TBM液压阀块流道压降特性研究*

张怀亮 彭玲 周井行

(中南大学 机电工程学院∥高性能复杂制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410083)

全断面硬岩掘进机(TBM)广泛应用于大型基建项目的隧道建设中,它长期工作在有强振动的恶劣环境下[1- 3].强烈的基础振动会改变TBM液压阀块内流道流场的分布,导致阀块流道流通性能不佳,进而使得整个液压系统性能不稳定、能源利用率低,最终影响掘进过程中多个功能的实现[4- 5].因此,研究基础振动参数对阀块流道压降特性的影响规律,能为优化阀块结构、减小阀块内流体的压降波动和压力损失提供理论依据.

由于流道在工程应用中的普遍性和流道结构的复杂性、多样性,吸引了国内外大量学者对其进行研究.Souza等[6]运用四端子传递矩阵得到了管路两端的压力和流量特性；Taylor等[7]对直角弯道内流体的流速和压力进行了实验测量,获得了不同条件下的弯道内速度分布和壁面压力分布规律;Lisowski等[8]对换向阀流道进行几何建模,并通过CFD仿真了前后两种不同换向阀流场特性;张河新等[9]通过实验研究得到了直角转弯流道在不同参数和工作环境下的流量及压力损失规律;胡国清[10]仿真得到了多路换向阀阀内流道的压力和速度的变化规律;王林翔等[11]仿真了滑阀内部流道流体的流动,得到了流道流体的流动速度和压力等仿真结果;冀宏等[12]对滑阀和锥阀进行了流场仿真,并研究了其压力分布规律；吴志强等[13]仿真分析了调节阀组的内部流场,并进行了压损改进；叶永玖[14]对交流液压管道的动态特性和流场进行了研究,得到了系统振动频率与传输效率的关系.

从以上研究可以看出,相关专家学者对流道的研究较多,但极少有考虑到基础振动对流道油液流场的影响.阀块内流道错综复杂,却少有研究对其进行明确的分类.因此,文中对阀块内流道进行了明确分类,并研究了基础振动对各类流道压降的影响规律.研究结果对进一步提高整个液压系统性能的稳定性和工作效率具有重要意义.

1 模型的建立

液压阀块是在金属材料上根据液压原理图的要求钻削加工出用于油路连通的管口以及内部流道.图1为液压阀块内流道的连通示意图,确定与入口方向一致为X向,平行于工艺孔轴向为Y向,垂直于X、Y向平面为Z向.

图1 液压阀块内流道的连通示意图

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

综合分析液压阀块流道的结构可知,它们相同的特征有：孔道与孔道通过直角垂直连接;通常两个以上的短孔道组成一个管网;分支管路一般由孔道与工艺孔容腔相交而形成;在阀块表面,所有的工艺孔都被堵死,形成一段不参与主流道的工艺孔冗余腔.

通过对液压阀块内孔道常用连通方式的梳理总结,将阀块内管网分为3种典型的流道：U型(用于连通同一面上液压孔道)、V型(用于连接相邻面孔道)和Z型(用于连通相对面液压孔道),建立这3种典型流道流场的几何模型，如图2所示.

图2 典型流道流场示意图

在ANSYS软件中对3种典型流道的流场几何模型采用分块形式进行网格划分,即较规则的区域用结构化的网格处理,不规则区域用非结构化的网格处理[15].此外,考虑到近壁面区域流体流动的复杂性,在近壁面区域添加边界层网格.网格划分后流道的流场模型如图3所示.

进行流场仿真时[16],因为动网格模型可用来模拟流场由于边界运动随时间改变的问题,所以阀块内流场由于基础振动随时间的变化用动网格模型表达[17].文中采用用户自定义函数(UDF)开发接口定义基础振动的运动方式,将弹簧光滑模型和局部重划模型作为网格的更新模型,能使网格的拓扑关系一直维持不变,保证了计算精度.再选择46号液压油为流体材料,其密度为870 kg/m3,动力黏度为0.039 15 kg/(m·s),热传导系数为0.12 W/(m·K),比热容为1 700 J/(kg·K).

图3 典型流道流场的网格划分

2 实验验证

为了验证仿真模型的正确性,考虑已有的实验条件,以受Y方向上基础振动影响最大的Z型流道为例,通过实验分析了流道的压降与基础振动频率的关系.

图4为实验系统原理图[18],实验系统由液压系统、振动系统和数据采集与分析系统组成,被测Z型(45钢)流道安装在液压系统之中.在液压系统中,由型号为Y2- 160M- 4的电机驱动变量柱塞泵3运行提供动力,从而驱动液压缸推进,由调速阀7确定流道入口的流量,比例溢流阀8调节系统的压力,节流阀11模拟系统的负载.在振动系统中,可以由程序控制振动台输出所需振动信号.在数据采集与分析系统中,由智能信号采集处理分析系统(DASP)

图4 实验系统原理图

对流道进出口压力信号进行监测和采集,再连接到EN880无纸记录仪对采集的数据进行处理并记录,最后通过DASP- V10分析软件对记录的数据进行处理分析.

设定振动系统的简谐振动幅值为1 mm,频率依次设定为50、60、80、90、100、120 Hz.设定液压系统的流量为16 L/min,通过压力传感器(型号为MIK- P300- 5- 0.1)测量Z型流道进出口压力.

图5为不同基础振动下Z型流道压降实验值和仿真值的对比结果.可见：随着基础振动频率的增大,流道压降的波动幅值增大.在基础振动频率为100 Hz时,实验值和仿真值分别为41.1 kPa和35.3 kPa,相对误差最大为14.1 %；基础振动频率为120 Hz时,实验值和仿真值分别为44.3 kPa和43.6 kPa,相对误差最小约为2 %.相对误差在15%以内的原因是：仿真模型本身是对实际情况的一种近似模拟,实验和数据采集过程中也会有不可避免的误差.上述结果证明了仿真模型的正确性.

图5 实验值与仿真值对比

3 仿真分析

3.1 有无基础振动的流道压降对比

为了确定基础振动是否对流道油液流场有影响,以液压阀块中使用最普遍的U型流道为例,分别对有无基础振动的流道流场进行仿真分析.无基础振动时,可以看成是一个稳态计算,设置监测窗口为流道进出口的压力.在振动幅值为1 mm、频率为100 Hz,X向基础振动下,压力随时间变化是一瞬态问题,需同时监测流道进出口的压力和流量(监测流量有利于辅助判断计算是否收敛).

如图6所示,从某一时刻有无基础振动的流道压力云图可以看出,基础振动下压力略大于无基础振动的情况.

图6 U型流道的压力云图

监测有无基础振动的流道进出口压力差即流体压降Δp随时间t的变化规律,结果如图7所示.无基础振动时,流体压降为265.2 kPa,不随时间发生变化.在基础振动下,压降随时间发生近似周期性的波动,波动周期和基础振动周期一致为0.01 s,波动幅值约35.1 kPa,平均压降为269.0 kPa,相比无基础振动时增大了4.0 kPa.可以看出基础振动的加入会导致流道压降做周期性波动,并使得一个周期内压降平均值比无基础振动时略有增加.

图7 有无基础振动压降对比

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

3.2 基础振动下的流道压降特性分析

为了研究基础振动参数对典型流道压降特性的影响,运用单因素分析法分析不同振动方向和强度下流道压降随时间的变化规律[19].

3.2.1 振动方向对流道压降特性的影响

液压阀块安装在TBM基础上,会受到来自各个方向的振动,因此有必要研究不同振动方向对流道压降的影响规律.设定基础振动频率为50 Hz,基础振动幅值为1 mm,分别对不同振动方向下U型、Z型、V型流道流场进行仿真分析,监测流道进出口压力.

图8示出了基础振动方向对U型流道压降的影响.在不同的振动方向下,压降都随时间做周期性波动,波动周期和振动周期一致为0.02 s.在X方向的振动下,压降波动幅值为11.2 kPa;在Y方向的振动下,波动幅值达32.0 kPa;在Z方向的振动下,即振动方向垂直于U型流道平面时,波动幅值仅为2.0 kPa.因此U型流道的压降受Y向基础振动的影响最大,受Z向基础振动的影响最小.

图8 不同振动方向下U型流道压降对比

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

图9示出了Z型流道在不同振动方向下压降随时间的变化规律.在不同的振动方向下,压降随着基础振动做周期性波动,波动周期和振动周期一致.在与流道平面垂直的方向即Z方向的振动下,压降波动幅值最小,仅为2.5 kPa;在X方向的振动下,压降波动幅值最大,达到55.0 kPa.在Y方向的振动下,流道压降波动幅值为33.0 kPa.因此Z型流道的压降受X向基础振动的影响最大,受Z向基础振动的影响最小.

图9 不同振动方向下Z型流道压降对比

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

图10示出了V型流道在不同方向的基础振动下压降随时间的变化规律.在不同的振动方向下,流道的压降均为周期性波动,波动周期和振动周期一致.在X方向的振动下,压降波动为26.0 kPa;在Y方向的振动下,波动幅值为29.6 kPa;在Z方向的振动下,波动幅值最大为31.2 kPa.因此V型流道受X、Y、Z3个振动方向的影响依次略有增大.

图10 不同振动方向下V型流道压降对比

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

3.2.2 振动强度对流道压降特性的影响

从上述分析中可得,在不同振动方向上,各流道的压降幅值和平均值随时间的变化规律都是一致的.因此,为简化研究过程,特选取液压阀块中最常用的U型流道为代表,设定基础振动方向为X向,研究不同基础振动强度下流道的压降变化规律.

(1)基础振动频率对流道压降特性的影响

根据现场采集,并参考相关文献,得到TBM掘进过程中基础振动频率的范围为40～100 Hz[20- 21].为了确定基础振动的频率对流道压降特性的影响,设定基础振动幅值为1 mm,分别取振动频率为50、80、100 Hz,仿真分析流道压降与振动频率的关系.

如图11所示,X向基础振动下,U型流道压降随时间做周期性波动,波动周期等于基础振动的周期.频率为50 Hz时,压降波动幅值约为11.2 kPa,平均压降为266.3 kPa;频率为80 Hz时,压降波动幅值约为20.3 kPa;频率为100 Hz时,压降波动幅值达35.1 kPa,平均压降为268.9 kPa;因此,随基础振动频率的增大,流道的压降波动幅值和平均值增大.

(2)基础振动幅值对流道压降特性的影响

为了研究基础振动幅值对流道压降特性的影响,设定基础振动频率为50 Hz,取振幅分别为0.5、1.0、2.0 mm,监测流道进出口的压力,仿真分析振动幅值对压降特性的影响.

图11 不同振动频率下流道的压降变化

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

如图12所示,X向基础振动下,U型流道压降随时间做周期性波动,波动周期等于基础振动的周期.振动幅值分别为0.5、1.0、2.0 mm时,对应的压降波动幅值为6.4、11.2、21.3 kPa.因此,随着基础振动幅值的增大,流道的压降波动幅值和平均压降增大.

图12 不同振幅下流道的压降变化

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

3.2.3 同强度下不同振动环境对流道压降特性的影响

TBM上液压元件所受振动强度是在一定范围内的[22].为了研究在相同振动强度、不同振动环境下流道压降的变化规律,以液压阀块中最常用的U型流道为例,根据现场采集的数据设定外界振动强度为10g(其中g为重力加速度，为9.8 m/s2),取不同的振动参数,见表1.

表1 基础振动强度为10g时的不同振动参数

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

频率/Hz5060708090100120150200振幅/mm1.9801.3801.0100.7750.6000.4960.3450.2200.124

由图13可知,振动强度相同，为10g时,取振动频率为50 Hz、振幅为1.980 mm,流道压降波动幅值为22.3 kPa,取振动频率为200 Hz、振幅为0.124 mm,流道压降波动幅值降低至18.4 kPa.可得在相同振动强度下,随着振动频率增加(振幅减小),流道压降波动幅值有所减小.即高频低幅环境有利于减小流道压降波动.

由图14可知,振动强度相同，为10g时,取振动频率为80 Hz、振幅为0.775 mm,流道的平均压降为266.6 kPa,取振动频率为200 Hz、振幅为0.124 mm,流道平均压降为270.1 kPa.可见：随着频率增加(振幅减小),流体内压能变化加快导致油液紊流状态有所加强,平均压降略有增加，即高频低幅环境会增大流道压力损失.

图13 基础振动强度为10g时流道压降波动幅值随振动频率的变化规律

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

图14 基础振动强度为10g时流道的平均压降随振动频率的变化规律

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

4 结论

建立了基础振动下液压阀块典型流道的流场仿真模型,并通过实验验证了仿真模型的正确性,得到以下结论：

(1)基础振动下,液压阀块流道的压降随时间做周期性波动,波动周期与振动周期一致.

(2)在X方向振动下,应避免选用Z型流道;在Z方向振动下,应避免选用V型流道;在Y方向振动下,宜选用V型流道.

(3)随着基础振动强度的增大,液压阀块流道的压降波动幅值和平均值增大.在相同振动强度下,高频低幅环境有利于减小压降波动,但会加大压力损失.

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