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        聯(lián)軸螺栓伸長量和預(yù)緊力計(jì)算方法改進(jìn)優(yōu)化

        2018-09-28 05:26:08劉思靚張續(xù)鐘馬建峰
        西北水電 2018年4期
        關(guān)鍵詞:有限元設(shè)計(jì)

        劉思靚,張續(xù)鐘,陳 璨,馬建峰

        (浙江富春江水電設(shè)備有限公司,杭州 310013)

        0 前 言

        聯(lián)軸螺栓主要用于連接水輪機(jī)主軸與發(fā)電機(jī)主軸,以及水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪,是水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組關(guān)鍵螺栓之一。隨著水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展壯大,設(shè)計(jì)的機(jī)組的容量和尺寸已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往業(yè)績,聯(lián)軸螺栓的尺寸也隨之變大,受力情況也愈加惡劣,國內(nèi)外水輪發(fā)電機(jī)組聯(lián)軸螺栓斷裂事故頻發(fā)。

        例如:2005年月12月,雙嶺水電站1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪與大軸聯(lián)接的18只聯(lián)軸螺栓M80×4斷裂14個(gè)。經(jīng)初步檢查,18只聯(lián)軸螺栓12只已掉下,2只已斷裂但未掉下,上部3只,下部1只還聯(lián)接在軸法蘭上。螺栓斷裂位置不一,已發(fā)現(xiàn)7只螺栓斷成3截,還有部分螺母破碎。詳見圖1所示現(xiàn)場照片。

        鑒于螺栓事故頻發(fā),在聯(lián)軸螺栓的設(shè)計(jì)上,迫切需要結(jié)合VDI2230標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)行的聯(lián)軸螺栓伸長量和預(yù)緊力計(jì)算方法,考慮更多的設(shè)計(jì)要素,達(dá)到更精確的計(jì)算精度,在運(yùn)行條件復(fù)雜和設(shè)計(jì)容量較大的機(jī)組上,聯(lián)軸螺栓有足夠的預(yù)緊力和足夠的安全設(shè)計(jì)余量。

        圖1 雙嶺電站斷裂螺栓圖

        1 以往簡易設(shè)計(jì)計(jì)算方法

        圖2電機(jī)側(cè)聯(lián)軸螺栓示意圖

        以往簡易聯(lián)軸螺栓設(shè)計(jì)主要參考常規(guī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn):計(jì)算出在安裝所需的預(yù)緊量下螺栓本身的應(yīng)力,再根據(jù)簡單的胡克定律,得出螺栓伸長量[1-3]。

        以某混流式機(jī)組為例,簡述現(xiàn)行設(shè)計(jì)計(jì)算方法。該機(jī)組發(fā)電機(jī)側(cè)聯(lián)軸共有12個(gè)M72×4的螺栓,安裝時(shí)螺栓伸長量計(jì)算如下。聯(lián)軸螺栓示意圖見圖2。

        螺栓材料屈服強(qiáng)度:σs=490 MPa

        螺栓材料彈性模量:E=206 000 MPa

        螺栓公稱直徑:d=72 mm

        螺栓小徑:d1=67.67 mm

        螺紋中徑:d2=69.4 mm

        螺栓螺距:P=4 mm

        螺栓光桿直徑:de=67 mm

        光桿配合段直徑:do=75 mm

        螺紋段長度:Ls1+Ls2=105 mm

        螺栓光桿段長度:L1+L3=130 mm

        光桿配合段長度:L2=80 mm

        螺母外徑:D1=118 mm

        螺栓孔徑:d=75 mm

        螺栓有效面積:As=3 656.2 mm2

        螺栓光桿段面積:Ae=3 525.65 mm2

        光桿配合段面積:Ao=4 417.86 mm2

        螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)緊:P0=1 100 kN

        螺栓剛度:Ks=E/[(L1+L3)/Ae+L2/Ao+(Ls1+

        Ls2)/As]=2.5×109N/m

        螺栓伸長值: ΔL=P0/Ks=0.44 mm

        2 用VDI標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓計(jì)算方法的改進(jìn)

        以往所用的聯(lián)軸螺栓設(shè)計(jì)方法對(duì)螺栓螺紋、螺母螺紋的變形計(jì)算過于簡化,對(duì)夾緊體的變形因素的描述不夠詳細(xì)。因此,本文以VDI2230(2003版)增補(bǔ)現(xiàn)有的螺栓伸長量計(jì)算方法。改進(jìn)后計(jì)算方法考慮螺栓剛度和夾緊體剛度的相互影響[4-5]。

        其中螺栓剛度,按有效擰入螺紋、未擰入螺紋和光桿段等分段考慮,如圖3所示。

        圖3 螺栓分段計(jì)算剛度示意圖

        夾緊體剛度的計(jì)算如下:

        若嚴(yán)格按照VDI的要求計(jì)算夾緊體剛度,需要將夾緊體等效成圓錐體和圓形套筒[4],計(jì)算等效十分復(fù)雜。因此,將夾緊體簡化為圓形套筒,該簡化簡單準(zhǔn)確,可以確保其剛度與未簡化前完全一致。如圖4,左邊是未簡化的夾緊體等效模型,右邊為簡化為圓形套筒的夾緊體。

        圖4 夾緊體剛度等效示意圖

        簡化后的圓形套筒的截面積計(jì)算:

        得出等效截面積后,便計(jì)算夾緊體的剛度。

        使用改進(jìn)后的方法重新計(jì)算相同機(jī)組聯(lián)軸螺栓的伸長量。

        (1) 首先計(jì)算螺栓剛度,螺栓分段計(jì)算其剛度如表1所示。

        表1 螺栓剛度計(jì)算表

        (2) 根據(jù)上述等效圓形套筒的方式計(jì)算夾緊體剛度,得到夾緊體剛度為:

        Kp=8×106N/mm

        (2)

        (3) 根據(jù)螺栓和夾緊體等效剛度計(jì)算載荷因子:

        Φ=nΦk

        (3)

        式中:n為載荷引入因子,該值與連接類型、載荷形式和夾緊體高度有關(guān);Φk為螺栓剛度在整體連接剛度中的比值。

        (4) 在夾緊體剛度影響下的螺栓預(yù)緊泄壓前和泄壓后的伸長量計(jì)算。

        泄壓前:

        泄壓后:

        3 理論計(jì)算與實(shí)測對(duì)比

        2016年12月對(duì)上述機(jī)組開展水輪、發(fā)電機(jī)軸聯(lián)軸工作,并對(duì)水輪、發(fā)電軸聯(lián)軸螺栓進(jìn)行液壓拉伸工作[6-7]。拉伸實(shí)測記錄整理得到表2。

        表2 螺栓聯(lián)軸時(shí)拉伸實(shí)測值

        從表2可知,聯(lián)軸螺栓泄壓前伸長量平均為0.614 mm,采用改進(jìn)后的計(jì)算方法得到0.615 4 mm,僅相差0.001 4 mm,誤差為0.23%。

        聯(lián)軸螺栓泄壓后伸長量平均為0.378 mm,采用改進(jìn)后的計(jì)算方法得到0.404 mm,相差0.026 mm,誤差為6.4%。

        采用改進(jìn)的螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算方法,螺栓伸長量現(xiàn)場實(shí)測的吻合度較高。

        4 有限元計(jì)算驗(yàn)證

        對(duì)該機(jī)組聯(lián)軸螺栓泄壓后進(jìn)行有限元驗(yàn)證。建立聯(lián)軸法蘭和螺栓的全實(shí)體模型[8-9],并根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,選取包含一個(gè)完整螺栓的計(jì)算模型,如圖5所示。計(jì)算時(shí),螺栓上施加預(yù)緊力1 100 kN。

        經(jīng)過計(jì)算,得到聯(lián)軸螺栓變形量約為0.36 mm。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

        圖5 聯(lián)軸法蘭螺栓把合計(jì)算模型圖

        圖6 聯(lián)軸螺栓變形量有限元計(jì)算結(jié)果圖

        5 結(jié) 語

        通過上述分析對(duì)比,可知:用VDI標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)后的螺栓計(jì)算方法和現(xiàn)場實(shí)測值基本一致,有限元計(jì)算的夾緊體和新螺栓基準(zhǔn)計(jì)算的誤差在工程允許范圍內(nèi)。2種手段的應(yīng)用對(duì)聯(lián)軸螺栓的伸長量和預(yù)緊力進(jìn)行了不同方法的驗(yàn)證,保證了機(jī)組關(guān)鍵螺栓設(shè)計(jì)的可靠性,特別是根據(jù)VDI標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)后的螺栓計(jì)算方法,有很好的實(shí)用推廣價(jià)值。

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