[发明专利]水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法

说明书

本发明公开了一种水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，包括顶盖螺栓、水轮机顶盖、若干个机械式推动杆、机械式振动台基座、扁平弹簧基座、螺旋弹簧、传动轴、旋转电机、电机基座和凸轮机构构成的模拟装置，旋转电机与凸轮机构通过传动轴连接，旋转电机放置在电机基座上，螺旋弹簧采用扁平弹簧基座与凸轮机构接触，机械式推动杆成对称形式穿过振动台上基座，旋转电机带动凸轮机构转动，凸轮机构带动旋转弹簧转动，旋转弹簧转动带动机械式推动杆实现不同形式的轴向往复运动。本发明可以模拟不同振动形式、不同振动频率下，水轮机顶盖联接螺栓的振动情况，为避免螺栓因疲劳失效而导致严重事故提供理论基础。

技术领域

本发明涉及一种水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，属于水轮机故障模拟测试技术领域。

背景技术

近年来水电等新能源产业蓬勃发展，为人类提供了高效清洁的能源极大地缓解了人类以往运用煤、石油、天然气等传统能源的负担，在一定程度上对环境的保护起到了助推剂的作用。但与此同时也伴随着一系列的负面效应。每年发生的水电机组事故次数逐年增加，这不得不引起我们的深思。根据大量的事故调查显示，因结构失效所导致的事故比例约为15％左右。而在这些结构失效中，绝大多数是由材料疲劳所导致的，包括螺栓疲劳、主轴疲劳等。俄罗斯萨扬水电站顶盖向上跳动导致螺栓疲劳断裂进而发生致命性的破坏。

大型混流式水轮机工作环境十分恶劣、承受的工作载荷主要为冲击载荷，同时还要承受振动载荷等交变载荷。螺栓用于连接顶盖和基座，长期承受较大的冲击载荷，导致螺栓内部损伤不断积累，螺栓的刚强度发生退化。螺栓的刚度退化会导致动载荷增大，螺栓的强度退化会导致其抵抗外载荷的能力降低，直到螺栓的强度小于所承受的最大应力时，螺栓发生疲劳断裂，十分容易造成人员伤亡等重大恶性事故。

螺栓作为连接件从理论上来说螺栓仅承受拉力，螺栓的抗拉应力的能力较强，然而近年来由于螺栓组断裂而引发的事故不足为奇。从断口状态来看，大多数螺栓可见明显的裂纹源和裂纹扩展区，属于疲劳断裂。这是因为螺栓工作环境恶劣，螺栓承受很大的振动和冲击载荷，在这些载荷的作用下，螺栓发生疲劳，导致其强度不断退化，最终发生断裂；部分螺栓断裂后，致使其他螺栓载荷急剧增加，发生过载断裂。

因螺栓疲劳导致结构失效的占据了很大比例，然而在国内，许多事故发生后的真正原因常常被我们忽略了。而水轮机为隐蔽部件，其检测及碰磨故障机理复杂，为预防水轮机发生重大事故，研发一种立式水轮机顶盖螺栓刚度和强度及疲劳实验机械式振动台模拟装置十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，可以模拟不同振动形式、不同振动频率下，水轮机顶盖联接螺栓的振动情况，为避免螺栓因疲劳失效而导致严重事故提供理论基础。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验的模拟方法，包括以下步骤：

1)搭建水轮机顶盖螺栓机械振动式疲劳实验模拟装置，包括顶盖螺栓、水轮机顶盖、若干个机械式推动杆、机械式振动台基座、扁平弹簧基座、螺旋弹簧、传动轴、旋转电机、电机基座和凸轮机构；所述机械式振动台基座包括振动台上基座，振动台下基座和振动台四周肋板；

所述水轮机顶盖以水电站水轮机顶盖实际模型按比例缩小而成；所述水轮机顶盖与机械式振动台基座的顶部采用顶盖螺栓选用固定预紧力旋紧，然后将实验模拟装置竖立在水平基准平台之上；所述水轮机顶盖由振动台四周肋板支撑；

所述水轮机顶盖底部与振动台上基座之间设若干个成对称性均匀分布的机械式推动杆，所述机械式推动杆顶部与水轮机顶盖之间留有间隙，该间隙即机械式推动杆上下运动行程；所述机械式推动杆镶嵌在螺旋弹簧中，螺旋弹簧上部与振动台上基座采用焊接的方式连接，螺旋弹簧下部采用扁平弹簧基座与凸轮机构接触；所述机械式推动杆下部与扁平弹簧基座固定连接；