CN107328670A - 水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置及模拟方法 - Google Patents

水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置及模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置及模拟方法，包括水轮机顶盖、顶盖螺栓、顶盖支撑轴、液压筒、液压推动环、液压套筒联接管道和液压推动杆，液压筒包括液压大套筒和液压小套筒，液压大套筒和液压小套筒之间通过液压套筒联接管道连通，液压推动杆在液压小套筒内，液压推动环在液压大套筒内，通过施加载荷于液压推动杆的顶端端面，使液压小套筒中液压推动杆向上或向下运动，液压油经液压套筒联接管道迫使液压大套筒中的液压油向液压推动环中流动，进而推动液压推动环轴向运动。本发明可模拟不同振动频率、不同冲击载荷，水轮机顶盖联接螺栓的振动情况，为避免螺栓因疲劳失效而导致严重事故提供理论基础。

Description

水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置及模拟方法
技术领域
本发明涉及一种水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置及模拟方法，属于水轮机检测技术领域。
背景技术
近年来水电等新能源产业蓬勃发展，为人类提供了高效清洁的能源极大地缓解了人类以往运用煤、石油、天然气等传统能源的负担，在一定程度上对环境的保护起到了助推剂的作用。但与此同时也伴随着一系列的负面效应。每年发生的水电机组事故次数逐年增加，这不得不引起我们的深思。根据大量的事故调查显示，因结构失效所导致的事故比例约为15%左右。而在这些结构失效中，绝大多数是由材料疲劳所导致的，包括螺栓疲劳、主轴疲劳等。俄罗斯萨扬水电站顶盖向上跳动导致螺栓疲劳断裂进而发生致命性的破坏。
大型混流式水轮机工作环境十分恶劣、承受的工作载荷主要为冲击载荷，同时还要承受振动载荷等交变载荷。螺栓用于连接顶盖和基座，长期承受较大的冲击载荷，导致螺栓内部损伤不断积累，螺栓的刚强度发生退化。螺栓的刚度退化会导致动载荷增大，螺栓的强度退化会导致其抵抗外载荷的能力降低，直到螺栓的强度小于所承受的最大应力时，螺栓发生疲劳断裂，十分容易造成人员伤亡等重大恶性事故。
螺栓作为连接件从理论上来说螺栓仅承受拉力，螺栓的抗拉应力的能力较强，然而近年来由于螺栓组断裂而引发的事故不足为奇。从断口状态来看，大多数螺栓可见明显的裂纹源和裂纹扩展区，属于疲劳断裂。这是因为螺栓工作环境恶劣，螺栓承受很大的振动和冲击载荷，在这些载荷的作用下，螺栓发生疲劳，导致其强度不断退化，最终发生断裂；部分螺栓断裂后，致使其他螺栓载荷急剧增加，发生过载断裂。
因螺栓疲劳导致结构失效的占据了很大比例，然而在国内，许多事故发生后的真正原因常常被我们忽略了。而水轮机为隐蔽部件，其检测及碰磨故障机理复杂，为预防水轮机发生重大事故，研发一种水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置及模拟方法，可以模拟不同振动频率、不同冲击载荷，水轮机顶盖联接螺栓的振动情况，为避免螺栓因疲劳失效而导致严重事故提供理论基础。
为解决上述技术问题，本发明提供一种水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置，包括水轮机顶盖、顶盖螺栓、顶盖支撑轴、液压筒、液压推动环、液压套筒联接管道和液压推动杆；所述液压筒包括液压大套筒和液压小套筒；所述水轮机顶盖以水电站水轮机顶盖实际模型按比例缩小而得；所述液压大套筒为长方形，其内开设圆形通孔，形成筒状；所述顶盖支撑轴位于液压大套筒的中心位置，水轮机顶盖由液压大套筒四周环壁和顶盖支撑轴支撑，液压大套筒四周环壁和水轮机顶盖之间通过顶盖螺栓按照固定预紧力旋紧；所述液压推动环在液压大套筒内，顶盖支撑轴置于液压推动环，液压推动环通过与液压大套筒配套的密封环与液压大套筒四周环壁联接，在液压大套筒的筒壁上开设液压套筒联接管道口；所述液压小套筒为长方形，其内开设圆形通孔，形成筒状，所述液压推动杆在液压小套筒内，通过与液压小套筒配套的密封环与液压小套筒四周环壁联接，在液压小套筒的筒壁上开设液压套筒联接管道口；所述液压大套筒和液压小套筒之间通过液压套筒联接管道连通；所述液压大套筒、液压小套筒和液压套筒联接管道内注入液压油；
通过施加载荷于液压推动杆的顶端端面，使液压小套筒中液压推动杆向上或向下运动，液压油经液压套筒联接管道迫使液压大套筒中的液压油向液压推动环中流动，进而推动液压推动环轴向运动；通过改变液压推动杆的运动规律即可改变液压推动环的轴向运动形式，从而模拟实际工况下水轮机顶盖螺栓的受迫振动工况。
前述的水轮机顶盖由水轮机顶盖上环板，下腹板，外圆筒和径向肋板构成。
前述的顶盖螺栓由螺母和双头螺柱构成。
前述的顶盖支撑轴为一圆柱体和柱体上一体铸造的圆环，所述圆环使圆柱体和推动环之间形成间隙，使得推动环上下运动。
前述的通过改变液压推动杆的运动速度可实现改变液压推动环的轴向振动频率的受迫振动工况。
前述的通过改变施加在液压推动杆上的轴向载荷可获得不同冲击载荷下水轮机顶盖螺栓的受迫振动工况。
水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
（1）将顶盖螺栓在万能试验机上进行静力学拉伸实验测量其初始屈服强度、初始极限强度、初始弹性模量；
（2）确定需要模拟的振动类型，确定液压小套筒中液压推动杆的轴向运动幅度值，确定液压推动杆端面所受的载荷大小，确定液压推动杆的运动速度；采用标准扭矩扳手对所有顶盖螺栓进行旋紧；
（3）将整个实验模拟装置竖直放置在水平基准平台之上；
（4）选取载荷施加在液压推动杆的顶端端面，调整实验所需要的液压推动杆行程，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下所施加的载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
（5）在使用同一大小的载荷、同样的液压推动杆行程下，以逐步推进的方式改变液压推动杆运动速度，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
（6）更换外部载荷，调整实验所需要的液压推动杆行程，使用未经过实验的顶盖螺栓对顶盖和液压大套筒四周环壁之间进行全部旋紧联接，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
（7）在使用更改过的载荷和液压推动杆行程的工况下，以逐步推进的方式改变液压推动杆运动速度，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
（8）实验结束，卸载，旋下顶盖螺栓，卸下顶盖并按序归类。
前述的步骤（5）和步骤（7）的逐步推进是指按恒定数值每次增加液压推动杆轴向运动速度。
本发明所达到的有益效果为：
本发明可以模拟不同振动频率、不同冲击载荷，水轮机顶盖联接螺栓的振动情况，为避免螺栓因疲劳失效而导致严重事故提供理论基础。
本发明方便在实验室内对水电站水轮机顶盖螺栓刚度和强度及疲劳进行理论研究，解决现场试验的困难。
附图说明
图1是本发明的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置结构图；
图2是顶盖螺栓结构示意图；
图3是顶盖结构示意图；图3（a）立体图；图3（b）俯视图；
图4是液压大套筒示意图；图4（a）俯视图；图4（b）剖面图；
图5是液压小套筒示意图；图5（a）为正视图；图5（b）为右视图；图5（c）为俯视图；
图6是液压套筒联接管道示意图；
图7是液压推动环示意图；
图8是液压推动杆示意图；
图9是顶盖支撑轴；
图10是液压推动杆与液压推动环运动衔接示意图；
图11是与液压大套筒配套的密封环示意图；
图12是本发明装置的三维结构图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和图12所示，本发明的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置，包括水轮机顶盖2、顶盖螺栓1、顶盖支撑轴5、液压筒、液压推动环3、液压套筒联接管道7、液压推动杆10、液压密封环、液压油等部件，其中，液压筒包括液压大套筒4和液压小套筒9，液压密封环包括与液压大套筒4配套的密封环6和与液压小套筒9配套的密封环8，液压大套筒4、液压小套筒9和液压套筒联接管道7内注入液压油11。
水轮机顶盖2为以国内某大型水电站水轮机顶盖实际模型按照合适的比例缩小而得，如图3（a）和（b）所示，水轮机顶盖2由水轮机顶盖上环板2-2，下腹板2-1，外圆筒2-3和径向肋板2-4构成。
顶盖支撑轴5位于液压大套筒的中心位置，水轮机顶盖由液压大套筒四周环壁和顶盖支撑轴5支撑，液压大套筒四周环壁和水轮机顶盖之间通过顶盖螺栓1按照固定预紧力进行旋紧。如图2所示，顶盖螺栓1由两部分组成，螺母1-1和双头螺柱1-2。顶盖支撑轴结构如图9所示，顶盖支撑轴为一圆柱体和柱体上一体铸造的圆环，该圆环使圆柱体和推动环之间形成一定的间隙，使得推动环可以上下运动。
如图4（a）和（b）所示，液压大套筒4为长方形，其内开设圆形通孔，形成筒状，液压推动环3在液压大套筒4内，顶盖支撑轴置于液压推动环内，液压推动环通过与液压大套筒配套的密封环6与液压大套筒四周环壁联接，在液压大套筒的筒壁上开设液压套筒联接管道口。液压推动环如图7所示，密封环6如图11所示。
如图5（a），（b），（c）所示，液压小套筒9为长方形，其内开设圆形通孔，形成筒状，液压推动杆10在液压小套筒9内，通过与液压小套筒配套的密封环8与液压小套筒四周环壁联接，在液压小套筒的筒壁上开设液压套筒联接管道口。液压推动杆如图8所示。
液压大套筒4和液压小套筒9之间通过液压套筒联接管道7连通，液压套筒联接管道如图6所示。
液压推动杆和液压推动环为活动装置，通过施加载荷于液压推动杆的顶端端面并且改变液压推动杆的运动规律即可改变液压推动环的轴向运动形式，从而更好的模拟实际工况下立式水轮机顶盖下（即转轮上腔）所受到的强烈的压力脉动。液压推动环可以实现恒定频率、恒定冲击载荷、变频率、变冲击载荷等几种工况形式的轴向往复运动形式。
如图10所示，液压小套筒中液压推动杆向下运动，液压油经液压套筒联接管道迫使液压大套筒中的液压油向液压推动环中流动，进而推动液压推动环轴向运动，反之亦然。
通过改变液压推动杆的运动速度可以实现改变液压推动环的轴向振动频率。
通过变更施加在液压推动杆上的轴向载荷可以获得不同冲击载荷下水轮机顶盖联接螺栓受迫振动的工况。
通过改变液压推动杆的最大轴向运动行程，那么液压中液压油将在原来的空间里继续压缩，势必导致液压强度增大，使得液压推动环向上运动的推动力增大。
实施例
采用本发明的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置进行模拟实验的步骤如下：
步骤（1）将顶盖螺栓在万能试验机上进行静力学拉伸实验测量其初始屈服强度、初始极限强度、初始弹性模量；
步骤（2）确定需要模拟的振动类型，本装置可以模拟多种振动类型不同位置的组合，确定振动形式，确定液压小套筒中液压推动杆的轴向运动幅度值，确定液压推动杆端面所受的载荷大小，确定液压推动杆的运动速度；采用标准扭矩扳手对所有顶盖螺栓进行旋紧；
步骤（3）将整个实验模拟装置竖直放置在水平基准平台之上；
步骤（4）选择合适的载荷施加在液压推动杆的顶端端面，调整实验所需要的液压推动杆行程，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下所施加的载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
步骤（5）在使用同一大小的载荷、同样的液压推动杆行程下，以逐步推进的方式改变液压推动杆运动速度，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
步骤（6）更换外部载荷，调整实验所需要的液压推动杆行程，使用未经过实验的顶盖螺栓对顶盖和液压大套筒四周环壁之间进行全部旋紧联接，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
步骤（7）在使用更改过的载荷和液压推动杆行程的工况下，以逐步推进的方式改变液压推动杆运动速度，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
步骤（8）实验结束，卸载，旋下顶盖螺栓，卸下顶盖并按序归类。
上述的逐步推进是指按恒定数值每次增加液压推动杆轴向运动速度，再进行实验。
实验结束后可以对实验过程中采集的数据进行分析，然后进行下一组不同类型的工况模拟。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置，其特征在于，包括水轮机顶盖、顶盖螺栓、顶盖支撑轴、液压筒、液压推动环、液压套筒联接管道和液压推动杆；所述液压筒包括液压大套筒和液压小套筒；所述水轮机顶盖以水电站水轮机顶盖实际模型按比例缩小而得；所述液压大套筒为长方形，其内开设圆形通孔，形成筒状；所述顶盖支撑轴位于液压大套筒的中心位置，水轮机顶盖由液压大套筒四周环壁和顶盖支撑轴支撑，液压大套筒四周环壁和水轮机顶盖之间通过顶盖螺栓按照固定预紧力旋紧；所述液压推动环在液压大套筒内，顶盖支撑轴置于液压推动环，液压推动环通过与液压大套筒配套的密封环与液压大套筒四周环壁联接，在液压大套筒的筒壁上开设液压套筒联接管道口；所述液压小套筒为长方形，其内开设圆形通孔，形成筒状，所述液压推动杆在液压小套筒内，通过与液压小套筒配套的密封环与液压小套筒四周环壁联接，在液压小套筒的筒壁上开设液压套筒联接管道口；所述液压大套筒和液压小套筒之间通过液压套筒联接管道连通；所述液压大套筒、液压小套筒和液压套筒联接管道内注入液压油；
通过施加载荷于液压推动杆的顶端端面，使液压小套筒中液压推动杆向上或向下运动，液压油经液压套筒联接管道迫使液压大套筒中的液压油向液压推动环中流动，进而推动液压推动环轴向运动；通过改变液压推动杆的运动规律即可改变液压推动环的轴向运动形式，从而模拟实际工况下水轮机顶盖螺栓的受迫振动工况。
2.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置，其特征在于，所述水轮机顶盖由水轮机顶盖上环板，下腹板，外圆筒和径向肋板构成。
3.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置，其特征在于，所述顶盖螺栓由螺母和双头螺柱构成。
4.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置，其特征在于，所述顶盖支撑轴为一圆柱体和柱体上一体铸造的圆环，所述圆环使圆柱体和推动环之间形成间隙，使得推动环上下运动。
5.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置，其特征在于，通过改变液压推动杆的运动速度可实现改变液压推动环的轴向振动频率的受迫振动工况。
6.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置，其特征在于，通过改变施加在液压推动杆上的轴向载荷可获得不同冲击载荷下水轮机顶盖螺栓的受迫振动工况。
7.基于权利要求1至6任意一项所述的水轮机顶盖螺栓液压式疲劳实验模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将顶盖螺栓在万能试验机上进行静力学拉伸实验测量其初始屈服强度、初始极限强度、初始弹性模量；
（2）确定需要模拟的振动类型，确定液压小套筒中液压推动杆的轴向运动幅度值，确定液压推动杆端面所受的载荷大小，确定液压推动杆的运动速度；采用标准扭矩扳手对所有顶盖螺栓进行旋紧；
（3）将整个实验模拟装置竖直放置在水平基准平台之上；
（4）选取载荷施加在液压推动杆的顶端端面，调整实验所需要的液压推动杆行程，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下所施加的载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
（5）在使用同一大小的载荷、同样的液压推动杆行程下，以逐步推进的方式改变液压推动杆运动速度，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
（6）更换外部载荷，调整实验所需要的液压推动杆行程，使用未经过实验的顶盖螺栓对顶盖和液压大套筒四周环壁之间进行全部旋紧联接，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
（7）在使用更改过的载荷和液压推动杆行程的工况下，以逐步推进的方式改变液压推动杆运动速度，在外在载荷的作用下，控制液压推动杆在液压小套筒中轴向往复运动，运行稳定1小时后，卸下载荷，使用标准扭矩扳手旋下顶盖螺母，拆下螺栓，在万能试验机上对顶盖螺栓进行静拉伸实验测量螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；
（8）实验结束，卸载，旋下顶盖螺栓，卸下顶盖并按序归类。
8.根据权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，所述步骤（5）和步骤（7）的逐步推进是指按恒定数值每次增加液压推动杆轴向运动速度。
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