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汽輪機聯軸器螺栓材料40CrNiMoA性能及壽命預測的實驗的研究

作者:admin    文章來源:河北京誠聯軸器廠    點擊數:    更新時間:2009-11-09

      在汽輪機的運轉過程中,由于某些故障或其它原因都會引起發電機組的突然啟動停止,產生扭轉振動,導致某些零件的疲勞損壞,甚至引發事故。隨著各種新型金屬材料的廣泛應用和結構靜強度的計算精度的提高, 使得零件的設計的安全系數大大降低,對于聯接汽輪機和發電機的聯軸器來說,聯軸器上的螺栓強度是影響發電機軸系安全運轉非常重要的一環也是整個系統中薄弱的環節之一,而扭轉振動是引起聯軸器螺栓損壞的主要原因。

    對于聯軸器的螺栓來說,金屬材料本身的復雜性和缺乏疲勞試驗的數據,國內對軸系的扭轉強度和壽命管理研究比較少,沒有參考資料,聯軸器螺栓的受力情況非常復雜,因此對于汽輪機聯軸器的螺栓的疲勞性能的深入研究,具有非常重要的意義。

實驗描述
    下面我們以電廠汽輪機聯軸器螺栓的常用材料40CrNiMoA來進行實驗,實驗試棒由北京重型電機廠提供,直徑為ø45mm。材料的最終熱處理工藝為:860℃淬火,油冷;670℃回火,空冷。40CrNiMoA的化學成分和機械性能見表1和表2

 

 
    實驗采用ASTM E606-92標準以及<<軸向等幅低周疲勞實驗方法>>(GB/T 15248-94)<<金屬軸向疲勞實驗方法>>(GB3075-82)等國家標準。應變速率均為 加載波形選用三角波[4] 。在疲勞實驗中,均取置信度為95%、誤差限度δm5%來計算各級水平所需的子樣數,以使各數據點應具有足夠的、相同的準確度。其中,軸向疲勞32根試樣;扭轉疲勞36根試樣。根據實驗觀測條件和40CrNiMoA鋼的特點,在本實驗中,取穩定峰值載荷(或扭矩)下降10%作為失效的判據[1]。實驗環境為常溫空氣介質。軸向疲勞試樣和剪切疲勞試樣形狀分別如圖1、圖2所示。

 

 

   軸向疲勞實驗在華北電力大學(北京)熱力設備狀態監測與故障診斷重點實驗室進行。該電液伺服實驗機的主機為長春實驗機研究所制造,型號為CSS-280 100KN,控制器由美國MTS公司生產,型號為458.20 MicroConsole,采用COM-PAQ486微機進行數據的自動采集。扭轉疲勞實驗是在原航空部材料研究所的MTS 809-扭電液伺服疲勞實驗機上進行的,控制軟件為Teststar 2.0,采用原裝COM-PAQ586微機進行試驗的自動控制和數據的自動采集。

3  實驗結果
3.1  應力-應變特性
    1)軸向疲勞
    循環應力-應變的曲線按Morrow公式,即:

 

式中 nˊ為循環硬化指數; △εr為應變范圍; kˊ為循環強度系數 ;△б為應力范圍。
    常溫下的擬合結果如圖3所示。由圖可知:40CrNiMoA材料在常溫下表現為循環軟化特性,是一種循環軟化材料。kˊ
    2)剪切疲勞
    在常溫下,疲勞實驗采用三角波形,應變速率為0.4%/s。據實驗,該材料的剪切應力應變特性用下式表示:

 

扭轉應變硬化指數。
    將單調剪應力應變和循環應力繪于一圖,如圖4所示。據圖可知:該材料在扭轉載荷下表現出循環軟化特性。

 

3.2  疲勞壽命曲線

 

 

  參考文獻[13],經過相關性檢驗,常溫下應變-壽命關系均按照Manson-Coffin公式擬合,在實驗中,選用了95%的置信度,5%的誤差限,擬合數據及循環應力應變特性參數見表3、表4所示(R為相關系數)。

     兩種加載方式下經最小二乘法擬合的中值疲勞壽命曲線分別如圖5、圖6所示。圖5中,小實黑點表示由于斷口位于標距外而被排除的試驗數據;方框點是根據肖維奈準則而得到的舍棄點。斷在標距外的原因可能是應力集中及加工原因。圖6中的小實黑點表示試驗數據點,穿過試驗點的曲線是擬合的剪切疲勞壽命曲線。由圖可知,擬合的疲勞壽命曲線與試驗數據吻合較好。
多軸壽命模型的評估
4.1  Von Mises等效應變范圍模型[1]
    由于多軸疲勞實驗本身的復雜性以及實驗費用之高,因而很有必要尋找一種橋梁能通過簡單的、相對廉價的單軸疲勞實驗預測多軸疲勞壽命,下面將利用這些現有模型使拉壓疲勞與剪切疲勞聯系起來以達到簡化實驗的目的。
    該方法采用了塑性理論中的Von Mises等效應變范圍法。對純扭轉,泊松比v可假定為0.5(假定塑性應變為主,體積不變),等效應力應變的公式如下:

 式中 △εeq為等效應變范圍; Nf為循環次數。
    用該模型預測的扭轉疲勞壽命如圖7所示。圖中的小圓點表示經過對同一應變水平求平均而得的扭轉疲勞壽命試驗點。
    由圖7可知,該模型在大應變時高估扭轉疲勞壽命,而在小應變時低估了疲勞壽命。圖8為模型的壽命預測值與實際壽命的比較。由圖8可見:用von Mises等效應變模型可以很好預測扭轉疲勞壽命,誤差因子在1.5以內。

  

 

4.2  Manson-Halford模型[1]
    Manson Halford1977)提出了基于應力的多軸應力因子(MF)修正的Von Mises等效應變范圍模型。這種多軸應力因子(MF)又是基于DavisConnelly(1959)所提出的三維因子(TF)。將用MF修正過的等效塑性應變范圍代入軸向塑性應變壽命方程,可以估計出扭轉疲勞壽命。Manson-Halford模型考慮了材料韌性隨著應力狀態變化的特性。材料在常溫時的應變壽命關系如下所示

 

    9中,圖中數據點為同一應變水平求平均后的扭轉疲勞壽命點。如圖所示該模型高估了真實的扭轉疲勞壽命而顯得過分冒險。圖10為用該模型預測的扭轉疲勞壽命與實際扭轉疲勞壽命的比較。

  

4.3  Fatemi 模型[1]
    該模型采用以剪切常數為基礎來預測疲勞壽命,模型的表達式為:

 為最大工程剪應變范圍。

     此模型對實驗數據進行擬合,所得的疲勞壽命曲線如圖11所示。圖中的小方框代表同一應變水平求均值后的軸向疲勞壽命試驗數據點。
    由圖11可知,該模型預測軸向拉壓疲勞壽命時會低估疲勞壽命,將預測的疲勞壽命與真實壽命作一比較如圖12所示。可以認為:Fatemi模型預測壽命低于真實壽命,趨于保守,誤差因子在2以外。

 

4.4  基于剪切形式的預測模型[56]
   與前一模型一樣,此模型也以剪切常數為基礎來建立壽命估算模型,建立剪切形式的Manson-Coffin方程。該模型認為,損傷參量應是剪切應變與法向應變相結合的形式,提出用 作為多軸加載條件下的等效多軸損傷參量。公式如下:
   

式中 k為材料常數; εn為最大剪切面上的法向正應變。
    13為該模型對拉壓、扭轉實驗數據的擬合,實驗數據經過上式轉換。圖14為預測壽命與真實壽命的比較結果。從圖可知:該模型能夠較精確地預測壽命。

 

 

結論
    140CrNiMoA鋼在常溫空氣介質下的軸向和剪切疲勞試驗表明:該材料在循環扭轉、拉壓載荷下均顯示出循環軟化特性。
    2)根據試驗數據,得到了該材料的軸向疲勞和剪切疲勞特性參數,并分別給出了兩種加載條件下具有95%置信度,5%誤差限的中值疲勞壽命曲線。
   
3)對常用的幾種多軸疲勞壽命模型的精度進行了分析比較。結果表明:在常溫下,基于剪切形式的預測模型對于該材料是適合的。但由于目前國內外這方面的數據較少,是否適合其它材料則需進一步的驗證。

 

河北京誠聯軸器廠提供)

 

 



 

 

 
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