李金澤，謝克非

（南昌工程學院機械與電氣工程學院，江西 南昌330099）

水輪發(fā)電機阻尼繞組主要是防止發(fā)電機在負載突變時對發(fā)電機繞組的沖擊。 發(fā)電機在負載變化時，其繞組內的電壓和電流會形成一個震蕩的過程。 發(fā)電機阻尼繞組（紫銅材質）固定在磁極上受拉，運行一段時間后受熱膨脹后相互擠壓，常出現燒傷、因拉壓導致強度損毀等現象[1-6]。

因此，國內外對解決水輪發(fā)電機組阻尼繞組失效的研究一直持續(xù)不斷，2019 年陳國強[1]對阻尼繞組阻尼條的故障進行了分析與探討，結合寧鋼近年來出現的幾起同步電動機故障處理經驗,對阻尼條斷裂后探索了一種新型處理方法；Bauw G 對帶有阻尼繞組的發(fā)電機組的噪聲及振動問題進行了研究[8]。 阻尼繞組問題根本原因在于內部拉壓應力的變化，導致材料發(fā)生形變。

對阻尼繞組拉壓過程進行包辛格效應（Bauschinger Effect，BE）研究，有利于解決阻尼繞組出現的工程問題。 阻尼繞組結構包括阻尼銅條、阻尼銅環(huán)、磁極、阻尼條和銅環(huán)的連接件阻尼連接片構成，見圖1，整個結構中，阻尼繞組中阻尼連接片拉壓應力最為明顯。

圖1 阻尼繞組結構Fig.1 Damping winding structure

1 試樣制備及實驗方法

1.1 試樣制備

試驗用阻尼繞組連接片為紫銅材質，其中加入少量脫氧元素或其他元素以改善材質和性能,也可稱之為紫銅合金。阻尼繞組連接片紫銅合金[9-11]，化學成分為：Cu+Ag 99.90%，Bi 0.001%，Sb 0.004%，As 0.005%，Fe 0.001%，Pb 0.005%，S 0.001 5%，O 0.000 5%。

紫銅試樣按國標GBT 26077-2010 金屬材料-疲勞試驗-軸向應變控制方法加工, 將尺寸為120 mm×120 mm×20 mm 的原材料分割成5 份試樣，每份試樣的表面磨去0.4～0.5 mm ,以消除表面狀態(tài)的影響。 BE軸向加載試樣如圖2 所示，總長度為120 mm，直徑為15 mm，中間加載部位長度為20 mm，直徑為6 mm。在離最終尺寸還差0.1 mm 時，以每道工序不超過0.005 mm 速度進行研磨，研磨后對試樣表面再沿試樣軸向進行拋光處理。

圖2 試樣加工尺寸規(guī)格（單位：mm）Fig.2 Processing dimensions and specifications of samples（Unit：mm）

1.2 實驗方法

安排5 組試驗。 其中一個試樣進行單向拉伸試驗,測量金屬拉伸強度，作為紫銅“原始拉伸強度”，其余4個試驗分別進行不同預壓縮變形后的拉伸試驗， 測量拉伸屈服強度。 試驗在電液伺服疲勞試驗機（INSTRON 8801）上進行[12-13]，拉伸速率為0.5 mm/min，壓縮速率為0.2 mm/min，試驗溫度為室溫。 以固定速率（0.2 mm/min）進行4 組壓縮試驗，分別按1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的壓縮形變量進行，記錄4 組實驗的壓縮荷載值，以固定速率（0.5 mm/min）進行4 組拉伸試驗，拉伸形變量為3%，4 組為上述壓縮后試樣，記錄4 組試驗的拉伸荷載值。 以固定速率（0.5 mm/min）進行1 組拉伸試驗，拉至試樣失效，記錄實驗的拉伸載荷值。

2 試驗過程

2.1 壓縮試驗

對加工好的5 個試樣，任取4 個，編號分別為1#，2#，3#，4#，以0.2 mm/min 的速率進行壓縮試驗，1#試樣進行壓縮1%（2 mm）的形變量，2#試樣壓縮2%（4 mm）的形變量，3#試樣壓縮3%（6 mm）的形變量，4#試樣進行壓縮4%（8 mm）的形變量。提取部分試驗數據繪制成表1 及表2。表1 左表為1#試樣壓縮試驗數據，右表為2#試樣壓縮試驗數據；表2 中左表為3# 試樣壓縮試驗數據，右表為4#試樣壓縮試驗數據。

表1 1#和2#試樣壓縮Tab.1 Sample1#and 2#compression

表2 3#和4#試樣壓縮Tab.2 Compression of Sample 3#and 4#

通過表1 及表2 可以看出，耗時為30 s 時，2#試樣的載荷為4 546 N，壓縮應力為151 MPa，3#試樣的載荷為4 470 N，壓縮應力為159 MPa，4#試樣的載荷為4 292 N,壓縮應力為152 MPa。 在不同壓縮應變實驗下，同時間段的載荷值與壓縮應力值基本相同。

1#試樣在壓縮1%（2 mm）時，荷載值為6 656 N，壓縮應力為234 MPa；2#試樣在壓縮2%（4 mm）時，荷載值為6 382 N，壓縮應力為228 MPa；3#試樣在壓縮3%（6 mm）時，荷載值為6 805 N，壓縮應力為243 MPa；4#試樣在壓縮4%（8 mm）時，荷載值為6 692 N，壓縮應力為238 MPa。 不同壓縮應變試驗下，在達到最終壓縮形變量時， 不同試驗的施壓荷載值，壓縮應力值相差不同，形變量的最終大小與荷載值、壓縮應力無明顯相關性。

將4 組壓縮試驗數據繪制成圖， 如圖3 所示。 橫坐標表示壓縮變量，從1%（2 mm）增加到4%（8 mm）,縱坐標為壓縮載荷值，以kN 為單位。從圖中可以看出，水輪發(fā)電機組阻尼繞組紫銅連接片的載荷/應變曲線基本都處于相同的變化趨勢，但也有細微的不同，1#，2#和3#試樣的變化趨勢基本一致，最終荷載值趨向于6 500 N 左右，但4#試樣在最終形變時，載荷需求增大，隨著壓縮形變量的激增，4#試樣的載荷需求增大明顯。

圖3 紫銅連接片壓縮試驗Fig.3 Compression test of copper joint

2.2 拉伸試驗

取未壓縮的試樣，及上述壓縮后的4 個試樣，進行拉伸試驗，編號分別為1′，2′，3′，4′，5′，以0.5 mm/min 的速率進行拉伸試驗，1′試樣為原始拉伸試樣，拉伸至喪失屈服強度，可截取任意段作為對比數據，其余4 個試樣拉伸量均為3%（6 mm）；2′試樣為壓縮1%（2 mm）的形變量下拉伸試驗，3′試樣為壓縮2%（4 mm）的形變量下拉伸試驗，4′試樣為壓縮3%（6 mm）的形變量下拉伸實驗，5′試樣為壓縮4%（8 mm）的形變量下拉伸實驗。 提取部分試驗數據繪制成表3，表4。 表3 左表為2′試樣拉伸試驗數據，右表為3′試樣拉伸試驗數據；表4 中左表為4′試樣拉伸試驗數據，右表為5′試樣拉伸試驗數據。

從表3 及表4 中可以看出，開始拉伸（1 s）時，3′試樣的起始載荷為369 N，2′，4′和5′試樣的起始載荷都在500～550 N 之間，3′試樣的起始載荷遠遠小于其他的3 個試樣，表明3′試樣的初始拉伸試樣的需求載荷（力）最小，在幾個試樣試驗中荷載處于極小值。 隨著耗時、拉伸量的增加，最終拉伸量為3%（6 mm）時，2′試樣的最終載荷為6 230 N,拉伸應力值為225 MPa；3′試樣的最終載荷為6 609 N，拉伸應力為225 MPa；4′試樣的最終載荷為6 383 N，拉伸應力為227 MPa；5′試樣的最終載荷為7 413 N，拉伸應力為261 MPa。在拉伸量終值時，3′試樣的載荷值遠遠大于2′和4′試樣，在前3 組試樣中，處于荷載極大值。

表3 2′和3′試樣壓縮Tab.3 Compression of Specimen 2′and 3′

表4 4′和5′試樣壓縮Tab.4 Sample4 'and 5' compression

將1′試樣，進行拉伸試驗，拉伸至試樣失去屈服強度，提取部分數據繪制成表5。 在表5 中可以看出，初始拉伸（1s）時，試樣1′的初始荷載為502 N，拉伸應力為19 MPa，隨著耗時、拉伸量的增加，在拉伸量為3%（6 mm）時，試樣1′的載荷為6 283 N，拉伸應力為238 MPa。

將試樣1′，2′，3′，4′，5′的拉伸試驗數據繪制成圖，如圖4 所示。 在圖4 中可以看出，試樣2′，3′，4′，5′經過壓縮試驗后，再進行拉伸試樣，最終曲線趨向荷載值均小于試樣1′的曲線趨向荷載值。 說明，包辛格效應在水輪發(fā)電機組阻尼繞組紫銅連接片中存在明顯。

在2′，3′，4′組試樣曲線中可以看出，3′試樣在其中屬于極值， 最終拉伸應力值遠高于2′試樣和4′試樣。但5′試樣最終拉伸應力值遠超于2′，3′，4′組試樣， 并且也遠超于試樣1′的最終拉伸應力， 試樣5′的現象說明，水輪發(fā)電機組阻尼繞組紫銅連接片的包辛格效應在壓縮量4%（8 mm）以下再拉伸時，現象明顯，超過壓縮量4%（8 mm）再拉伸時，包辛格效應不再突出。

此外，通過試樣1′的完全拉伸試驗可以看出，阻尼繞組連接片的最終拉伸應力值趨近于240 N 左右，不在發(fā)生明顯變化，阻尼繞組連接片的最終拉伸應變量值在43%左右時，材料發(fā)生斷裂，徹底損毀，進一步驗證了阻尼繞組紫銅連接片的伸長率在45%左右的物性參數。

表5 1 試樣壓縮Tab.5 Compression of Sample 1

圖4 紫銅連接片拉伸試驗Fig.4 Tensile test of red copper connection sheet

4 結論

通過對阻尼繞組紫銅連接片進行1 組極限拉伸試驗，4 組不同壓縮形變量下拉伸試驗， 可以得到以下幾項結論：

1）通過對試樣1′的極限拉伸試驗可知，阻尼繞組紫銅連接片的拉伸應力在240 N 左右，極限拉伸應變量在43%左右，極限應變量值也符合紫銅連接片的伸長率；

2）通過對4 組試樣進行不同壓縮形變量試驗可知，不同微小形變量下，紫銅連接片的需求載荷，壓縮應力值變化不大，形變量發(fā)生巨大變化時，紫銅連接片的需求載荷、壓縮應力值可能發(fā)生巨大變化；

3）通過2′，3′，4′，5′試樣拉伸試驗與試樣1′拉伸試驗可知，經過壓縮再拉伸，拉伸應力普遍小于原始拉伸應力值，水輪發(fā)電機組阻尼繞組連接片的包辛格效應存在較為明顯，水輪發(fā)電機組阻尼繞組連接片的包辛格效應極值在壓縮形變量為2%時出現。