振动环境下液压胶管疲劳寿命分析

赵红霞

（国家能源集团神东煤炭设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200）

引言

文中对在油压和正弦振动载荷下的缠绕式与编织式液压胶管的疲劳寿命进行了研究，可以得出缠绕式与编织式液压胶管的抗振性能。

一、数学模型

（一）TBM 液压胶管振动环境描述TBM 工作时产生强烈的随机振动，这些振动通过刀盘、主梁传递到后方的液压胶管，引起液压胶管的振动。TBM 所处环境为随机振动，简谐振动是一种基础的振动，多个简谐振动可以构成随机振动，为了分析方便，用简谐振动来描述振动环境对液压胶管的影响规律。

（二）应力-寿命关系一般情况下，液压胶管中钢丝所承受的循环

载荷的应力幅越小，到发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数越长，液压胶管寿命就越长。S-N 曲线就是钢丝材料所承受的应力幅水平S 与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数N的关系曲线。若钢丝的应力幅值超过其疲劳极限σ-1，钢丝就会发生疲劳破坏，从而导致胶管随之发生疲劳破坏。如图1，S-N 曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是胶管钢丝的疲劳极限。

图1 S-N 曲线

二、液压胶管疲劳寿命计算

根据研究得出液压胶管的理论模型，将胶管钢丝增强层转化为复合材料层合板模型进行讨论。为便于分析，假设：

a.液压胶管为全新；

b.液压胶管没有任何制造缺陷。将钢丝层看成由钢丝和橡胶组成的复合层，其中橡胶看作基体，钢丝看作纤维；1 方向为纤维方向，2 方向为垂直纤维方向，缠绕式胶管微观结构如图2。

图2 液压胶管微观结构

三、振动参数对寿命的影响

（一）无振动对胶管的影响

图3 为无振动环境下胶管最外层钢丝最大主应力幅随时间的变化，在实际情况下，油压会随时间变化而产生波动，因此胶管最外层钢丝所受的最大主应力幅也会随时间而改变。由图可知，编织式液压胶管最外层钢丝最大主应力幅为49MPa 左右，缠绕式液压胶管最大主应力幅为37MPa 左右，这是因为在无振动环境下，编织式胶管中间钢丝层存在应力集中对最大主应力影响较大。

图3 无振动对胶管影响

（一）振动振幅对寿命的影响

在油压12MPa、频率20Hz、18Hz、16Hz 条件下，振动幅值在1-8mm 范围内对胶管寿命的影响如图4 所示。

图4 振幅对寿命的影响

从图中可以看出，在频率分别为20Hz、18Hz、16Hz 时，缠绕式液压胶管与编织式液压胶管均在振幅分别为5mm、6mm、7mm后开始发生疲劳破坏，且寿命不断下降。由振动加速度与频率及振幅的关系（）求得，此时振动加速度均在8g 附近，因为此时胶管钢丝所承受的交变应力并未超过钢丝的疲劳极限；在频率为1Hz、5Hz、10Hz 下，振幅为1-8mm时均未发生疲劳破坏，可以得到当振动加速度达到8g 附近时胶管将发生疲劳破坏。在频率20Hz 振幅6mm 振动下，缠绕式液压胶管寿命为14.3 万次，编织式液压胶管寿命为16.61 万次；随着振幅增加，缠绕式与编织式液压胶管的寿命均不断下降，当振幅增加至8mm 时，缠绕式胶管寿命降至8.1 万次，编织式胶管寿命降至10.7 万次，可以看出，同等条件下编织式液压胶管疲劳寿命比缠绕式胶管疲劳寿命长。

（二）振动频率对寿命的影响

在油压12MPa、振幅1mm、3mm、4mm、5mm、6mm 条件下，频率在1-40Hz范围内对胶管寿命的影响如图5 所示。

图5 频率对寿命的影响

从图中可以看出，在振幅分别为6mm、5mm、4mm 时，缠绕式与编织式液压胶管在高于频率18Hz、20Hz、23Hz 后开始发生疲劳破坏，因为钢丝所承受的应力变化超过钢丝的疲劳极限，此时振动加速度在8g 附近；在振幅1mm、3mm 时，胶管在1-40Hz 频率内均未发生疲劳破坏。在振幅4mm、5mm、6mm，频率40Hz 时，两种胶管寿命最低；其中振幅5mm 时，缠绕式液压胶管寿命为1.75 万次，编织式液压胶管寿命为2.12 万次，通过两种胶管的模态分析可知，缠绕式液压胶管一阶模态共振频率为38Hz，编织式液压胶管一阶模态共振频率为39Hz，40Hz 均接近两种胶管的共振频率，同等条件下编织式液压胶管疲劳寿命比缠绕式胶管疲劳寿命长。

（三）油压对寿命的影响

在振幅5mm、频率25Hz的条件下，在10MPa 油压下，缠绕式胶管寿命为13.74 万次，编织式胶管寿命为15.4 万次；当油压增至18MPa 时，缠绕式胶管寿命下降至1.09 万次，下降了12.65 万次；编织式液压胶管下降至3.24 万次，下降了12.16 万次，随着油压的上升，缠绕式胶管与编织式胶管寿命均有下降。同等条件下编织式液压胶管疲劳寿命比缠绕式胶管疲劳寿命长。

结语

（1）在无基础振动环境下，缠绕式胶管疲劳寿命优于编织式胶管；在基础振动条件下，编织式胶管疲劳寿命优于缠绕式胶管。TBM 液压胶管长期处于随机振动环境下，建议优先选用编织式胶管。

（2）当振动加速度达到某一临界值（8g）时胶管中钢丝所受应力大于钢丝疲劳极限时，缠绕式与编织式胶管均发生疲劳破坏，程中存在的问题的研究以及传播质量的研究。