农田灌溉机薄壁软管失效分析

贺静

农田灌溉机薄壁软管失效分析

贺静

铜陵学院机械工程学院;工程液压机器人安徽普通高校重点实验室;铜陵市增材制造重点实验室, 安徽 铜陵 244000

为提高农田灌溉机薄壁软管失效分析的准确性，本文设计了一个农田灌溉机薄壁软管失效分析方法。在分析了软管失效影响因素的基础上建立了软管挤压过程有限元分析模型，对薄壁软管以及应力进行模拟，最后建立临界屈曲应变模型，得到农田灌溉机薄壁软管失效分析结果。实验结果表明，此次研究的农田灌溉机薄壁软管失效分析方法提高了软管失效分析的准确性，并提高了分析效率与分析实时性，满足了软管失效分析需求。

农田灌溉机; 软管; 失效分析

薄壁软管具有重量轻、体积小、耐腐蚀、耐高温、高压、吸振和补偿管道大位移差等特点，广泛应用于农田灌溉机械中，由于受多种因素的影响，软管失效事故也较多。对于因事故、环境污染和重大经济损失而引起的软管失效问题，显得尤为重要。当前，有较多学者开展了关于软管失效问题的研究，文献[1]研究了纤维增强复合柔性软管的失效与修复方法，该研究主要对影响软管失效的原因进行了分析，提出了其失效机理，并提出了相应的维修方法；文献[2]研究了弯管压力平衡型膨胀节高温蠕变失效分析方法。该方法主要利用了有限元分析软件进行了应力场模拟，对其失效机制进行了分析。然而，上述文献研究受到一定因素的影响，导致分析结果准确度较低，为此设计一个农田灌溉机薄壁软管失效分析方法，以解决目前存在的问题。

1 研究对象

本文以日本住友金属公司HR3C为例进行研究。该钢以TP310为基材，加入铌、氮合金元素，生产出一种热强度高的新型耐热钢。HR3C在ASME标准中的材质是SA213-TP31 OHCBN，而日本JIS标准中的材质是SUS310mTB。

2 软管失效影响因素分析

在极端复杂的工作环境中软管失效情况[3]，软管与灌溉机不仅存在着相互作用，而且由于输送液体的原因，对于软管失效的定量分析和精确工作过程建模都较难，为此预先对软管失效影响因素分析。

2.1 软管破损的位置及失效形式

2.1.1 疲劳性破坏在软管的作用过程中，软管受到径向交变应力的作用，软管受剪切力的表面受剪切力向外伸展而变薄[4]，两个侧面受压力[5]，材料被连续堆积，其作用图如下所示：

图 1 软管受力图

灌溉机工作中软管温度不断上升，弯曲强度和疲劳极限迅速下降，导致软管变形。另一方面，当交变应力超过软管的持久性极限时，软管外壁开裂，裂纹逐渐增大，最终导致软管疲劳失效。渗漏使其离开软管部分，出现裂纹[6]，使软管回到空心形状，在真空负压抽吸的过程中，空气自然地从缝隙中吸入软管。

2.1.2 撕裂性破坏灌溉机在灌溉中，会受到固体颗粒、石子等的影响，会划伤软管内部表面，留下细小的裂纹，极易造成内应力集中，最终导致裂纹，使其吸水能力降低，泄漏。

2.1.3 突发性爆破由于软管不连续性，输出液体有一定的脉动力，加上管子弯管多，阻力大，瞬时压力可达1.0 MPa以上，迅速膨胀。如果这种力超过了它的拉伸强度，软管的力学性能就迅速下降，每一层都开始脱落，最后破裂[7]。

2.2 影响因素

2.2.1 水力学因素水动力分析结果表明，固液泵的主要失效形式是磨粒磨损失效，分散的磨粒群体的水力磨损与磨粒形状[8]有关：圆角、角形、尖角、危险颗粒；流速。根据不同工程项目施工单位泥浆喷射器的使用情况，发现其磨损因素与使用情况基本一致。

2.2.2 灌溉机挤压因素管子的变形阻力大小与管子内径、材料、挤压轮直径及中心架外径有关。

本文的主要研究方向是如何量化软管泵的性能参数，从而为泵结构几何参数的优化提供必要的依据。为此在上述分析的基础上，

从工作原理上看，灌溉机的排量度[9]和软管内径[10]的截面积有关：

qv=(1)

公式（1）中，qv代表泵的理论排量，代表挤压轮的运动速度，代表软管的横截面积。

2.2.3 软管内外径之比的影响如下图所示，当管内压力均匀分布时，管壁[11]上任意一点的应力状态由作用于该点的三个垂直主应力决定。

图 2 软管常压下受力图

其中，σ代表周向应力，σ代表主应力平行于管子轴线方向，称轴向应力；σ代表沿着管壁的直径方向，称为径向应力。其对应的计算公式为：

上述公式（2）、（3）、（4）中，代表内压，r代表管子外壁半径，r代表管子内壁半径，代表管壁上任意一点的计算半径。

3 软管挤压过程有限元分析

基于上述结果，建立有限元分析模型，对于农田灌溉机薄壁软管的各个部分，需要采用合适的单元进行模拟，保证建立的模型能够反应材料的本构关系。ANSYS程序中提供了230多种单元，在此次研究中，主要采用Solid45、Solid46、Conta173、Targe170四种单元。Solid45体单元，对三维结构进行了模型分析，它由8个节点组成，每个节点具有3个自由度，用来表示软管位移的方向。Solid46层，这是一种Solid45体积单元的分层单元，主要用来模拟厚壳或体层。CONTA173接触单元和TARGE170 目标单元形成一对面—面接触单元，用来模拟软管与灌溉机薄壁的接触。薄壁软管的模拟是通过上述过程进行的，并据此建立了边界条件，软管失效机理的分析主要是针对软管应力-应变的分析。为限制软管的刚体位移，应根据实际情况，采用合适的边界条件。分析表明，由于软管具有左右对称性，可对对称面施加对称性约束，此次研究中把薄壁作为刚面处理，并对其进行固定约束。

4 临界屈曲应变模型建立

在上述有限元分析模型建立完成的基础上，根据ASTM F1216等标准，考虑到材料的长期蠕变性能，建立临界屈曲应变情况。当屈曲应变达到临界值时，仅与结构的几何尺寸有关，与材料的弹性模量无关，而与材料刚度无关，从而导致结构失稳失效[15]。稳定的应变极限表示为：

公式（5）中，εr代表临界屈曲应变，D代表软管内衬直径，t代表软管内衬壁厚，m代表软管初始应应变。在此基础上，分析长期应变情况，软管在屈服轨迹上移动的位置如图3所示：

上图中，A、B、C、D、E、F分别代表移动点。其计算表达式为：

=0++T(6)

式中代表材料某一个时刻发生应变，0代表材料使用时间，+代表材料应变改变率，T代表第个试验时间下的应变常数。进而得到施加应力后软管的应变情况，从而得到农田灌溉机薄壁软管失效分析结果。

5 实验分析

为了验证此次研究的农田灌溉机薄壁软管失效分析方法的有效性，进行实验分析。将文献[1]纤维增强复合柔性软管的失效与修复方法与文献[2]中弯管压力平衡型膨胀节高温蠕变失效分析方法与此次研究的分析方法对比，对比三种分析方法的有效性。

5.1 实验环境

此次研究的测试环境如图4所示：

图 4 实验测试平台硬件组成

图 5 实验流程

通过采集卡和PLC采集压力、位移等各种传感器和报警信号，并将其传送到工业控制计算机。通过虚拟软件对信号进行处理，输出到显示器、打印机等输出设备，从而对实验结果进行分析。实验流程如图5所示。

5.2 失效分析时间对比

农田灌溉机薄壁软管失效分析方法与传统两种根系方法的分析时间对比结果见表1。

表 1 失效分析时间

通过分析上表能够发现，传统的纤维增强复合柔性软管的失效与修复方法、弯管压力平衡型膨胀节高温蠕变失效分析方法在几次实验下，所花费的软管失效分析时间较此次研究的分析时间多。

5.3 失效分析准确性对比

三种方法的失效分析准确性对比结果如图6所示，此次研究的分析方法能够准确分析出软管失效情况，较传统分析方法的失效分析准确性高。

图 6 失效分析准确性对比

5.4 失效情况发生后发现实时性对比

软管发生失效的实际时间为已知，将三种方法发现软管失效的时间与实际时间对比，对比三种方法的实时性。

表 2 失效情况发生后发现实时性对比

通过分析可知，在软管失效情况发生后，此次研究的方法在短时间内就能够发现失效情况，较传统两种分析方法的分析实时性好。综上所述，此次研究的农田灌溉薄壁软管失效分析方法分析准确性高、分析时间短，并且分析实时性好。原因是此次研究的分析方法预先对失效影响因素进行了分析，并建立了有限元分析模型以及临界屈曲应变模型，从而获得了较好的软管失效分析结果。

6 结论

本文设计了一个农田灌溉机薄壁软管失效分析方法，并通过实验验证了此次研究的分析方法的有效性。此次研究的分析方法的创新点在于，采用了有限元分析软件对软管挤压过程进行模拟，并采用临界屈曲应变模型对其失效情况进行了分析，从而获得了较好的分析结果。然而由于研究时间的限制，此次研究的分析方法还存在一定的不足，在后续研究中，将做更深入的探讨。

[1]王元,莫仁杰,王勇.纤维增强复合柔性软管的失效与修复[J].中国造船,2019,60(1):244-251

[2]张力文,李佳南,刘强,等.弯管压力平衡型膨胀节高温蠕变失效分析[J].热加工工艺,2018,47(1):261-264

[3]刘省勇,何英勇,谢洪虎,等.核电厂气闸门机械传动机构用薄壁齿轮失效分析及设计改进研究[J].核动力工程,2020,239(2):125-129

[4]丁思云,李凤成,王永乐,等.基于故障与失效分析的机械密封运行维护方法研究[J].流体机械,2020,573(3):35-39

[5]李循迹,王福善,李发根,等.机械复合管衬层塌陷失效分析及对策研究[J].金属热处理,2019,44(1):556-559

[6]赵玉飞,张彦军,郭继银,等.埋地管道绝缘接头内腐蚀失效分析及机理研究[J].材料保护,2020,498(7):154-160

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

安徽省高等学校自然科学研究项目(KJ2020A0701)

贺静(1976-),女,硕士,讲师,主要从事金属材料研究. E-mail:tljingh@sina.com