（工程力学专业论文）汽轮机叶片振动疲劳试验及其自动控制系统开发.pdf

独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得滥鎏本堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蔫、固甜签字目期：洳b 年 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 篙妇姒 导师签名 姚1 4 - 签字日期：劲。b 年 月? 日签字日期：) b 年 月7 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 电话 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 摘要 叶片的可靠性直接影响汽轮发电机组的运行安全，而疲劳试验则可以确定叶片在不 同应力水平下的疲劳极限和疲劳寿命，为汽轮机叶片的合理选材及新处理工艺的评定提 供重要的依据。本文以上海某大型汽轮机制造公司提供的2 c r l 2 m o v 叶片三种表面处理 状态下的疲劳性能评估项目为背景，完成了在专门设计的振动疲劳试验机上进行的对比 试验与分析，并研制出具有实时显示试验参数和试样失效自动停机功能的控制系统。 文章讲解了汽轮机叶片的强度和疲劳问题，阐述了金属疲劳的基本概念和疲劳试验 的经典方法。根据叶片受力状态，引出了研制振动疲劳试验机的课题需求。 在该新型非标试验机开发中，设计了偏心凸轮与悬臂等强度板式试样相结合的脉动 载荷加载系统，圆柱销和偏心轮外周滚动轴承的组合设计在有效传递载荷的同时大大减 少了载荷对试样的摩擦，再加上简易循环油冷却系统和试验应力幅调节装景，成功满足 了不同载荷强度下叶片试样的振动疲劳试验要求。借助于等强度试样轴向应变一端部竖 向位移标定，为最后用“小子样升降法”测定叶片疲劳强度和疲劳寿命提供了充分的条 件。 论文期问，重点开发了一套不但能够准确记录叶片的脉动循环次数，而且在叶片失 效或振动次数超过所设定的循环基数时，系统自动报警使试验机断电停机的控制系统。 由于采用了串口通信技术以及前端可变参考电压和反馈电压的设计，系统的使用范围和 调节能力得到了提高。 作为工程科研课题的重要结果，在这套振动疲劳试验新装置上完成了2 c r l 2 m o v 叶 片三种表面处理状态的振动疲劳性能对比试验，为表面处理工艺的评估优化提供了科学 依据。 论文相关的软硬件丌发成果，在同类力学试验技术研究和工程应用中具有借鉴和拓 展意义。 关键词：汽轮机叶片：振动疲劳；小子样升降法；串口通信；自动控制 浙江大学磺士学位论文( 2 0 0 6 ) a b s t r a c t t h er e l i a b i l i t yo fr o t a t i n gb l a d e si sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eo p e r a t i o ns a f e t yo ft h es t r e a m t u r b i n eg e n e r a t o r f a t i g u et e s t i n go fb l a d e sc a l lf i g u r eo u tt h ef a t i g u el i m i ta n dt h ef a t i g u el i f e a td i f f e r e n tl e v e l so fs t r e s s ，t h e np r o v i d eu s e f u lr e f e r e n c ed a t af o rc h o o s i n gt h er i g h tb l a d e m a t e r i a la n de v a l u a t i n gn e wt r e a t m e n tt e c h n i c s t h i sp a p e ri sb a s eo nt h ep r o j e c to ft h ef a t i g u e c a p a b i l i t yt e s t i n go ft h r e ed i f f e r e n tt r e a t m e n t so fb l a d e sw h i c hi sm a d eu po f2 c r l 2 m o va n d p r o v i d e db yo n el t d i ns h a n g h a i t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e dt h ee x p e r i m e n t sw h i c hw e r e i m p l e m e n t e do i lat e s t - b e ds p e c i a ld e s i g n e df o rt h i sk i n do fe x p e r i m e n t sa n dd e v e l o pa l l a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f f a t i g u el i m i tt e s t i n g t h ea u t h o rd e m o n s t r a t e dt h ei n t e n s i t ya n df a t i g u ep r o b l e m so fb l a d e si ns p e c i a lw o r k i n g c i r c u m s t a n c e ，e x p a t i a t e dt h eb a s i cc o n c e p t so fm e t a lf a t i g u ea n dt h eu s u a lm e t h o d so ff a t i g u e t e s t i n g ，a n dt h e nb r o u g h tf o r w a r dt h ea c q u i r e m e n to fd e v e l o p i n gv i b r a t i o nf a t i g u et e s t - b e d a c c o r d i n gt ot h es t r e s sc o n d i t i o n t h i st e s t b e dh a ss e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s f i r s t ：e c c e n t r i cw h e e la sp u l s ef o r c er e s o u r c e ； s e c o n d ：c o l u m np i na n de c c e n t r i cw h e e l so u tr o l l i n gb e a r i n gp a r t si nf o r c et r a n s m i s s i o n s y s t e m ；t l f i r d ：c i r c u l a ro i lc o o l i n gs y s t e m ；f o u r t h ：e c c e n t r i cd i s t a n c e b r a c k e td u a la d j u s tp a r t s u p o nt h e s et e c h n o l o g i e s ，t h ea u t h o rf i n i s h e dv i b r a t i n gf a t i g u et e s t i n go nd i f f e r e n tf o r c el e v e l s d a r i n gt h er e s e a r c hp e r i o d ，t h ea u t h o rd e v e l o pac o n t r o ls y s t e mw h i c hn o to n l yc a nr e c o r d a n ds h o wt h et i m e so fb l a d e sv i b r a t i n g , b u ta l s oc a ne n to f ft h et e s t - b e d sp o w e ri nc e r t a i n i n s t a n c e s b e s i d e s ，i th a sc o m m u n i c a t i o nf i m e t i o na n ds e l f - a d j u a t r n e n ta b i l i t y , w h i c hm a k et h e e x p e r i m e n t sm o r ee a s i l y a st h er e s u l t so fs c i e n c er e s e a r c h ，t h ec o n t r a s tt e s t sa c c o m p l i s h e do nt h i ss y s t e mp r o v i d e d u s e f u ld a t af o re v a l u a t i n gt h en e wt e c h n i c s a n dm o r ei m p o r t a n t ，t h et e s t - b e da n dc o n t r o l s y s t e mc a l lw i d e l yu s e di no t h e rp r o j e c t sm a df i e l d s j k e yw o r d s ：b l a d e s ；v i b r a t i n gf a t i g u e ；s m a l ls u b s a m p l e f l u c t u a t i o nm e t h o d ； 。 s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；a u t o c o n t r o l 2 浙江大学硕士学位论文c 2 0 0 6 ) 第一章绪论 在现代火力发电厂、核电站及地热发电站中，都采用以蒸汽为动力的汽轮发电机组。 汽轮机必须与锅炉( 或其他蒸汽发生器) 、发电机( 或其他被驱动机械) 以及凝汽器、加 热器、泵等设备组成成套装置共同工作具有一定压力和温度的蒸汽经主汽阀和调节汽 阀进入汽轮机内，依次流过一系列环形安装的喷嘴栅( 或静叶栅) 和动叶栅而膨胀做功， 将其热能转换成推动汽轮机转子旋转的机械功，通过联轴器驱动发电机。在火电厂中， 其排汽通常被引入凝汽器向冷却水传递剩余热能而凝结成水，再经泵输送作为锅炉给水 ( 图1 1 ) 。 丰蒸汽 1 主气阀2 - 调节阀3 汽轮机4 - 凝汽器 5 抽汽器6 循环水泵7 凝结水泵 8 低压加热器9 除氧器1 0 给水泵 l1 高压加热器 图l - 1汽轮机系统构成图 图1 2 显示了最简单的汽轮机转子结构示意图。固定在转轴l 上的叶轮装有许多工 作叶片3 ( 也叫动叶片，组成动叶栅) 高压高温水蒸气在通过固定环状布置的喷嘴4 时， 压力降低，速度增加，完成了由蒸汽的热能转变为动能的能量转换。喷出的高速汽流以 一定的方向进入装在叶轮上的动叶栅。在动叶栅中蒸汽速度的大小和方向发生变化，对 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 叶片产生一个推力，驱动叶轮旋转做功，完成由蒸汽动能到轮轴旋转的机械功转换。 1 轴2 - 叶轮3 动叶片4 喷嘴 图l - 2汽轮机转子结构示意图 1 1 汽轮机叶片及其特殊工作环境 叶片是汽轮机中将蒸汽动能转换为机械功的重要部件。在一台汽轮机中，叶片分为 与转子相连接的动叶片及与定子相连接的静叶片( 又称导叶) 。因工作条件不同处于不同 级的动叶与静叶具有各种不同的结构、尺寸及固定的方法。动叶片由叶型、叶根和叶顶 三部分组成( 图1 3 ) 。叶型是叶片的工作部分，相邻叶片的叶型组成蒸汽流道。叶片通 过叶根固定在叶轮上，其连接应牢固可靠。叶顶部分通常装有围带将若干个叶片连成叶 片组，围带的主要作用是增加叶片的刚性、减少从叶顶处的漏气损失并改变叶片的自振 频率从而避免机组运行频率的共振危害。叶片是在运动着的蒸汽介质中工作的，在转子 的高、中压级中，叶片在过热蒸汽中工作，而末级叶片处于湿蒸汽中工作。通流部分的 不同区段，蒸汽中所含的盐类、氧和凝结水滴的量存在差异。因此在不同级中蒸汽对叶 片的腐蚀与冲蚀作用也是不同的。 2 1 叶顶2 叶型3 叶根 图1 3汽轮机叶片构造示意图 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 汽轮机运行时，动叶承受着很大的静态和动态应力。这些应力主要取决于转子旋转 时作用在叶片上的离心力。叶片愈长，转予的直径与转速愈大，在叶片上由离心力所产 生的拉应力便愈大。当有围带或拉筋时，还要考虑由它们产生的离心力对叶片的影响。 汽轮机在工作过程中，叶片与拉筋的振动具有重要的意义。这种振动非常复杂，它 与叶片及隔板的结构形式、加工质量、工作条件等许多因素有关。叶片的振动是引起叶 片断裂事故的重要原因。 导致叶片振动的总的原因，是汽轮机转子转动时，作用于叶片上的周期性激振力， 又称为扰动力。产生周期性激振力的原因很多。因出汽道汽流压力沿节距的不均匀分布 所引起的周期性激振力，其频率是转子的转速与静叶片片数的乘积，称为高频激振力。 由于隔板通流面积不均匀所引起汽流力的不均匀而产生的周期性激振力，其频率等于转 速或转速的简单倍数，称为低频激振力。如果激振力的频率落入与叶片自振频率相同的 共振频率之中，则振幅就要突然增大至不能允许的程度，从而使叶片产生过大应力。视 应力超过允许值的程度不同，在经过一定的时间之后，即会发生叶片的断裂。汽轮机叶 片的设计和计算是以汽轮机在运行过程中没有这种危险的共振为条件的。 综上所述，叶片在运行过程中不仅要承受离心拉应力、弯曲应力及气流脉动所造成 的动应力，还要受到蒸汽的冲蚀、固体颗粒的磨蚀和水质不良所造成的腐蚀作用等，工 作环境非常复杂，叶片事故时有发生。而造成叶片事故的原因绝大多数是疲劳断裂。调 查表明，运行中叶片事故约占汽轮机事故率的4 0 ，造成了巨大的直接和间接经济损失。 据美国电力研究协会( e p r i ) 统计报道：1 9 7 7 1 9 8 1 年间，美国由于叶片失效而导致电厂 停机所造成的直接经济损失大约在1 5 5 1 8 4 亿美元之间【l l 。2 0 世纪7 0 年代我国电力部 门曾对1 0 0 2 0 0 m w 汽轮发电机组的3 3 次叶片事故情况进行了统计分析，平均每次叶片事 故所造成的直接经济损失达1 0 0 0 万元人民币因此，国内外对叶片的安全性和可靠性提 出了愈来愈高的要求，对叶片强度分析和疲劳寿命的研究也显得格外重要。 1 2 叶片强度分析与疲劳寿命研究进展 1 2 1 力学模型和强度分析 汽轮机叶片从调节级到末级形状多样，且多达数千片，强度和振动特性是汽轮机叶 7 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 片设计时的最重要参数。一般计算时对汽轮机叶片采用的有限元分析模型有：梁类模型 【2 翔、板壳模型( 4 1 和三维实体模型【5 1 早期的叶片振动频率计算均采用能量法嘲和传递矩阵法 t j 。后来，人们开始考虑叶片 的弯扭耦合、剪切变形、转动惯量和叶根柔度的影响，从不同的角度建立梁类模型。西 安交通大学在研究带阻尼结构汽轮机叶片振动特性时，采用了扭曲梁单元。梁类模型的 优点是计算量小，程序结构简单。方法成熟，适合于长叶片的振动特性分析；缺点是模 型较粗糙，自由度少，不能精确计算叶片局部应力和变形，如拉筋、围带等处的应力集 中。 近年来对叶片的振动特性进行研究时，有人采用薄壳模型，四边形板壳单元和厚壳 单元进行计算分析。采用板壳模型对于小展弦比的汽轮机中长叶片和压气机叶片是合理 的，一些文献研究得到了满意的计算结果【4 一。但对于分析像调节级这样的短叶片，因其 模型假设与实际结构存在较大差别，使得计算结果误差较大，而且在处理叶片组的复杂 连接上也显得力不从心。 有研究认为，对几何形状复杂的叶型，因其受载荷而成为多轴应力状态，必须采用 三维实体单元来模化1 9 】随着计算设备、计算方法以及工程上对叶片设计要求的提高， 采用三维有限元方法对叶片进行计算分析已是发展趋势。国外有采用三维8 节点等参实体 单元模化叶片的例子，并且使用通用有限元分析软件a n s y s 对叶片的应力和振动特性进行 分析，计算了叶片的疲劳寿命。美国s t i ( s t r e s st e c h n o l o g yi n c o r p o r a t e d ) 在a n s y s 的基础上丌发的汽轮机叶片寿命分析软件b l a d e ( b l a d el i f ea l g o r i t h mf o rd e s i g n e v a l u a t i o n ) 采用了三维8 节点等参实体单元模化叶片。西安交通大学采用8 节点非协调单 元计算叶片的振动特性和应力也得到了令人满意的结果。 对于有裂纹的叶片，有人采用直梁和扭曲梁单元来模化叶片，在裂纹处引入铰链单 元，铰链单元的刚度通过计算和试验确定 1 0 l 。沈亚鹏采用四边形板壳单元来计算悬臂梁 板的振动特性，提出用有限元法计算裂缝板的振动特性时，不须考虑裂缝尖端的奇异性 而用奇异单元，可以用决裂缝代替裂纹，以常规板壳单元就可得到满意的结果f 】。 综上所述，在当前计算机学科的发展水平下，采用三维实体单元分析叶片强度是一 种有效的方法。 8 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 2 2 叶片疲劳寿命研究 汽轮机叶片在运行时不可避免地受到蒸汽的冲蚀、固体颗粒的磨蚀、水滴的水蚀、 环境介质的腐蚀和应力集中作用，长期运行中将会产生疲劳裂纹。汽轮机叶片的疲劳寿 命可分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。裂纹萌生寿命定义为：叶片中形成一个工程可 检尺寸( 约为l m o 的裂纹所需的循环周次，一般占叶片寿命的主要部分；裂纹扩展寿命是 指叶片中从形成一个工程可检尺寸的裂纹扩展到断裂所需的循环周次。通过对裂纹扩展 寿命的研究可以合理安排机组的检修周期。充分利用叶片的剩余寿命。工程经验表明， 当叶片产生疲劳裂纹时，其可使用寿命已经终结。有时在电厂大修时发现叶片上有裂纹， 但由于缺乏备用叶片，不得不采用焊接修复或对称锯短的方法处理，这样对运行的安全 性和经济性都造成了影响。1 9 9 6 年初，秦岭电厂2 0 0 椰机组末级6 8 0 r a m 叶片，由于水蚀在 距叶顶2 4 0 釉n 处发生断裂，造成非计划停机2 0 多天，由于缺乏备用叶片，采取对称锯短的 措施，使得机组出力下降。 目前国外已可利用有限元与断裂力学方法，对叶片寿命进行动态计算，向用户提供 发生裂纹的大致时间和裂纹增长率的预报资料：对己发现的叶片、围带上的裂纹，可以 利用叶片剩余寿命预测方法进行评估，采用焊接来修复叶片和围带上的裂纹，并判断它 是否能够维持到下一个大修期。s t i 在e p r i 的资助下，借助于通用的有限元分析软件 朴i s y s ，从1 9 8 1 年开始研究，经过1 0 余年的艰苦努力开发出了一套商品化的汽轮机叶片寿 命分析软件b l a d e 。据称在南m i h 爱迪生公司对失效叶片进行改型设计取得了比较好的效 果。国外还有一些运用有限元程序进行裂纹扩展和寿命预测的研究，都取得了很好的效 果。 调研我国在这方面的研究工作，西安热工研究院用改进的局部应力应变法进行过一 些叶片寿命计算；西安交通大学采用有限元与局部应力应变法计算了6 8 0 m 叶片的疲劳寿 命，后又通过带裂纹叶片的结构与应力特点的研究，提出了适合汽轮机叶片出汽边裂纹 的应力强度因子计算公式，并采用p a r i s 公式对疲劳裂纹扩展进行了分析。对其剩余寿命 进行了预测；北京航空航天大学应用损伤容限方法对汽轮机叶片的裂纹扩展进行了研究。 浙江大学力学系在上世纪后期也在这方面进行了有关的分析和寿命预测工作 9 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 2 3 提高叶片寿命的主要途径 提高叶片疲劳寿命可以从材料选择、优化设计、工艺改进和良好的运行维护规范等 方面入手。 ( - ) 合理选材叶片疲劳强度主要是由材料的成分及其内部组织状态所决定的，不 同的材质具有不同的固有疲劳强度。叶片毛坯是由棒材通过加热和外力变形而达到的， 如果毛坯本身带有裂纹、折迭、缩孔、夹渣、氧化皮、过烧或内有气孔、疏松等缺陷和 第二相质点的存在，都会降低材料的疲劳强度。因此，在选择叶片的材料时，应选用纯 度高、缺陷少、晶粒均匀适当的高疲劳强度材料，确保叶片的固有疲劳强度。 优化设计合理设计叶片的结构，尽量减少应力集中，在不降低工作效率的情 况下，达到工作叶片的等强度设计，从而提高叶片的疲劳寿命。 固改进工艺若叶片制作采用铸造方式，则在铸造过程中要注意以下工艺参数的 选取：( 1 ) 浇注温度：它的选取应以使型壳得到良好的填充和保证铸件获得最少的疏松 为原则；( 2 ) 型壳温度：要与浇注温度相配合；( 3 ) 冷却速度：对于高温的汽轮机叶片， 应选用较快的冷却速度，改善叶片的高温性能。在机械加工过程中，主要应从以下方面 改进；( 1 ) 提高叶片表面光洁度，尽量避免擦伤和划痕；( 2 ) 使叶片的加工方向与最大主 应力方向一致；( 3 ) 在叶片制造过程中，应避免在叶片表层产生有害的拉伸残余应力；( 4 ) 采用时效处理；( 5 ) 尽可能将叶片按设计流线型加工，确保叶片的表面呈流线型状态，减 少应力集中。当叶片制作加工好后，还可进行表面强化。目前汽轮机叶片常用的表面强 化措施主要有：化学处理、表面淬火、喷丸处理和滚压，这些工艺可提高叶片的表面强 度，减少叶片的表面损伤；一些机械强化方法能形成压缩残余应力表面层，具有叶片工 作拉应力的补偿功效，从而改善叶片的疲劳承载性能。 卿合理维护和使用在严格按照规程操作的条件下加强对叶片的检查和维护，尽 量减少叶片振动和避免出现叶片的共振，防止在叶片内部出现大的交变应力，防止叶片 因腐蚀及打伤而加速叶片的振动疲劳损坏，严禁频繁地启动和停机，尽量避免出现高频 的载荷波动，防止造成低周疲劳破坏和高低周复合疲劳破坏 本文的工作主要是研究2 c r l 2 m o v 叶片表面不同处理状态对其疲劳寿命的影响规 律，从而实现表面处理状态的评估，为先进工艺的确定或改进提供依据。另外为了使叶 片振动能够在比较真实的条件下试验，需要合理设计一试验台来模拟汽轮机叶片的振动， 这将会在后文中介绍。 l o 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 3 本文的主要工作 本文以汽轮机叶片2 c r l 2 m o v 三种表面处理状态材料的振动疲劳试验新方法开发为 背景，完成对叶片振动计数并自动停机控制系统的开发，并在专用试验机上测定了叶片 三种表面处理状态的疲劳寿命。实现叶片表面处理新工艺的评估。 论文期间完成的主要工作有： ( _ ) 研究了特殊环境工作下汽轮机叶片的强度和疲劳问题，参与设计制作了叶片振动 疲劳试验机 自主开发完成了叶片振动疲劳试验的自动控制系统。该系统能精确记录叶片试样 的疲劳寿命，具备自动断电停机和串口通信的功能，为该型试验机的自动化控制做出了 贡献。其中的工作又可分为： ( 1 ) 在以叶片振动疲劳试验机为主的试验环境下，分析比较多种叶片振动信号的提取 方法，选择用耐油性好、灵敏度高、安全可靠、安装相对简单的接近开关接收作为叶片 振动信号采集器件： ( 2 ) 在硬件上实现开关量信号的滤波和整形，采用a t m e g a g l 单片机作为完成对方 波信号的计数和当试样失效或振动次数超过振动疲劳循环基数时的停机控制功能的器 件： ( 4 ) 按需求在i c c a v r 集成环境下用c 语言编程，完成后植入芯片并结合其它电路 进行调试直到成功： ( 5 ) 为提高系统的控制能力和改善其操作性，在实现方法上对控制系统进行了一定的 扩展，为系统升级做好了准备。 o 用小子样升降法测定了汽轮机叶片三种处理状态的疲劳极限，为汽轮机叶片表面 处理新工艺评估提供了依据。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第二章疲劳和疲劳试验 2 1 金属疲劳基本概念 2 0 ! 1 疲劳破坏机理 材料在变应力或变应变作用下，某点或某些点产生了逐渐的永久结构变化，导致在 一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。工程中常用的金属均为多晶 体。由于各晶粒位向不同，和位错、夹杂等微观、宏观缺陷与第二相的存在，在多晶体 中存在着各向异性和非均质性。而疲劳破坏总是由应力应变最高和位向最不利的薄弱晶 粒或夹杂等缺陷处起始，并沿着一定的结晶面扩展。所以金属的疲劳破坏与多晶体的非 均质性与各向异性密切相关。一般来说，金属的疲劳破坏可以分为疲劳裂纹萌生、疲劳 裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。 疲劳裂纹经常在金属表面上萌生，其原因如下； ( 1 ) 在实际零件中，表面应力往往比内部高： ( 2 ) 内部晶粒的四周，完全为其它晶粒所包围，而表面晶粒所受的约束则较少，因而 比内部晶粒易于滑移； ( 3 ) 表面晶粒与大气或其它环境直接接触，存在有环境介质的腐蚀作用； ( 4 ) 表面往往留有加工痕迹或滑伤，使其疲劳强度降低。 ， 裂纹由表面萌生的证据很多，如： ( 1 ) 试样试验一段时闻后，切去一薄层时，寿命比原来提高； ( 2 ) 由经历拉压疲劳试验的试样的心部材料制成的小试样，其疲劳强度并不降低； ( 3 ) 试样表面经过强化处理以后疲劳强度提高，表面弱化以后疲劳强度降低。 2 0 ! 2 应力循环 按正弦曲线变化的等幅循环应力是最简单的交应力，它具有变应力最基本的特征。 循环应力下应力一时间函数的最小单元称为应力循环，一个应力循环所需的时间称为周 期。用t 表示，图2 1 为应力循环的示意图。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 交变应力。 图2 1应力循环示意图 在应力循环中具有最大代数值的应力称为最大厦力，以拉应力为正，压应力为负， 用a k 表示。在应力循环中具有最小代数值的应力称为最小应力，以拉应力为正，压应 力为负，用表示。 最大应力与最小应力的代数差的一半称为应力幅，用吒表示，即 吒= 垒产( 2 - - 1 ) 吒为应力的动载分量，是疲劳强度的决定因素。最大应力与最小应力的代数平均值称为 平均应力，以拉应力为正，压应力为负，用表示，即 2 纽 ( 2 _ 2 ) 吒为应力的静载分量，是影响疲劳强度的次要因素。 最小应力盯。与最大应力o s 的比值称为应力比r ，即 r = 纽( 2 - - 3 ) 吼。 r 表示应力循环的特性，即应力循环的不对称性 平均应力o - 等于零的循环称为对称循环，这时r = - - 1 。除对称循环以外的其它循环 都称为非对称循环，这时r 4 ：- - i 。非对称循环中最小应力d - 姗( 或最大应力o n ) 等于 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 零的循环称为脉动循环，这时r = o ( 或一一) 最大应力气。与最小应力o m 不为零、绝 对值也不相等的循环称为波动循环。 2 1 3 s - n 曲线 疲劳失效以前所经历的应力或应变循环数称为疲劳寿命，一般用n 表示。试样的疲 劳寿命取决于材料的力学性能和施加的应力水平。一般来说，材料的强度极限越高，外 加的应力水平越低，试样的疲劳寿命就越长：反之，疲劳寿命就越短。表示这种外加应 力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料s n 曲线( 图2 2 ) 。它的右段可以 分为两种型式：第一种型式( 图2 - 2 ( a ) ) 有一明显的水平区段，为结构钢和钛合金的典 型型式；第二种型式( 图2 2 ( b ) ) 没有水平区段，是有色金属和腐蚀疲劳的典型型式。 oo ( a )i m v( b )i 立 图2 - 2 材料s n 曲线 s n 曲线的测定方法可分为单点法与成组法f 1 2 1 单点法在每级应力水平下只试验一 根试样，成组法则在每级应力水平下都试验一组试样。单点法主要用来测定疲劳极限， 所测出的s n 曲线往往是不准确的。 2 1 4 疲劳极限 对于钢结构和钛合金等s n 曲线上有水平区段的材料，和此水平区段相应的最大应 力a o 称为材料疲劳极限，简称为疲劳极限。s - - n 曲线上的水平区段，意味着在与它相 应的应力水平下，试样可以承受很多次循环而永不破坏。一般认为，结构钢试样只要经 过1 0 7 次循环不破坏。则可以承受很多次循环而永不破坏。 在s - - n i 扭线上，非水平区段对应的最大应力盯一称为条件疲劳极限。对于腐蚀疲劳 和有色金属，其s n 曲线没有水平区段，因此不存在真正的疲劳极限但是，在1 0 7 1 0 。 1 4 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 次循环以后，其s n 曲线渐趋平坦，因此一般以1 0 或1 0 8 次循环失效时的最大应力a | 眦作 为条件疲劳极限，这时的失效循环数称为循环基数。 测定疲劳极限可以使用常规法、升降法或步进法升降法又可分为小子样升降法0 3 , 1 4 1 和大子样升降法，其中小子样升降法将会在2 3 节做进一步介绍 2 2 影响疲劳强度的因素 材料的s n 曲线和疲劳极限，只能代表标准光滑试样的疲劳性能。而实际零件的尺寸、 形状和表面情况等都是各式各样的，和标准试样有很大差别，因此其疲劳强度和寿命也 与标准试样有很大差别。影响机器零件疲劳强度的因素很多，其中主要的有：形状，尺 寸。表面状况，平均应力，复合应力，腐蚀介质，温度等。下面讲述形状、尺寸、表面 加工方法、平均应力、载荷频率、应力波形和停歇等常规因素对零件疲劳强度的影响。 2 2 1 形状因数 在实际机器零件中，由于结构上的要求，一般都存在有截面交化、拐角和孔等。在 这些形状、尺寸变化处，不可避免地要产生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部 应力提高。当零件承受静载荷时，由于常用的结构材料都有一定的塑性，在破坏以前有 一个宏观塑性变形过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化。因此，应力集中 对于零件的静强度一般并没有多大影响。而疲劳破坏的情况则完全不同，这时，截面上 的名义应力尚未达到材料的屈服极限，因此破坏以前不产生明显的宏观塑性变形，没有 像静载破坏前那样的载荷重新分配过程。这样便使得应力集中处的疲劳强度比光滑部分 为低，常常成为零件的薄弱环节。因此，在疲劳设计时必须考虑应力集中效应。 2 2 2 尺寸效应 试样和零件的尺寸对其疲劳强度影响很大。一般来说，零件与试样的尺寸增大时疲 劳强度降低。这种疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象称为尺寸效应。尺寸效应的大 小用尺寸系数s 来表征占的定义为：当应力集中与终加工方法相同时，尺寸为d 的试 样或零件的疲劳极限t 。d 与几何相似的标准尺寸试样的疲劳极限疋。之比，即： 浙扛大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 占：纽 a - - l ( 2 6 ) 对于中低强度钢，标准尺寸试样的直径磊常取为9 5 姗；对于高强度钢，d o g 取为7 5 或 引起尺寸效应的因素很多，归纳起来，可以分为两大类：( 1 ) 工艺因素；( 2 ) 比例因 素。由于冶炼、锻造、热处理与机械将工过程引起的尺寸效应属于工艺因素。当大小零 件的坯料大小和制造工艺相同，亦即材质情况相同时，其疲劳强度也不相同。这种排除 了材质差别的尺寸效应称为绝对尺寸效应或比例因素。 2 2 3 表面状况 研究表明，各种钢的疲劳性质受表面缺陷的影响不同，不能简单地把表面粗糙度看 作应力集中来解释加工表面疲劳强度的降低。除了几何因素外，金属切削还使得制件表 面的性质有重大改变。金属切削加工不仅是一个使制件得到一定尺寸和形状的过程，而 且和热处理一样，对于制件表面层的性质也有重要影响。制件的疲劳强度多由表面层的 性质决定，因此，切削用量、切削工具的几何形状等与切削加工有关的因素，显然都应 该对疲劳强度发生影响。 2 2 4 平均应力 决定机器零件疲劳强度的主要应力参数是应力幅，平均应力对于疲劳强度的影响是 第二位的，但其影响也不容忽视。一般说来，拉伸平均应力使极限应力幅减少，压缩平 均应力使极限应力幅增大平均应力对正应力的影响比对切应力的影响大。平均应力对 疲劳强度的影响一般用疲劳极限图来表示，在疲劳设计中常常使用平均应力影响系数将 平均应力折算为等效的应力幅。常用的疲劳极限图有三种：s m i t h ( 史密斯) 图，h a i g h ( 海夫) 图和等寿命图。 2 2 5 载荷持续情况 ( 1 ) 加载频率的影响总结现有的试验数据，可以把加载频率分为如下三种范围： 正常频率( 5 3 0 0 h z ) ；低频( o 1 5 h z ) ；高频( 3 0 0 1 0 0 0 0 h z ) 可以认为， 在大气条件下，当试验温度低于5 0 时，频率在正常范围内变化，对于大多数金属( 易 1 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 熔合金及其它低熔点金属除外) 的疲劳极限没有影响。而低频使疲劳极限降低，高频使 疲劳极限升高。 ( 2 ) 应力波形的影响应力循环的波形( 正弦波、三角波、梯形、矩形等) 确定了 在最大应力下的停留时间。在高温和腐蚀介质条件下循环波形有较大影响。滞后回线与 循环波形密切相关，因此在高应力变幅下循环波形对裂纹形成寿命有较大影响，而对裂 纹扩展寿命影响很小在焊接试样试验时，由三角波变为方波时使寿命明显降低。 ( 3 ) 中间停歇的影响中间停歇对疲劳极限没有明显影响，当对疲劳寿命有一定影 响，其影响随材料而异。 2 3 疲劳试验方法 在疲劳试验 1 5 】中用的较多的是常规试验法，但由于疲劳性能的分散性，用常规法试 验求出的疲劳极限值是很不精确的，要想得到精确的疲劳极限，必须使用升降法。国外 提出的大子样升降法需要使用较多的试样，试样数一般不得少于3 0 根。为了减少试样数， 高镇同教授在“配对”的理论基础上，提出了可以节约试样数目的小子样升降法。下面 详细介绍之。 试验前先用常规法或估算法算出粗略的疲劳极限值，然后根据估算出的疲劳极限值 确定出应力级差。试验时先在略高于疲劳极限估算值的应力下开始试验。若第一根试样 在达到试验基数以前破坏，则下一根试样的试验应力降低一个级差；若第一根试样在达 到试验基数时未破坏( 称为越出) ，则下一根试样的试验应力增加一个级差。以后的试 样，也都按与此相同的方法继续进行试验。图2 3 为这种方法进行试验得出的一个典型的 升降图。图中“”表示破坏，“o ”表示越出。 在处理试验结果时， “ 图2 - 3 升降图示例 在出现第一对相反结果以前的数据均应舍弃，这些试样为无效 1 7 1 5 吒 巳 吼 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 试样。如图2 - 3 的点3 和4 是出现的第一对相反结，因此数据点i 和2 均应舍弃而第一次 出现的相反结果点3 和4 的应力平均值( c r 2 + 吧) 2 就是一个常规法疲劳极限值。同样， 第二次出现的相反结果点5 和6 的应力平均值，和以后出现的相邻相反数据点的平均值也 都相当于常规法疲劳极限值。将这些用“配对法”得出的疲劳极限数据作为疲劳极限的 数据点进行统计处理，即可得出疲劳极限的平均值和标准差。这时的平均值t 。和标准差 s 。的计算公式为： 以一= 套盯，= 吉凳y ，仃，( 2 - - 4 ) 2 ( 2 5 ) 式中k 配成的对子数5 n 有效试样数； 1 应力水平数； 仉用配对法得出的第i 对疲劳极限值5 盯，第j 级应力水平的应力值； i ，第j 级应力水平上的试样个数，不论试样断否均包括在内。 当最后一个数据点的下一根试样恰好回到第一个有效数据点时，则有效数据点恰能互相 配成对子。因此，用小子样升降法进行试验时，一般试验到最后一个数据点和第一个有 效数据点恰好衔接，这样才能保证式( 2 4 ) 后面的等式成立。 当试验第8 根试样时，其试验应力与无效数据点2 相同，这时由于无效数据点2 尚未利 用，可以把这个数据点移过来作为第一个数据点，而不再此应力水平重新试验另一根新 试样，其它未利用过的无效数据点也都可以按照这种方法加以利用。但每个数据点只能 利用一次且只能在需要在该应力水平下试验时才能加以利用。 试验时的应力增量最好应选择使试验在4 级应力水平下进行用光滑试样进行对称弯 曲疲劳试验时，应力级差盯可取为( 4 6 ) 疋有应力集中时试样的级差应适当减小。 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 第三章振动疲劳试验技术和专机研制 3 1 振动疲劳试验机设计 本试验系统作为测试汽轮机叶片三种处理状态疲劳振动的工具，从整体上可以分为 两部分，一是模拟系统，目的是创造一个动态环境，为研究叶片振动及测试提供基础条 件，包括驱动装置、激振装置、试验台基础等；二是测试系统，目的是采用合理的测试 方法对叶片振动特性进行检测。本节主要讲解第一部分模拟系统的设计。 模拟装置设计的合理与否，直接关系到整个系统的安全可靠性及能否提供良好的研 究测试条件。因此设备的选型，结构的设计是非常重要的问题。模拟系统从设计方面可 以分成两部分，一部分是动力装置、激振装置的选择和设计；另一部分是试验台基础设 计在设计过程中一方面要考虑满足试验要求，另一方面还要考虑设计部分便于加工、 制造。 ( 一) 动力装置的选择作为本试验系统的驱动装置，电动机需要满足的条件有：( 1 ) 能够完全负载偏心轮转动所产生的阻力距；( 2 ) 能够平稳启动和加速；( 3 ) 运转平稳，正 常运转时产生的振动噪声较小。经过比较计算，选择了台州泽国鸿鑫电机厂的y l 9 0 s 一2 型 单相电容启动电机，其各项性能指标如下：额定转速：2 8 0 0 转分：额定功率；1 5 k w ； 额定电压：2 2 0 y ；额定电流：9 4 4 a ，5 0 h z 。 o 叶片激振的实现 在本试验系统中叶片的振动由偏心轮再通过一个滑柱激发， 具体连接及传动原理可参看图3 1 。偏心距可以通过偏心轮上的两个螺丝精密调节。 凹试验台基础设计试验台基础作为旋转式机械的基础，它必须满足以下三个方 面的要求【1 6 】： ( 1 ) 必须有良好的动力特性 良好的动态特性指基础在机器运转时振动能量较小， 但是目前还不具备以振动能量作为鉴定标准的条件，我国的动力机器基础设计规范 ( 简称动规) 充分考虑了机器与基础相互影响的研究结果，为设计出动力性能较好 的基础而提出：以基础的振幅作为基础动力特性好坏的标志。 ( 2 ) 须有足够的刚度足够的刚度是指保证机器的轴线不至于弯曲，同时基础的相 对变形限定在某一数据内。动规规定，基础的极限垂直、水平变形对于3 0 0 0 转分的 机器为2 5 4 r a m 。而本试验系统所用的电机转速为2 8 0 0 转分，则其变形不应超过2 5 4 r a m 。 ( 3 ) 必须有足够的强度基础应能承受各种可能出现的载荷，特别是要考虑机器在 1 9 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 事故状态出现“不平和极限”时对基础产生的动力载荷 在试验台基础设计中，目前有两种方法较为通用，一是振幅法，二是共振法。 ( i ) 振幅法振幅法【i 刀特点是认为基础的振幅是决定其动力性能的主要特征，因而 以限制基础的振幅在一定的许可值之内作为基础设计的准则。振幅法首先要求出机器的 扰动力，然后选择合理的计算简图，计算基础强迫振动的振幅、使其小于规定的允许振 幅。基础自振频率小于工作速度时，在机器开、停机过程中，将因所谓“瞬时共振”而 使机器产生最大振幅，通过确定此振幅来确定基础振幅是否合格。 ( 2 ) 共振法共振法的基本特点是要使基础的自振频率避歼机器的扰力频率，以免 发生共振；共振法认为避歼共振是对动力机械设计的基本要求。我国动规中规定， 基础的自振频率至少应与机器的工作转速避歼2 0 ，并明确指出基础的自振频率包括高 阶频率。 振幅法与共振法相比各有特点，振幅法从形式上来看比较复杂，而且要确定机器的 扰动力、基础的阻尼和允许振幅的标准等比较困难的问题：而共振法则比较简单，但是 在进行设计时必须将频率计算的准确。 一二渺i ：_ n，l 隰1 弋 夹持座。 图3 - 1 振动疲劳试验机简图 开关感 图3 - 1 为振动疲劳试验机简图。偏心轮的转动能量由驱动电机提供，而通过调节转轮 的上下螺栓可以改变转轴在轮面上的位置，从而实现转轮的偏心运动，其调节范围为 o - l o r e ( 调节精度可达到o o l m m ) 偏心轮轮轴的调节可以间接控制着叶片向下振动的 振幅，也就是说叶片受力点向下振动的振幅最大也可以l o n u n 偏心轮和叶片之间用一个 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 垂直导向的滑柱a 连接。滑柱的使用将偏心轮的圆周运动转变成了叶片的上下振动，同时 避免了偏心轮和叶片之间的直接摩擦损耗。最后可以通过夹持座b 的升降来调节等强度悬 臂梁的纵向弯曲应力，应力调节范围为：o - 1 2 0 0 m p a 。区域c 为接近开关感应点，接近开 关安装在区域c 的正下方。当叶片向下振动达到其最大幅度时，接近开关接收感应。开关 闭合输出高电平：当叶片不在接近开关感应区域时，开关断开输出低电平。图3 2 列出了 几张疲劳振动试验机的实物图。 a 前视图 c 俯视图 b 后视图 图3 - 2 振动疲劳试验机实物图 d 侧视图 2 1 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 3 2 关键技术和应力幅标定 在图3 - 2 所示的试验机上，经过多次修改设计主要采用了下列技