一种大型动载构件疲劳性能的测试方法与流程

本发明涉及服役构件疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种大型动载构件疲劳性能的测试方法。

背景技术：

随着改革开放带来的国民经济快速发展，大型动载构件(转子、轴和轧辊等)广泛使用。随着使用年限的增加，构件的事故或故障频发，运行安全问题日益突出。例如，抽水蓄能发电电动机转速高、双向旋转、工况复杂、启动频繁，运行过程中会产生交变应力，疲劳现象时常发生。特别是我国现役抽水蓄能机组的寿命预测方法大多依靠国外的技术支持，运行单位缺乏相应的评估手段，寿命评估成本高，技术上受制于人。因此，动载构件的寿命测试是保证其安全使用的有效手段之一。目前对于动载构件的疲劳性能测试主要是使用疲劳试验机进行测试，但对于抽水蓄能发电电动机转子磁极和磁轭等大型动载构件而言，现役抽水蓄能发电电动机转子体积非常大(远远大于标准试样)、造价很高，常规的疲劳试验机难以测试，搭建构件测试平台成本很高。因此，探究一种适用于大型动载构件疲劳寿命测试的简便方法是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中大型动载构件无法在常规试验机上进行测试的难题，本发明的目的在于提供一种大型动载构件疲劳性能的测试方法，该方法通过巧妙设计即可在常规疲劳试验机实现，成本较低，操作方便，适用于抽水蓄能发电电动机转子磁极和磁轭或其他大型承受动载构件的疲劳性能测试。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种大型动载构件疲劳性能的测试方法，该方法包括如下步骤：

(1)通过失效分析、有限元分析或查阅资料的方式找出大型动载构件的最危险点；对于抽水蓄能发电电动机转子磁极和磁轭来说，所述最危险点是其T尾或鸽尾中部由宽到窄处的过度弧位置。

(2)根据最危险点的应力状态，确定服役构件的关键部位，该关键部位的受力特征以及表面状态与服役构件相一致，该关键部位称作结构单元；对于抽水蓄能发电电动机转子磁极和磁轭来说，所述关键部位是指其独立的一个T尾或鸽尾。

(3)根据结构单元的尺寸和疲劳试验机最大载荷制备不同比例的微缩构件及与其对应的夹具工装；所述不同比例的微缩构件是将结构单元的尺寸按不同比例缩小后形成(如，1：2、1：5和1：10等)，微缩构件的表面状态和受力特征需与服役构件的一致。

(4)根据最危险点的受力状态，选择拉-拉、拉-压、旋弯和拉-扭中的一种或几种作为疲劳加载形式；对于抽水蓄能发电电动机转子磁极和磁轭来说，可只选择拉-拉载荷作为疲劳加载形式。

(5)确定不同比例微缩构件的加载应力幅，然后在疲劳机上测试各构件的应力疲劳性能，建立缩放比例与不同比例微缩构件疲劳寿命的定量关系，再进一步计算出服役构件的疲劳寿命；该步骤具体可采用以下两种方式进行：

第一种方式包括如下步骤：

(a)综合考虑受力状态、应力集中情况、表面粗糙度和材料疲劳性能等因素，初步确定加载应力幅预估值、应力增量、试样数量、试验频率和循环周次；

(b)每个比例微缩构件的疲劳试验在3～5级应力幅进行，第一个微缩构件应力幅高于应力幅预估值的20-30％，根据此微缩构件的试验结果(破坏或通过)，决定下一个微缩构件的试验应力，如果通过(suspension)则根据情况增加应力幅，如果破坏(suspension failure)则根据情况减小应力幅，直到完成3～5级应力幅测试；每个应力幅测试至少两个样品，每个应力幅加载过程中至少有一个微缩构件样品通过设定的循环周次；

(c)把每组微缩构件的有效数据点以应力幅为纵坐标，以疲劳周次为横坐标画在双对数坐标或单对数(横坐标为对数)中，用数据处理软件(如Excel、Origin)进行线性拟合得到疲劳周次与应力幅的定量关系，并分别得到不同缩放比例样品的疲劳强度系数和疲劳强度指数，利用此关系计算设定循环周次的疲劳强度；

(d)通过数据处理软件分别建立不同缩放比例样品的疲劳强度系数和疲劳强度指数与缩放比例的定量关系，通过合理外推计算出服役构件的疲劳强度系数和疲劳强度指数，进而建立其寿命预测公式及计算出服役构件的疲劳强度。

第二种方式的具体过程如下：

结合构件具体服役工况，通过有限元软件计算出服役构件在不同工况的载荷谱(例如磁极、磁轭的启停、调相、调峰、甩负荷和飞逸等)，再从中选择损伤最严重的工况载荷谱作为微缩构件的加载应力幅，并各选择至少两个不同比例的微缩构件进行疲劳试验，建立缩放比例与不同比例微缩构件疲劳寿命的定量关系，通过合理外推计算出服役构件的疲劳寿命，如果计算寿命过于保守，可以考虑在增加一种次严重工况重复上述方法，计算相应疲劳寿命。

本发明设计原理及有益效果如下：

本发明通过分析确认磁极磁轭等大型动载构件最危险部位，制作成体现关键载荷特征的不同缩放比例的微型构件和对应夹具工装，然后在疲劳机上测试其应力疲劳性能，探寻疲劳强度及其指数、疲劳强度系数分别与缩放比例的关系，进而计算全尺寸构件的疲劳性能。本发明解决了大型构件无法在常规试验机上进行测试的难点，通过巧妙设计即可在常规疲劳试验机实现，成本较低，操作方便，还适用于其他大型承受动载构件。

附图说明

图1为抽水蓄能转子磁轭(a)和(b)磁极结构示意图及其危险位置；其中：(a)磁轭；(b)磁极；图中红色椭圆为危险位置，单位：mm。

图2为磁轭结构单元尺寸(单位：mm)。

图3为不同比例微缩构件S-N曲线示意图；其中：(a)1:10样疲劳S-N曲线；(b)不同比例S-N示意图。

图4为缩放比例与微缩构件S-N参数关系示意图；其中：(a)疲劳强度系数；(b)疲劳强度指数。

图5为缩放比例与载荷谱疲劳周次关系的示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实施例对本发明进行描述，但实施例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

采用本发明方法，利用常规实验机，对抽水蓄能发电电动机转子磁极和磁轭进行疲劳性能测试。

磁极和磁轭是转子构件的重要组成部分(图1所示)，磁极是构成励磁绕组的基本元件，是发电机建立旋转磁场的磁感应部件。磁轭是用硅钢片迭制而成的轭铁，一方面约束感应线圈产生的磁力线向外散放，另一方面起磁屏蔽作用。磁极和磁轭有共轭的鸽尾或T尾结构，磁极通过磁极键固定在磁轭上，两种构件具体测试过程举例如下：

(1)确定抽水蓄能发电电动机转子磁极和磁轭的最危险点；通过查阅资料可知两构件最危险点是其鸽尾中部由宽到窄处的过度弧附近(图1中圆圈所示位置)。相对磁极，磁轭更危险，后面以磁轭为例进行计算。

(2)确定接近服役构件特性的关键部位是磁轭的独立的一个鸽尾，如图2所示。

(3)根据步骤(2)确定的关键部位的尺寸和疲劳试验机最大载荷(本实验用试验机最大载荷为250kN)制备不同比例的微缩构件(将服役构件的关键部位按不同比例缩小后制成)及与微缩构件对应的夹具工装；微缩构件与服役构件关键部位的比例关系分别为1：2、1：5和1：10，微缩构件的表面状态和受力特征与服役构件的一致。

(4)选择拉-拉载荷作为疲劳加载形式。

(5)确定不同比例微缩构件的加载应力幅，然后在疲劳机上测试各构件的应力疲劳性能，建立缩放比例与不同比例微缩构件疲劳寿命的定量关系，再进一步计算出服役构件的疲劳寿命。具体过程如下：

(a)综合考虑受力状态、应力集中情况、表面粗糙度和材料疲劳性能等因素，初步确定加载应力幅预估值(120MPa)、应力增量(开始为20MPa，疲劳寿命10⁶～10⁷之间10MPa)、试样数量(8～12个)、试验频率(30～50Hz)和循环周次(预定循环次数为10⁷)；

(b)每个比例微缩构件的疲劳试验在3～5级应力幅进行，每个微缩构件(1：2(0.5)、1：5(0.2)和1：10(0.1))应力幅高于预估值30MPa，均设为150MPa，此微缩构件的测试结果为破坏，然后降低20MPa继续加载，如果通过则根据情况增加应力幅，如果破坏则根据情况减小应力幅，直到完成3～5级应力幅；当疲劳周次在10⁶～10⁷之间时以10MPa为增量进行试验(1:10样品S-N曲线如图3a)。

以上三个微缩构件测试过程中，每个应力幅两个样品，每个比例的微缩构件至少有一个样品通过设定的循环周次。

(c)把每组微缩构件的有效数据点以应力幅为纵坐标，以疲劳周次为横坐标画在双对数坐标或单对数(横坐标为对数)中，用数据处理软件(如Excel、Origin)进行线性拟合得到疲劳周次与应力幅的定量关系(双对数坐标如图3b所示)，并分别得到不同缩放比例样品的疲劳强度系数和疲劳强度指数，利用此关系计算设定循环周次的疲劳强度；

(d)通过数据处理软件分别建立不同缩放比例样品的疲劳强度系数和疲劳强度指数与缩放比例的定量关系(如图4所示)，通过合理外推计算出服役构件的疲劳强度系数和疲劳强度指数(如图4中的红点，假设图中的关系均为线性)，进而建立其寿命预测公式及计算出服役构件的疲劳强度；如果三个缩放比例的数据外推时不能找到合理的趋势，可以考虑增加一个缩放比例。

实施例2

与实施例1不同之处在于：步骤(5)的具体过程不同，本实施例过程如下：

通过有限元软件计算出服役构件在不同工况的载荷谱(例如磁极、磁轭的启停、甩负荷和飞逸)，再从中选择损伤较为严重的工况作为微缩构件的加载应力幅(例如150MPa～0.01MPa)，并各选择至少两个不同比例的微缩构件进行疲劳试验，建立缩放比例(1：2、1：5和1：10)与不同比例微缩构件疲劳寿命的定量关系(如图5所示)，通过合理外推计算出服役构件的疲劳寿命(如图5中的点，假设图中双对数坐标下为线性)。