Page 59 - 理化检验-物理分册2021年第一期

石国发, 等: 巨型水轮发电机剪断销研发与质量控制

批量剪断销剪切力的波动是很有必要的。 寸状态下的剪切力, 验证前期估算的成品剪断销剪
切面外径尺寸的合理性, 巨型水轮发电机组用剪断
1 剪切试验原理
销的尺寸( d 和d 1 ) 在进行剪断力试验时不允许尺
剪断销示意图如图 1 所示。可见剪断销剪切力 寸缩减。因此, 有必要完成全尺寸状态下的剪断销
及材 剪切试验。
的大小取决于剪断销剪切面外径d 、 内孔径d 1
等 3 个因素。 2.2 试验难点
料的剪切强度τ b
巨型 水 轮 发 电 机 用 剪 断 销 的 设 计 剪 切 力 约

1700kN , 剪切力非常大。笔者了解到东方电机有

限 公 司 及 周 边 万 能 试 验 机 的 最 大 量 程 仅 为

2000kN , 仅超过剪断销设计剪切力约17.5% , 且从

未测试过如此高的试验力。另外, 剪切力试验必须
使用专用的剪断工装。东方电机有限公司剪断销专
用剪断工装示意图如图 2 所示, 为拉剪切剪断销试
图 1 剪断销示意图
验工装。该剪断销工装允许使用的计算最大拉力为

Fi g 1 Dia g ramofshear p in
1900kN , 仅比设计剪切力 1700kN 高出 12.0% 左
理论条件下, 将单件剪断销看作均匀材料, 材料
右, 设备安全余量较小, 工装提前破断的风险较大。
剪切强度可经过剪切试验直接得到, 或通过力学性
在不对剪断销剪切面尺寸进行比例缩减的情况下,
能试验间接估算得到。剪切力 F 与剪切强度和剪
试验很容易造成试验设备损坏及其附属剪断工装的
切面积A 的关系为
断裂破坏。
2 2
d -d 1
F = τ b ×A = τ b ×π× ( 1 )
4
由式( 1 ) 可见, 在内孔径和剪切强度不变的情况
下, 剪切力与剪切面外径正相关。剪断销剪切面外
径越大, 则剪切力越大。
2 剪切试验现状及方案分析
图 2 剪断销剪断工装示意图
2.1 试验的必要性 Fi g 2 Dia g ramofshear p incuttin g toolin g

在机组 设 计 剪 断 销 时, 剪 断 销 设 计 剪 切 力 和 2.3 可行性分析
选用的剪断销材料会根据水轮机组运行工况和机 根据上述情况, 测试巨型水轮发电机用剪断销
组结构设计的变化而变化。选用的剪断销材料和 的极限剪切力必须在全剪切面尺寸的条件下, 且只
设计剪切力 不 同, 剪 断 销 的 剪 切 面 外 径 d 和 内 孔 能采用 2000kN 的微控电液伺服万能试验机和剪

均会 不 同。要 保 证 按 设 计 尺 寸 加 工 得 到 的
径 d 1 断工装进行剪切试验。为保证试验的顺利进行, 首
剪断销剪 切 力 符 合 机 组 使 用 要 求, 在 剪 断 销 尺 寸 先在剪断销材料达到加工成品剪断销的热处理状态
设计时, 一 般 情 况 下 需 要 进 行 下 面 3 个 步 骤: 一, 后, 对该材料抽样进行一组常温力学性能试验, 得到
针对选用 的 材 料 进 行 力 学 性 能 试 验, 估 算 剪 断 销 、 抗 拉 强 度
剪断销材 料 的 规 定 塑 性 延 伸 强 度 R p 0.2
剪切面尺寸; 二, 在保持剪断销内孔径不变的情况 、 断后伸长率 A 、 断面收缩率 Z 、 冲击吸收能量
R m
下, 根据估 算 的 剪 切 面 尺 寸 加 工 出 3 件 剪 切 面 外 和布氏硬度等力学性能参数。然后将力学性能
K V2
径呈梯度增加的剪断销, 并进行剪切试验, 获得剪 测试结果交付机组设计者, 机组设计者根据力学性
断销尺寸和剪切力的相关曲线; 三, 根据剪断销尺 能参数预估出实际剪断销剪切面外径 d 和剪断销
寸和剪切 力 的 相 关 曲 线, 选 择 符 合 设 计 剪 切 力 的 , 并按此加工剪断销剪切面尺寸。经过上
内孔径d 1
剪断销尺寸。因此剪断销剪切试验是设计剪断销 述步骤之后, 笔者预估计算出该批次剪断销剪切力

的必要步骤。 不会超过 1800kN , 能够采用东方电机有限公司的
大尺寸安全销实物单面剪切试验是无法用小试 试验工装完成巨型水轮机组全尺寸剪断销的剪切
样性能试验替代的 [ 9 ] 。为获得剪断销在设计工作尺 试验。
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