預測抽水蓄能發(fā)電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明是一種預測抽水蓄能發(fā)電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法，具體涉及 一種預測抽水蓄能發(fā)電電動機轉子關鍵構件一磁極磁輒使用壽命的試驗方法，屬于預測抽 水蓄能發(fā)電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法的創(chuàng)新技術。
【背景技術】
[0002] 近三十年來，隨著改革開放帶來的國民經濟快速發(fā)展，抽水蓄能電站在我國得到 迅猛發(fā)展。隨著使用年限的增加，早年修建的抽水蓄能機組事故或故障頻發(fā)，運行安全問題 日益突出。與常規(guī)水輪機相比，抽水蓄能發(fā)電電動機轉速高、雙向旋轉、工況復雜、啟動頻 繁，運行過程中會產生交變應力，疲勞現象時常發(fā)生。從設計上重視疲勞問題，研究疲勞斷 裂機理，探索疲勞壽命的預測方法迫在眉睫。目前我國現役抽水蓄能機組的壽命預測方法 大多依靠國外的技術支持，運行單位缺乏相應的評估手段，壽命評估成本高，技術上受制于 人。目前常用的疲勞壽命預測方法有Basquin關系、Manson-coffin關系和Paris公式等， 還有結合經典壽命預測方法和標準試樣測定的基本力學性能（彈性模量、S-N曲線和疲勞 強度等）的有限元計算，而且有限元計算的準確性取決于選擇的壽命預測方法的合理性。 現役抽水蓄能發(fā)電電動機轉子體積非常大（遠遠大于標準試樣）、造價很高、特別是目前還 能正常使用，所以不可能采用整個構件試驗進行壽命預測，而直接用標準試樣測得的力學 性能或有限元分析進行構件壽命預測的準確性難以通過試驗驗證。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種預測抽水蓄能發(fā)電電動機轉子構件 使用壽命的試驗方法。本發(fā)明解決了大型構件無法在試驗機上進行測試的難點，在常規(guī)的 疲勞試驗機就可實現，成本較低，操作方便，還適用于其他金屬材料制備的大型運動構件。
[0004] 本發(fā)明的技術方案是：本發(fā)明的預測抽水蓄能發(fā)電電動機轉子構件使用壽命的試 驗方法，包括有如下步驟：
[0005] 1)通過查閱資料和失效分析等，找出抽水蓄能發(fā)電電動機轉子構件最易發(fā)生開裂 的危險部位；
[0006] 2)對轉子構件進行有限元受力分析，結合抽水蓄能發(fā)電電動機的日常運行情況， 得到不同運行狀態(tài)的受力情況，根據最大應力和最小應力的得到簡化循環(huán)載荷譜；
[0007] 3)從危險部位找出能進行受力狀態(tài)試驗的相對獨立的結構單元；
[0008] 4)進行轉子構件材料的標準（或接近標準）試樣的應變和應力控制的疲勞試驗， 分別得到材料的應變壽命曲線（e-N)和應力壽命曲線（S-N)，把應變控制的中值應力幅 壽命曲線和S-N曲線的數據放在一起用Basquin公式：〇 a= 〇 'f (2隊"進行擬合，得到疲 勞強度系數〇 'f和疲勞強度指數b;
[0009] 5)制備結構單元的縮微試樣；
[0010] 6)進行應力控制的疲勞試驗，得到縮微構件的S-N曲線，用Basquin公式進行擬 合，分別得到不同縮放比例的疲勞強度系數o'f和疲勞強度指數b。
[0011] 7)建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數0 'f和疲勞強度指數b隨尺寸 X變化的關系，通過數據擬合求出實際構件的疲勞強度系數〇 'f和疲勞強度指數b;
[0012] 8)考慮應力比對構件受力的影響，根據載荷譜和設計壽命確定合適的關系式；
[0013] 9)考慮表面粗糙度、載荷頻率或服役環(huán)境的影響，根據實際服役情況選擇幾種關 鍵影響因素：表面粗糙度影響系數F1、頻率影響系數F2、環(huán)境影響系數F3;
[0014] 10)結合步驟2)的載荷譜、步驟6)-步驟9)的疲勞強度參數F(x)、B(x)、F1、F2、 F3、系數〇 'f和指數b，計算出抽水蓄能發(fā)電電動機轉子關鍵構件的壽命。
[0015] 本發(fā)明通過不同尺寸的縮微構件疲勞試驗，擬合出疲勞壽命參數，探尋微縮構件 的疲勞壽命影響系數從而進行全尺寸構件壽命預測。本發(fā)明在常規(guī)的疲勞試驗機就可實 現，成本較低，操作方便，還適用于其他金屬材料制備的大型運動構件。本發(fā)明解決了大型 構件無法在試驗機上進行測試的難點，提供了一種預測抽水蓄能發(fā)電電動機轉子關鍵構件 使用壽命的試驗方法。本發(fā)明是一種設計巧妙，性能優(yōu)良，方便實用的預測抽水蓄能發(fā)電電 動機轉子構件使用壽命的試驗方法。
【附圖說明】
[0016]圖1為不同階段的載荷譜，其中（a)是啟停階段的載荷譜；(b)是飛逸階段的載荷 譜；（c)是甩負荷階段的載荷譜。
【具體實施方式】
[0017] 實施例：
[0018] 本發(fā)明的預測抽水蓄能發(fā)電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法，包括有如下步 驟：
[0019] 1)通過查閱資料和失效分析等，找出抽水蓄能發(fā)電電動機轉子構件最易發(fā)生開裂 的危險部位；
[0020] 2)對轉子構件進行有限元受力分析，結合抽水蓄能發(fā)電電動機的日常運行情況， 得到不同運行狀態(tài)（啟停、甩負荷和飛逸）的受力情況，根據最大應力和最小應力的得到簡 化循環(huán)載荷譜，如圖1所示，其中（a)是啟停階段的載荷譜；(b)是飛逸階段的載荷譜；（c) 是甩負荷階段的載荷譜。
[0021] 3)從危險部位找出能進行受力狀態(tài)試驗的相對獨立的結構單元；
[0022] 4)進行轉子構件材料的標準（或接近標準）試樣的應變和應力控制的疲勞試驗， 分別得到材料的應變壽命曲線（e-N)和應力壽命曲線（S-N)，把應變控制的中值應力幅 壽命曲線和S-N曲線的數據放在一起用Basquin公式（〇 a= 〇 'f (2Nf)b)進行擬合，得到疲 勞強度系數〇 'f和疲勞強度指數b;
[0023] 5)制備結構單元的縮微試樣，縮小比例至少選擇2~3個，例如5:1、10:1或 20:1 ；
[0024]6)進行應力控制的疲勞試驗，得到縮微構件的S-N曲線，用Basquin公式進行擬 合，分別得到不同縮放比例的疲勞強度系數〇 'f和疲勞強度指數b。
[0025] 7)建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數〇 ' f和疲勞強度指數b隨尺寸 X變化的關系，擬合出關系式分別命名為F(X)和B(X)，通過origin軟件數據擬合求出實際 構件的疲勞強度系數〇 'f和疲勞強度指數b;
[0026] 8)利用Goodman、Gerber或Soderberg等關系考慮應力比對構件受力的影響，根 據載荷譜和設計壽命確定合適的關系式，例如Goodman關系；
[0027] 9)考慮表面粗糙度、載荷頻率或服役環(huán)境的影響，根據實際服役情況選擇幾種關 鍵影響因素：表面粗糙度影響系數F1，頻率影響系數F2、環(huán)境影響系數F3,例如表面粗糙度 影響系數F1取0. 6,頻率影響系數F2取1，環(huán)境影響系數F3取1 ;
[0028] 10)結合步驟2)的載荷譜、步驟6)-步驟9)的疲勞強度參數F(x)、B(x)、F1、 k： F2、F3、系數〇 'f和指數b等，基于Basquin公式和Miner累計損傷模型I' /巧=_1， 戶1 &，N2,? ? ?，隊分別是應力水平〇u〇 2, ? ?. 〇i，對應的疲勞壽命；叫，n2, ? ? ?，叫是各個應力 水平經受的疲勞次數）計算出抽水蓄能發(fā)電電動機轉子關鍵構件的壽命。
[0029] 下面舉例說明關鍵構件壽命預測過程。
[0030] 假設轉子關鍵構件的最危險部位是磁極T尾，根據ANSYS分析結果，不同階段受力 如下：
[0031] (1)啟停過程：〇咖=440MPa，〇_= 0,〇a= 220MPa，〇"= 220MPa ;
[0032] (2)飛逸過程：〇隨=550MPa，〇 _= 210MPa，〇 a= 170MPa;
[0033] (3)甩負荷過程：〇 "^= 690MPa，〇 _= 510MPa，〇 a= 90MPa〇
[0034] 假設磁極T尾獨立的結構單元為單個T尾，假設磁極材料的〇'f為1563， b為-0. 115。假設F(x)和B(x)取 1，實際構件的 〇 'f為 1563XF(x) = 1563,b 為-0? 115XB(x) = -0? 115。
[0035] 選取Goodman方程〇 a= 〇。[1_0 "/ 0 b] ( 〇派705MPa)進行平均應力修正，帶入 數值，可等效為標準S-N曲線（R= -1)時對應的應力幅值（〇 a0?= 1})。
[0036]對于啟停過程，求得 〇 al0?= 1}= 319. 9MPa;對于飛逸過程，〇 a20?= 1}= 368. 8MPa; 對于甩負荷過程（3)，〇