TBM液压管道抗振结构设计方法

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1、2017年2月第43卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeringUniversityofAeronauticsandAstronauticsFebruary2017V01．43No．2http：／／bhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0135TBM液压管道抗振结构设计方法宁海辉1，张怀亮1’2一，瞿维1，彭欢1(1．中南大学机电工程学院，长沙410083；2．中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，长沙410083)摘要：针对硬岩掘进机工作过程

2、中产生的强烈振动影响管道的工作性能的问题，建立了基础振动下两端固定支撑输流管道横向振动的数学模型，运用Galerkin方法和等效弯矩法对管道最大应力进行了数值求解，并且用实验证实了数学模型的正确性。研究了基础振动参数对管道最大应力的影响规律，并根据最大应力判据条件得到了不同基础振动参数下管道工作的正常．失效区域，制定了以流量一压力一强振动参数为依据的管道抗振结构设计方法。结果表明：基础振动会引起液压管道应力剧增而导致其工作失效，新的设计方法能有效改善强振动环境下管道的工作性能。关键词：基础振动；液压管道；应力分析；抗振结构；设计方法中图分类号：THl

3、l3文献标识码：A文章编号：1001—5965(2017)02-0344-08全断面硬岩掘进机(TunnelBoringMachine，TBM)是在恶劣环境中进行掘进作业的大型隧道挖掘设备，在工作过程中，岩石破碎所产生的强烈振动、隧道爆破带来的振动、TBM的自激振动及其他原因引起的振动，使得掘进机上的液压系统工作在强振动的恶劣工况下‘1。2。，液压管道是液压系统的重要元件，为保证掘进过程中的安全和效率，要求液压管道具有良好的稳定性和可靠性，而传统依据流量一压力设计的管道由于没有考虑强振动环境的影响，在振动位移过大而导致大的循环应力的情况下，极易出现疲

4、劳破坏，因此，需考虑基础振动的影响，对管道应力进行分析，进而制定TBM液压管道抗振结构设计方法，指导强振动环境下的管道设计和安装。管道应力研究方面，吴晓南等‘3。对压力测试环境下的输气管道进行了应力分析，研究了管道应力的分布及其敏感截面位置。Xia等‘4。分析了因地质灾害而出现悬浮的管道在不同长度时的应力分布。Xiao等‘51建立了热油管道应力分析模型，分析了压力的变化对管道应力的影响。但上述研究都只是静态应力分析，忽略了基础振动的影响，而对工作在振动环境下的管道，管道在各时间点的振动形态都不一样，仅求出管道静态应力的分布和最大应力点，不能全面反映管

5、道整个运行过程中的应力幅值及易发生破坏的位置。管道设计研究方面，耿艳辉和詹晨菲¨1对大长液压管道的特殊设计进行了探讨，提出了内径和厚度的设计方法，并对管道耐压进行了校核计算。朱博"。在管道通径的选择计算、布管原则及装配等方面进行了分析。Svedeman和Arnold旧J改进了冲蚀与腐蚀运行环境下多相流管道设计准则。美国动力管道标准"o规定了不同温度范围下不同材料和类型的管道的许用应力值。但现有文献都只给出了管道失效的判据条件，没有进一步给出不同工况和载荷下管道结构参数设计的具体方法和步骤，也没有考虑基础振动对管道的影响。收稿日期：2016-02．23

6、；录用日期：2016-05．13；网络出版时间：2016-06—1516：50网络出版地址：WWW．enki．net／kcms／detail／l1．2625．V．20160615．1650．002html基金项目：国家“973”计划(2013CB035404){通讯作者：Email：zhl2001@CSU．edu．en引用格式：宁海辉，张怀亮，瞿维，等．TBM液压管道抗振结构设计方法ⅣJ．北京航空航天大学学报，2017，43(2)：344．351．NINGHH，ZHANGHL，QUW，eta1．Designmethodofanti-vibration

7、structureforTBMhydraulicpipe【J3．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(2)：344-351(inChinese)．第2期宁海辉，等：TBM液压管道抗振结构设计方法345针对传统液压管道设计是根据流量和压力选择内径和厚度，仅靠经验选择管道固支间距的局限性，本文基于应力分析提出以流量．压力一强振动为依据的TBM抗振结构设计方法，保证基础振动下的管道工作正常可靠，能为在强振动环境下工作的TBM管道抗振结构设计提供一定的指导。1横向振动下输

8、液管道数学模型截取掘进机上一段两端固定支撑的输液管道，不考虑相邻的固支管道对它产生的影响，输液管道模型简化为