CN107356388B - 水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，包括顶盖螺栓、水轮机顶盖、若干个机械式推动杆、机械式振动台基座、扁平弹簧基座、螺旋弹簧、传动轴、旋转电机、电机基座和凸轮机构构成的模拟装置，旋转电机与凸轮机构通过传动轴连接，旋转电机放置在电机基座上，螺旋弹簧采用扁平弹簧基座与凸轮机构接触，机械式推动杆成对称形式穿过振动台上基座，旋转电机带动凸轮机构转动，凸轮机构带动旋转弹簧转动，旋转弹簧转动带动机械式推动杆实现不同形式的轴向往复运动。本发明可以模拟不同振动形式、不同振动频率下，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

水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，属于水轮机故障模拟测试技术领域。

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，研发一种立式水轮机顶盖螺栓刚度和强度及疲劳实验机械式振动台模拟装置十分必要。

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机械振动式疲劳实验的模拟方法，可以模拟不同振动形式、不同振动频率下，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机械振动式疲劳实验的模拟方法，包括以下步骤：

1)搭建水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验模拟装置，包括顶盖螺栓、水轮机顶盖、若干个机械式推动杆、机械式振动台基座、扁平弹簧基座、螺旋弹簧、传动轴、旋转电机、电机基座和凸轮机构；所述机械式振动台基座包括振动台上基座，振动台下基座和振动台四周肋板；

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成；所述水轮机顶盖与机械式振动台基座的顶部采用顶盖螺栓选用固定预紧力旋紧，然后将实验模拟装置竖立在水平基准平台之上；所述水轮机顶盖由振动台四周肋板支撑；

所述水轮机顶盖底部与振动台上基座之间设若干个成对称性均匀分布的机械式推动杆，所述机械式推动杆顶部与水轮机顶盖之间留有间隙，该间隙即机械式推动杆上下运动行程；所述机械式推动杆镶嵌在螺旋弹簧中，螺旋弹簧上部与振动台上基座采用焊接的方式连接，螺旋弹簧下部采用扁平弹簧基座与凸轮机构接触；所述机械式推动杆下部与扁平弹簧基座固定连接；

所述旋转电机与凸轮机构通过传动轴连接，旋转电机放置在电机基座上，振动台下基座用来承接电机基座；所述旋转电机与机械式推动杆的个数与分布情况相同；

所述旋转电机带动凸轮机构转动，凸轮机构带动旋转弹簧转动，旋转弹簧转动带动机械式推动杆实现不同形式的轴向往复运动；

2)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；

3)确定需要模拟振动的类型，确定机械式推动杆3振动的幅度值A，确定机械式推动杆3轴向往复运动的形式，确定旋转电机转速n，采用标准扭矩扳手对所有顶盖螺栓进行旋紧；

4)将整个实验模拟装置竖直放置在水平基准平台上；

5)选取适用的凸轮机构并安装在传动轴上，开启旋转电机，调整实验需要的转速n，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，使用标准扭矩扳手旋下螺母，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)在使用同一类型的凸轮机构的工况下，以逐步推进的方式改变旋转电机转速，开启旋转电机，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，使用标准扭矩扳手旋下螺母，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顶盖螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；

7)更换凸轮机构，使用未经过实验的顶盖螺栓对顶盖和机械式振动台基座之间进行全部旋紧联接，开启旋转电机，调整实验需要的转速n，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭电机，使用标准扭矩扳手旋下螺母，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顶盖螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；

8)在使用更改过的凸轮机构的工况下，以逐步推进的方式改变旋转电机转速，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，使用标准扭矩扳手旋下螺母，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顶盖螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；

9)实验结束，将顶盖螺栓归类，顶盖拆下。

前述的水轮机顶盖由顶盖下腹板，上环板，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。

前述的机械式推动杆有8个。

前述的振动台上基座不可拆卸。

前述的振动台下基座可拆卸。

前述的旋转电机转速可调，通过改变凸轮机构的转动频率从而达到调节机械式推动杆的轴向振动频率，来模拟不同的实际工况。

前述的旋转电机采用遥控控制，可同时开启所有旋转电机或者单独开启某一个或多个旋转电机来模拟水轮机顶盖某一部分单独承受振动时的工况。

前述的凸轮机构可更换，通过更换凸轮机构模拟不同的振动形式。

本发明的有益效果为：

本发明可以模拟不同振动形式、不同振动频率下，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机械振动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是水轮机顶盖结构示意图；图3(a)立体图；图3(b)俯视图；

图4是电机在振动台上基座上的布置图；

图5是凸轮与电机组合机构示意图；图5(a)立体图；图5(b)右视图；

图6是机械式推动杆与弹簧组合示意图；

图7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7所示，本发明的水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验模拟装置，由顶盖螺栓1、水轮机顶盖2、机械式推动杆3、机械式振动台基座、扁平弹簧基座5、螺旋弹簧6、传动轴7、旋转电机8、电机基座9和凸轮机构10组成。机械式振动台基座包括振动台上基座4，振动台下基座12和振动台四周肋板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由四部分组成，包括顶盖下腹板2-1，上环板2-2，外圆筒2-3和径向肋板2-4。

水轮机顶盖2与机械式振动台基座采用顶盖螺栓1选用固定预紧力对其进行旋紧，然后将实验装置竖立在水平基准平台之上。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。

水轮机顶盖2由振动台四周肋板11支撑，在水轮机顶盖2底部与振动台上基座4之间用8个机械式推动杆3来模拟不同工况下的振动对顶盖螺栓1刚度、强度的影响。机械式推动杆顶部与顶盖之间留有间隙，该间隙即机械式推动杆上下运动行程。机械式推动杆的分布形式与电机同步，整个机械式推动杆镶嵌在螺旋弹簧6中。螺旋弹簧6上部与振动台上基座4采用焊接的方式连接，机械式推动杆下部与扁平弹簧基座固定连接。

如图5(a)和(b)所示，旋转电机8与凸轮机构10通过传动轴7连接，旋转电机8放置在电机基座9上，旋转电机8带动凸轮机构10转动。

如图4所示，8个旋转电机成对称性均匀分布在振动台下基座12上。

振动台上基座4(不具备可拆性)与螺旋弹簧6采用固定接触，如图6所示，螺旋弹簧6采用扁平弹簧基座5与凸轮机构10接触，8个机械式推动杆3成对称形式穿过振动台上基座4。旋转电机8带动凸轮机构10转动，凸轮机构10带动旋转弹簧6转动，旋转弹簧转动带动机械式推动杆3实现不同形式的轴向往复运动，比如往复正弦式运动，等速运动等等。

振动台下基座12用来承接电机基座9(振动台下基座具有可拆卸性以便更换不同的凸轮机构)。

旋转电机8可以调节转速，即可以改变凸轮机构10的转动频率从而达到调节机械式推动杆3的轴向振动频率，来模拟不同的实际工况。

8个旋转电机均采用遥控控制，可以同时开启8个旋转电机或者单独开启某一个或多个旋转电机来模拟水轮机顶盖某一部分单独承受振动时的工况。

同时，可以通过更换不同的凸轮机构10实现机械式推动杆3以等速运动、简谐运动、正弦加速度运动，模拟不同工况下的振动形式。

采用本发明的水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验模拟装置模拟水轮机顶盖螺栓刚度、强度疲劳实验的实施步骤如下：

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)确定需要模拟振动的类型，本装置可以模拟多种振动类型不同位置的组合，以8台电机同时开启为例进行流程说明，确定振动类型，确定机械式推动杆3振动的幅度值A，确定机械式推动杆3轴向往复运动的形式，确定旋转电机转速n，采用标准扭矩扳手对所有顶盖螺栓进行旋紧。

3)将整个实验装置竖直放置在水平平台之上。

4)选用合适的凸轮机构并安装在传动轴上，开启旋转电机，调整实验需要的转速n，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，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)在使用同一类型的凸轮机构的工况下，以逐步推进的方式改变旋转电机转速，开启旋转电机，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，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)更换凸轮机构，使用未经过实验的顶盖螺栓对顶盖和机械式振动台基座之间进行全部旋紧联接，开启旋转电机，调整实验需要的转速n，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭电机，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)在使用更改过的凸轮机构的工况下，以逐步推进的方式改变旋转电机转速，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，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，将顶盖螺栓归类，顶盖拆下。

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 (9)

1.一种水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验模拟装置，包括顶盖螺栓、水轮机顶盖、若干个机械式推动杆、机械式振动台基座、扁平弹簧基座、螺旋弹簧、传动轴、旋转电机、电机基座和凸轮机构；所述机械式振动台基座包括振动台上基座，振动台下基座和振动台四周肋板；

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成；所述水轮机顶盖与机械式振动台基座的顶部采用顶盖螺栓选用固定预紧力旋紧，然后将实验模拟装置竖立在水平基准平台之上；所述水轮机顶盖由振动台四周肋板支撑；

所述水轮机顶盖底部与振动台上基座之间设若干个成对称性均匀分布的机械式推动杆，所述机械式推动杆顶部与水轮机顶盖之间留有间隙，该间隙即机械式推动杆上下运动行程；所述机械式推动杆镶嵌在螺旋弹簧中，螺旋弹簧上部与振动台上基座采用焊接的方式连接，螺旋弹簧下部采用扁平弹簧基座与凸轮机构接触；所述机械式推动杆下部与扁平弹簧基座固定连接；

所述旋转电机与凸轮机构通过传动轴连接，旋转电机放置在电机基座上，振动台下基座用来承接电机基座；所述旋转电机与机械式推动杆的个数与分布情况相同；

所述旋转电机带动凸轮机构转动，凸轮机构带动旋转弹簧转动，旋转弹簧转动带动机械式推动杆实现不同形式的轴向往复运动；

2)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；

3)确定需要模拟振动的类型，确定机械式推动杆3振动的幅度值A，确定机械式推动杆3轴向往复运动的形式，确定旋转电机转速n，采用标准扭矩扳手对所有顶盖螺栓进行旋紧；

4)将整个实验模拟装置竖直放置在水平基准平台上；

5)选取适用的凸轮机构并安装在传动轴上，开启旋转电机，调整实验需要的转速n，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，使用标准扭矩扳手旋下螺母，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)在使用同一类型的凸轮机构的工况下，以逐步推进的方式改变旋转电机转速，开启旋转电机，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，使用标准扭矩扳手旋下螺母，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顶盖螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；

7)更换凸轮机构，使用未经过实验的顶盖螺栓对顶盖和机械式振动台基座之间进行全部旋紧联接，开启旋转电机，调整实验需要的转速n，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭电机，使用标准扭矩扳手旋下螺母，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顶盖螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；

8)在使用更改过的凸轮机构的工况下，以逐步推进的方式改变旋转电机转速，机械式推动杆在旋转电机的驱动下轴向往复运动，运行稳定六小时后，关闭旋转电机，使用标准扭矩扳手旋下螺母，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顶盖螺栓的剩余屈服强度、剩余极限强度、剩余弹性模量；

9)实验结束，将顶盖螺栓归类，顶盖拆下。

2.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，其特征在于，所述水轮机顶盖由顶盖下腹板，上环板，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机械振动式疲劳实验的模拟方法，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机械振动式疲劳实验的模拟方法，其特征在于，所述机械式推动杆有8个。

5.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，其特征在于，所述振动台上基座不可拆卸。

6.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，其特征在于，所述振动台下基座可拆卸。

7.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验模拟方法，其特征在于，所述旋转电机转速可调，通过改变凸轮机构的转动频率从而达到调节机械式推动杆的轴向振动频率，来模拟不同的实际工况。

8.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，其特征在于，所述旋转电机采用遥控控制，可同时开启所有旋转电机或者单独开启某一个或多个旋转电机来模拟水轮机顶盖某一部分单独承受振动时的工况。

9.根据权利要求1所述的水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，其特征在于，所述凸轮机构可更换，通过更换凸轮机构模拟不同的振动形式。