液體立式自動(dòng)包裝機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-張凱

液體立式自動(dòng)包裝機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)_張凱（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）

液體立式自動(dòng)包裝機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液體立式自動(dòng)包裝機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)_張凱（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）張凱,郝靜(南通職業(yè)大學(xué),江蘇南通226007摘要:目前,我國(guó)包裝機(jī)械不斷發(fā)展壯大,其市場(chǎng)前景非?？捎^,包裝機(jī)械的技術(shù)要求也在不斷的提高。現(xiàn)在市場(chǎng)上大多包裝機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高,多適用于大型的包裝企業(yè),一般中小型企業(yè)難以承受。為此,對(duì)液體立式自動(dòng)包裝機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并確定了主要技術(shù)參數(shù)。該機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、出現(xiàn)故障易排查等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:自動(dòng)包裝機(jī);立式;液體;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào):TS103．9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003－188X(202111－0118－040引言隨著食品行業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)食品的包裝質(zhì)量要求也越來(lái)越高。優(yōu)質(zhì)高效的包裝設(shè)備不僅提升行業(yè)的自動(dòng)化程度,還能提高生產(chǎn)效率,大幅度降低成本。包裝機(jī)械在技術(shù)發(fā)展上將會(huì)朝著以下4個(gè)方向努力:①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模組化;②結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)高精度化;③控制智能化;④機(jī)械功能多元化[4－10]。據(jù)中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)預(yù)計(jì),從2021年到2021年,食品與包裝機(jī)械業(yè)總產(chǎn)值有望突破6000億元,每年平均增速約維持在16%的水平。目前,食品包裝機(jī)械競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,未來(lái)應(yīng)配合產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化趨勢(shì),促進(jìn)包裝設(shè)備總體水平提高,尤其針對(duì)中小型企業(yè),發(fā)展多功能、高效率、低消耗的食品包裝設(shè)備,具有非常重要的意義。1主要組成部分及主要技術(shù)參數(shù)包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要參數(shù):生產(chǎn)能力/袋·min－1:2050包裝質(zhì)量/g·袋－1:500包裝計(jì)量精度/%:－22薄膜最佳材質(zhì):聚丙烯薄膜寬度/mm:260供料壓力/MPa:1電源電壓/V:380收稿日期:2021－02－24作者簡(jiǎn)介:張凱(1966－,男,哈爾濱人,副教授,(E－mailzhang-kaiabc@sina．com。通訊作者:郝靜(1968－,女,哈爾濱人,副教授,(E－mailhao-jing200@sina．com。整機(jī)功率/kW:0．75外型尺寸/mm:600?600?12101．電動(dòng)機(jī)2．減速器3．卷筒4．牽引輥輪5．翻領(lǐng)式袋成型器6．供料箱7．進(jìn)料筒8．縱封器9．橫封器10．包裝材料11．切斷裝置圖1包裝機(jī)2工作工藝流程包裝機(jī)的工藝流程如圖2所示。3工作原理液體物料自供料箱經(jīng)包裝機(jī)的頂部后,經(jīng)計(jì)量后送入進(jìn)料筒。卷筒上的包裝材料(如聚丙烯薄膜經(jīng)三道牽引輥輪引導(dǎo)入進(jìn)料筒外壁的同時(shí),被翻領(lǐng)式袋成形器逐漸卷繞成對(duì)接筒狀,縱封器上的一對(duì)連續(xù)逆向回轉(zhuǎn)的縱封滾輪在對(duì)接處加熱加壓將其縱向熱封牢固?？v封輥輪除起熱封作用外,同時(shí)還對(duì)薄膜進(jìn)行拉送。被包裝物料由下料槽與成型器內(nèi)壁組成的充填筒導(dǎo)入塑料袋內(nèi)[5]。由橫封器進(jìn)行橫向熱封形成橫向封口,切斷裝置上的旋轉(zhuǎn)切刀與固定切刀相接觸時(shí)將橫向封口沿中線(xiàn)切斷分開(kāi),完成包裝袋的頂封和下一個(gè)袋子的底封。底封后的包裝袋又可直接向袋內(nèi)下料,隨之移動(dòng)一個(gè)工位完成頂封封口,再經(jīng)過(guò)切斷裝置切斷,完成包裝工序,產(chǎn)品由運(yùn)輸裝置運(yùn)走。整個(gè)包裝過(guò)程是全自動(dòng)連續(xù)的。圖2包裝機(jī)的工藝流程4傳動(dòng)系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)[6－7]1帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。采用兩級(jí)圓柱齒輪減速器的齒輪傳動(dòng)。2原始數(shù)據(jù)。輸送帶的有效拉力F=2000N,輸送帶的工作速度v=0．065m/s,輸送帶的滾桶直徑d=140mm。3工作條件。兩班制工作,空載啟動(dòng);載荷平穩(wěn),常溫下連續(xù)(單向運(yùn)轉(zhuǎn),工作環(huán)境較好;三相交流電源,電壓為380/220V。4電動(dòng)機(jī)的選擇。(1電動(dòng)機(jī)容量選擇。據(jù)已知條件由計(jì)算得知工作機(jī)所需有效功率為Pw=pv1000=0．13kW設(shè)η軸為滾動(dòng)軸承效率,η軸=0．99;η01為齒式聯(lián)軸器效率,η01=0．99;η齒為8級(jí)齒輪傳動(dòng)效率,η齒=0．97;η筒為輸送機(jī)滾筒效率,η筒=0．96。估算傳動(dòng)系統(tǒng)總效率為η=η201?η4軸?η2齒?η筒=0．86工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率為pr=pwη=0．15kWY系列三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中應(yīng)滿(mǎn)pm≥pr,因此綜合應(yīng)選電動(dòng)機(jī)額定功率pm=0．75kW。(2電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇。據(jù)已知條件由計(jì)算得知輸送機(jī)滾筒工作轉(zhuǎn)速,則nw=60vDπ≈8．92r/min選定Y90S－6型三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率為0．75kW,滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速為910r/min．電動(dòng)機(jī)中心高H=90mm,軸伸出部分用于裝聯(lián)軸器,軸段的直徑和長(zhǎng)度分別為D=24mm,E=50mm。5傳動(dòng)比的分配。帶式輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為i=nmnw=102．1i∑=i12?i23=ii01?i34?i45=17．02i12=1．3槡i=4．703i23=ii12=4．178傳動(dòng)系統(tǒng)各傳動(dòng)比為i01=1,i12=4．703,i23=4．178,i4=66傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)。傳動(dòng)系統(tǒng)各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算如下:(10軸—電動(dòng)機(jī)軸。n=910r/minp=0．173kWT=9550pn=1．815N·m(21軸—減速器中間軸。n1=ni01=910r/minp1=pη01=0．171kWT1=Ti01η01=1．797N·m(32軸—減速器中間軸。n2=n1i12=193．49r/minp2=p1η12=0．1642kWT2=T1i12η12=8．116N·m(43軸—減速器低速軸。n3=n2i23=46．31r/minp3=p2η23=0．158kWT3=T2i23η23=32．562N·m(54軸—工作機(jī)。n4=n3=46．31p4=p3η34=0．155kWT4=T3i34η34=31．91N·m5關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)5．1封口器5．1．1封口器的分類(lèi)封口器械是指在充填工序之后,對(duì)包裝袋進(jìn)行密封封口的裝置。封口器按照封口方式的不同可以分為熱壓式、熔焊式、卷邊式、滾壓式、旋合式、結(jié)扎式等幾種型式。其中,熱壓封口器主要用于各種塑料袋的封口,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,性能也比較穩(wěn)定。熱壓式封口根據(jù)加熱原理和熱封裝置的結(jié)構(gòu)不同,又可分為熱板式、熱輥式、環(huán)帶式、電熱絲熔斷式、脈沖加熱式、高頻加熱式、熱刀加壓熔斷式和預(yù)熱壓紋式等多種型式。液體立式自動(dòng)包裝機(jī)中的縱封器和橫封器多采用熱輥加壓式封合。5．1．2縱封器5．1．2．1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縱封器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要由縱封輥、加熱線(xiàn)圈和隔熱座組成?？v封輥選用材料為鑄鋁,其特點(diǎn)是導(dǎo)熱快,受熱均勻,能夠維持在一定溫度范圍內(nèi)且價(jià)格較低。根據(jù)成袋要求,縱封輥寬度一般為10cm,加熱方式為帶狀加熱器,即電阻絲(銅絲包云母片,外加鐵殼。其特點(diǎn)是加熱時(shí)間短,能在較短的時(shí)間內(nèi)提供給縱封輥所需要的溫度;冷卻快,只要斷電便可在較短的時(shí)間內(nèi)冷卻,便于溫度的控制。由于設(shè)計(jì)的需要,兩縱封輥除加壓封合作用之外還是包裝材料(如聚丙烯薄膜拉送力的主要來(lái)源。根據(jù)聚丙烯材料的性能特點(diǎn),兩縱封輥之間應(yīng)保持14N左右的力。1．縱封輥2．加熱線(xiàn)圈3．隔熱座圖3縱封器結(jié)構(gòu)圖5．1．2．2工作原理兩個(gè)縱封輥經(jīng)過(guò)加熱線(xiàn)圈的預(yù)熱做連續(xù)的相對(duì)滾動(dòng),將要封合的薄膜向下輸送的過(guò)程中對(duì)薄膜加熱同時(shí)加壓,從而完成輸送封口過(guò)程。5．1．3橫封器5．1．3．1工作原理橫封輥底座在齒輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)熱合電極作圓周運(yùn)動(dòng),當(dāng)兩個(gè)熱合電極相接觸時(shí)開(kāi)始對(duì)塑料加熱,同時(shí)在彈簧的作用下兩熱封頭對(duì)塑料進(jìn)行加壓對(duì)袋進(jìn)行橫封,當(dāng)兩個(gè)熱合電極分開(kāi)時(shí)橫封結(jié)束。整個(gè)橫封長(zhǎng)度一般為20mm,時(shí)間為0．19s。其中,橫封長(zhǎng)度中的第一個(gè)10mm是下一袋的下封口,另10mm是上一袋上封口。5．1．3．2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3－8]此橫封裝置主要設(shè)計(jì)部分在熱封頭處,為了保證熱封長(zhǎng)度和質(zhì)量,要求兩熱封頭接觸時(shí)必須運(yùn)動(dòng)同步。解決這個(gè)問(wèn)題,假設(shè)整個(gè)熱封頭是以軸心為圓心的兩個(gè)外切圓,其中保留它們20mm相互接觸的弧長(zhǎng),其它部分去掉。由弧長(zhǎng)公式l=θr可得θ=l/r=0．4,即θ=23?,如圖4所示。1．橫封電極2．彈簧3．熱封頭圖4橫封器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5．2切斷裝置切斷相臨兩只包裝袋有熱切和冷切兩種方法。切斷方法的選擇與封口方法工作方式及切口型式有關(guān)。針對(duì)立式包裝機(jī),一般封口方式為熱封,袋型為三邊封口袋,結(jié)構(gòu)上選用滾動(dòng)切刀方式[9]。5．2．1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)切斷裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。其主要由動(dòng)刀和定刀組成,其中定刀含有電熱刀頭,電熱刀頭和定刀座之間用彈簧連接。1．動(dòng)刀2．定刀3．彈簧4．電熱刀頭圖5切斷裝置結(jié)構(gòu)5．2．2工作原理切刀的動(dòng)刀通過(guò)傳動(dòng)裝置做等速圓周運(yùn)動(dòng),當(dāng)袋的封口下落到切刀位置時(shí),動(dòng)刀與定刀相切,完成切袋工作。定刀使用電熱刀頭輔助切袋,減小動(dòng)刀與定刀的接觸力,從而降低了刀頭磨損。為保證切袋質(zhì)量,動(dòng)刀轉(zhuǎn)速的線(xiàn)速度要與走袋的速度相同。5．3翻領(lǐng)式袋成型器在實(shí)際包裝過(guò)程中,要求包裝材料不能發(fā)生縱向或橫向拉伸變形,因此所設(shè)計(jì)的成型器應(yīng)適應(yīng)包裝材料的自然卷曲變形。因此,設(shè)計(jì)成型器的關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)出一條正確的拼接曲線(xiàn)。拼接線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法可按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體步驟如下:設(shè)空袋寬度為a,則成型器中充填筒半徑為r=a/π成型器展成平面是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形薄板,即L=2a+△+δ式中△—縱封搭接寬度,一般取10mm;δ—成型器展開(kāi)平面時(shí),實(shí)際寬度比理論寬度的增值,一般取510mm。當(dāng)充填筒半徑r＜75mm時(shí),以A為圓心,2r為半徑作圓弧,然后過(guò)S點(diǎn)向圓弧做切線(xiàn)相接,所得曲線(xiàn)即為近似的拼接曲線(xiàn)。當(dāng)充填筒半徑r≥75mm時(shí),在X=?3/4πγ區(qū)間里以?huà)佄锞€(xiàn)代替圓弧線(xiàn),其拋物線(xiàn)方程式為y=16x2;然后過(guò)S點(diǎn)向拋物線(xiàn)作切線(xiàn),在X=?3/4πγ處相接。拼接線(xiàn)求出后,將薄板沿拼接線(xiàn)剪開(kāi),再卷制和焊接成成型器。板厚一般取11．5mm,材料為黃銅板。6結(jié)論該包裝機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng);采用單片機(jī)控制,生產(chǎn)過(guò)程完全自動(dòng)化。在關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)上,應(yīng)更加注重優(yōu)化設(shè)計(jì),完善功能要求,以提高該機(jī)的整體工作性能。參考文獻(xiàn):[1]高德．包裝機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:87－109．[2]梁基照．包裝機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2021:125－147．[3]黃穎為．包裝機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:113－138．[4]孫智慧．包裝機(jī)械概論[M]．北京:印刷工業(yè)出版社,2007:25－74．[5]劉喜生．包裝材料學(xué)[M]．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)出版社,1997:155－187．[5]孫鳳蘭．包裝機(jī)械概論[M]．北京:印刷工業(yè)出版社,2003:133－148．[6]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[K]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:347－385．[7]趙淮．包裝機(jī)械選用手冊(cè)[K]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001:122－157．[8]許林成．包裝機(jī)械原理與設(shè)計(jì)[M]．上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1988:94－126．[9]尹章偉．包裝機(jī)械[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:128－144．[10]張聰．自動(dòng)化食品包裝機(jī)[M]．廣州:廣東科技出版社,2003:25－56．TheMainStructureDesignofLiquidVerticalAutomaticPackagingMachineZhangKai,HaoJing(NantongVocationalUniversity,Nantong226007,ChinaAbstract:Atpresentourcountrypackagingmachineryconstantlydeveloping,itsmarketprospectveryimpressive,pack-agingmachinerytechnologyrequirementsareconstantlyimproved．Onthemarketnowmostlypackagingmachinerystruc-tureiscomplex,costishigh,moresuitableforlargepackingenterprise,thesmallandmedium－sizedenterprisetobear．Therefore,theliquidverticalautomaticpackagerforstructuredesignandascertainthemaintechnicalparameters．Thismachinehassmall,simplestructure,lowcost,easytogratemalfunctionetc．Keywords:automaticpackagingmachine;vertical;liquid;structuredesign設(shè)計(jì)與研究輸水盾構(gòu)隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算研究孫鈞1、2,楊釗1,王勇2(1.同濟(jì)大學(xué)巖土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.杭州豐強(qiáng)土建研究院摘要:軟土有壓輸水盾構(gòu)隧洞采用管片外襯和整筑預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯作復(fù)合式襯砌的設(shè)計(jì)計(jì)算中,為能較好考慮內(nèi)襯與外襯管片的相互作用,以及內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力荷載在隧洞施工和運(yùn)營(yíng)各階段對(duì)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響,本文提出了一種新的實(shí)體疊合計(jì)算模型。由于確定管片縱縫接頭抗彎剛度的復(fù)雜性,文中建議對(duì)用數(shù)值模擬管片縱縫接頭剛度采用了一種非線(xiàn)性耦合彈簧接觸對(duì)的模擬系統(tǒng)。在采用實(shí)體單元建模的條件下,由于計(jì)入管片接頭剛度的力學(xué)處理困難,文中研究了一種能以模擬管片接頭剛度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。根據(jù)內(nèi)、外襯砌接觸界面處理方式的不同,文中提出了5種適合不同界面條件內(nèi)、外層襯砌的相互作用模型。此外,本文還研制了內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力荷載的一種轉(zhuǎn)化程序,以解決采用等效荷載法施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的前處理問(wèn)題。上述各點(diǎn)創(chuàng)意構(gòu)思已在南水北調(diào)中線(xiàn)一期穿黃隧洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中得到了具體反映和成功應(yīng)用。關(guān)鍵詞:輸水隧洞;復(fù)合襯砌;管片;預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯;實(shí)體疊合模型;管片接頭剛度模擬;內(nèi)、外襯接觸界面條件;預(yù)應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)化程序0引言將盾構(gòu)工法用于輸水隧洞工程在國(guó)內(nèi)外較為少見(jiàn)。目前,有壓輸水隧洞多采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)(如我國(guó)尚在施工的南水北調(diào)中線(xiàn)一期穿越黃河的輸水隧洞、埃及穿越蘇伊士運(yùn)河輸水隧洞和擬建的舊金山灣輸水隧洞等;還有部分輸水隧洞是從地下深部巖層中穿越,其洞內(nèi)水壓對(duì)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)受力影響不大(如我國(guó)遼寧大伙房水庫(kù)輸水工程、引紅濟(jì)石調(diào)水工程等;而采用大型盾構(gòu)機(jī)在軟弱土層中進(jìn)行高水壓、大直徑輸水隧洞設(shè)計(jì)施工,如上述正建的南水北調(diào)中線(xiàn)穿黃輸水隧洞(復(fù)合預(yù)應(yīng)力襯砌則是比較典型的示例。盾構(gòu)隧道復(fù)合襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算目前還缺乏統(tǒng)一的力學(xué)模型,我國(guó)地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范(1999中,也僅給出了一些參考性的設(shè)計(jì)原則。國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA制訂的盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)指南中,將復(fù)合襯砌按照內(nèi)、外層襯砌接觸界面的光滑程度分為雙殼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)兩類(lèi)。張厚美提出并改進(jìn)了雙層框架模型中內(nèi)、外層襯砌接觸界面的3種模型,即:抗壓縮模型、局部抗彎模型和剪壓模型。采用解析解求解復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)受力是一種傳統(tǒng)的現(xiàn)成方法(如厚壁圓筒理論,較適合采用于圍巖工程地質(zhì)條件良好、盾構(gòu)隧道直徑<6.0m的壓力隧洞。近年來(lái),國(guó)內(nèi)采用盾構(gòu)法修建的大型有壓輸水隧洞和城市大型下水管道中,其二次內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在輸水隧洞中將作為主要構(gòu)件參與受力。因此,研究盾構(gòu)輸水有壓隧洞復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型已成為一項(xiàng)重要課題。目前,盾構(gòu)隧道復(fù)合襯砌平面應(yīng)變計(jì)算模型一般都沿用雙層框架模型。本文提出了一種基于地層-結(jié)構(gòu)法的復(fù)合襯砌平面應(yīng)變計(jì)算模型實(shí)體疊合模型。相比于雙層框架模型,該模型不僅能較好地考慮土體與管片、內(nèi)襯與外襯的相互作用以及內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力荷載的力學(xué)屬性,還能有效計(jì)入隧洞施工和運(yùn)營(yíng)各階段工況條件下對(duì)其襯砌結(jié)構(gòu)受力的不同影響。1復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的實(shí)體疊合模型1.1模型基本假定沿隧道縱向,上述內(nèi)、外層復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是一個(gè)在無(wú)限長(zhǎng)地基內(nèi)的地下結(jié)構(gòu)體。當(dāng)管片采用通縫拼裝的條件下,管片環(huán)的內(nèi)力不沿縱向發(fā)生變化,計(jì)算中可將每環(huán)管片簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題考慮;而改用管片錯(cuò)縫拼裝后,其沿縱向的空間約束效應(yīng)對(duì)管片橫截面受力和變位均會(huì)產(chǎn)生一定的附加影響。為使本文所討論的幾個(gè)問(wèn)題集中起見(jiàn),相鄰環(huán)1管片錯(cuò)縫拼裝對(duì)橫截面受力和變形的附加影響在文中暫未納入考慮。1.2圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有限元法模擬在實(shí)體疊合模型中,本文采用了按地層-結(jié)構(gòu)法計(jì)算管片和內(nèi)襯的受力與變位;對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用實(shí)體單元有限元法建模。1.3實(shí)體簡(jiǎn)化接頭模型目前,對(duì)管片縱縫接頭力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值模擬主要有兩種方法:采用接頭彈簧單元,以近似模擬管片縱縫接頭的力學(xué)屬性;采用接觸單元,以相對(duì)真實(shí)地模擬管片縱縫接頭的力學(xué)性能。當(dāng)管片采用實(shí)體單元模擬時(shí),其接頭的力學(xué)性能采用接觸單元模擬也較為妥善。但接觸單元模型在計(jì)算過(guò)程中存在以下幾方面的問(wèn)題:1以接觸單元模擬管片接頭的理論和試驗(yàn)研究較少,且缺乏實(shí)踐數(shù)據(jù)。2對(duì)接頭螺栓約束條件的處理較感困難(如:螺栓端部與管片的接觸以及整個(gè)螺栓面與螺栓孔的接觸條件等。3管片環(huán)端面襯墊材料的力學(xué)參數(shù)不易確定。4為細(xì)致地模擬接頭的力學(xué)屬性,接頭處的單元?jiǎng)澐直仨氉銐蛐∏颐堋榇?本文提出了一種新的實(shí)體簡(jiǎn)化管片接頭模型,既能避免接頭部位上述的復(fù)雜考慮,又能借用過(guò)去從常規(guī)試驗(yàn)所得、或直接采用接頭剛度作理論計(jì)算時(shí)的接頭力學(xué)參數(shù),以專(zhuān)門(mén)針對(duì)采用實(shí)體單元建模時(shí)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。該模型(接觸對(duì)及其與管片接頭實(shí)際構(gòu)造的對(duì)比示意見(jiàn)圖1和圖2。圖1穿黃隧洞外襯管片縱縫接頭的構(gòu)造示意在上項(xiàng)接觸對(duì)模型中,將接頭端肋與剛性體相連,并于管片截面形心處設(shè)置剛性體的參考點(diǎn)。圖2管片實(shí)體簡(jiǎn)化接頭的接觸對(duì)模型示意圖在兩剛性體參考點(diǎn)之間分別設(shè)置剪切彈簧、壓縮彈簧和旋轉(zhuǎn)彈簧,以模擬接頭承受剪、壓、彎3種不同的力學(xué)性能。在缺乏相對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的情況下,這3根彈簧的剛度值暫可直接取用梁彈簧模型或殼彈簧模型中所對(duì)應(yīng)的彈簧剛度。1.4管片土體接觸模型地層與管片之間的接觸界面可采用一種無(wú)厚度的接觸對(duì)進(jìn)行模擬。接觸對(duì)的法向力學(xué)行為采用硬接觸模擬;接觸對(duì)的切向力學(xué)行為則采用庫(kù)侖摩擦模擬。庫(kù)侖摩擦模型用于判斷接頭的接觸界面是否發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng),同時(shí)也可用于分析左右端面相對(duì)滑動(dòng)對(duì)管片襯砌應(yīng)力場(chǎng)的影響。庫(kù)侖摩擦模型可以定義為|true|crit=P(1式中:true為計(jì)算所得的真實(shí)剪應(yīng)力;crit為端面滑動(dòng)前的最大臨界剪應(yīng)力;為接觸界面的綜合摩擦系數(shù);P為接觸對(duì)的法向壓力,當(dāng)P<0時(shí),P取0。1.5內(nèi)、外襯復(fù)合襯砌的襯間接觸界面模型復(fù)合襯砌內(nèi)、外襯間的接觸界面模型與內(nèi)、外層襯砌間接觸界面的處理?xiàng)l件和方式密切有關(guān)。目前,內(nèi)、外層襯砌之間接觸界面的處理類(lèi)型主要有兩種:1襯間敷設(shè)有防排水墊層。此時(shí)內(nèi)、外層襯砌由防排水墊層相互隔開(kāi)。防排水墊層可以保證內(nèi)、外層排放滲漏水各行其道,內(nèi)、外水間不貫連,內(nèi)、外襯砌結(jié)構(gòu)單獨(dú)受力,隧洞外部作用荷載(包括施工期、運(yùn)行期增加的和外襯自重均由外襯管片單獨(dú)承載;而內(nèi)襯自重和施工期與運(yùn)行期內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力荷載及內(nèi)水壓力則由內(nèi)襯單獨(dú)承擔(dān)。上項(xiàng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)上的分工條件是明確的。22襯間不敷設(shè)防排水墊層。此時(shí)內(nèi)、外層襯砌接觸界面為新、老混凝土界面直接接觸,在確保界面剪應(yīng)力傳遞的條件下,內(nèi)、外襯結(jié)構(gòu)將起疊合作用而共同受力。根據(jù)上述兩種接觸界面處理的類(lèi)型,本文提出了以下5種接觸界面模型。1.5.1敷設(shè)防排水墊層情況(界面模型一相對(duì)于管片襯砌,防排水墊層的厚度比較薄(一般約10mm,如采用實(shí)體單元模擬,則因墊層較薄而使網(wǎng)格劃分尺度不易掌握,如網(wǎng)格化后的單元過(guò)多過(guò)密,將造成求解困難。本文改為選用了有初始間隙量的接觸對(duì),以模擬墊層的力學(xué)性能。初始間隙量設(shè)定為墊層厚度,而接觸對(duì)的材料屬性則可參考防排水墊層的材料參數(shù)確定。由于墊層只能沿其法向傳遞徑向壓應(yīng)力,而不能沿切向傳遞剪應(yīng)力,因而墊層間隙接觸對(duì)的切向本構(gòu)選用了無(wú)摩擦模型。1.5.2不敷設(shè)防排水墊層情況(內(nèi)、外襯新老混凝土直接接觸,界面模型之二~之五內(nèi)、外襯新老混凝土接觸界面因處理方式的不同將會(huì)造成接觸界面力學(xué)性質(zhì)的明顯差異。為此,本文提出了以下4種新老混凝土的接觸界面模型。1無(wú)粘結(jié)力模型。內(nèi)襯施工前先將管片內(nèi)側(cè)表面的螺栓手孔、注漿孔、吊裝孔等凹槽、孔洞均用水泥砂漿充填抹平,然后澆注內(nèi)襯混凝土。為此可認(rèn)為,內(nèi)外層襯砌界面間只能傳遞徑向壓力,而由于設(shè)定層面間缺失粘結(jié)力,故不能承拉和僅能有限承剪(界面摩擦力,此時(shí)可通過(guò)界面摩擦力(由徑向壓力引起的形式(需經(jīng)過(guò)檢算認(rèn)定傳遞內(nèi)、外襯層面間的切向剪力。這種復(fù)合襯砌接觸界面的無(wú)粘結(jié)力模型,建議采用與管片土體接觸面作相同處理的庫(kù)侖摩擦模型。2有粘結(jié)力模型。在澆筑內(nèi)襯前,對(duì)外襯管片內(nèi)表面較大的凹槽不作抹平,內(nèi)襯施作預(yù)應(yīng)力后對(duì)層間再加做壓漿處理。此處,設(shè)定內(nèi)、外層襯砌界面間沿其法向不僅可傳遞徑向接觸壓力、而且還能承受有限拉力(如經(jīng)測(cè)定和檢算,此時(shí)接觸界面間新老混凝土已具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),沿層間切向則可通過(guò)內(nèi)、外襯層間界面粘結(jié)力與摩擦力的雙重形式傳遞剪力。接觸面的切向力學(xué)行為此處采用了有粘結(jié)力的庫(kù)侖摩擦模型。模型的層間界面粘結(jié)力與其足夠的粘接強(qiáng)度認(rèn)為是相互依存的,當(dāng)其中一個(gè)消失,另一個(gè)也同時(shí)消失。具有粘結(jié)力的庫(kù)侖摩擦模型,可以按如下定義:|true|crit=P+c|true|crit=P粘聚力存在粘聚力消失(2式中:c為新老混凝土的層間粘結(jié)力;P為層間界面處的徑向壓應(yīng)力。由式(2可知,對(duì)此處接觸面的切向力學(xué)行為可再區(qū)分為以下兩種情況考慮:(1粘結(jié)力存在時(shí):|true|crit=P+c,認(rèn)為管片與內(nèi)襯接觸界面上的剪應(yīng)力較小,層間接觸面上下不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。(2粘結(jié)力消失后:認(rèn)為管片與內(nèi)襯接觸界面上下間已經(jīng)發(fā)生了相對(duì)滑移,因而粘結(jié)力消失;但由于P的存在,此后接觸面仍能傳遞一定的切向接觸摩擦應(yīng)力。此時(shí),接觸面的臨界剪應(yīng)力變?yōu)閏rit=P。接觸面的徑向力學(xué)行為也可區(qū)分為以下3種情況考慮:接觸面層間傳遞有徑向壓力時(shí),接觸面的徑向力學(xué)行為采用硬接觸模擬。接觸面層間的粘結(jié)強(qiáng)度存在,即接觸界面密貼而未有脫開(kāi)。此時(shí),接觸面間可傳遞拉應(yīng)力,其拉應(yīng)力值應(yīng)小于接觸界面間的粘結(jié)強(qiáng)度。接觸面層間的徑向力學(xué)行為可采用線(xiàn)彈性接觸本構(gòu)模擬。接觸面之間傳遞的拉應(yīng)力(要計(jì)及內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力沿其圓周徑向的環(huán)箍?jī)?nèi)縮效應(yīng)大于接觸界面間的粘結(jié)強(qiáng)度,其內(nèi)、外層襯砌的界面上下脫開(kāi),脫開(kāi)界面視為自由界面。3位移協(xié)調(diào)模型。在管片預(yù)制時(shí)將螺栓手孔設(shè)置為錨筋孔,內(nèi)襯澆筑前先在管片錨筋孔處設(shè)置錨筋,錨筋伸入并插設(shè)到內(nèi)襯鋼筋籠內(nèi),使之與內(nèi)襯受力鋼筋點(diǎn)焊連接。在層間經(jīng)壓漿密實(shí)的條件下,可認(rèn)為此時(shí)內(nèi)、外層襯砌界面之間的位移是協(xié)調(diào)的,對(duì)其接觸界面作變形處理時(shí)可采用位移協(xié)調(diào)模型。4局部位移協(xié)調(diào)模型。外襯管片的手孔或凹槽中有足夠插筋伸入到內(nèi)襯混凝土內(nèi),且一些局部部位經(jīng)層面間壓漿面密貼接觸,此時(shí)上下界面間的徑向和切向位移可認(rèn)為是協(xié)調(diào)的;另一些部位如果層間粘結(jié)與摩擦強(qiáng)度不足而導(dǎo)致上下界面相互脫開(kāi),則其接觸界面的處理方式改為選用上述的無(wú)粘結(jié)力模型(即位移不協(xié)調(diào)模型。對(duì)此,上述情況的取舍均需經(jīng)相應(yīng)驗(yàn)算后確定采用何種模型。2預(yù)應(yīng)力荷載在輸水壓力隧洞復(fù)合襯砌的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)中,經(jīng)沿3結(jié)構(gòu)內(nèi)的靠外圈一側(cè)從環(huán)向施加后張法預(yù)壓應(yīng)力,以抵消日后隧洞承擔(dān)內(nèi)水壓力時(shí)將產(chǎn)生的截面拉應(yīng)力,使二次襯砌成為抗裂結(jié)構(gòu),以滿(mǎn)足防滲(內(nèi)水外滲和外水內(nèi)滲與承載力的要求。在隧洞內(nèi)襯中施加后張預(yù)應(yīng)力是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要采用的一種機(jī)械式形成環(huán)箍狀張拉的預(yù)應(yīng)力襯砌。我國(guó)清江隔河巖和小浪底二處水電站工程的引水隧洞等都在穿黃隧洞之前已成功應(yīng)用過(guò)這種預(yù)應(yīng)力襯砌。經(jīng)過(guò)多年的通水運(yùn)行,襯砌均未發(fā)生任何裂縫和破損,完全達(dá)到襯砌抗裂、防滲的設(shè)計(jì)要求。這也證明了上述預(yù)應(yīng)力襯砌是一種安全可靠、且比鋼管襯砌更為經(jīng)濟(jì)適用的地下水工結(jié)構(gòu)物。后張式預(yù)應(yīng)力襯砌一般是在襯砌澆筑前沿環(huán)向偏外側(cè)預(yù)留孔道并設(shè)置PE套管,待襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再把預(yù)應(yīng)力錨索穿入孔道套管中,并對(duì)錨索進(jìn)行環(huán)箍式張拉,再用外錨具鎖實(shí),使在襯砌混凝土中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。為使襯砌中的預(yù)應(yīng)力分布均勻,各圈錨索的張拉槽應(yīng)在洞周錯(cuò)開(kāi)布置。錨索張拉鎖定后,待混凝土徐變、錨索鋼材應(yīng)力徐舒和其它各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失基本完成后再對(duì)孔道注漿充填;也有改為注灌防銹油脂,成為無(wú)粘結(jié)式的錨索,兩者可比選后擇用。在南水北調(diào)中線(xiàn)一期穿黃輸水隧洞工程中,如上述施加預(yù)應(yīng)力后,因內(nèi)襯將產(chǎn)生一定量的徑向內(nèi)縮,需再對(duì)內(nèi)、外襯上下層界面間的縫隙采用微膨脹水泥壓力灌漿,以確保內(nèi)、外襯間有效的共同作用,并藉以通過(guò)界面剪應(yīng)力傳遞,將內(nèi)襯的部分預(yù)壓應(yīng)力上傳到外層管片,使之更增大了管片外襯的抗裂能力。2.1預(yù)應(yīng)力荷載計(jì)算預(yù)應(yīng)力荷載通過(guò)以環(huán)圈形錨索對(duì)曲線(xiàn)孔道產(chǎn)生環(huán)箍徑向內(nèi)縮型擠壓力和切向拖曳力施加于內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。計(jì)算中可將預(yù)應(yīng)力荷載簡(jiǎn)化為結(jié)點(diǎn)集中力作用到有限元模型上。計(jì)算公式為p=T/(3c=p(4式中:T為考慮外錨具彈性變形、夾片非彈性壓縮以及錨索鋼絞線(xiàn)內(nèi)縮、絞線(xiàn)應(yīng)力松弛(預(yù)應(yīng)力徐舒、混凝土徐變等各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失(均有現(xiàn)成方法計(jì)算后的錨索凈預(yù)拉力;p為計(jì)算斷面錨索對(duì)孔道的徑向擠壓(襯砌沿徑向內(nèi)縮應(yīng)力;為計(jì)算斷面的錨索曲率半徑;為計(jì)算斷面錨索沿孔道切向拖曳力引起的環(huán)向剪應(yīng)力;為錨索與孔道波紋套管間的摩阻系數(shù)。2.2預(yù)應(yīng)力荷載的數(shù)值模擬在作數(shù)值模擬時(shí)預(yù)應(yīng)力荷載可采用以下兩種方法。1等效荷載法。其原理是將結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力筋和錨具視為施載體而將其從結(jié)構(gòu)中脫離,其作用可視為一種等效的外加荷載,進(jìn)而計(jì)算在預(yù)應(yīng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是:建模相對(duì)簡(jiǎn)單,不必對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索單獨(dú)建模(但必須要就錨索的具體位置建模,且可方便地考慮預(yù)應(yīng)力荷載的各項(xiàng)損失;缺點(diǎn)是:在外荷載作用下預(yù)應(yīng)力筋與混凝土間的相互作用難以模擬,且不能確定預(yù)應(yīng)力筋在外荷載作用下的應(yīng)力增量。2實(shí)體力筋法。為用實(shí)體單元模擬混凝土,而用桿系單元或特殊的鋼筋單元模擬錨索,進(jìn)而再用初應(yīng)變法或等效降溫法等來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力荷載。優(yōu)點(diǎn)是:可以考慮預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間的相互作用;缺點(diǎn)是:難以分別考慮預(yù)應(yīng)力荷載的各項(xiàng)損失,以及在預(yù)應(yīng)力荷載作用下預(yù)應(yīng)力筋沿程應(yīng)力分布的不均勻性等因素。本文采用了等效荷載法,克服了該法因前處理困難而帶來(lái)的不足。在數(shù)值計(jì)算中,一般將集中力直接施加在單元結(jié)點(diǎn)上。但由于預(yù)應(yīng)力筋孔道布置不規(guī)則以及如上文所述及的擠壓力與拖曳力的作用點(diǎn)分布不均勻,給前處理帶來(lái)了很多麻煩。有如:在原先所設(shè)計(jì)的穿黃隧洞工程預(yù)應(yīng)力荷載中,每根錨索的預(yù)應(yīng)力荷載以242個(gè)集中力作用在121個(gè)點(diǎn)上的形式給出。預(yù)應(yīng)力錨索每沿米布置2.5根,每4根錨索布置為一個(gè)循環(huán)。在計(jì)算中,考慮預(yù)應(yīng)力荷載為4根錨索的作用力均布作用在每沿米的縱向?qū)挾壬?。這樣,在內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力荷載計(jì)算中,共有1214=484個(gè)集中力作用點(diǎn),在前處理中要求保證集中力作用點(diǎn)與單元結(jié)點(diǎn)完成吻合是十分困難的。為使上述前處理工作變的簡(jiǎn)單,本文利用ABAQUS二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)UEL研制了一種預(yù)應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)化的單元子程序。該程序用來(lái)將單元內(nèi)集中力荷載轉(zhuǎn)化為單元結(jié)點(diǎn)荷載。因此,可在前處理過(guò)程中自由剖分網(wǎng)格,然后將單元內(nèi)集中力通過(guò)預(yù)應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)化程序轉(zhuǎn)化為單元結(jié)點(diǎn)力;最后,再將轉(zhuǎn)化所得的單元結(jié)點(diǎn)力以集中力的形式施加在單元結(jié)點(diǎn)上。這一構(gòu)想已在后文介紹的算例中得到了很好實(shí)現(xiàn)。42.3預(yù)應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)化程序2.3.1理論演引如圖3所示的8結(jié)點(diǎn)四邊形單元,在坐標(biāo)為(x,y的任意一點(diǎn)A的單位厚度上受有集中力荷載fP,其坐標(biāo)方向的分量為fPx及fPy。將此集中力移置到單元的結(jié)點(diǎn)處,并轉(zhuǎn)換為結(jié)點(diǎn)荷載FeL。圖38結(jié)點(diǎn)四邊形單元假定單元在各結(jié)點(diǎn)處發(fā)生了虛位移(*e,則由位移模式,相應(yīng)于集中力fP的作用點(diǎn)A處的虛位移d*,為d*=N(*e(5式中:N表示形函數(shù)矩陣。由靜力等效原則,結(jié)點(diǎn)荷載在結(jié)點(diǎn)虛位移上所作的虛功應(yīng)等于原先的荷載集中力在其作用點(diǎn)處的虛位移,即[(*e]TFeL=(d*TfPt(6將式(5代入式(6,得FeL=NTfPt(72.3.2預(yù)應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)化程序的實(shí)現(xiàn)1在編制程序前必須考慮并解決以下問(wèn)題:(1如何判斷集中力位于單元內(nèi)還是在單元外。(2如果集中力位于單元內(nèi),如何根據(jù)集中力的整體坐標(biāo)反求集中力在母單元內(nèi)的局部坐標(biāo)。(3得到了結(jié)點(diǎn)力,如何用于整體模型的計(jì)算。2針對(duì)以上3個(gè)問(wèn)題,本文的解決方法如下:(1如圖3所示的8結(jié)點(diǎn)四邊形單元,如果三角形A12,A23,A34,A45,A56,A67,A78和A81的面積均大于、等于零,則A點(diǎn)將位于8結(jié)點(diǎn)四邊形的內(nèi)部(或四邊形單元上;而如果8個(gè)三角形的面積有一個(gè)小于零,則表示A點(diǎn)不在8結(jié)點(diǎn)四邊形的內(nèi)部。三角形面積可按式(8計(jì)算,即SAij=2(i,j=1,28,ij(8(2對(duì)于8結(jié)點(diǎn)四邊形單元,根據(jù)整體坐標(biāo)求母單元內(nèi)的局部坐標(biāo),為求解一個(gè)二元三次方程組,方程組可采用梯度法求解。(3考慮到ABAQUS程序?qū)τ谟脩?hù)自定義單元的后處理功能不足,且ABAQUS單元庫(kù)中自帶有平面應(yīng)變8結(jié)點(diǎn)等參單元,因此所編寫(xiě)預(yù)應(yīng)力荷載單元子程序只用于將單元內(nèi)集中力轉(zhuǎn)化成單元結(jié)點(diǎn)力,并將結(jié)點(diǎn)力以ABAQUS命令流的形式輸出。3工程計(jì)算實(shí)例與計(jì)算結(jié)果分析3.1計(jì)算基本條件本文試以南水北調(diào)中線(xiàn)一期穿黃有壓輸水盾構(gòu)法隧洞工程為例,就本文以上所述各項(xiàng)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了實(shí)例分析。該隧洞采用上下行雙洞布置,隧洞進(jìn)口位于黃河南岸,通過(guò)豎井南接邙山斜洞,段長(zhǎng)約800m;北接穿越黃河隧洞主段約長(zhǎng)3450m,終止于出口北岸豎井。單洞長(zhǎng)約4250m,兩洞各采用一臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)自北向南推進(jìn)。復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)外直徑為8.7m,外襯預(yù)制管片厚40cm,內(nèi)襯厚45cm、為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。隧洞諸控制截面其上覆土層大部為中等顆粒狀砂性土,下臥黏土巖。采用水土分算。隧洞中心線(xiàn)處的最大滿(mǎn)負(fù)荷內(nèi)水壓為0.518MPa,隧洞中心線(xiàn)處的最小外水壓為0.323MPa、最大外水壓為0.3674MPa。為保證結(jié)構(gòu)內(nèi)、外襯實(shí)現(xiàn)良好的共同工作,要求先將外襯管片內(nèi)側(cè)的所有槽孔充填密實(shí)后再澆筑內(nèi)襯混凝土;同時(shí),在螺栓手孔內(nèi)插置內(nèi)外襯聯(lián)系錨筋,并在內(nèi)襯混凝土澆筑時(shí)摻加一定量的微膨脹劑,施加內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力后將內(nèi)、外襯層間界面縫隙壓漿密實(shí)。這樣,內(nèi)外層襯砌接觸界面模型選用了上述有粘結(jié)力模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù),取內(nèi)外層襯砌間新、老混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度為0.8MPa,而內(nèi)外層襯砌間的允許粘結(jié)應(yīng)力則取為0.4MPa?？紤]到拱頂壓漿區(qū)域其粘結(jié)強(qiáng)度一般都達(dá)不到0.8MPa,為安全計(jì)將拱頂120區(qū)域范圍內(nèi)的內(nèi)外層襯砌接觸界面另選用了無(wú)粘結(jié)力模型。有限元模型尺寸長(zhǎng)60m,寬67.73m。這樣,可設(shè)定其左右兩側(cè)存在水平約束,下部則存在豎向約束,上部邊界為自由。有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。取管片縱縫接頭處的抗壓和抗剪剛度系數(shù)分別為:Kn=5.01012N/m,KT=5.01011N/m;而縱縫接頭的抗彎剛度則采用了上述的(圖2非線(xiàn)性耦合彈簧單元模擬。該模型設(shè)定:管片接頭的抗彎剛5實(shí)體單元模型作計(jì)算時(shí),可以通過(guò)預(yù)先定義截面得到管片與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)相應(yīng)的最大內(nèi)力和變位與接頭張開(kāi)量,但在后處理中尚無(wú)法直接同時(shí)輸出用圖形顯示的有關(guān)各值。此處為將內(nèi)力與變位各值先行逐一輸出,再用所編制的后處理程序得到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)力圖與變位圖,如圖5~圖9所示。作為示例,本文此處所列的只以隧洞內(nèi)滿(mǎn)負(fù)荷充水的運(yùn)營(yíng)工況為代表。外襯管片截面彎矩設(shè)以管片內(nèi)側(cè)受拉為正。管片彎矩的峰值出現(xiàn)在管頂、底和兩側(cè)腰處,其管管頂、管底的彎矩為正值,而兩腰彎矩則為負(fù)值。最大正彎矩位于管底截面,其值為221.負(fù)彎矩位于管腰截面,其值為-194.10Nm;最大10N55m,如圖5(a所示。設(shè)軸力以受拉為正、受壓為負(fù)。管片全截面呈受壓。其軸壓值為管頂小,而管底、管腰大。軸壓最大值位于管底截面,其最大軸壓值為圖4有限元計(jì)算模型2.1710N,如圖5(b所示。表2所示為隧洞滿(mǎn)負(fù)6度為該接頭截面軸力與彎矩的非線(xiàn)性函數(shù),根據(jù)管片接頭平截面變形假定和受力平衡關(guān)系,可推導(dǎo)出管片接頭的抗彎剛度與接頭截面軸力和彎矩的非線(xiàn)性表達(dá)式。本文通過(guò)對(duì)ABAQUS程序作二次開(kāi)發(fā),以這種非線(xiàn)性耦合彈簧單元來(lái)描述管片接頭抗彎剛度呈接頭截面軸力與彎矩非線(xiàn)性函數(shù)的力學(xué)特性。管片混凝土材料彈性參數(shù)取為:E=3.45MPa=02,.。隧洞上復(fù)土層的土力學(xué)計(jì)算參數(shù),見(jiàn)表1所示。32計(jì)算結(jié)果分析.根據(jù)上述計(jì)算模型和所建議的計(jì)算分析方法,采用ABAQUS通用有限元程序軟件并串結(jié)上本文研發(fā)的專(zhuān)用模塊,得出了該隧洞工程各控制截面在最不利工況荷載組合條件下的計(jì)算結(jié)果。采用上項(xiàng)10MPa,1044荷充水運(yùn)營(yíng)工況下,外襯管片相關(guān)截面的計(jì)算內(nèi)力值表。由圖6可知,洞內(nèi)施加內(nèi)水壓以后,外襯管片與預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆內(nèi)襯結(jié)合的一體的復(fù)合襯砌其形狀將由原先的圓形變?yōu)樯猿时馄降臋E圓形。設(shè)以拱頂作為起始截面(0,計(jì)算給出了沿順時(shí)針?lè)较蚋麝P(guān)鍵截面的變位量值,如表3所示。應(yīng)該指出,在隧洞內(nèi)水壓施加以后,由于內(nèi)襯與內(nèi)水自身重力的影響,在上述復(fù)合襯砌的總變位中有較大部分為豎直向下的剛體位移,如圖7所示。內(nèi)襯截面彎矩的峰值出現(xiàn)在其頂部、底部和兩腰,頂部和底部截面的彎矩為正值,兩腰彎矩則為負(fù)值。最大正彎矩值為192kN.-427kN.m;最大負(fù)彎矩值為m。內(nèi)襯亦全截面受壓,軸壓值拱頂截=02內(nèi)襯混凝土彈性參數(shù)取為:E=325.;.面最大,而拱腰、拱底則相對(duì)較小。內(nèi)襯截面的軸壓表1土層力學(xué)參數(shù)天然重度土層名稱(chēng)kN/m3粉細(xì)砂Q42-2中砂Q42-1中砂Q41-4中砂Q41-3中砂Q41-2黏土巖N18.618.9420.1620.0620.1220.740.4540.4230.3680.3920.3610.367孔隙率n飽和重度sat浮重度內(nèi)凝聚力c內(nèi)摩擦角側(cè)壓力系數(shù)壓縮模量EsMPa變形模量E0MPa6.07.48.08.09.08.7kN/m319.6419.8320.5820.4220.2120.67kN/m39.549.8310.5810.4210.2110.67kPa0000050303455.31.83395.3405.230.5043.047.0.441044.0.6835.10.311.111.112.4126地下工程與隧道2021年第1期表2隧洞滿(mǎn)負(fù)荷充水運(yùn)營(yíng)工況下,外襯管片相關(guān)截面的計(jì)算內(nèi)力值表截面位置彎矩(Nm01.52E+051.55E+0690-1.80E+052.11E+06180197E+05.233E+06.270-1.98E+052.24E+06最大正彎矩截面2.21E+052.33E+06最大負(fù)彎矩截面-198E+05.2.25E+06軸力(N圖5外襯管片截面的計(jì)算內(nèi)力圖圖7復(fù)合襯砌剛體位移(沉降矢量圖圖6復(fù)合襯砌橫截面變位矢量圖表3復(fù)合襯砌各相關(guān)截面的變位量值截面位置豎直變位/mm水平變位/mm0-12.530.09902358.1327.180-37.02010.27023.34-10.29圖8內(nèi)襯截面的計(jì)算內(nèi)力圖表4隧洞滿(mǎn)負(fù)荷充水運(yùn)營(yíng)工況下,外襯管片接頭截面內(nèi)力值與接頭張開(kāi)量計(jì)算結(jié)果接頭位置1234567彎矩M/Nm-1.80E+05101E+05.134E+05.-1.47E+05-9.68E+04184E+05.362E+04.6軸力/N2.11E+061.61E+061.58E+062.02E+062.33E+062.33E+062.35E+06剪力/N-216E+04.-403E+04.1.05E+05-156E+04.-142E+05.-192E+04.2.26E+05接頭剛度值/Nmrad-15.83E+071.56E+071.35E+076.61E+072.66E+071.27E+071.08E+07螺栓拉力/t8.1931.6447.7910.028.2154.5711.77接頭開(kāi)、閉狀態(tài)/mm張開(kāi),071.閉合張開(kāi),139.張開(kāi),012.閉合張開(kāi),212.閉合最大值為122.所示。10N。分別如圖8(a和圖8(b管片接頭截面內(nèi)力值與接頭張開(kāi)量計(jì)算結(jié)果。管片各縱向接頭的張開(kāi)量均小于3mm,可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。表4左首第一欄為管片橫截面各縱向接7表4所示為隧洞滿(mǎn)負(fù)荷充水運(yùn)營(yíng)工況下,外襯地下工程與隧道2021年第1期4實(shí)體疊合模型不僅可考慮輸水隧洞內(nèi)、外襯和預(yù)應(yīng)力施工與運(yùn)營(yíng)各工況對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響,且能較好地計(jì)及在施作內(nèi)襯前、外襯管片先已發(fā)生了的變形與內(nèi)力,及其對(duì)管片與內(nèi)襯二者相互作用的附加影響。5文中研發(fā)的預(yù)應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)化專(zhuān)用程序模塊軟件,能較好地解決采用等效荷載法施加預(yù)應(yīng)力荷載時(shí)前處理困難的問(wèn)題。圖9管片橫截面各縱向接頭位置(1~7圖參[1]考文獻(xiàn)頭的位置,如圖9所示。當(dāng)內(nèi)、外襯砌之間的粘結(jié)強(qiáng)度在受力變形后仍未破壞(已通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證,則其內(nèi)襯預(yù)壓應(yīng)力與內(nèi)水壓荷載兩者均將傳遞到外襯管片受力,且分別使管片受壓和受拉。由于預(yù)應(yīng)力荷載對(duì)管片受力的影響較大,在預(yù)應(yīng)力荷載和內(nèi)水壓力聯(lián)合作用下,管片截面軸壓值仍將有所增大,而內(nèi)襯也仍可保持其全截面受壓。因而,可以認(rèn)為,上述聯(lián)合受力模型可在不影響內(nèi)襯結(jié)構(gòu)抗裂條件下對(duì)外襯管片防水更為有利。4結(jié)語(yǔ)1文中建議的管片縱縫接頭模型,其加載系統(tǒng)簡(jiǎn)單,易于在計(jì)算中實(shí)現(xiàn)。2文中對(duì)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)提出的實(shí)體疊合模型,其內(nèi)、外層襯砌接觸界面的力學(xué)性態(tài)采用了傳統(tǒng)的接觸單元模擬,其理論體系清晰,能較為真實(shí)而準(zhǔn)確地反映接觸界面的力學(xué)行為。3上項(xiàng)實(shí)體簡(jiǎn)化接頭模型諸參數(shù)的物理意義明確,參數(shù)可通過(guò)常規(guī)模擬試驗(yàn)或接頭剛度計(jì)算理論確定。該模型簡(jiǎn)化了當(dāng)管片采用實(shí)體單元建模時(shí)接頭計(jì)算處理上的復(fù)雜性,有效地保證了計(jì)算精度。JeanM.BennettPrecastConcreteTunnelUnitesSinai.DesertinEgyptConcreteInternationa,1980Vo.l2.l,(1:44-49.[2][3][4][5]陳濟(jì)生.埃及地下穿蘇伊士運(yùn)河輸水工程[J].水利水電快報(bào),1996,Vo.l22(17:27-28.張曉偉,黃柏洪,王懷斌等.輸水長(zhǎng)隧洞TBM的類(lèi)型選擇[J].水利水電技術(shù),2006Vo.l1312-15:..首都規(guī)劃建設(shè)委員會(huì)辦公室.GB50157-92地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1999.ITA.WorkingGroupongeneralapproachestothedesignoftunnels.GuidelinesfortheDesignoftunnelsTunne.lingandUndergroundSpaceTechnology1988,Vo.3,l(3:237-249.[6]LinTY.Strengthofcontinuousprestressedconcrete.beasunderstaticandrepeatedloadsACIJ,1995,m..Vo.26(10:1037~1059.l[7]ByungHO,EuiSK.Realisticevaluationoftransferlengthsinpretensioned,prestressedconcretemembers.ACIStructuralJourna,l2000,Vo.l97(6:3024.3012~[8]EliAE.FiniteelementmodelforcurvedembeddedrewinforceentJournalofEngineeringMechanicsASCE,m.,1989,Vo.11(5:740-754.l(收稿日期:2021-01-068地下工程與隧道2021年第1期UNDERGROUNDENGINEERINGANDTUNNELS(QuarterlyNo.1Mar.2021AbstractsofMainContents(1DesignandCalculationofCompositeLiningStructureforWaterConveyanceShieldTunnel………………………SunJunYangZhaoWangYong,,Inthedesignandcalculationofthecompositetunnellining(composedofsegmentouterliningandmonolithicprestressedinnerliningforthesoftsoiltunnelconveyingpressurizedwaterinordertoreflec,tingtheinteractionbetweentheinnerliningandouterliningandtheeffectontunnelcompositeliningfromtheprestressloadinbothconstructionandoperationphases,anewsolidcompositioncalculationmodelisproposed.Duetothecomplexityofdeterminingtheflexuralrigidityofsegmentlongitudinaljointnumerical,siulationapproachisrecommendedandanonlinearcouplingspringcontactpairsiulationsystemisammdoptedHerein,asiplifiedcalculationmethodisusedtosimulatethesegmentjointrigiditybecauseit'.msdifficulttosiulatethejointrigiditybysolidmodeling.Accordingtothedifferenttreatmentsofcontactinmterfacebetweenpriaryandsecondarylinings,fivekindsofinteractionmodelareestablished.Inadditionm,aprogramisdevelopedtotransformtheprestressloadofsecondarylining,whichcanbeusedtotreatthepre-treatmentofprestressingbyequivalentloadmethod.TheabovenewideashavebeenusedinthestructuraldesignandstudyoftheYellowRiverCrossingTunnelalongthemiddlerouteofSouth-NorthWaterDiversionProjectinthe1stphase.(9HorizontalRotationConstructionTechnologyinBeijingRailTransitFangshanLine………………WangAnyuBeijingRailTransitFangshanLineshallcrosstherailwayfourtiesintheFengximarshallingyardm,thus,therefourbridgeswereconstructedbyhorizontalrotationconstructiontechnologyItdescribesthe.mainpointsofhorizontalrotationtechnology,andanalyzesthetechnicalconstraintsonthedesignandconstructionofsuchabridgeinChinaonthebasisofreviewingthetechnologydevelopmentandproposesthe,ideasonhowtoiprovetheprocessingtechniquesofbal-hingewhichwillprovidethereferencefortheml,siilarbridgesoverexpresswayrailwayandriverm,.(12EffectofDivisionWallinLargeSectionSubwayRunningTunnelonTunnelStructure……………YangHongjieCombinedwiththesouthernprojectofShanghaiRailTransitLineNo.11,throughtwo-diensionalmandthree-diensionalnumericalsiulation,adetailedanalysiswasmadetotheeffectofdivisionwallinmmrunningtunnelonlargeiametershieldrunningtunne.Theaxialforce,shearforce,bendingmomentand-dlthemaxiumprincipalstressoftunnelsegmentwerecalculatedunderthetwoconditions(tunneloccurringmevensettlementordifferentialsettlement.Thecalculationresultswillprovideiportantreferencesforthemtunneldesigner.(15TestandAnalysisofShearPerformanceofCircumferentialJointofSegmentRinginShanghaiYangtzeRiverTunnel……………LiDongme,ChenZhengjie,YangZhihaoiCombinedwiththefullscalesheartestofShanghaiYangtzeRiverTunnelliningring(diameterof15m,therelationshipofthemovementbetweenringsandloadvariationwascomeupwithaccordingtothetestdata.Furthertheshearstiffnessforulaofcircumferentialjointandfrictioncoefficientwith,mconcretesurfacewereobtained.Theformulaproposedwillbeusedforreferenceforfuturesiilarpromjects.(18RiskAssessmentandTreatmentinSuzhouSubwayProject………YuJunjieCombinedwiththeriskfactorswhichshouldbeconsideredengineeringrisklevelgrading,riskclas,52地下工程與隧道2021年第1期#技術(shù)討論!連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討3王智明1,2菅志軍2李相方3賀麥紅2許朝輝2(11吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院21中海油田服務(wù)股份技術(shù)中心31中國(guó)石油大學(xué)?北京摘要石油鉆井過(guò)程中隨鉆測(cè)量的參數(shù)越來(lái)越多,為把這些參數(shù)快速有效地傳至地面,研制一套高速率鉆井液脈沖遙傳系統(tǒng)勢(shì)在必行。解釋了鉆井液脈沖發(fā)生器連續(xù)波發(fā)生機(jī)理,介紹了連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器及發(fā)電機(jī)短節(jié)的基本組成、設(shè)計(jì)方案、基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及信號(hào)的編碼與解碼方式等。對(duì)研制連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器具有一定的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞隨鉆測(cè)井工具連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器編碼與解碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引言鉆井液脈沖發(fā)生器是LWD、MWD(量、測(cè)井技術(shù),率一般為015~3]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功研制了鉆井液正脈沖發(fā)生器,考慮到隨鉆測(cè)井包括定向參數(shù)(方位、傾角、工具面角、伽馬、電阻率、中子密度、中子孔隙度等多個(gè)參數(shù),而且資料顯示,國(guó)外已經(jīng)研制出了隨鉆聲波測(cè)井、隨鉆地震測(cè)井、隨鉆核磁共振測(cè)井及隨鉆地層測(cè)試等井下儀器[2],隨鉆測(cè)量的參數(shù)越來(lái)越多,顯然正脈沖發(fā)生器的傳輸速率已難以滿(mǎn)足要求。由于井下信息量越來(lái)越大,對(duì)傳輸速率的要求也越來(lái)越高,為把井下數(shù)據(jù)快速有效地傳輸?shù)降孛?滿(mǎn)足生產(chǎn)作業(yè)對(duì)多個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)獲取的要求,研制高速率的鉆井液脈沖井下信息遙傳系統(tǒng)勢(shì)在必行。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器比正脈沖發(fā)生器傳輸速率高得多,可以達(dá)到6~12b/s,是一項(xiàng)較有前途的技術(shù)。筆者將對(duì)脈沖發(fā)生器的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,對(duì)連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的研制具有一定的指導(dǎo)作用。脈沖發(fā)生機(jī)理連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器汽笛部分由定子和轉(zhuǎn)子組成,轉(zhuǎn)子上部安裝與轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量相等的定子,如圖1碼,,使鉆柱內(nèi)鉆,形成連續(xù)正弦壓力波,由井下傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后,通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)加載信號(hào),在地面檢測(cè)壓力波形的變化,經(jīng)過(guò)譯碼,計(jì)算得到測(cè)量數(shù)據(jù),通過(guò)終端顯示[3]。連續(xù)波脈沖技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快;缺點(diǎn)是信號(hào)相對(duì)較弱,受噪聲干擾影響相對(duì)較大,對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)要求較高[4]。圖1連續(xù)波脈沖發(fā)生器機(jī)理脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)及工作原理11連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器技術(shù)指標(biāo)參考國(guó)外連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的技術(shù)現(xiàn)狀,確定了連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:耐壓130MPa,溫度150℃,信號(hào)傳輸井深0~4000m,數(shù)據(jù)傳輸速率≥6b/s,排量19~55L/s,試驗(yàn)井試驗(yàn)工作時(shí)間—65—石油機(jī)械CHINAPETROLEUMMACHINERY2007年第35卷第12期3基金項(xiàng)目:中海油田服務(wù)股份項(xiàng)目“高速率泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)研究”(YFJ0504。150h;脈沖發(fā)生器鉆鋌外徑175mm,鉆鋌內(nèi)徑130mm,脈沖發(fā)生器保護(hù)筒外徑96mm,扶正器外徑130mm。21連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)及工作原理鉆井液脈沖發(fā)生器主要由發(fā)電機(jī)、壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、電子模塊、直流電動(dòng)機(jī)及控制編碼系統(tǒng)、齒輪減速機(jī)構(gòu)、鉆井液汽笛轉(zhuǎn)子和定子等組件組成。井下探管編碼后的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)加載到電動(dòng)機(jī);轉(zhuǎn)子在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作用下旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)子的上部安裝與轉(zhuǎn)子相等葉片數(shù)量的定子;轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)位置的變化產(chǎn)生連續(xù)的正弦壓力波;設(shè)置在地面的壓力傳感器檢測(cè)鉆井液壓力波形的變化,并通過(guò)譯碼得到井下數(shù)據(jù)。發(fā)電機(jī)短節(jié)如圖2所示,由鉆柱來(lái)的高速鉆井液流經(jīng)導(dǎo)輪組件葉輪調(diào)整流動(dòng)方向,使得鉆井液對(duì)渦輪有良好的驅(qū)動(dòng)效果,渦輪在鉆井液的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)渦輪軸經(jīng)變速箱增速后,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸外部安裝發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈繞組,線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)而產(chǎn)生交流電。圖2渦輪發(fā)電機(jī)短節(jié)導(dǎo)輪與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖1—鉆鋌;2—渦輪隔套;3—密封圈;4—導(dǎo)輪組件;5—螺釘;6—鎖緊螺母;7—渦輪軸;8—渦輪鉆井液汽笛短節(jié)如圖3所示。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸經(jīng)減速器減速后驅(qū)動(dòng)鉆井液汽笛的轉(zhuǎn)子做給定頻率的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于汽笛轉(zhuǎn)子相對(duì)于汽笛定子做周期性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而轉(zhuǎn)子和定子設(shè)計(jì)有相同尺寸的葉片,轉(zhuǎn)子和定子的不同位置的重疊和開(kāi)啟在鉆井液中形成周期性的正弦波壓力脈沖信號(hào)。圖3鉆井液汽笛短節(jié)1—密封壓蓋;2—上接筒;3—導(dǎo)流套;4—鉆鋌;5—定子;6—定子壓蓋;7—定子軸;8—轉(zhuǎn)子電子模塊短節(jié)用來(lái)支撐容納電子模塊,把交流電經(jīng)電源模塊的整流及電源管理形成穩(wěn)定電流輸出,供脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和井下其它電子器件使用。其中145~235V的直流電驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器直流電動(dòng)機(jī)工作,用以帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。為了平衡鉆井液的壓力,每個(gè)短節(jié)都配以壓力補(bǔ)償器。為了使發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率,需要增速機(jī)構(gòu),同時(shí)為了使汽笛轉(zhuǎn)子的速度達(dá)到要求,需要減速機(jī)構(gòu)來(lái)降低電動(dòng)機(jī)輸出的速度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,要考慮材料的耐腐蝕、井下鉆井液沖刷對(duì)零件的影響和無(wú)磁材料的使用等。信號(hào)編碼與解碼技術(shù)控制系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),控制方式可以選擇頻移鍵控或者相移鍵控,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼的加載,從而實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。編碼技術(shù)及解碼技術(shù)是高速率鉆井液脈沖遙傳系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容,編碼技術(shù)包括相移鍵控(BPSK編碼、頻移鍵控(AM3種方式[5。圖4信號(hào)比較1—參考信號(hào);2—相移鍵控信號(hào);3—頻移鍵控信號(hào);4—脈沖調(diào)幅信號(hào)11相移鍵控基本原理正弦波在一定期間內(nèi)相位移變化180°,表現(xiàn)在動(dòng)作控制上是控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變慢后又回到正常的載波轉(zhuǎn)速,這一過(guò)程用1表示;期間之間沒(méi)有相位移的變化,用0表示。以24Hz載波頻率為例,要傳輸速率為6b/s。假設(shè)轉(zhuǎn)子4個(gè)葉片,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生4個(gè)周期的正弦波。則1bit所需時(shí)間為01167s。21頻移鍵控基本原理特定時(shí)間內(nèi)1個(gè)頻率的出現(xiàn)或缺失表示1個(gè)符號(hào);每個(gè)符號(hào)代表3個(gè)字節(jié)(3bits,如f1=000;f2=001;f3=010;f4=011;f5=100;f6=101;f7—75—2007年第35卷第12期王智明等:連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討=110;f8=111;需要8個(gè)不同的頻率。脈沖調(diào)幅這里不作介紹。解碼技術(shù)主要包括信號(hào)增強(qiáng)和接收技術(shù),濾波方法,算法的選擇,軟件編寫(xiě)等內(nèi)容。流場(chǎng)仿真與數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)過(guò)程中,要著重考慮以下關(guān)鍵技術(shù):脈沖發(fā)生器定、轉(zhuǎn)子材料、初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程磁力定位器的設(shè)計(jì)[6];流體參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)與脈沖信號(hào)物理性質(zhì)的關(guān)系;結(jié)合脈沖信號(hào)編碼方式確定電動(dòng)機(jī)控制方式;旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流動(dòng)特性仿真及定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。轉(zhuǎn)子和定子長(zhǎng)時(shí)間在井下工作,由于鉆井液中的固相顆粒或雜質(zhì)的影響,有時(shí)會(huì)發(fā)生卡阻現(xiàn)象。為了降低轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生卡阻的幾率,在減速箱與轉(zhuǎn)子間用遠(yuǎn)程磁力定位器進(jìn)行控制。此外,需利用CFD工程軟件,對(duì)脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子和定子進(jìn)行流場(chǎng)分析,需要利用滑動(dòng)網(wǎng)格理論進(jìn)行分析;同時(shí)對(duì)汽笛轉(zhuǎn)子、片形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),,發(fā)電機(jī)的發(fā)電量,素加以分析:信號(hào)傳播衰減的因素有鉆井液的塑性粘度、井深、鉆桿的內(nèi)徑、鉆井液的密度、鉆井泵的壓力、傳輸頻率等;破壞傳播信號(hào)的因素有鉆桿的振動(dòng)、鉆井液的條件、回聲及反射等;噪聲的來(lái)源電干擾、鉆井泵噪聲、鉆井液馬達(dá)的噪聲、鉆頭的噪聲、回聲及反射等。綜合考慮上面各種因素建立信號(hào)傳播的數(shù)學(xué)模型,利用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究,樣機(jī)試制成功后,進(jìn)行井下試驗(yàn),比較井下試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性,進(jìn)而改進(jìn)連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)。結(jié)束語(yǔ)預(yù)計(jì)2021年世界鉆井?dāng)?shù)量將增加到75000口,隨鉆測(cè)井市場(chǎng)容量?jī)r(jià)值為23億美元左右,連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的研制是市場(chǎng)戰(zhàn)略的需要。斯倫貝謝(Schlumberger、貝克休斯(BakerHughes和哈里伯頓(Halliburton占有81%的國(guó)際測(cè)井市場(chǎng)[7]。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器傳輸速率較高,僅有斯倫貝謝擁有該項(xiàng)技術(shù)比較成熟的儀器,但只提供服務(wù),不出售產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)對(duì)于連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器的研究對(duì)打破國(guó)外公司的技術(shù)壟斷具有重要意義。MWD和LWD(隨鉆測(cè)量和測(cè)井技術(shù)是完成大角度及水平井鉆井,實(shí)時(shí)井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、解釋和現(xiàn)場(chǎng)決策以及指導(dǎo)完成地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的關(guān)鍵技術(shù),它綜合了錄測(cè)井、鉆井、油藏描述等多種學(xué)科技術(shù),可簡(jiǎn)化鉆井作業(yè)程序,節(jié)約成本,提高鉆井精度,調(diào)整鉆井設(shè)計(jì)和提高采收率[8]。目前國(guó)內(nèi)MWD和LWD作業(yè)量很大,已經(jīng)購(gòu)置的設(shè)備不能滿(mǎn)足作業(yè)需求?？紤]到國(guó)內(nèi)各公司開(kāi)拓海外市場(chǎng)的戰(zhàn)略,研制自主品牌的LWD、MWD是一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。連續(xù)波鉆井液脈沖發(fā)生器受到鉆井液的沖蝕及有較多的運(yùn)動(dòng)件,是LWD、MWD系統(tǒng)中大量的配件,且結(jié)