 m 试验管道对比：4 5 m 长的钢管，加装2 2 5 m 的a b s 管，与6 7 5 m 的全 钢管对比： 2 d h l 管道的r p v 系统h 1 1 。d h l 装置由水箱一管道一阀门系统构成，见图卜6 水箱自动维持所需的常压，阀门具有控制功能。管道和水箱端连接为全约束刚性 链接，阀门端视需要可以视作简支或滑动支承。 坠习如 当阀门端视为滑动支承时，可以考虑系统的结合部+ 泊松+ 摩擦耦合； 当阀门视作简支承时，可以研究系统的泊松+ 摩擦耦合； 表i - id h l 装置的r p v 系统特性参数 7 r | i 南人学硕士：学位论文 第一章绪论 阻尼比 乒d 0 2 运动初始条件为管内流体以l m s 的定常流速流动，在t = o 时刻，远端阀门 突然关闭形成压力波动，此时测试试验系统的振动频率。 除此以外，该试验还研究了在多跨情况下的管道流图耦合情况 3 荷兰d e l f t 水利研究中心h 2 。拈1 。d e l f t 研究小组的试验装置分为两类， 一种为单弯管试验( 见图1 - 7 ) ，另外一种为复杂管系的试验( 见图卜8 ) ；其中 第一种可以部分视作第二种试验的一部分，出处着重介绍第二种试验系统。 图卜7d e l f t 研究小组的单弯管试验模型 图1 - 8d e l f t 研究小组的复杂管试验模型 d e l f t 研究小组的复杂管试验模型的边界条件如下： ( 1 )管道全长为7 7 5 m ，包括6 个弯管； ( 2 ) a 处与h 处为刚性连接，其中a 处安装蓄能器，h 处安装阀f 飞 ( 3 )b 处与g 处为b e n ds u p p o r t ( 弯曲支承? ) ，管道有轴向和转动运动； ( 4 )整个管道悬吊在横梁上，每隔6 m 安装一根悬吊绳； ( 5 )e 处安装可调弹簧，视试验情况安装在x 1 或x 3 方向； 试验主要研究当管道内的流体以某一流速稳态流动时，突然关闭阀门切断稳 态流动时的瞬态变化情况；试验的可调参数为阀门关闭时间，系统刚度和可调弹 簧( 安装在e 处) 的方向。 主要的测试量有： ( 1 ) 稳态时管道内的流量； ( 2 )6 个位置点的动态流体压力； ( 3 )3 根悬吊线上的拉力； ( 4 ) 2 个位置点的稳态流体雎力； ( 5 ) 9 个位置点的管道位移； ( 6 ) 4 8 个位置点的管道应变； 8 卜 中南夫学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 输流管道系统的能量流研究 能量流是一种评价结构振动强弱程度与传播途径的重要指标。能量流研究的 重点是能量在液体与管道中的分布以及各种减振和隔振元件对能最流传递的影 响。各国学者对能量流进行了大量的理论和实践研究，其研究方法如下表1 - 2 所示h h 。 表i - 2 能量流的研究方法 1 4 本文研究目标及主要内容 综上所述，结合本课题的需要、输流管道国内外的研究现状及研究中存在的 问题，本文主要对考虑流固耦合的盾构机液压长管道系统进行模态分析和能量流 研究，其主要包括以下几部分： 1 结合盾构机自身特点，搭建盾构机液压长管道试验台。主要用途是： ( i ) 针对盾构机液压推进系统的特点，建立管道系统的数学模型和有限元 模型； ( 2 ) 分析长直管道、短直管道、弯管、软硬结合管等管系在高低压突变情 9 | f 1 南人学硕士学位论文第一节绪论 况卜的传输特性； ( 3 ) 进行管道系统模态分析和能量流实验，实现管道系统的优化设计 2 根据盾构机液压长管道的特点，总结推导了液压长管道流同耦合振动的 轴向及横向振动的线性微分方程，详细推导出液压长管道的轴向振动和横向振动 的传递矩阵，得到液压长管道流固祸合振动的整体传递矩阵：并以试验台的液压 长管道为例，对长度为8 0 0 0 m m 、内直径为1 9 m m 、壁厚为3 m m 的长直管道的模态 参数进行了数值分析；并对比传递矩阵法与试验测试得到模态参数，分析了传递 矩阵法计算模态的有效性及局限性。 3 由传递矩阵法求解的液压长管道流固耦合振动的模态参数呈现出低频、 密集分布的特点。基于上述特点，本文对盾构机液压长管道的试验模态进行深入 探讨：从振动测量输入和输出信号的角度着手，分析了液压长管道的频率响应函 数的测试，使用锤击法对管道系统进行了试敲，明确了采用固定响应点移动敲击 点的方式进行测量；对液压长管道振动模态测量系统进行了规划和设计，并针对 不同的管道结构的模态试验最佳测试点进行了讨论。 4 进行了盾构机液压长管道振动试验，包括：液压长管道系统静止状态下 的模态试验和液压长管道实际工作情况下的工作振型分析( o p e r a t i o n a l d e f l e c t i o ns h a p e s ) 。通过试验识别出液压长管道系统的模态参数，为结构系统 的振动特性分析以及结构动力特性的优化设计提供依据。对盾构机的液压长管道 系统流固祸合振动做进一步分析，提出了基于优化管道参数和优化激励因素两类 减震措施。 l o 中南人学硕l 学位论艾第_ 章盾构机液胜长管道试验台的搭建 第二章盾构机液压长管道试验台的搭建 盾构机液压长管道试验台主要用途是针对盾构机液艇推进系统的特点，建立 管道系统的数学模型和有限元模哩：分析长直管道、短直管道、弯管、软硬结合 管等管系在高低压突变情况下的传输特性；设计制备盾构机液压长管道实验台， 进行管系模态分析和能：量流实验，验证管道系统流同耦合影响下长管道的振动特 性，提出响应滞后控制策略和管道谐振抑制措施，实现管道系统的优化设计。 2 1 输流管道振动试验台的研究背景 在输流长管道振动试验台方面，国内外主要研究成果由英国d u n d e e 大学的 v a r d y 与f a n 的“d u n d e e 钢管”试验台，荷兰的d e l f t 研究小组的“d h l 管道的 r p v 系统”试验台以及d e i f t 研究小组的“单弯管与复杂管系”试验台，此外， 国内的张一谚翔将输流管道振动的理论运用在水电站输水系统的相关试验。表4 一l 中对比了国内外几种输流管道试验台的参数，其主要参数包括管道( 管长、壁厚、 弹性模量、质量密度、泊松比、剪切分布系数、阻尼比等) 、流体( 流体类型、 流速) 以及试验系统特点( 试验内容，测量系统等) 。 通过表2 - 1 对比国内外几种试验台，可以发现以下特点： 1 管道基本都是采用钢管。一方面，这符合工程中的实际运用的现状，可 以通过试验对工程应用做出指导；另外一方面，钢管易于采购、设计、加工和安 装各类试验装置；正是这一特点，国内外对输流管道试验台的研究都集中在钢管 上。至于英国d u n d e e 大学的v a r d y 与f a n 的“d u n d e e 钢管”试验台中采用p v c 管材，也是通过其对比印证钢管，主要研究的是管道的弹性模量对管道振动状况 的影响。 2 流体以水和液压油为主。这也与工程应用的现状有关，工程中输流管道 主要用来输送石油、液压油，或者用来输送水( 水电站) 、高压水蒸气( 核电站) 等；因此，输流管道试验中的介质( 流体) 也集中在水和液压油这两方面。 3 对输流管道的试验研究主要集中在输流管道及其阀控系统的滞后响应研 究和输流管道的流固耦合振动研究。 t i 南人学硕七学位论文第_ 亭盾构机液雎k 管道试验台的搭建 表2 - i 国内外不同试验系统的比较 r f - 南人学硕l 学位论文第章盾构机液j kk 管道试验台的搭建 2 2 盾构机长管道液压试验台 2 2 1 试验台结构图 本实验平台为模拟盾构机实际液压长管道系统的综合性试验平台。利用 此试验平台，可用来分析长直管道、短直管道、弯管、软硬结合管等管系在 高低压突变情况f 的传输特性；进行管道系统模态分析和能量流实验，实现 管道系统的优化设计。试验台结构如图2 一l 所示。 图2 - 1 盾构机长管道液压试验台结构图 圈 l 系统l i _ _ - - - - - - - - - - - 一 1 动力液压系统：由大容量油箱、粗滤油器、细滤油器以及液压源构成； 其中动力液压源以变频电机作为动力，配以变量泵以实现可调的压力。 2 长直管道和短直管道：分为进油管系和 日1 油管系两组。每组由七根管道 组成，每根长度为8 米内径1 9 m 的钢管，由置于管道两端的弯管将其连 接为根长度为5 6 米的长管道系统。通过操作管道上的电磁及手动换向 阀，可以改变接入系统的管道长度，接入管道数目分别有l 、3 、5 、7 ( 即 8 m 、2 4 m 、4 0 m 、5 6 m ) 四种情况； 3 阀控系统：由溢流阀、电液比例多路阀、电磁换向阀等构成，见图2 2 ； 4 液压源：由两部分构成，第一部分是以电动机作为原动机、以变量泵为 主泵的动力液压源；第二部分为由变频电动机作为原动机、以定量泵为 主泵的负载液压源； 5 异型管道系统：由l 型的管道和立体s 型的管道构成； 6 动力缸：推力为7 0 吨的液压油缸作为动力缸； 7 惯性负载：形成为l m 的直线行进的小车，动力缸与加载缸在小车上实 现对顶； 8 加载系统：由加载块、加载液压缸组成。其中加载块由2 0 片长方形钢 板构成，总重为2 吨，加载块可以进行拆装，在试验中可以通过改变加 载块的数量来调节接入系统的负载质量；加载缸的压力可调，通过调整 加载缸的压力，可以调节接入系统的负载的大小，以便得到系统在不同 负载情况下的工作状态。 中南人学硕士学位论文第_ 章盾构机液胝k 管道试验台的搭缱 2 2 2 试验台基本功能 通过长管道系统中电磁换向阀的切换、溢流阀的调整压力等，该试验平台可 模拟盾构机液压系统在不同工况下的工作特征，主要包括： ( 1 ) 模拟盾构机前进、后退、快进、快退、急行换向以及紧急停车等； ( 2 ) 长管道、短管道、异型管道及其相瓦组合后接入系统； ( 3 ) 惯性负载、程控负载的接入与切换； ( 4 ) 可进行多种试验，包括管道响应特性试验、管道振动特性试验以及管 道系统能量流试验等。 1 ) 试验台的阀控系统 试验台的阀控系统主要分为两个液压田l 路：动力缸液压p l 路的阀控系统，由 负载敏感变量泵、泵站出 | 处的先导式电磁溢流，管道出口处的电磁换向阀，以 及控制执行机构的溢流阀、单向阀、电磁换向阀、液控单向阀构成：加载缸液压 回路由定量泵、泵出口处的比例溢流阀、管道出口处的电磁换向阀、梭阀以及溢 流阀构成；其具体的液压回路见图2 - 2 的试验台液压原理图。 其中，动力缸模拟盾构机中的一个推进油缸，可以通过手动切换换向阀l 和2 ，模拟盾构中液压源到执行机构的长管道连接。负载缸则模拟盾构掘进过程 中的外部负载，通过调节减压阀1 7 ，町以模拟不同大小的外部负载，同时动力 缸液压系统的先导电磁溢流阀，根据负载的实现高低的两级调压。其液压缸的t 作状态与阀控系统的关系如表2 - 2 所示： 表2 - 2 阀控系统控制与液压缸工作状态 快进 动 力工进 缸 快退 加 加载 载 缸 卸载 1 y a 通电 1 y a 和3 y a 通电 2 y a 和3 y a 通电 6 y a 通电 5 y a 通电 左位 右位 1 4 左位 右位 中位 右位 左位 右位 左位 右位 中位 右位 左位 t l 南人学硕士学位论文 第_ 章盾构机液擅k 管道试验台的搭建 1 手动换向阀， 6 压力表和流量计， 1 1 梭阀， 1 6 电液换向阀， 图2 - 2 试验台液压原理图 2 手动换向阀， 7 液控换向阀， 1 2 滤油器， 1 7 减压阀， 3 节流阀，4 电磁换向阀，5 溢流阀， 8 液控单向阀，9 电磁换向阀，l o 单向阀， 1 3 先导式电磁溢流阀，“负载敏感变量泵，1 5 定量泵， 1 8 电磁溢流阀 1 5 r l 南人学硕士学位论文第_ 章盾构机液脓长管道试验台的搭建 2 ) 输流长管道系统布置 根据试验室的实际情况，输流管系和【口i 油管系采用相同的布置方式，每组由 七根管道组成，每根长度为8 m 内径1 9 m m 、壁厚3 m m 的钢管，由置于管道两端的 连接块将其连接为一根长度为5 6 m 的长管道系统。其具体布置情况如图2 3 所示： 图2 - 3 输流长( 短) 管道示意图 通过操作管道上的电磁换向阀a 、b 、c ，来改变系统中接入管道的长度，接 入管道数目分别有l 、3 、5 、7 ( 即8 m 、2 4 m 、4 0 m 、5 6 m ) 四种情况；当其中接入 1 根管道时，进行单管的研究，当接入多根管道时，进行多跨复杂管系的研究。 2 2 3 试验台的创新点 1 可变大负载实现 实验台采用推力为7 0 吨的液压油缸作为负载主体，通过动力油缸与负载油 缸对顶惯性小车的方式实现加载；调整负载缸液压回路的比例阀和溢流阀可实现 突变负载和程控负载、调整惯性小车重量达到改变惯性负载的目的；针对液压系 统高压、大冲击的特点，在结构设计上采用高强度的底座、端盖和拉杆组成框架 结构，可最大程度地保证对项油缸的对中，防止液压冲击对油缸正常1 = 作的影响， 其结构如图2 - 4 所示： 町变负载装置的结构为：使用1 0 个地脚螺栓、经过调整水平后将机架固定 在地面上，加载缸底座和动力缸底座通过螺栓连接在机架。加载杠活塞杆和动力 缸活塞杆分别铰接在惯性小车的两端，实现两缸瓦顶；加载缸和动力缸分别使用 两组加固筋及螺栓固定在加载缸底座和动力缸底座上，实现两杠的径向固定；加 载杠前端盖、后端盖与动力缸前端盖、后端盖通过拉杆和螺栓固定在机架上，实 现两杠的轴向固定和对中。惯性小车底部设有滚轮，保证惯性小车能在底座的导 轨上平稳直线运动；惯性小车上装有2 0 块负载，每块重2 0 0 k g ，共计2 吨，限 位螺栓防止负载重心位置的偏移；加载缸的液压回路由泵站、溢流阀、减压阀、 1 6 【l l 南人学硕七学位论文第_ 章盾构机液雎k 管道试验台的搭建 电磁换向阀构成，采用p l c 控制溢流阀和减压阀的输入电信号，可以实现加载缸 无杠腔的压力突变和压力程控变化，即实现突变负载和程控负载； 图2 - 4 可变负载装置结构示意图 1 为机架，2 为加栽缸底座，3 为加载缸，4 为加载缸前端盖，5 为拉杆，6 为加栽缸活塞， 7 为惯性小车，8 为配重块，9 为配重块定位螺栓，1 0 为车轮，1 1 为动力缸底座，1 2 为动力 缸，1 3 为动力缸拉杆紧固螺栓，1 4 为动力缸后端盖，1 5 为端盖紧固螺栓，1 6 为动力缸前端 盖，1