CN105205264B - 预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法。本发明通过不同尺寸的缩微构件疲劳试验，拟合出疲劳寿命参数，探寻微缩构件的疲劳寿命影响系数从而进行全尺寸构件寿命预测。本发明在常规的疲劳试验机就可实现，成本较低，操作方便，还适用于其他金属材料制备的大型运动构件。本发明解决了大型构件无法在试验机上进行测试的难点，提供了一种预测抽水蓄能发电电动机转子关键构件使用寿命的试验方法。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法。

Description

预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法

技术领域

本发明是一种预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，具体涉及一种预测抽水蓄能发电电动机转子关键构件—磁极磁轭使用寿命的试验方法，属于预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法的创新技术。

背景技术

近三十年来，随着改革开放带来的国民经济快速发展，抽水蓄能电站在我国得到迅猛发展。随着使用年限的增加，早年修建的抽水蓄能机组事故或故障频发，运行安全问题日益突出。与常规水轮机相比，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。从设计上重视疲劳问题，研究疲劳断裂机理，探索疲劳寿命的预测方法迫在眉睫。目前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。目前常用的疲劳寿命预测方法有Basquin关系、Manson-coffin关系和Paris公式等，还有结合经典寿命预测方法和标准试样测定的基本力学性能(弹性模量、S-N曲线和疲劳强度等)的有限元计算，而且有限元计算的准确性取决于选择的寿命预测方法的合理性。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、特别是目前还能正常使用，所以不可能采用整个构件试验进行寿命预测，而直接用标准试样测得的力学性能或有限元分析进行构件寿命预测的准确性难以通过试验验证。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法。本发明解决了大型构件无法在试验机上进行测试的难点，在常规的疲劳试验机就可实现，成本较低，操作方便，还适用于其他金属材料制备的大型运动构件。

本发明的技术方案是：本发明的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，包括有如下步骤：

1)通过查阅资料和失效分析等，找出抽水蓄能发电电动机转子构件最易发生开裂的危险部位；

2)对转子构件进行有限元受力分析，结合抽水蓄能发电电动机的日常运行情况，得到不同运行状态的受力情况，根据最大应力和最小应力的得到简化循环载荷谱；

3)从危险部位找出能进行受力状态试验的相对独立的结构单元；

4)进行转子构件材料的标准(或接近标准)试样的应变和应力控制的疲劳试验，分别得到材料的应变寿命曲线(ε-Ν)和应力寿命曲线(S-N)，把应变控制的中值应力幅寿命曲线和S-N曲线的数据放在一起用Basquin公式:σ_a＝σ'_f(2N_f)^b进行拟合，得到疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b；

5)制备结构单元的缩微试样；

6)进行应力控制的疲劳试验，得到缩微构件的S-N曲线，用Basquin公式进行拟合，分别得到不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b。

7)建立标准试样和不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b随尺寸x变化的关系，通过数据拟合求出实际构件的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b；

8)考虑应力比对构件受力的影响，根据载荷谱和设计寿命确定合适的关系式；

9)考虑表面粗糙度、载荷频率或服役环境的影响，根据实际服役情况选择几种关键影响因素：表面粗糙度影响系数F1、频率影响系数F2、环境影响系数F3；

10)结合步骤2)的载荷谱、步骤6)-步骤9)的疲劳强度参数F(x)、B(x)、F1、F2、F3、系数σ'_f和指数b，计算出抽水蓄能发电电动机转子关键构件的寿命。

本发明通过不同尺寸的缩微构件疲劳试验，拟合出疲劳寿命参数，探寻微缩构件的疲劳寿命影响系数从而进行全尺寸构件寿命预测。本发明在常规的疲劳试验机就可实现，成本较低，操作方便，还适用于其他金属材料制备的大型运动构件。本发明解决了大型构件无法在试验机上进行测试的难点，提供了一种预测抽水蓄能发电电动机转子关键构件使用寿命的试验方法。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法。

附图说明

图1为不同阶段的载荷谱，其中(a)是启停阶段的载荷谱；(b)是飞逸阶段的载荷谱；(c)是甩负荷阶段的载荷谱。

具体实施方式

实施例：

本发明的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，包括有如下步骤：

1)通过查阅资料和失效分析等，找出抽水蓄能发电电动机转子构件最易发生开裂的危险部位；

2)对转子构件进行有限元受力分析，结合抽水蓄能发电电动机的日常运行情况，得到不同运行状态(启停、甩负荷和飞逸)的受力情况，根据最大应力和最小应力的得到简化循环载荷谱，如图1所示，其中(a)是启停阶段的载荷谱；(b)是飞逸阶段的载荷谱；(c)是甩负荷阶段的载荷谱。

3)从危险部位找出能进行受力状态试验的相对独立的结构单元；

4)进行转子构件材料的标准(或接近标准)试样的应变和应力控制的疲劳试验，分别得到材料的应变寿命曲线(ε-Ν)和应力寿命曲线(S-N)，把应变控制的中值应力幅寿命曲线和S-N曲线的数据放在一起用Basquin公式(σ_a＝σ'_f(2N_f)^b)进行拟合，得到疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b；

5)制备结构单元的缩微试样，缩小比例至少选择2～3个，例如5:1、10:1或20:1；

6)进行应力控制的疲劳试验，得到缩微构件的S-N曲线，用Basquin公式进行拟合，分别得到不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b。

7)建立标准试样和不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b随尺寸x变化的关系，拟合出关系式分别命名为F(x)和B(x)，通过origin软件数据拟合求出实际构件的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b；

8)利用Goodman、Gerber或Soderberg等关系考虑应力比对构件受力的影响，根据载荷谱和设计寿命确定合适的关系式，例如Goodman关系；

9)考虑表面粗糙度、载荷频率或服役环境的影响，根据实际服役情况选择几种关键影响因素：表面粗糙度影响系数F1，频率影响系数F2、环境影响系数F3，例如表面粗糙度影响系数F1取0.6，频率影响系数F2取1，环境影响系数F3取1；

10)结合步骤2)的载荷谱、步骤6)-步骤9)的疲劳强度参数F(x)、B(x)、F1、F2、F3、系数σ'_f和指数b等，基于Basquin公式和Miner累计损伤模型N₁,N₂,...,N_i分别是应力水平σ₁,σ₂,...σ_i,对应的疲劳寿命；n₁,n₂,...,n_i是各个应力水平经受的疲劳次数)计算出抽水蓄能发电电动机转子关键构件的寿命。

下面举例说明关键构件寿命预测过程。

假设转子关键构件的最危险部位是磁极T尾，根据ANSYS分析结果，不同阶段受力如下：

(1)启停过程：σ_max＝440MPa，σ_min＝0，σ_a＝220MPa，σ_m＝220MPa；

(2)飞逸过程：σ_max＝550MPa，σ_min＝210MPa，σ_a＝170MPa；

(3)甩负荷过程：σ_max＝690MPa，σ_min＝510MPa，σ_a＝90MPa。

假设磁极T尾独立的结构单元为单个T尾，假设磁极材料的σ'_f为1563，b为-0.115。假设F(x)和B(x)取1，实际构件的σ'_f为1563×F(x)＝1563，b为-0.115×B(x)＝-0.115。

选取Goodman方程σ_a＝σ₀[1-σ_m/σ_b](σ_b取705MPa)进行平均应力修正，带入数值，可等效为标准S-N曲线(R＝-1)时对应的应力幅值(σ_a(R＝-1))。

对于启停过程，求得σ_a1(R＝-1)＝319.9MPa；对于飞逸过程，σ_a2(R＝-1)＝368.8MPa；对于甩负荷过程(3)，σ_a3(R＝-1)＝604.3MPa。

标准试样的疲劳强度σ_w修正的疲劳强度σ_w,M为：

σ_w,M＝F1·F2·F3σ_w.

F1取0.6，F2和F3取1，修正后的σ'_f为1982.33ΜPa，b为-0.1488。

将前述(R＝-1时)等效应力幅值σ_a1(R＝-1)＝319.9MPa代入，S-N曲线的Basquin方程σ_a＝1982(2N_f)^-0.1488求得过程(1)的N_f1＝105586，求得飞逸过程的N_f2＝20524，求得甩负荷过程的N_f3＝1466。选取年为单位进行寿命预测，假设每年的启停、飞逸、甩负荷次数分别为1367次、2次和2次。通过Miner线性损伤累计理论计算，每年发生的损伤量为：

D＝1367/105586+2/20524+2/1466＝0.01436

即每年所产生的损伤量为0.01436。因此，可以估算其寿命约为损伤量的倒数即69.6年。

本实施例中，上述步骤1)中，根据抽水蓄能发电电动机转子的调研资料、失效分析、构件形状，找出其中最易发生开裂的部位。

本实施例中，上述步骤2)中，不同运行状态包括有启停、甩负荷和飞逸的受力情况，根据最大应力和最小应力的得到简化循环载荷谱。

本实施例中，上述步骤7)中，通过数据拟合建立标准试样和不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b随尺寸变化的关系，缩小比例至少选择2～3个，5:1、10:1或20:1。

本实施例中，上述步骤7)中，通过origin软件拟合出关系式F(x)和B(x)。

本实施例中，上述步骤7)中，建立标准试样和不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b随尺寸x变化的关系，拟合出关系式分别命名为F(x)和B(x)，通过数据拟合求出实际构件的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b。

本实施例中，上述步骤9)中，表面粗糙度影响系数F1取0.6、频率影响系数F2取1，环境影响系数F3取1。

本实施例中，上述步骤8)利用Goodman、Gerber或Soderberg关系考虑应力比对构件受力的影响，根据载荷谱和设计寿命确定合适的关系式；

本实施例中，上述步骤10)中,结合步骤2)的载荷谱、步骤6-步骤9)的疲劳强度参数F(x)、B(x)、F1、F2、F3、系数σ'_f和指数b，基于Basquin公式和Miner累计损伤模型：N₁,N₂,...,N_i分别是应力水平σ₁,σ₂,...σ_i,对应的疲劳寿命；n₁,n₂,...,n_i是各个应力水平经受的疲劳次数，计算出抽水蓄能发电电动机转子关键构件的寿命。

本发明可预测发电电动机转子关键构件的疲劳寿命，不仅为抽水蓄能发电机转子的运行状态评估、延长现有设备的使用寿命和提高在研或在建设备安全可靠性提供理论基础和技术指导，还能推进我国抽水蓄能电站发电电动机独立研发和设计水平，加速发电电动机的完全国产化。

本发明采用一般的实验室条件和较小的试样就能完成实验，可以综合反映出构件的各种影响因素，通过微缩构件较准确的建立标准试样和构件的寿命预测之间建立联系，不仅适用于抽水蓄能发电机转子关键构件—磁极磁轭的试验方法，还可以在其他运动构件中广泛推广。

Claims (9)

1.一种预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于包括有如下步骤：

1)通过查阅资料和失效分析，找出抽水蓄能发电电动机转子构件最易发生开裂的危险部位；

2)对转子构件进行有限元受力分析，结合抽水蓄能发电电动机的日常运行情况，得到不同运行状态的受力情况，根据最大应力和最小应力的得到简化循环载荷谱；

3)从危险部位找出能进行受力状态试验的相对独立的结构单元；

4)进行转子构件材料的标准或接近标准试样的应变和应力控制的疲劳试验，分别得到材料的应变寿命曲线ε-N和应力寿命曲线S-N，把应变控制的中值应力寿命曲线和S-N曲线的数据放在一起用Basquin公式:σ_a＝σ'_f(2N_f)^b进行拟合，得到疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b；

5)制备结构单元的缩微试样；

6)进行应力控制的疲劳试验，得到缩微构件的S-N曲线，用Basquin公式进行拟合，分别得到不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b；

7)建立标准试样和不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b随尺寸x变化的关系，通过数据拟合求出实际构件的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b；

8)考虑应力比对构件受力的影响，根据载荷谱和设计寿命确定合适的关系式；

9)考虑表面粗糙度、载荷频率或服役环境的影响，根据实际服役情况选择几种关键影响因素：表面粗糙度影响系数F1、频率影响系数F2、环境影响系数F3；

10)结合步骤2)的载荷谱、步骤6)-步骤9)的表面粗糙度影响系数F1、频率影响系数F2、环境影响系数F3、疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b，计算出抽水蓄能发电电动机转子关键构件的寿命。

2.根据权利要求1所述的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于上述步骤1)中，根据抽水蓄能发电电动机转子的调研资料、失效分析、构件形状，找出其中最易发生开裂的部位。

3.根据权利要求1所述的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于上述步骤2)中，不同运行状态包括有启停、甩负荷和飞逸的受力情况，根据最大应力和最小应力的得到简化循环载荷谱。

4.根据权利要求1所述的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于上述步骤7)中，通过数据拟合建立标准试样和不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b随尺寸变化的关系，缩小比例至少选择2～3个，5:1、10:1或20:1。

5.根据权利要求1所述的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于上述步骤7)中，通过origin软件拟合出关系式F(x)和B(x)。

6.根据权利要求1所述的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于上述步骤7)中，建立标准试样和不同缩放比例的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b随尺寸x变化的关系，拟合出关系式分别命名为F(x)和B(x)，通过数据拟合求出实际构件的疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b。

7.根据权利要求1所述的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于上述步骤9)中，表面粗糙度影响系数F1取0.6、频率影响系数F2取1，环境影响系数F3取1。

8.根据权利要求1所述的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于上述步骤8)利用Goodman、Gerber或Soderberg关系考虑应力比对构件受力的影响，根据载荷谱和设计寿命确定合适的关系式。

9.根据权利要求1所述的预测抽水蓄能发电电动机转子构件使用寿命的试验方法，其特征在于上述步骤10)中,结合步骤2)的载荷谱、步骤6-步骤9)的表面粗糙度影响系数F1、频率影响系数F2、环境影响系数F3、疲劳强度系数σ'_f和疲劳强度指数b，基于Basquin公式和Miner累计损伤模型：N₁,N₂,...,N_i分别是应力水平σ₁,σ₂,...σ_i,对应的疲劳寿命；n₁,n₂,...,n_i是各个应力水平经受的疲劳次数，计算出抽水蓄能发电电动机转子关键构件的寿命。