振動環(huán)境下液壓膠管疲勞壽命分析

趙紅霞

（國家能源集團(tuán)神東煤炭設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

引言

文中對在油壓和正弦振動載荷下的纏繞式與編織式液壓膠管的疲勞壽命進(jìn)行了研究，可以得出纏繞式與編織式液壓膠管的抗振性能。

一、數(shù)學(xué)模型

（一）TBM 液壓膠管振動環(huán)境描述TBM 工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的隨機(jī)振動，這些振動通過刀盤、主梁傳遞到后方的液壓膠管，引起液壓膠管的振動。TBM 所處環(huán)境為隨機(jī)振動，簡諧振動是一種基礎(chǔ)的振動，多個(gè)簡諧振動可以構(gòu)成隨機(jī)振動，為了分析方便，用簡諧振動來描述振動環(huán)境對液壓膠管的影響規(guī)律。

（二）應(yīng)力-壽命關(guān)系一般情況下，液壓膠管中鋼絲所承受的循環(huán)

載荷的應(yīng)力幅越小，到發(fā)生疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越長，液壓膠管壽命就越長。S-N 曲線就是鋼絲材料所承受的應(yīng)力幅水平S 與該應(yīng)力幅下發(fā)生疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線。若鋼絲的應(yīng)力幅值超過其疲勞極限σ-1，鋼絲就會發(fā)生疲勞破壞，從而導(dǎo)致膠管隨之發(fā)生疲勞破壞。如圖1，S-N 曲線中的水平直線部分對應(yīng)的應(yīng)力水平就是膠管鋼絲的疲勞極限。

圖1 S-N 曲線

二、液壓膠管疲勞壽命計(jì)算

根據(jù)研究得出液壓膠管的理論模型，將膠管鋼絲增強(qiáng)層轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料層合板模型進(jìn)行討論。為便于分析，假設(shè)：

a.液壓膠管為全新；

b.液壓膠管沒有任何制造缺陷。將鋼絲層看成由鋼絲和橡膠組成的復(fù)合層，其中橡膠看作基體，鋼絲看作纖維；1 方向?yàn)槔w維方向，2 方向?yàn)榇怪崩w維方向，纏繞式膠管微觀結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 液壓膠管微觀結(jié)構(gòu)

三、振動參數(shù)對壽命的影響

（一）無振動對膠管的影響

圖3 為無振動環(huán)境下膠管最外層鋼絲最大主應(yīng)力幅隨時(shí)間的變化，在實(shí)際情況下，油壓會隨時(shí)間變化而產(chǎn)生波動，因此膠管最外層鋼絲所受的最大主應(yīng)力幅也會隨時(shí)間而改變。由圖可知，編織式液壓膠管最外層鋼絲最大主應(yīng)力幅為49MPa 左右，纏繞式液壓膠管最大主應(yīng)力幅為37MPa 左右，這是因?yàn)樵跓o振動環(huán)境下，編織式膠管中間鋼絲層存在應(yīng)力集中對最大主應(yīng)力影響較大。

圖3 無振動對膠管影響

（一）振動振幅對壽命的影響

在油壓12MPa、頻率20Hz、18Hz、16Hz 條件下，振動幅值在1-8mm 范圍內(nèi)對膠管壽命的影響如圖4 所示。

圖4 振幅對壽命的影響

從圖中可以看出，在頻率分別為20Hz、18Hz、16Hz 時(shí)，纏繞式液壓膠管與編織式液壓膠管均在振幅分別為5mm、6mm、7mm后開始發(fā)生疲勞破壞，且壽命不斷下降。由振動加速度與頻率及振幅的關(guān)系（）求得，此時(shí)振動加速度均在8g 附近，因?yàn)榇藭r(shí)膠管鋼絲所承受的交變應(yīng)力并未超過鋼絲的疲勞極限；在頻率為1Hz、5Hz、10Hz 下，振幅為1-8mm時(shí)均未發(fā)生疲勞破壞，可以得到當(dāng)振動加速度達(dá)到8g 附近時(shí)膠管將發(fā)生疲勞破壞。在頻率20Hz 振幅6mm 振動下，纏繞式液壓膠管壽命為14.3 萬次，編織式液壓膠管壽命為16.61 萬次；隨著振幅增加，纏繞式與編織式液壓膠管的壽命均不斷下降，當(dāng)振幅增加至8mm 時(shí)，纏繞式膠管壽命降至8.1 萬次，編織式膠管壽命降至10.7 萬次，可以看出，同等條件下編織式液壓膠管疲勞壽命比纏繞式膠管疲勞壽命長。

（二）振動頻率對壽命的影響

在油壓12MPa、振幅1mm、3mm、4mm、5mm、6mm 條件下，頻率在1-40Hz范圍內(nèi)對膠管壽命的影響如圖5 所示。

圖5 頻率對壽命的影響

從圖中可以看出，在振幅分別為6mm、5mm、4mm 時(shí)，纏繞式與編織式液壓膠管在高于頻率18Hz、20Hz、23Hz 后開始發(fā)生疲勞破壞，因?yàn)殇摻z所承受的應(yīng)力變化超過鋼絲的疲勞極限，此時(shí)振動加速度在8g 附近；在振幅1mm、3mm 時(shí)，膠管在1-40Hz 頻率內(nèi)均未發(fā)生疲勞破壞。在振幅4mm、5mm、6mm，頻率40Hz 時(shí)，兩種膠管壽命最低；其中振幅5mm 時(shí)，纏繞式液壓膠管壽命為1.75 萬次，編織式液壓膠管壽命為2.12 萬次，通過兩種膠管的模態(tài)分析可知，纏繞式液壓膠管一階模態(tài)共振頻率為38Hz，編織式液壓膠管一階模態(tài)共振頻率為39Hz，40Hz 均接近兩種膠管的共振頻率，同等條件下編織式液壓膠管疲勞壽命比纏繞式膠管疲勞壽命長。

（三）油壓對壽命的影響

在振幅5mm、頻率25Hz的條件下，在10MPa 油壓下，纏繞式膠管壽命為13.74 萬次，編織式膠管壽命為15.4 萬次；當(dāng)油壓增至18MPa 時(shí)，纏繞式膠管壽命下降至1.09 萬次，下降了12.65 萬次；編織式液壓膠管下降至3.24 萬次，下降了12.16 萬次，隨著油壓的上升，纏繞式膠管與編織式膠管壽命均有下降。同等條件下編織式液壓膠管疲勞壽命比纏繞式膠管疲勞壽命長。

結(jié)語

（1）在無基礎(chǔ)振動環(huán)境下，纏繞式膠管疲勞壽命優(yōu)于編織式膠管；在基礎(chǔ)振動條件下，編織式膠管疲勞壽命優(yōu)于纏繞式膠管。TBM 液壓膠管長期處于隨機(jī)振動環(huán)境下，建議優(yōu)先選用編織式膠管。

（2）當(dāng)振動加速度達(dá)到某一臨界值（8g）時(shí)膠管中鋼絲所受應(yīng)力大于鋼絲疲勞極限時(shí)，纏繞式與編織式膠管均發(fā)生疲勞破壞，程中存在的問題的研究以及傳播質(zhì)量的研究。