非接觸測(cè)量技術(shù)在葉根應(yīng)力測(cè)試中的應(yīng)用

黃小波，王敬

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

非接觸測(cè)量技術(shù)在葉根應(yīng)力測(cè)試中的應(yīng)用

黃小波，王敬

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

由于葉根形狀和應(yīng)力分布的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)難以滿足葉根應(yīng)力測(cè)試的要求。文章介紹了非接觸式測(cè)量技術(shù)包括電子散斑和應(yīng)變?nèi)珗?chǎng)掃描技術(shù)的試驗(yàn)方法，并測(cè)量了某樅樹(shù)型葉根在給定載荷下的應(yīng)力分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，非接觸式測(cè)量技術(shù)能很好地滿足葉根應(yīng)力測(cè)試的要求。

非接觸，電子散斑，全場(chǎng)掃描，應(yīng)力測(cè)試

0　引言

葉片根部是連接動(dòng)葉片和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，在汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，承受很大的離心力。為了保證機(jī)組的安全性，需重點(diǎn)考慮葉根處的應(yīng)力場(chǎng)。樅樹(shù)型葉根因其較大的承載力而在大功率汽輪機(jī)中廣泛應(yīng)用，但由于樅樹(shù)型葉根型線復(fù)雜，圓角過(guò)渡和接觸面較多，其應(yīng)力分布情況較復(fù)雜，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法諸如應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)難以達(dá)到要求，而非接觸式的測(cè)量方法由于其強(qiáng)大的應(yīng)變掃描能力，能很好地用于葉根試件的應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試。本文采用非接觸式的電子散斑干涉技術(shù)和應(yīng)變?nèi)珗?chǎng)掃描技術(shù)相結(jié)合的方法，全面測(cè)試了某樅樹(shù)型葉根的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，并與傳統(tǒng)的應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

1　試驗(yàn)方法介紹

樅樹(shù)型葉根應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試時(shí)需要重點(diǎn)考慮的區(qū)域包括頸截面和葉根齒的應(yīng)力分布［1］。葉片工作時(shí)承受的離心力通過(guò)中間體均勻化后直接作用于葉根各頸截面，其主要承受單向拉伸應(yīng)力，應(yīng)力曲線較為平滑，可以采用傳統(tǒng)電測(cè)技術(shù)，通過(guò)粘貼多個(gè)單向應(yīng)變片來(lái)測(cè)試，從而推算應(yīng)力場(chǎng)分布。而葉根齒由于其尺寸較小，對(duì)應(yīng)變片要求較高，受到應(yīng)變片大小和粘貼位置的限制，而且過(guò)渡圓弧較多，應(yīng)力集中明顯，接觸狀態(tài)復(fù)雜，難于判斷主應(yīng)力方向，傳統(tǒng)接觸式測(cè)量較難實(shí)現(xiàn)，采用非接觸式測(cè)量方法則能全面地測(cè)量分析葉根試件的應(yīng)力場(chǎng)，主要包括電子散斑干涉技術(shù)和應(yīng)變?nèi)珗?chǎng)掃描技術(shù)。

電子散斑干涉技術(shù)［2］是由散斑探頭發(fā)射四束激光照射待測(cè)表面，運(yùn)用光的干涉和相位變化，依次采用攝像頭記錄下物體變形前后的散斑圖，并通過(guò)實(shí)時(shí)相位處理，得到測(cè)試部件的應(yīng)力場(chǎng)，該技術(shù)測(cè)試精度高，主要用于非接觸式和全場(chǎng)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，但掃描區(qū)域較小。對(duì)于樅樹(shù)型葉根的測(cè)試，電子散斑技術(shù)能精確測(cè)量各個(gè)齒處的應(yīng)力場(chǎng)，由于其掃描區(qū)域的限制，每個(gè)齒只能單獨(dú)測(cè)量。

非接觸式應(yīng)變?nèi)珗?chǎng)掃描技術(shù) （DIC）［3］通過(guò)2個(gè)攝像頭等時(shí)間間隔地采集和保存試件變形過(guò)程中的數(shù)字圖像信息，再利用圖像分析軟件像素化圖像中位于試件表面測(cè)量區(qū)域內(nèi)的特征點(diǎn)并定位，通過(guò)追蹤計(jì)算這些特征點(diǎn)在加載過(guò)程中的位置變化，進(jìn)一步計(jì)算出所有特征點(diǎn)在加載過(guò)程中的位置變化和所代表試件表面測(cè)量點(diǎn)的變形量，從而得到測(cè)試系統(tǒng)的三維應(yīng)變場(chǎng)，該技術(shù)能獲得全場(chǎng)的三維型面、位移和應(yīng)變結(jié)果，掃描范圍大，能一次測(cè)量葉根的全場(chǎng)應(yīng)力分布，但精度較低，僅為50 με。

2　測(cè)試系統(tǒng)

應(yīng)變測(cè)試加載裝置采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)的最大載荷為400 kN，其誤差為示值的±0.5%，上下夾頭約束面積為100 mm×100 mm。

電子散斑技術(shù)采用Q-100型電子散斑測(cè)試與分析系統(tǒng)，其光學(xué)探頭有效面積為 35 mm×25 mm，測(cè)量精度為5～20 με，如圖1（a）所示；非接觸式應(yīng)變?nèi)珗?chǎng)掃描技術(shù)采用GOM公司的ARAMIS光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行，其相機(jī)分辨率為1 624×1 236，掃描面積從平方毫米到平方米級(jí)，測(cè)量精度為50 με，如圖1（b）所示。

圖1　應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)圖

3　測(cè)試過(guò)程

本次試驗(yàn)首先采用傳統(tǒng)的應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)測(cè)試了葉根各頸截面的應(yīng)力分布，然后采用電子散斑干涉技術(shù)分別測(cè)試各圓角的應(yīng)力分布，最后采用應(yīng)變?nèi)珗?chǎng)掃描技術(shù)測(cè)試了整個(gè)葉根區(qū)域的應(yīng)力分布。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）安裝葉根試件于拉力機(jī)上，調(diào)整好加載裝置；

（2）試件加載至50 kN，然后卸載至0 kN，消除剛體位移并盡量保證加載對(duì)稱；

（3）利用傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)測(cè)試各頸截面在給定載荷下的應(yīng)力分布；

（4）電子散斑測(cè)試，先用白色涂料噴涂待測(cè)表面，保證試件表面的反射性，將探頭中心對(duì)準(zhǔn)測(cè)試區(qū)域并固定，記錄初始圖像而后進(jìn)行加載，按照一定的加載速度加載，同時(shí)采集干涉條紋；

（5）全場(chǎng)掃描測(cè)試，先用黑、白兩種顏色的微小散點(diǎn)處理掃描表面，并用模板進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，隨后采用合適的速度進(jìn)行加載，并用圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行同步圖像采樣；

（6）數(shù)據(jù)處理，得到應(yīng)力場(chǎng)分布。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為頸截面測(cè)試結(jié)果，其中圖2（a）為電子散斑測(cè)試結(jié)果，因電子散斑掃描范圍較小且頸截面中部應(yīng)力較小，安全性高，所以在電子散斑測(cè)試時(shí)未測(cè)量頸截面中部；圖2（b）為全場(chǎng)掃描得到的全場(chǎng)應(yīng)變分布；圖2（c）為傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果。電子散斑測(cè)試結(jié)果表明葉根各頸截面中第一頸截面靠近圓角處應(yīng)力最大，為597 MPa，且電子散斑和傳統(tǒng)電測(cè)測(cè)試結(jié)果較吻合；從全場(chǎng)掃描測(cè)試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，頸截面處應(yīng)力遠(yuǎn)小于各工作齒上的擠壓面處應(yīng)力，說(shuō)明葉根上的薄弱環(huán)節(jié)為葉根齒，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其應(yīng)力分布。

圖2頸截面測(cè)試結(jié)果

圖3（a）為電子散斑測(cè)試得到的承受最大擠壓應(yīng)力的葉根齒應(yīng)力分布，所有葉根齒中第一對(duì)齒應(yīng)力最大，最大值達(dá)到776 MPa，遠(yuǎn)高于頸截面各處拉應(yīng)力，驗(yàn)證了全場(chǎng)掃描測(cè)試的正確性。圖3（b）為全場(chǎng)掃描技術(shù)得到的各葉根齒處擠壓面應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算得到最大應(yīng)力約為630 MPa，位于第一對(duì)齒的2個(gè)工作面。

圖3　葉根齒測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)論

本文以某樅樹(shù)型葉根試件為例，采用電子散斑和全場(chǎng)應(yīng)變掃描技術(shù)2種非接觸式應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，全面地分析了葉根試件在離心力載荷作用下各頸截面和接觸齒處的應(yīng)力分布，并與傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果正確，表明這2種非接觸式應(yīng)變測(cè)試技術(shù)能較好地應(yīng)用于復(fù)雜的葉根應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)中。

［1］中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)：第二卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

［2］翟棟，何斌.基于電子散斑干涉的樅樹(shù)型葉根應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試技術(shù)［J］.東方汽輪機(jī)，2013，（2）：6-10

［3］王磊，謝里陽(yáng)，張丹，李兵.基于ARAMIS的攪拌摩擦焊焊接件拉伸試驗(yàn)分析 ［J］.焊接技術(shù)試驗(yàn)與研究，2008，（6），15-17

Application of Non-contact Measurement Technology in Blade Root Stress Test

Huang Xiaobo，Wang jing

（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Traditional strain gauge test technology is difficult to meet the requirement of blade root stress test as the complexity of the structure and stress distribution.The non-contact measurement technology including the electronic speckle and the strain whole-filed scanning technique is presented in this paper.And with these technologies，the stress distribution of a fir-tree root under given load is measured.The result shows that the non-contact measurement technology can be good to meet the requirement of blade root stress test.

non-contact，electronic speckle，whole-filed scanning，stress test

TH3

B

1674-9987（2015）02-0053-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.011

黃小波 （1979-），男，工程學(xué)士，2004年7月畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在東方汽輪機(jī)有限公司從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化工作。