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汽轮机联轴器螺栓材料40CrNiMoA性能及寿命预测的实验的研究

作者:admin    文章来源:河北京诚联轴器厂    点击数:    更新时间:2009-11-09

      在汽轮机的运转过程中,由于某些故障或其它原因都会引起发电机组的突然启动停止,产生扭转振动,导致某些零件的疲劳损坏,甚至引发事故。随着各种新型金属材料的广泛应用和结构静强度的计算精度的提高, 使得零件的设计的安全系数大大降低,对于联接汽轮机和发电机的联轴器来说,联轴器上的螺栓强度是影响发电机轴系安全运转非常重要的一环也是整个系统中薄弱的环节之一,而扭转振动是引起联轴器螺栓损坏的主要原因。

    对于联轴器的螺栓来说,金属材料本身的复杂性和缺乏疲劳试验的数据,国内对轴系的扭转强度和寿命管理研究比较少,没有参考资料,联轴器螺栓的受力情况非常复杂,因此对于汽轮机联轴器的螺栓的疲劳性能的深入研究,具有非常重要的意义。

实验描述
    下面我们以电厂汽轮机联轴器螺栓的常用材料40CrNiMoA来进行实验,实验试棒由北京重型电机厂提供,直径为ø45mm。材料的最终热处理工艺为:860℃淬火,油冷;670℃回火,空冷。40CrNiMoA的化学成分和机械性能见表1和表2

 

 
    实验采用ASTM E606-92标准以及<<轴向等幅低周疲劳实验方法>>(GB/T 15248-94)<<金属轴向疲劳实验方法>>(GB3075-82)等国家标准。应变速率均为 加载波形选用三角波[4] 。在疲劳实验中,均取置信度为95%、误差限度δm5%来计算各级水平所需的子样数,以使各数据点应具有足够的、相同的准确度。其中,轴向疲劳32根试样;扭转疲劳36根试样。根据实验观测条件和40CrNiMoA钢的特点,在本实验中,取稳定峰值载荷(或扭矩)下降10%作为失效的判据[1]。实验环境为常温空气介质。轴向疲劳试样和剪切疲劳试样形状分别如图1、图2所示。

 

 

   轴向疲劳实验在华北电力大学(北京)热力设备状态监测与故障诊断重点实验室进行。该电液伺服实验机的主机为长春实验机研究所制造,型号为CSS-280 100KN,控制器由美国MTS公司生产,型号为458.20 MicroConsole,采用COM-PAQ486微机进行数据的自动采集。扭转疲劳实验是在原航空部材料研究所的MTS 809-扭电液伺服疲劳实验机上进行的,控制软件为Teststar 2.0,采用原装COM-PAQ586微机进行试验的自动控制和数据的自动采集。

3  实验结果
3.1  应力-应变特性
    1)轴向疲劳
    循环应力-应变的曲线按Morrow公式,即:

 

式中 nˊ为循环硬化指数; △εr为应变范围; kˊ为循环强度系数 ;△б为应力范围。
    常温下的拟合结果如图3所示。由图可知:40CrNiMoA材料在常温下表现为循环软化特性,是一种循环软化材料。kˊ
    2)剪切疲劳
    在常温下,疲劳实验采用三角波形,应变速率为0.4%/s。据实验,该材料的剪切应力应变特性用下式表示:

 

扭转应变硬化指数。
    将单调剪应力应变和循环应力绘于一图,如图4所示。据图可知:该材料在扭转载荷下表现出循环软化特性。

 

3.2  疲劳寿命曲线

 

 

  参考文献[13],经过相关性检验,常温下应变-寿命关系均按照Manson-Coffin公式拟合,在实验中,选用了95%的置信度,5%的误差限,拟合数据及循环应力应变特性参数见表3、表4所示(R为相关系数)。

     两种加载方式下经最小二乘法拟合的中值疲劳寿命曲线分别如图5、图6所示。图5中,小实黑点表示由于断口位于标距外而被排除的试验数据;方框点是根据肖维奈准则而得到的舍弃点。断在标距外的原因可能是应力集中及加工原因。图6中的小实黑点表示试验数据点,穿过试验点的曲线是拟合的剪切疲劳寿命曲线。由图可知,拟合的疲劳寿命曲线与试验数据吻合较好。
多轴寿命模型的评估
4.1  Von Mises等效应变范围模型[1]
    由于多轴疲劳实验本身的复杂性以及实验费用之高,因而很有必要寻找一种桥梁能通过简单的、相对廉价的单轴疲劳实验预测多轴疲劳寿命,下面将利用这些现有模型使拉压疲劳与剪切疲劳联系起来以达到简化实验的目的。
    该方法采用了塑性理论中的Von Mises等效应变范围法。对纯扭转,泊松比v可假定为0.5(假定塑性应变为主,体积不变),等效应力应变的公式如下:

 式中 △εeq为等效应变范围; Nf为循环次数。
    用该模型预测的扭转疲劳寿命如图7所示。图中的小圆点表示经过对同一应变水平求平均而得的扭转疲劳寿命试验点。
    由图7可知,该模型在大应变时高估扭转疲劳寿命,而在小应变时低估了疲劳寿命。图8为模型的寿命预测值与实际寿命的比较。由图8可见:用von Mises等效应变模型可以很好预测扭转疲劳寿命,误差因子在1.5以内。

  

 

4.2  Manson-Halford模型[1]
    Manson Halford1977)提出了基于应力的多轴应力因子(MF)修正的Von Mises等效应变范围模型。这种多轴应力因子(MF)又是基于DavisConnelly(1959)所提出的三维因子(TF)。将用MF修正过的等效塑性应变范围代入轴向塑性应变寿命方程,可以估计出扭转疲劳寿命。Manson-Halford模型考虑了材料韧性随着应力状态变化的特性。材料在常温时的应变寿命关系如下所示

 

    9中,图中数据点为同一应变水平求平均后的扭转疲劳寿命点。如图所示该模型高估了真实的扭转疲劳寿命而显得过分冒险。图10为用该模型预测的扭转疲劳寿命与实际扭转疲劳寿命的比较。

  

4.3  Fatemi 模型[1]
    该模型采用以剪切常数为基础来预测疲劳寿命,模型的表达式为:

 为最大工程剪应变范围。

     此模型对实验数据进行拟合,所得的疲劳寿命曲线如图11所示。图中的小方框代表同一应变水平求均值后的轴向疲劳寿命试验数据点。
    由图11可知,该模型预测轴向拉压疲劳寿命时会低估疲劳寿命,将预测的疲劳寿命与真实寿命作一比较如图12所示。可以认为:Fatemi模型预测寿命低于真实寿命,趋于保守,误差因子在2以外。

 

4.4  基于剪切形式的预测模型[56]
   与前一模型一样,此模型也以剪切常数为基础来建立寿命估算模型,建立剪切形式的Manson-Coffin方程。该模型认为,损伤参量应是剪切应变与法向应变相结合的形式,提出用 作为多轴加载条件下的等效多轴损伤参量。公式如下:
   

式中 k为材料常数; εn为最大剪切面上的法向正应变。
    13为该模型对拉压、扭转实验数据的拟合,实验数据经过上式转换。图14为预测寿命与真实寿命的比较结果。从图可知:该模型能够较精确地预测寿命。

 

 

结论
    140CrNiMoA钢在常温空气介质下的轴向和剪切疲劳试验表明:该材料在循环扭转、拉压载荷下均显示出循环软化特性。
    2)根据试验数据,得到了该材料的轴向疲劳和剪切疲劳特性参数,并分别给出了两种加载条件下具有95%置信度,5%误差限的中值疲劳寿命曲线。
   
3)对常用的几种多轴疲劳寿命模型的精度进行了分析比较。结果表明:在常温下,基于剪切形式的预测模型对于该材料是适合的。但由于目前国内外这方面的数据较少,是否适合其它材料则需进一步的验证。

 

河北京诚联轴器厂提供)

 

 



 

 

 
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