本發(fā)明涉及服役構(gòu)件疲勞性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大型動載構(gòu)件疲勞性能的測試方法。

背景技術(shù)：

隨著改革開放帶來的國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大型動載構(gòu)件(轉(zhuǎn)子、軸和軋輥等)廣泛使用。隨著使用年限的增加，構(gòu)件的事故或故障頻發(fā)，運行安全問題日益突出。例如，抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)速高、雙向旋轉(zhuǎn)、工況復(fù)雜、啟動頻繁，運行過程中會產(chǎn)生交變應(yīng)力，疲勞現(xiàn)象時常發(fā)生。特別是我國現(xiàn)役抽水蓄能機(jī)組的壽命預(yù)測方法大多依靠國外的技術(shù)支持，運行單位缺乏相應(yīng)的評估手段，壽命評估成本高，技術(shù)上受制于人。因此，動載構(gòu)件的壽命測試是保證其安全使用的有效手段之一。目前對于動載構(gòu)件的疲勞性能測試主要是使用疲勞試驗機(jī)進(jìn)行測試，但對于抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極和磁軛等大型動載構(gòu)件而言，現(xiàn)役抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子體積非常大(遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)試樣)、造價很高，常規(guī)的疲勞試驗機(jī)難以測試，搭建構(gòu)件測試平臺成本很高。因此，探究一種適用于大型動載構(gòu)件疲勞壽命測試的簡便方法是亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中大型動載構(gòu)件無法在常規(guī)試驗機(jī)上進(jìn)行測試的難題，本發(fā)明的目的在于提供一種大型動載構(gòu)件疲勞性能的測試方法，該方法通過巧妙設(shè)計即可在常規(guī)疲勞試驗機(jī)實現(xiàn)，成本較低，操作方便，適用于抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極和磁軛或其他大型承受動載構(gòu)件的疲勞性能測試。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種大型動載構(gòu)件疲勞性能的測試方法，該方法包括如下步驟：

(1)通過失效分析、有限元分析或查閱資料的方式找出大型動載構(gòu)件的最危險點；對于抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極和磁軛來說，所述最危險點是其T尾或鴿尾中部由寬到窄處的過度弧位置。

(2)根據(jù)最危險點的應(yīng)力狀態(tài)，確定服役構(gòu)件的關(guān)鍵部位，該關(guān)鍵部位的受力特征以及表面狀態(tài)與服役構(gòu)件相一致，該關(guān)鍵部位稱作結(jié)構(gòu)單元；對于抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極和磁軛來說，所述關(guān)鍵部位是指其獨立的一個T尾或鴿尾。

(3)根據(jù)結(jié)構(gòu)單元的尺寸和疲勞試驗機(jī)最大載荷制備不同比例的微縮構(gòu)件及與其對應(yīng)的夾具工裝；所述不同比例的微縮構(gòu)件是將結(jié)構(gòu)單元的尺寸按不同比例縮小后形成(如，1：2、1：5和1：10等)，微縮構(gòu)件的表面狀態(tài)和受力特征需與服役構(gòu)件的一致。

(4)根據(jù)最危險點的受力狀態(tài)，選擇拉-拉、拉-壓、旋彎和拉-扭中的一種或幾種作為疲勞加載形式；對于抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極和磁軛來說，可只選擇拉-拉載荷作為疲勞加載形式。

(5)確定不同比例微縮構(gòu)件的加載應(yīng)力幅，然后在疲勞機(jī)上測試各構(gòu)件的應(yīng)力疲勞性能，建立縮放比例與不同比例微縮構(gòu)件疲勞壽命的定量關(guān)系，再進(jìn)一步計算出服役構(gòu)件的疲勞壽命；該步驟具體可采用以下兩種方式進(jìn)行：

第一種方式包括如下步驟：

(a)綜合考慮受力狀態(tài)、應(yīng)力集中情況、表面粗糙度和材料疲勞性能等因素，初步確定加載應(yīng)力幅預(yù)估值、應(yīng)力增量、試樣數(shù)量、試驗頻率和循環(huán)周次；

(b)每個比例微縮構(gòu)件的疲勞試驗在3～5級應(yīng)力幅進(jìn)行，第一個微縮構(gòu)件應(yīng)力幅高于應(yīng)力幅預(yù)估值的20-30％，根據(jù)此微縮構(gòu)件的試驗結(jié)果(破壞或通過)，決定下一個微縮構(gòu)件的試驗應(yīng)力，如果通過(suspension)則根據(jù)情況增加應(yīng)力幅，如果破壞(suspension failure)則根據(jù)情況減小應(yīng)力幅，直到完成3～5級應(yīng)力幅測試；每個應(yīng)力幅測試至少兩個樣品，每個應(yīng)力幅加載過程中至少有一個微縮構(gòu)件樣品通過設(shè)定的循環(huán)周次；

(c)把每組微縮構(gòu)件的有效數(shù)據(jù)點以應(yīng)力幅為縱坐標(biāo)，以疲勞周次為橫坐標(biāo)畫在雙對數(shù)坐標(biāo)或單對數(shù)(橫坐標(biāo)為對數(shù))中，用數(shù)據(jù)處理軟件(如Excel、Origin)進(jìn)行線性擬合得到疲勞周次與應(yīng)力幅的定量關(guān)系，并分別得到不同縮放比例樣品的疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)，利用此關(guān)系計算設(shè)定循環(huán)周次的疲勞強(qiáng)度；

(d)通過數(shù)據(jù)處理軟件分別建立不同縮放比例樣品的疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)與縮放比例的定量關(guān)系，通過合理外推計算出服役構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)，進(jìn)而建立其壽命預(yù)測公式及計算出服役構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。

第二種方式的具體過程如下：

結(jié)合構(gòu)件具體服役工況，通過有限元軟件計算出服役構(gòu)件在不同工況的載荷譜(例如磁極、磁軛的啟停、調(diào)相、調(diào)峰、甩負(fù)荷和飛逸等)，再從中選擇損傷最嚴(yán)重的工況載荷譜作為微縮構(gòu)件的加載應(yīng)力幅，并各選擇至少兩個不同比例的微縮構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗，建立縮放比例與不同比例微縮構(gòu)件疲勞壽命的定量關(guān)系，通過合理外推計算出服役構(gòu)件的疲勞壽命，如果計算壽命過于保守，可以考慮在增加一種次嚴(yán)重工況重復(fù)上述方法，計算相應(yīng)疲勞壽命。

本發(fā)明設(shè)計原理及有益效果如下：

本發(fā)明通過分析確認(rèn)磁極磁軛等大型動載構(gòu)件最危險部位，制作成體現(xiàn)關(guān)鍵載荷特征的不同縮放比例的微型構(gòu)件和對應(yīng)夾具工裝，然后在疲勞機(jī)上測試其應(yīng)力疲勞性能，探尋疲勞強(qiáng)度及其指數(shù)、疲勞強(qiáng)度系數(shù)分別與縮放比例的關(guān)系，進(jìn)而計算全尺寸構(gòu)件的疲勞性能。本發(fā)明解決了大型構(gòu)件無法在常規(guī)試驗機(jī)上進(jìn)行測試的難點，通過巧妙設(shè)計即可在常規(guī)疲勞試驗機(jī)實現(xiàn)，成本較低，操作方便，還適用于其他大型承受動載構(gòu)件。

附圖說明

圖1為抽水蓄能轉(zhuǎn)子磁軛(a)和(b)磁極結(jié)構(gòu)示意圖及其危險位置；其中：(a)磁軛；(b)磁極；圖中紅色橢圓為危險位置，單位：mm。

圖2為磁軛結(jié)構(gòu)單元尺寸(單位：mm)。

圖3為不同比例微縮構(gòu)件S-N曲線示意圖；其中：(a)1:10樣疲勞S-N曲線；(b)不同比例S-N示意圖。

圖4為縮放比例與微縮構(gòu)件S-N參數(shù)關(guān)系示意圖；其中：(a)疲勞強(qiáng)度系數(shù)；(b)疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

圖5為縮放比例與載荷譜疲勞周次關(guān)系的示意圖。

具體實施方式

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，但實施例僅為對本發(fā)明的特點和優(yōu)點做進(jìn)一步闡述，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

實施例1

采用本發(fā)明方法，利用常規(guī)實驗機(jī)，對抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極和磁軛進(jìn)行疲勞性能測試。

磁極和磁軛是轉(zhuǎn)子構(gòu)件的重要組成部分(圖1所示)，磁極是構(gòu)成勵磁繞組的基本元件，是發(fā)電機(jī)建立旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)部件。磁軛是用硅鋼片迭制而成的軛鐵，一方面約束感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁力線向外散放，另一方面起磁屏蔽作用。磁極和磁軛有共軛的鴿尾或T尾結(jié)構(gòu)，磁極通過磁極鍵固定在磁軛上，兩種構(gòu)件具體測試過程舉例如下：

(1)確定抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極和磁軛的最危險點；通過查閱資料可知兩構(gòu)件最危險點是其鴿尾中部由寬到窄處的過度弧附近(圖1中圓圈所示位置)。相對磁極，磁軛更危險，后面以磁軛為例進(jìn)行計算。

(2)確定接近服役構(gòu)件特性的關(guān)鍵部位是磁軛的獨立的一個鴿尾，如圖2所示。

(3)根據(jù)步驟(2)確定的關(guān)鍵部位的尺寸和疲勞試驗機(jī)最大載荷(本實驗用試驗機(jī)最大載荷為250kN)制備不同比例的微縮構(gòu)件(將服役構(gòu)件的關(guān)鍵部位按不同比例縮小后制成)及與微縮構(gòu)件對應(yīng)的夾具工裝；微縮構(gòu)件與服役構(gòu)件關(guān)鍵部位的比例關(guān)系分別為1：2、1：5和1：10，微縮構(gòu)件的表面狀態(tài)和受力特征與服役構(gòu)件的一致。

(4)選擇拉-拉載荷作為疲勞加載形式。

(5)確定不同比例微縮構(gòu)件的加載應(yīng)力幅，然后在疲勞機(jī)上測試各構(gòu)件的應(yīng)力疲勞性能，建立縮放比例與不同比例微縮構(gòu)件疲勞壽命的定量關(guān)系，再進(jìn)一步計算出服役構(gòu)件的疲勞壽命。具體過程如下：

(a)綜合考慮受力狀態(tài)、應(yīng)力集中情況、表面粗糙度和材料疲勞性能等因素，初步確定加載應(yīng)力幅預(yù)估值(120MPa)、應(yīng)力增量(開始為20MPa，疲勞壽命10⁶～10⁷之間10MPa)、試樣數(shù)量(8～12個)、試驗頻率(30～50Hz)和循環(huán)周次(預(yù)定循環(huán)次數(shù)為10⁷)；

(b)每個比例微縮構(gòu)件的疲勞試驗在3～5級應(yīng)力幅進(jìn)行，每個微縮構(gòu)件(1：2(0.5)、1：5(0.2)和1：10(0.1))應(yīng)力幅高于預(yù)估值30MPa，均設(shè)為150MPa，此微縮構(gòu)件的測試結(jié)果為破壞，然后降低20MPa繼續(xù)加載，如果通過則根據(jù)情況增加應(yīng)力幅，如果破壞則根據(jù)情況減小應(yīng)力幅，直到完成3～5級應(yīng)力幅；當(dāng)疲勞周次在10⁶～10⁷之間時以10MPa為增量進(jìn)行試驗(1:10樣品S-N曲線如圖3a)。

以上三個微縮構(gòu)件測試過程中，每個應(yīng)力幅兩個樣品，每個比例的微縮構(gòu)件至少有一個樣品通過設(shè)定的循環(huán)周次。

(c)把每組微縮構(gòu)件的有效數(shù)據(jù)點以應(yīng)力幅為縱坐標(biāo)，以疲勞周次為橫坐標(biāo)畫在雙對數(shù)坐標(biāo)或單對數(shù)(橫坐標(biāo)為對數(shù))中，用數(shù)據(jù)處理軟件(如Excel、Origin)進(jìn)行線性擬合得到疲勞周次與應(yīng)力幅的定量關(guān)系(雙對數(shù)坐標(biāo)如圖3b所示)，并分別得到不同縮放比例樣品的疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)，利用此關(guān)系計算設(shè)定循環(huán)周次的疲勞強(qiáng)度；

(d)通過數(shù)據(jù)處理軟件分別建立不同縮放比例樣品的疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)與縮放比例的定量關(guān)系(如圖4所示)，通過合理外推計算出服役構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)(如圖4中的紅點，假設(shè)圖中的關(guān)系均為線性)，進(jìn)而建立其壽命預(yù)測公式及計算出服役構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度；如果三個縮放比例的數(shù)據(jù)外推時不能找到合理的趨勢，可以考慮增加一個縮放比例。

實施例2

與實施例1不同之處在于：步驟(5)的具體過程不同，本實施例過程如下：

通過有限元軟件計算出服役構(gòu)件在不同工況的載荷譜(例如磁極、磁軛的啟停、甩負(fù)荷和飛逸)，再從中選擇損傷較為嚴(yán)重的工況作為微縮構(gòu)件的加載應(yīng)力幅(例如150MPa～0.01MPa)，并各選擇至少兩個不同比例的微縮構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗，建立縮放比例(1：2、1：5和1：10)與不同比例微縮構(gòu)件疲勞壽命的定量關(guān)系(如圖5所示)，通過合理外推計算出服役構(gòu)件的疲勞壽命(如圖5中的點，假設(shè)圖中雙對數(shù)坐標(biāo)下為線性)。