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汽輪機(jī)聯(lián)軸器螺栓材料40CrNiMoA性能及壽命預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)的研究

作者：admin 文章來源：河北京誠聯(lián)軸器廠點(diǎn)擊數(shù)：更新時(shí)間：2009-11-09

在汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于某些故障或其它原因都會(huì)引起發(fā)電機(jī)組的突然啟動(dòng)停止，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，導(dǎo)致某些零件的疲勞損壞，甚至引發(fā)事故。隨著各種新型金屬材料的廣泛應(yīng)用和結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的計(jì)算精度的提高，使得零件的設(shè)計(jì)的安全系數(shù)大大降低，對(duì)于聯(lián)接汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的聯(lián)軸器來說，聯(lián)軸器上的螺栓強(qiáng)度是影響發(fā)電機(jī)軸系安全運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要的一環(huán)也是整個(gè)系統(tǒng)中薄弱的環(huán)節(jié)之一，而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是引起聯(lián)軸器螺栓損壞的主要原因。

對(duì)于聯(lián)軸器的螺栓來說，金屬材料本身的復(fù)雜性和缺乏疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，國內(nèi)對(duì)軸系的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和壽命管理研究比較少，沒有參考資料，聯(lián)軸器螺栓的受力情況非常復(fù)雜，因此對(duì)于汽輪機(jī)聯(lián)軸器的螺栓的疲勞性能的深入研究，具有非常重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)描述
下面我們以電廠汽輪機(jī)聯(lián)軸器螺栓的常用材料40CrNiMoA來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)試棒由北京重型電機(jī)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(xué)成分和機(jī)械性能見表1和表2。

實(shí)驗(yàn)采用ASTM E606-92標(biāo)準(zhǔn)以及<<軸向等幅低周疲勞實(shí)驗(yàn)方法>>(GB/T 15248-94)、<<金屬軸向疲勞實(shí)驗(yàn)方法>>(GB3075-82)等國家標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)變速率均為加載波形選用三角波^[4]。在疲勞實(shí)驗(yàn)中，均取置信度為95%、誤差限度δm為5%來計(jì)算各級(jí)水平所需的子樣數(shù)，以使各數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)具有足夠的、相同的準(zhǔn)確度。其中，軸向疲勞32根試樣；扭轉(zhuǎn)疲勞36根試樣。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)條件和40CrNiMoA鋼的特點(diǎn)，在本實(shí)驗(yàn)中，取穩(wěn)定峰值載荷（或扭矩）下降10%作為失效的判據(jù)^[1]。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為常溫空氣介質(zhì)。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(shí)驗(yàn)在華北電力大學(xué)（北京）熱力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)的主機(jī)為長(zhǎng)春實(shí)驗(yàn)機(jī)研究所制造，型號(hào)為CSS-280 100KN，控制器由美國MTS公司生產(chǎn)，型號(hào)為458.20 MicroConsole，采用COM-PAQ486微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。扭轉(zhuǎn)疲勞實(shí)驗(yàn)是在原航空部材料研究所的MTS 809拉-扭電液伺服疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，控制軟件為Teststar 2.0，采用原裝COM-PAQ586微機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 應(yīng)力-應(yīng)變特性
（1）軸向疲勞
循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變的曲線按Morrow公式，即：

式中 nˊ為循環(huán)硬化指數(shù)； △ε_r為應(yīng)變范圍；。kˊ為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù) ；△б為應(yīng)力范圍。
    常溫下的擬合結(jié)果如圖3所示。由圖可知：40CrNiMoA材料在常溫下表現(xiàn)為循環(huán)軟化特性，是一種循環(huán)軟化材料。kˊ
    （2）剪切疲勞
    在常溫下，疲勞實(shí)驗(yàn)采用三角波形，應(yīng)變速率為0.4%/s。據(jù)實(shí)驗(yàn)，該材料的剪切應(yīng)力應(yīng)變特性用下式表示：

扭轉(zhuǎn)應(yīng)變硬化指數(shù)。
將單調(diào)剪應(yīng)力應(yīng)變和循環(huán)應(yīng)力繪于一圖，如圖4所示。據(jù)圖可知：該材料在扭轉(zhuǎn)載荷下表現(xiàn)出循環(huán)軟化特性。

3.2 疲勞壽命曲線

參考文獻(xiàn)^[1～3]，經(jīng)過相關(guān)性檢驗(yàn)，常溫下應(yīng)變-壽命關(guān)系均按照Manson-Coffin公式擬合，在實(shí)驗(yàn)中，選用了95%的置信度，5%的誤差限，擬合數(shù)據(jù)及循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變特性參數(shù)見表3、表4所示（R為相關(guān)系數(shù)）。

     兩種加載方式下經(jīng)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(shí)黑點(diǎn)表示由于斷口位于標(biāo)距外而被排除的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；方框點(diǎn)是根據(jù)“肖維奈準(zhǔn)則”而得到的舍棄點(diǎn)。斷在標(biāo)距外的原因可能是應(yīng)力集中及加工原因。圖6中的小實(shí)黑點(diǎn)表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，穿過試驗(yàn)點(diǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。
4 多軸壽命模型的評(píng)估
4.1 Von Mises等效應(yīng)變范圍模型^[1]    由于多軸疲勞實(shí)驗(yàn)本身的復(fù)雜性以及實(shí)驗(yàn)費(fèi)用之高，因而很有必要尋找一種“橋梁”能通過簡(jiǎn)單的、相對(duì)廉價(jià)的單軸疲勞實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)多軸疲勞壽命，下面將利用這些現(xiàn)有模型使拉壓疲勞與剪切疲勞聯(lián)系起來以達(dá)到簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的目的。
    該方法采用了塑性理論中的Von Mises等效應(yīng)變范圍法。對(duì)純扭轉(zhuǎn)，泊松比v可假定為0.5（假定塑性應(yīng)變?yōu)橹�，體積不變），等效應(yīng)力應(yīng)變的公式如下：

式中 △ε_eq為等效應(yīng)變范圍；N_f為循環(huán)次數(shù)。
用該模型預(yù)測(cè)的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命如圖7所示。圖中的小圓點(diǎn)表示經(jīng)過對(duì)同一應(yīng)變水平求平均而得的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗(yàn)點(diǎn)。
由圖7可知，該模型在大應(yīng)變時(shí)高估扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，而在小應(yīng)變時(shí)低估了疲勞壽命。圖8為模型的壽命預(yù)測(cè)值與實(shí)際壽命的比較。由圖8可見：用von Mises等效應(yīng)變模型可以很好預(yù)測(cè)扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，誤差因子在1.5以內(nèi)。

4.2 Manson-Halford模型^[1]
Manson 和 Halford（1977）提出了基于應(yīng)力的多軸應(yīng)力因子（M_F）修正的Von Mises等效應(yīng)變范圍模型。這種多軸應(yīng)力因子(M_F)又是基于Davis和Connelly(1959)所提出的三維因子(T_F)。將用M_F修正過的等效塑性應(yīng)變范圍代入軸向塑性應(yīng)變壽命方程，可以估計(jì)出扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。Manson-Halford模型考慮了材料韌性隨著應(yīng)力狀態(tài)變化的特性。材料在常溫時(shí)的應(yīng)變壽命關(guān)系如下所示

圖9中，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)為同一應(yīng)變水平求平均后的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命點(diǎn)。如圖所示該模型高估了真實(shí)的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命而顯得過分冒險(xiǎn)。圖10為用該模型預(yù)測(cè)的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命與實(shí)際扭轉(zhuǎn)疲勞壽命的比較。

4.3 Fatemi 模型^[1] 該模型采用以剪切常數(shù)為基礎(chǔ)來預(yù)測(cè)疲勞壽命，模型的表達(dá)式為：

為最大工程剪應(yīng)變范圍。

此模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)變水平求均值后的軸向疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
由圖11可知，該模型預(yù)測(cè)軸向拉壓疲勞壽命時(shí)會(huì)低估疲勞壽命，將預(yù)測(cè)的疲勞壽命與真實(shí)壽命作一比較如圖12所示�？梢哉J(rèn)為：Fatemi模型預(yù)測(cè)壽命低于真實(shí)壽命，趨于保守，誤差因子在2以外。

4.4 基于剪切形式的預(yù)測(cè)模型^[5，6]
與前一模型一樣，此模型也以剪切常數(shù)為基礎(chǔ)來建立壽命估算模型，建立剪切形式的Manson-Coffin方程。該模型認(rèn)為，損傷參量應(yīng)是剪切應(yīng)變與法向應(yīng)變相結(jié)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(shù)；ε_n為最大剪切面上的法向正應(yīng)變。
圖13為該模型對(duì)拉壓、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過上式轉(zhuǎn)換。圖14為預(yù)測(cè)壽命與真實(shí)壽命的比較結(jié)果。從圖可知：該模型能夠較精確地預(yù)測(cè)壽命。

5 結(jié)論
    （1）40CrNiMoA鋼在常溫空氣介質(zhì)下的軸向和剪切疲勞試驗(yàn)表明：該材料在循環(huán)扭轉(zhuǎn)、拉壓載荷下均顯示出循環(huán)軟化特性。
    （2）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了該材料的軸向疲勞和剪切疲勞特性參數(shù)，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(duì)常用的幾種多軸疲勞壽命模型的精度進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明：在常溫下，基于剪切形式的預(yù)測(cè)模型對(duì)于該材料是適合的。但由于目前國內(nèi)外這方面的數(shù)據(jù)較少，是否適合其它材料則需進(jìn)一步的驗(yàn)證。