農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析

賀靜

農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析

賀靜

銅陵學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院;工程液壓機(jī)器人安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;銅陵市增材制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 銅陵 244000

為提高農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析的準(zhǔn)確性，本文設(shè)計了一個農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法。在分析了軟管失效影響因素的基礎(chǔ)上建立了軟管擠壓過程有限元分析模型，對薄壁軟管以及應(yīng)力進(jìn)行模擬，最后建立臨界屈曲應(yīng)變模型，得到農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此次研究的農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法提高了軟管失效分析的準(zhǔn)確性，并提高了分析效率與分析實(shí)時性，滿足了軟管失效分析需求。

農(nóng)田灌溉機(jī); 軟管; 失效分析

薄壁軟管具有重量輕、體積小、耐腐蝕、耐高溫、高壓、吸振和補(bǔ)償管道大位移差等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉機(jī)械中，由于受多種因素的影響，軟管失效事故也較多。對于因事故、環(huán)境污染和重大經(jīng)濟(jì)損失而引起的軟管失效問題，顯得尤為重要。當(dāng)前，有較多學(xué)者開展了關(guān)于軟管失效問題的研究，文獻(xiàn)[1]研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合柔性軟管的失效與修復(fù)方法，該研究主要對影響軟管失效的原因進(jìn)行了分析，提出了其失效機(jī)理，并提出了相應(yīng)的維修方法；文獻(xiàn)[2]研究了彎管壓力平衡型膨脹節(jié)高溫蠕變失效分析方法。該方法主要利用了有限元分析軟件進(jìn)行了應(yīng)力場模擬，對其失效機(jī)制進(jìn)行了分析。然而，上述文獻(xiàn)研究受到一定因素的影響，導(dǎo)致分析結(jié)果準(zhǔn)確度較低，為此設(shè)計一個農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法，以解決目前存在的問題。

1 研究對象

本文以日本住友金屬公司HR3C為例進(jìn)行研究。該鋼以TP310為基材，加入鈮、氮合金元素，生產(chǎn)出一種熱強(qiáng)度高的新型耐熱鋼。HR3C在ASME標(biāo)準(zhǔn)中的材質(zhì)是SA213-TP31 OHCBN，而日本JIS標(biāo)準(zhǔn)中的材質(zhì)是SUS310mTB。

2 軟管失效影響因素分析

在極端復(fù)雜的工作環(huán)境中軟管失效情況[3]，軟管與灌溉機(jī)不僅存在著相互作用，而且由于輸送液體的原因，對于軟管失效的定量分析和精確工作過程建模都較難，為此預(yù)先對軟管失效影響因素分析。

2.1 軟管破損的位置及失效形式

2.1.1 疲勞性破壞在軟管的作用過程中，軟管受到徑向交變應(yīng)力的作用，軟管受剪切力的表面受剪切力向外伸展而變薄[4]，兩個側(cè)面受壓力[5]，材料被連續(xù)堆積，其作用圖如下所示：

圖 1 軟管受力圖

灌溉機(jī)工作中軟管溫度不斷上升，彎曲強(qiáng)度和疲勞極限迅速下降，導(dǎo)致軟管變形。另一方面，當(dāng)交變應(yīng)力超過軟管的持久性極限時，軟管外壁開裂，裂紋逐漸增大，最終導(dǎo)致軟管疲勞失效。滲漏使其離開軟管部分，出現(xiàn)裂紋[6]，使軟管回到空心形狀，在真空負(fù)壓抽吸的過程中，空氣自然地從縫隙中吸入軟管。

2.1.2 撕裂性破壞灌溉機(jī)在灌溉中，會受到固體顆粒、石子等的影響，會劃傷軟管內(nèi)部表面，留下細(xì)小的裂紋，極易造成內(nèi)應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致裂紋，使其吸水能力降低，泄漏。

2.1.3 突發(fā)性爆破由于軟管不連續(xù)性，輸出液體有一定的脈動力，加上管子彎管多，阻力大，瞬時壓力可達(dá)1.0 MPa以上，迅速膨脹。如果這種力超過了它的拉伸強(qiáng)度，軟管的力學(xué)性能就迅速下降，每一層都開始脫落，最后破裂[7]。

2.2 影響因素

2.2.1 水力學(xué)因素水動力分析結(jié)果表明，固液泵的主要失效形式是磨粒磨損失效，分散的磨粒群體的水力磨損與磨粒形狀[8]有關(guān)：圓角、角形、尖角、危險顆粒；流速。根據(jù)不同工程項(xiàng)目施工單位泥漿噴射器的使用情況，發(fā)現(xiàn)其磨損因素與使用情況基本一致。

2.2.2 灌溉機(jī)擠壓因素管子的變形阻力大小與管子內(nèi)徑、材料、擠壓輪直徑及中心架外徑有關(guān)。

本文的主要研究方向是如何量化軟管泵的性能參數(shù)，從而為泵結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)化提供必要的依據(jù)。為此在上述分析的基礎(chǔ)上，

從工作原理上看，灌溉機(jī)的排量度[9]和軟管內(nèi)徑[10]的截面積有關(guān)：

qv=(1)

公式（1）中，qv代表泵的理論排量，代表擠壓輪的運(yùn)動速度，代表軟管的橫截面積。

2.2.3 軟管內(nèi)外徑之比的影響如下圖所示，當(dāng)管內(nèi)壓力均勻分布時，管壁[11]上任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由作用于該點(diǎn)的三個垂直主應(yīng)力決定。

圖 2 軟管常壓下受力圖

其中，σ代表周向應(yīng)力，σ代表主應(yīng)力平行于管子軸線方向，稱軸向應(yīng)力；σ代表沿著管壁的直徑方向，稱為徑向應(yīng)力。其對應(yīng)的計算公式為：

上述公式（2）、（3）、（4）中，代表內(nèi)壓，r代表管子外壁半徑，r代表管子內(nèi)壁半徑，代表管壁上任意一點(diǎn)的計算半徑。

3 軟管擠壓過程有限元分析

基于上述結(jié)果，建立有限元分析模型，對于農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管的各個部分，需要采用合適的單元進(jìn)行模擬，保證建立的模型能夠反應(yīng)材料的本構(gòu)關(guān)系。ANSYS程序中提供了230多種單元，在此次研究中，主要采用Solid45、Solid46、Conta173、Targe170四種單元。Solid45體單元，對三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型分析，它由8個節(jié)點(diǎn)組成，每個節(jié)點(diǎn)具有3個自由度，用來表示軟管位移的方向。Solid46層，這是一種Solid45體積單元的分層單元，主要用來模擬厚殼或體層。CONTA173接觸單元和TARGE170 目標(biāo)單元形成一對面—面接觸單元，用來模擬軟管與灌溉機(jī)薄壁的接觸。薄壁軟管的模擬是通過上述過程進(jìn)行的，并據(jù)此建立了邊界條件，軟管失效機(jī)理的分析主要是針對軟管應(yīng)力-應(yīng)變的分析。為限制軟管的剛體位移，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采用合適的邊界條件。分析表明，由于軟管具有左右對稱性，可對對稱面施加對稱性約束，此次研究中把薄壁作為剛面處理，并對其進(jìn)行固定約束。

4 臨界屈曲應(yīng)變模型建立

在上述有限元分析模型建立完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)ASTM F1216等標(biāo)準(zhǔn)，考慮到材料的長期蠕變性能，建立臨界屈曲應(yīng)變情況。當(dāng)屈曲應(yīng)變達(dá)到臨界值時，僅與結(jié)構(gòu)的幾何尺寸有關(guān)，與材料的彈性模量無關(guān)，而與材料剛度無關(guān)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)失效[15]。穩(wěn)定的應(yīng)變極限表示為：

公式（5）中，εr代表臨界屈曲應(yīng)變，D代表軟管內(nèi)襯直徑，t代表軟管內(nèi)襯壁厚，m代表軟管初始應(yīng)應(yīng)變。在此基礎(chǔ)上，分析長期應(yīng)變情況，軟管在屈服軌跡上移動的位置如圖3所示：

上圖中，A、B、C、D、E、F分別代表移動點(diǎn)。其計算表達(dá)式為：

=0++T(6)

式中代表材料某一個時刻發(fā)生應(yīng)變，0代表材料使用時間，+代表材料應(yīng)變改變率，T代表第個試驗(yàn)時間下的應(yīng)變常數(shù)。進(jìn)而得到施加應(yīng)力后軟管的應(yīng)變情況，從而得到農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析結(jié)果。

5 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證此次研究的農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。將文獻(xiàn)[1]纖維增強(qiáng)復(fù)合柔性軟管的失效與修復(fù)方法與文獻(xiàn)[2]中彎管壓力平衡型膨脹節(jié)高溫蠕變失效分析方法與此次研究的分析方法對比，對比三種分析方法的有效性。

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

此次研究的測試環(huán)境如圖4所示：

圖 4 實(shí)驗(yàn)測試平臺硬件組成

圖 5 實(shí)驗(yàn)流程

通過采集卡和PLC采集壓力、位移等各種傳感器和報警信號，并將其傳送到工業(yè)控制計算機(jī)。通過虛擬軟件對信號進(jìn)行處理，輸出到顯示器、打印機(jī)等輸出設(shè)備，從而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示。

5.2 失效分析時間對比

農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法與傳統(tǒng)兩種根系方法的分析時間對比結(jié)果見表1。

表 1 失效分析時間

通過分析上表能夠發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合柔性軟管的失效與修復(fù)方法、彎管壓力平衡型膨脹節(jié)高溫蠕變失效分析方法在幾次實(shí)驗(yàn)下，所花費(fèi)的軟管失效分析時間較此次研究的分析時間多。

5.3 失效分析準(zhǔn)確性對比

三種方法的失效分析準(zhǔn)確性對比結(jié)果如圖6所示，此次研究的分析方法能夠準(zhǔn)確分析出軟管失效情況，較傳統(tǒng)分析方法的失效分析準(zhǔn)確性高。

圖 6 失效分析準(zhǔn)確性對比

5.4 失效情況發(fā)生后發(fā)現(xiàn)實(shí)時性對比

軟管發(fā)生失效的實(shí)際時間為已知，將三種方法發(fā)現(xiàn)軟管失效的時間與實(shí)際時間對比，對比三種方法的實(shí)時性。

表 2 失效情況發(fā)生后發(fā)現(xiàn)實(shí)時性對比

通過分析可知，在軟管失效情況發(fā)生后，此次研究的方法在短時間內(nèi)就能夠發(fā)現(xiàn)失效情況，較傳統(tǒng)兩種分析方法的分析實(shí)時性好。綜上所述，此次研究的農(nóng)田灌溉薄壁軟管失效分析方法分析準(zhǔn)確性高、分析時間短，并且分析實(shí)時性好。原因是此次研究的分析方法預(yù)先對失效影響因素進(jìn)行了分析，并建立了有限元分析模型以及臨界屈曲應(yīng)變模型，從而獲得了較好的軟管失效分析結(jié)果。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一個農(nóng)田灌溉機(jī)薄壁軟管失效分析方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此次研究的分析方法的有效性。此次研究的分析方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于，采用了有限元分析軟件對軟管擠壓過程進(jìn)行模擬，并采用臨界屈曲應(yīng)變模型對其失效情況進(jìn)行了分析，從而獲得了較好的分析結(jié)果。然而由于研究時間的限制，此次研究的分析方法還存在一定的不足，在后續(xù)研究中，將做更深入的探討。

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[4]丁思云,李鳳成,王永樂,等.基于故障與失效分析的機(jī)械密封運(yùn)行維護(hù)方法研究[J].流體機(jī)械,2020,573(3):35-39

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Failure Analysis of Thin-walled Hose of Farmland Irrigation Machine

HE Jing

;;244000,

To improve the accuracy of the thin-walled tube irrigation machine failure analysis, design a irrigation machine thin-walled tube failure analysis method. On the analysis of the factors that affect hose failure hose extrusion process was established on the basis of finite element analysis model, the thin wall tube and simulation, stress the last critical buckling strain model was established, irrigation machine thin-walled tube failure analysis results are obtained. Experimental results show that the study of farmland irrigation machine thin-walled tube failure analysis method improve the accuracy of the hose failure analysis, and improve the analysis efficiency and real-time, and meet the demand of the hose failure analysis.

Farmland irrigation machine; thin wall hose; failure analysis

TU99

A

1000-2324(2021)02-0283-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.022

2020-11-05

2020-12-06

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2020A0701)

賀靜(1976-),女,碩士,講師,主要從事金屬材料研究. E-mail:tljingh@sina.com