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預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510612933.0

申請日:

2015.09.23

公開號:

CN105205264A

公開日:

2015.12.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權的轉移IPC(主分類):G06F 17/50登記生效日:20181025變更事項:專利權人變更前權利人:中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司變更后權利人:南方電網調峰調頻發電有限公司變更事項:地址變更前權利人:510643 廣東省廣州市天河區龍口東路32號變更后權利人:510630 廣東省廣州市天河區龍口東路32號2201房|||授權|||著錄事項變更IPC(主分類):G06F 17/50變更事項:發明人變更前:聶靚靚 龐建超 毛允嫻變更后:聶靚靚 龐建超 姚戈 張哲峰 陳滿 毛允嫻|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150923|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 中國南方電網有限責任公司調峰調頻發電公司
發明人: 聶靚靚; 龐建超; 毛允嫻
地址: 510643 廣東省廣州市天河區龍口東路32號
優先權:
專利代理機構: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102 代理人: 林麗明
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510612933.0

授權公告號:

||||||||||||

法律狀態公告日:

2018.11.13|||2018.10.19|||2016.04.13|||2016.01.27|||2015.12.30

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||授權|||著錄事項變更|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明是一種預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法。本發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。本發明在常規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電電動機轉子關鍵構件使用壽命的試驗方法。本發明是一種設計巧妙,性能優良,方便實用的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法。

權利要求書

權利要求書
1.  一種預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于包括有如下步驟:
1)通過查閱資料和失效分析等,找出抽水蓄能發電電動機轉子構件最易發生開裂的危險部位;
2)對轉子構件進行有限元受力分析,結合抽水蓄能發電電動機的日常運行情況,得到不同運行狀態的受力情況,根據最大應力和最小應力的得到簡化循環載荷譜;
3)從危險部位找出能進行受力狀態試驗的相對獨立的結構單元;
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(ε-Ν)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:σa=σ'f(2Nf)b進行擬合,得到疲勞強度系數σ'f和疲勞強度指數b;
5)制備結構單元的縮微試樣;
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σ'f和疲勞強度指數b。
7)建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數σ'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σ'f和疲勞強度指數b;
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;
9)考慮表面粗糙度、載荷頻率或服役環境的影響,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、環境影響系數F3;
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σ'f和指數b,計算出抽水蓄能發電電動機轉子關鍵構件的壽命。

2.  根據權利要求1所述的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于上述步驟1)中,根據抽水蓄能發電電動機轉子的調研資料、失效分析、構件形狀,找出其中最易發生開裂的部位。

3.  根據權利要求1所述的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于上述步驟2)中,不同運行狀態包括有啟停、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載荷譜。

4.  根據權利要求1所述的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于上述步驟7)中,通過數據擬合建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數σ'f和疲勞強度指數b隨尺寸變化的關系,縮小比例至少選擇2~3個,5:1、10:1或20:1。

5.  根據權利要求1所述的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于上述步驟7)中,通過origin軟件擬合出關系式F(x)和B(x)。

6.  根據權利要求1所述的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于上述步驟7)中,建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數σ'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),通過數據擬合求出實際構件的疲勞強度系數σ'f和疲勞強度指數b。

7.  根據權利要求1所述的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于上述步驟9)中,表面粗糙度影響系數F1取0.6、頻率影響系數F2取1,環境影響系數F3取1。

8.  根據權利要求1所述的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于上述步驟8)利用Goodman、Gerber或Soderberg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。

9.  根據權利要求1所述的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,其特征在于上述步驟10)中,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σ'f和指數b,基于Basquin公式和Miner累計損傷模型:N1,N2,...,Ni分別是應力水平σ1,σ2,...σi,對應的疲勞壽命;n1,n2,...,ni是各個應力水平經受的疲勞次數,計算出抽水蓄能發電電動機轉子關鍵構件的壽命。

說明書

說明書預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法
技術領域
本發明是一種預測抽水蓄能發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電電動機轉子關鍵構件—磁極磁軛使用壽命的試驗方法,屬于預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法的創新技術。
背景技術
近三十年來,隨著改革開放帶來的國民經濟快速發展,抽水蓄能電站在我國得到迅猛發展。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,運行安全問題日益突出。與常規水輪機相比,抽水蓄能發電電動機轉速高、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。
發明內容
本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法。本發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。
本發明的技術方案是:本發明的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,包括有如下步驟:
1)通過查閱資料和失效分析等,找出抽水蓄能發電電動機轉子構件最易發生開裂的危險部位;
2)對轉子構件進行有限元受力分析,結合抽水蓄能發電電動機的日常運行情況,得到不同運行狀態的受力情況,根據最大應力和最小應力的得到簡化循環載荷譜;
3)從危險部位找出能進行受力狀態試驗的相對獨立的結構單元;
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(ε-Ν)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:σa=σ'f(2Nf)b進行擬合,得到疲勞強度系數σ'f和疲勞強度指數b;
5)制備結構單元的縮微試樣;
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σ'f和疲勞強度指數b。
7)建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數σ'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σ'f和疲勞強度指數b;
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;
9)考慮表面粗糙度、載荷頻率或服役環境的影響,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、環境影響系數F3;
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σ'f和指數b,計算出抽水蓄能發電電動機轉子關鍵構件的壽命。
本發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。本發明在常規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電電動機轉子關鍵構件使用壽命的試驗方法。本發明是一種設計巧妙,性能優良,方便實用的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法。
附圖說明
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
實施例:
本發明的預測抽水蓄能發電電動機轉子構件使用壽命的試驗方法,包括有如下步驟:
1)通過查閱資料和失效分析等,找出抽水蓄能發電電動機轉子構件最易發生開裂的危險部位;
2)對轉子構件進行有限元受力分析,結合抽水蓄能發電電動機的日常運行情況,得到不同運行狀態(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。
3)從危險部位找出能進行受力狀態試驗的相對獨立的結構單元;
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(ε-Ν)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(σa=σ'f(2Nf)b)進行擬合,得到疲勞強度系數σ'f和疲勞強度指數b;
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;
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σ'f和疲勞強度指數b。
7)建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數σ'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σ'f和疲勞強度指數b;
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;
9)考慮表面粗糙度、載荷頻率或服役環境的影響,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,環境影響系數F3取1;
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σ'f和指數b等,基于Basquin公式和Miner累計損傷模型N1,N2,...,Ni分別是應力水平σ1,σ2,...σi,對應的疲勞壽命;n1,n2,...,ni是各個應力水平經受的疲勞次數)計算出抽水蓄能發電電動機轉子關鍵構件的壽命。
下面舉例說明關鍵構件壽命預測過程。
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:
(1)啟停過程:σmax=440MPa,σmin=0,σa=220MPa,σm=220MPa;
(2)飛逸過程:σmax=550MPa,σmin=210MPa,σa=170MPa;
(3)甩負荷過程:σmax=690MPa,σmin=510MPa,σa=90MPa。
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σ'f為1563,b為-0.115。假設F(x)和B(x)取1,實際構件的σ'f為1563×F(x)=1563,b為-0.115×B(x)=-0.115。
選取Goodman方程σa=σ0[1-σm/σb](σb取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(σa(R=-1))。
對于啟停過程,求得σa1(R=-1)=319.9MPa;對于飛逸過程,σa2(R=-1)=368.8MPa;對于甩負荷過程(3),σa3(R=-1)=604.3MPa。
標準試樣的疲勞強度σw修正的疲勞強度σw,M為:
σw,M=F1·F2·F3σw.
F1取0.6,F2和F3取1,修正后的σ'f為1982.33ΜPa,b為-0.1488。
將前述(R=-1時)等效應力幅值σa1(R=-1)=319.9MPa代入,S-N曲線的Basquin方程σa=1982(2Nf)-0.1488求得過程(1)的Nf1=105586,求得飛逸過程的Nf2=20524,求得甩負荷過程的Nf3=1466。選取年為單位進行壽命預測,假設每年的啟停、飛逸、甩負荷次數分別為1367次、2次和2次。通過Miner線性損傷累計理論計算,每年發生的損傷量為:
D=1367/105586+2/20524+2/1466=0.01436
即每年所產生的損傷量為0.01436。因此,可以估算其壽命約為損傷量的倒數即69.6年。
本實施例中,上述步驟1)中,根據抽水蓄能發電電動機轉子的調研資料、失效分析、構件形狀,找出其中最易發生開裂的部位。
本實施例中,上述步驟2)中,不同運行狀態包括有啟停、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載荷譜。
本實施例中,上述步驟7)中,通過數據擬合建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數σ'f和疲勞強度指數b隨尺寸變化的關系,縮小比例至少選擇2~3個,5:1、10:1或20:1。
本實施例中,上述步驟7)中,通過origin軟件擬合出關系式F(x)和B(x)。
本實施例中,上述步驟7)中,建立標準試樣和不同縮放比例的疲勞強度系數σ'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),通過數據擬合求出實際構件的疲勞強度系數σ'f和疲勞強度指數b。
本實施例中,上述步驟9)中,表面粗糙度影響系數F1取0.6、頻率影響系數F2取1,環境影響系數F3取1。
本實施例中,上述步驟8)利用Goodman、Gerber或Soderberg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;
本實施例中,上述步驟10)中,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σ'f和指數b,基于Basquin公式和Miner累計損傷模型:N1,N2,...,Ni分別是應力水平σ1,σ2,...σi,對應的疲勞壽命;n1,n2,...,ni是各個應力水平經受的疲勞次數,計算出抽水蓄能發電電動機轉子關鍵構件的壽命。
本發明可預測發電電動機轉子關鍵構件的疲勞壽命,不僅為抽水蓄能發電機轉子的運行狀態評估、延長現有設備的使用壽命和提高在 研或在建設備安全可靠性提供理論基礎和技術指導,還能推進我國抽水蓄能電站發電電動機獨立研發和設計水平,加速發電電動機的完全國產化。
本發明采用一般的實驗室條件和較小的試樣就能完成實驗,可以綜合反映出構件的各種影響因素,通過微縮構件較準確的建立標準試樣和構件的壽命預測之間建立聯系,不僅適用于抽水蓄能發電機轉子關鍵構件—磁極磁軛的試驗方法,還可以在其他運動構件中廣泛推廣。

關 鍵 詞:
預測 抽水 蓄能 發電 電動機 轉子 構件 使用壽命 試驗 方法
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