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(guó)中車(chē)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(shí)，電網(wǎng)電壓的突變以及此時(shí)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(bào)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(shí)，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(shí)，轉(zhuǎn)子線圈會(huì)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(shí)有必要對(duì)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(guò)轉(zhuǎn)軸材料疲勞性能試驗(yàn)，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(gè)零部件的受力情況，校核及驗(yàn)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(duì)轉(zhuǎn)軸材料疲勞性能試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹，其中包括試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

1 試驗(yàn)總體思路

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

依據(jù)GB/T 4337—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)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(diǎn)旋轉(zhuǎn)彎曲旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試轉(zhuǎn)軸材料的疲勞性能。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出轉(zhuǎn)軸材料的S-N曲線。

2 測(cè)試過(guò)程

依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 4337—2008，制作加工圓柱光滑試樣，如圖1所示，通過(guò)夾具組裝成梁，通過(guò)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，同時(shí)該試樣將承受四點(diǎn)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(shí)，中止試驗(yàn)。

圖1 疲勞試驗(yàn)所用的光滑圓柱試樣

圖2 圓柱形試樣四點(diǎn)加力圖示

本試驗(yàn)首先通過(guò)單點(diǎn)法測(cè)得S-N曲線，求得近似疲勞極限；將該極限作為中間值，通過(guò)試驗(yàn)獲取應(yīng)力級(jí)差；再采用小子樣升降法[4]測(cè)出準(zhǔn)確的疲勞極限值。

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

單點(diǎn)法試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 單點(diǎn)法試驗(yàn)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(jí)差Δσ=(4%～6%)σ-1=(16.092～24.138) MPa，得到各級(jí)應(yīng)力值σ-1±Δσ，σ-1±2Δσ[5]。但由于試驗(yàn)中這些計(jì)算出的應(yīng)力值可能無(wú)法通過(guò)砝碼來(lái)保證，故根據(jù)疲勞試驗(yàn)裝置的實(shí)際情況對(duì)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(jí)

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

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

表3 升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 單點(diǎn)法繪制S-N曲線

圖4 升降法試驗(yàn)結(jié)果圖

將升降法所得的數(shù)據(jù)點(diǎn)加入到單點(diǎn)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(duì)應(yīng)圖

圖5中，X坐標(biāo)為107時(shí)對(duì)應(yīng)直線上的點(diǎn)即為材料的疲勞極限，由Origin擬合數(shù)據(jù)，該點(diǎn)應(yīng)力值為402.3 MPa。

3 結(jié) 語(yǔ)

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

該試驗(yàn)結(jié)論將為下一步對(duì)FYKS02水冷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元建模，對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析提供試驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)而校核及驗(yàn)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。