雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸材料疲勞性能試驗及數(shù)據(jù)分析

吳 冰，王建良

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001； 2.中國中車株洲電機(jī)有限公司，株洲 412001)

0 引 言

雙饋風(fēng)電機(jī)組整機(jī)進(jìn)行低電壓穿越時，電網(wǎng)電壓的突變以及此時變流控制策略的突然變化，將可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸等部件的機(jī)械壽命和整機(jī)電氣壽命縮短甚至損壞[1]。根據(jù)《雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低壓穿越技術(shù)研究報告》[2]，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸承受的轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生兩相、三相突然短路時，轉(zhuǎn)子線圈會產(chǎn)生約10倍額定電流的沖擊電流，從而產(chǎn)生很大的安培電磁力施加到轉(zhuǎn)子槽楔上。

因此，在雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行低電壓穿越時有必要對發(fā)電機(jī)本體的強(qiáng)度影響進(jìn)行研究。本文以FYKS02水冷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為原型，通過轉(zhuǎn)軸材料疲勞性能試驗，確定轉(zhuǎn)軸材料的疲勞強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行有限元建模，分析各個零部件的受力情況，校核及驗證零部件能否滿足發(fā)電機(jī)低電壓穿越的要求。由于篇幅有限，本文只對轉(zhuǎn)軸材料疲勞性能試驗進(jìn)行詳細(xì)介紹，其中包括試驗的設(shè)計思路、試驗數(shù)據(jù)及試驗數(shù)據(jù)分析。

1 試驗總體思路

為了研究驗證FYKS02雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的可靠性，對轉(zhuǎn)軸材料34CrNiMo6進(jìn)行了疲勞性能試驗。

依據(jù)GB/T 4337—2008《金屬材料疲勞試驗旋轉(zhuǎn)彎曲方法》[3]，從轉(zhuǎn)軸上截取毛坯試樣并加工成光環(huán)圓柱型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣，采用四點旋轉(zhuǎn)彎曲旋轉(zhuǎn)疲勞試驗機(jī)，測試轉(zhuǎn)軸材料的疲勞性能。通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出轉(zhuǎn)軸材料的S-N曲線。

2 測試過程

依據(jù)國標(biāo)GB/T 4337—2008，制作加工圓柱光滑試樣，如圖1所示，通過夾具組裝成梁，通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(jī)帶動其旋轉(zhuǎn)，同時該試樣將承受四點彎矩載荷，彎矩載荷的作用位置如圖2所示，要求彎矩載荷的大小和方向保持不變。在試樣失效或達(dá)到預(yù)定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)時，中止試驗。

圖1 疲勞試驗所用的光滑圓柱試樣

圖2 圓柱形試樣四點加力圖示

本試驗首先通過單點法測得S-N曲線，求得近似疲勞極限；將該極限作為中間值，通過試驗獲取應(yīng)力級差；再采用小子樣升降法[4]測出準(zhǔn)確的疲勞極限值。

本試驗采用PQQ-60型純彎曲旋轉(zhuǎn)疲勞試驗機(jī)進(jìn)行試驗。

單點法試驗結(jié)果如表1所示。

表1 單點法試驗數(shù)據(jù)

由表1可得，材料粗略的疲勞極限值σ-1=402.3 MPa，取應(yīng)力級差Δσ=(4%～6%)σ-1=(16.092～24.138) MPa，得到各級應(yīng)力值σ-1±Δσ，σ-1±2Δσ[5]。但由于試驗中這些計算出的應(yīng)力值可能無法通過砝碼來保證，故根據(jù)疲勞試驗裝置的實際情況對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，如表2所示。

表2 調(diào)整后的可用于升降法的應(yīng)力級

根據(jù)表2中砝碼重量進(jìn)行小子樣升降法試驗的結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù)，以試樣的應(yīng)力為縱坐標(biāo)、循環(huán)次數(shù)的對數(shù)為橫坐標(biāo)，繪制S-N曲線，如圖3所示。根據(jù)表3的試驗數(shù)據(jù)，繪制的S-N曲線如圖4所示。

表3 升降法試驗數(shù)據(jù)

圖3 單點法繪制S-N曲線

圖4 升降法試驗結(jié)果圖

將升降法所得的數(shù)據(jù)點加入到單點法繪制出的S-N曲線圖中，可以得到圖5。

圖5 所有試樣的應(yīng)力壽命對應(yīng)圖

圖5中，X坐標(biāo)為107時對應(yīng)直線上的點即為材料的疲勞極限，由Origin擬合數(shù)據(jù)，該點應(yīng)力值為402.3 MPa。

3 結(jié) 語

以FYKS02水冷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸材料34CrNiMo6為研究對象，將其加工制作成標(biāo)準(zhǔn)的光滑圓柱試樣，借助四點旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(jī)，測試了該材料的S-N曲線和疲勞極限。由單點法得出了34CrNiMo6材料的S-N曲線，進(jìn)一步的升降法試驗表明，該材料的疲勞極限為402.3 MPa。

該試驗結(jié)論將為下一步對FYKS02水冷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元建模，對各個零部件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析提供試驗依據(jù)，進(jìn)而校核及驗證FYKS02水冷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)各零部件能否滿足發(fā)電機(jī)低電壓穿越的機(jī)械強(qiáng)度要求。