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摘 要：为了评估球阀轴瓦黏结层疲劳寿命，防止球阀轴瓦脱胶导致枢轴被卡死等严重事故发生，通过在球阀上安装振动传感器测其在CP工况、CP转P工况、P工况、P停机工况、G开机工况、G工况、G停机工况等7种工况下的振动情况，并将处理后的振动数据作为初始条件加载到球阀有限元模型中计算应力。考虑到黏结层局部脱胶的问题，将胶层分为完整黏结层和局部脱胶黏结层两种情况。
关键字：抽水蓄能发电机组 球阀 轴瓦黏结层 疲劳寿命
0 引言
球阀是抽水蓄能发电机组的关键部件，在发电机组中具有非常重要的作用。球阀中的轴瓦利用黏接的方式安装在轴套上，轴瓦主要承受活阀的质量和部分水推力。在实际运行过程中，球阀轴瓦会出现脱胶现象，导致轴瓦完全与轴套脱离同枢轴一起旋转，使枢轴被卡死。出现轴瓦脱胶现象很大程度与轴瓦的黏结质量和球阀的振动有关：振动会使黏结层产生应力，引起胶层的疲劳；空气、胶层不均匀等会影响局部的应力分布，从而黏结层出现应力集中并使轴瓦局部脱胶，在振动作用下脱胶区域会逐渐扩展。目前对球阀的研究主要在球阀的密封以及整体的寿命分析，对球阀轴瓦黏结层应力及寿命评估的研究较少。本研究通过测得球阀在不同工况下的振动信号，对球阀有限元模型添加振动载荷，得到轴瓦黏结层应力分布谱线和每个应力幅值在不同工况下的应力循环次数，利用累积损伤理论计算轴瓦黏结层的疲劳寿命，避免脱胶现象的出现。
1 累积疲劳寿命和指数衰减摩擦数学模型建立
1.1 累积疲劳寿命数学模型建立
疲劳累积损伤理论是研究在变幅疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏准则，对疲劳寿命的预测十分重要。其中Palmgren-Miner线性累积损伤法则在工程中被广泛采用。根据Palmgren-Miner线性累积损伤法则，当每种应力下的损伤率Di总和达到1时，就可以预测零部件将出现失效。即
D1+D2+…Di≥1 （1）
时就可以预测将出现失效。
其中损伤率Di与循环次数ni成正比，与在应力水平Si下出现失效的总循环数Ni成反比，即
![]() （2）
将式（2）代入式（1）得
![]() （3）
若在应力水平Si下一年的应力循环次数为ni，则式（3）可以写成
![]() （4）
式中，M为工作年数。经变换可得
![]() （5）
即当经历M年后，就可以预计会出现失效。
1.2 指数衰减摩擦数学模型建立
枢轴与轴瓦之间的摩擦是造成轴瓦黏结层失效的主要原因。摩擦系数依赖于接触面的相对滑动速度，通常静摩擦系数高于动摩擦系数。根据枢轴与轴瓦之间摩擦情况，建立指数衰减摩擦模型为
![]() （6）
式中，μ为摩擦系数；MU为动摩擦系数；FACT为静摩擦系数与动摩擦系数之比；DC为衰减系数，单位为time/length。
2 黏结层有限元计算
2.1 球阀三维模型建立
球阀一般由阀体、阀芯、密封、枢轴、接力器等组成。建立的球阀三维模型如图1所示。考虑到轴瓦黏结层可能出现局部脱胶问题，分别考虑两种情况下黏结层应力和疲劳寿命情况，即将轴瓦黏结层分为完整黏结层和局部脱胶黏结层。建立相应的三维模型如图2和图3所示。
2.2 振动信号加载与边界条件设置
通过采用低频振动速度传感器采集球阀在各个工况下的振动情况。测点布置如图4所示。将测得的振动数据经零漂和滤波降噪等预处理后作为有限元模型的载荷。在有限元模型边界条件设置中，上游侧连接管与蜗壳连接管伸入岩体的部位和球阀支承部位为固定支撑。由于阀芯枢轴和轴瓦有相似的刚度，且两者都是变形体，故将阀芯的枢轴与轴瓦之间的接触类型设置为柔体-柔体的接触模型。根据式（6），并考虑到轴瓦为自润滑材料，阀芯的枢轴与轴瓦之间的摩擦系数μ确定为0.01。
图2 完整黏结层有限元模型
图3 局部脱胶黏结层有限元模型
2.3 黏结层应力计算结果
将在CP工况、CP转P工况、P工况、P停机工况、G开机工况、G工况、G停机工况等7种工况下的振动信息加载到球阀有限元模型后，得到相应的完整黏结层和局部脱胶黏结层应力分布云图。图5和图6所示是某一时刻的黏结层和局部脱胶黏结层应力分布图。当黏结层出现局部脱胶时，黏结层的最大应力出现在端部脱胶位置，并且在脱胶位置出现应力集中现象，其最大应力是无脱胶状态下的应力最大值的1.5倍左右。将各个工况下连续的振动数据加载后得到每一时刻的应力分布，并统计应力最大值，绘制完整黏结层和局部脱胶黏结层应力分布谱线。图7所示为完整黏结层在7种工况下的应力分布谱线，局部脱胶黏结层应力分布谱线由于篇幅不再列出。从应力分布谱线可以看出：在同一稳定工况下其频率、幅值有一定的重复性；在不同的稳定工况下，黏结层的最大应力和最大应力幅值出现在CP转P工况。
图5 黏结层应力分布
3 黏结层寿命评估
3.1 各个工况运行频率
为了确定各个工况的运行频率，根据抽水蓄能发电机站球阀各个工况实际运行时间，列出7种工况的运行时间及次数如表1所示。
表1 每个工况运行的时间
3.2 黏结层疲劳寿命计算
由于在同一个工况下应力变化频率、应力幅值具有一定的重复性，因此，抽水蓄能机组在运行时认为是比较稳定的，每一个样本数据概率可以代表长期运行数据的概率。通过对两种黏结层应力谱线的样本点和应力幅值分组，并统计每个应力幅值在不同工况的应力循环次数，利用黏结层的S-N曲线和式（2）计算出各个工况应力幅组下的损伤率Di。将各个工况应力幅组下的损伤率相加，得到每个工况下的工况损伤率，并通过式（5）计算得到完整黏结层和局部脱胶黏结层的综合疲劳寿命如表2所示。可靠度为98%时，完整黏结层的综合疲劳寿命为8.54年，局部脱胶黏结层综合疲劳寿命为0.0104年。两种黏结层在CP-P工况下损伤率Di最高；其次是P工况。在CP-P工况下，应采取措施降低球阀的振动，提高黏结层的疲劳寿命。黏结层在出现局部脱胶时的疲劳寿命大大减少，所以在轴瓦黏接时应避免局部脱胶的情况出现。
4 结束语
通过在球阀上安装振动传感器，测量球阀振动数据，振动数据经零漂和滤波降噪等预处理后作为元素数据加载到球阀有限元模型中计算应力。通过对黏结层在不同工况下的损伤率比较，在CP-P工况下的损伤率最高，应采取措施降低球阀在这一工况下的振动。通过对完整黏结层与局部脱胶黏结层的疲劳寿命和应力分布比较，黏结层的局部脱胶部分容易引起应力集中，并严重影响黏结层的疲劳寿命，在轴瓦黏接时应避免局部脱胶现象的出现。通过评估黏结层疲劳寿命为轴瓦黏结层的检测周期提供了参考，避免因球阀轴瓦出现脱胶现象使枢轴被卡死等事故发生。
来源：网络转载
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发表于 2016-9-9 14:01:14
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