YKS7104电机转轴的可靠性分析.docx
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YKS7104电机转轴的可靠性分析
2012年春季学期研究生课程考核
(读书报告、研究报告)
考核科目:
焊接结构可靠性评价与失效分析
学生所在院(系):
材料科学与工程
学生所在学科:
材料加工工程
学
生
姓
名:
学
号:
学
生
类
别:
考
核
结
果
阅卷人
YKS710-4电机转轴的可靠性分析
1.焊缝部位承受最大弯曲应力和最大剪切应力的计算
已知焊接接头符合部分焊透情况,角焊缝的有效厚度a=10mm,YKS710-4
主要工作参数如表1所示。
表1YKS710-4电机转轴的主要工作参数
电机类型
额定转矩
(N.mm)
最大转矩
(N.mm)
过盈压力
(MPa)
单边磁拉力
冲击转矩(冲击时间2秒)
铁心长度
(mm)
YKS710-4
3800KW
7
2.44X10
7
5.04X10
两端680
中间150
2347.2sin156t
无
760
根据文献《机械设计手册第3卷》(徐灏主编,机械工业出版社,1991年)
P20〜57中角接头的应力计算公式,对于图1所示的T形对接接头,在弯曲、剪
切并存的情况下,接头部位承受的最大弯曲应力和最大剪切应力应满足下面的计算公式:
Mb:
转矩;a:
角焊缝的有效厚度;》板厚;l:
焊缝承载长度;F:
作用在板边的力。
对于角焊缝截面形状,工程上为了安全可靠和计算方便,常假定角焊缝是在平均切应力作用下断裂的。
并假定其断裂面是在角焊缝截面的最小位置a处。
对于YKS710-4电机转轴,角焊缝的有效厚度a=10mm。
角焊缝截面形状及其计算断面如图2所示。
图2角焊缝截面形状及其计算
1.1单端均匀承载情况
对于电机转轴,筋板高度L=80mm,转轴半径r=120mm,焊缝承载长度l=345mm,角焊缝的有效厚度a=10mm,由最大转矩为5.04X07N.mmo则有以下:
M5.04汉107N.mm4
F4.210N
6(Lr)6(80120)mm
46
M=FL=4.21080N.mm=3.3610N.mm
22
al(36,.a4a)
-36
22
10345(340-64010410)
3
=80500mm
'■bmax
6
3.3610N.mm
80500mm
=41.74MPa
340
4
3F34.210N
•max2=9.130MPa
2Aw2x2X10疋345mm
1.2双端均匀承载情况
对于电机转轴,筋板高度L=80mm,转轴半径r=120mm,焊缝承载长度l=345+345=690mm,角焊缝的有效厚度a=10mm。
由于电机转轴的最大转矩为5.04沐07N.mm,则有以下,
M5.04汉107N.mm4
F4.210N
6(L+r)6x(80+120)mm
46
M=FL=4.21080N.mm=3.3610N.mm
■2^|2
_al(3、.-6、a4a)
-36
22
10690(340-64010410)
340
=161000mm
bmax
6
Mb3.3610N.mm
20.87MPa
3
Zb161000mm
4
3F3X4.2X10N
■max2二4.565MPa
2AW2x2X10汉690mm
2.焊接残余应力的计算
根据文献《焊接工程缺欠分析与对策》(陈伯蠡编著,机械工业出版社,1997)焊接残余应力的计算公式如下:
CirG
其中,:
•r—修正系数。
对于Q235钢,:
•r=0.6
所以,;「r=141MPa
3.焊接接头强度极限的计算
对于带坡口的角焊缝,当板材较厚时,焊接丁字接头或角接头,可采用在板端开坡口和角焊缝同时并用的方法连接(如图3所示),这种接头的抗拉强度取决于坡口深度p,焊角尺寸K和角度三个因素,它的计算截面厚度是以焊根到角焊缝表面的最短距离a(如图4所示)。
研究结果表明,带坡口的角焊缝,当p>K而且受拉力时,其接头强度极限
式中-w:
焊缝金属强度极限。
-b
(1)取<<为Q235钢的屈服极限(即bW=235MPa),对于YKS710-4电机转轴
角焊缝,取邛=45
(2)取▽W为Q235钢的强度极限(即▽W=375MPa),对于YKS710-4电机
转轴角焊缝,取齐=45
j3sinp1w
二bb=0.91375MPa=341.25MPa
4.焊接接头的强度校核
如果最大弯曲应力和焊接残余应力之和小于焊接接头强度极限,则结构静载
强度合格。
对于电机转轴,
单端均匀承载情况:
bbmax+6=41.739MPa+141MPa=182.739MPa 双端均匀承载情况: +6=20.869MPa+141MPa=161.869MPa 因此Gmax•二R: : : ;,,所以,补焊外露部分后静载强度合格。 5.YKS710-4电机转轴承载两端存在裂纹情况下焊缝静载强 度评估 前提假设: 假设转轴中间部位焊缝完全开裂、两端筋板焊接存在裂纹。 5.1应力计算 平均一次应力: 即电机转轴工作时所受到的外部应力 根据《电机转轴两端完好承载情况下焊缝的静载强度评估》报告的计算结果,对于YKS710-4(1000KW)已安装转子铁芯转轴,在单端均匀承载情况下,平均一次应力二1-;「bmax=41.74MPa。 焊接残余应力二2~2=*二s=0.6235MPa=141MPa 式中系数〉r根据参考文献《焊接工程缺欠分析与对策》(陈伯蠡编著,机械工业出版社,1997.2)P113表1A-6的规定,对于表面裂纹情况下填角焊缝裂纹, : r—0.6。 5.2安全性评价 (1)临界应力强度因子K1C的确定 根据中低强度钢的数据,在转变温度范围内求KIC和AKV可建立以下关系: 式中: Kic—以1b.in-3/2为单位;E—弹性模量,以1b.in-2为单位;Akv—以ft-lb 为单位。 根据试验的数据,Kly/的概率散度大约是±25%,对一定的弹性模量E, Kic的概率散度大约是±2%。 对于该电机转轴角焊缝金属,取Q235钢的力学性能参数(数据来源: 《焊接手册一材料的焊接》,中国机械工程学会焊接学会编,机械工业出版社)。 即: E=2X1011Pa=2X1011N/m2,夏比V型缺口冲击吸收功AKV=27J。 根据表2所示的单位换算表,可以确定上述力学性能参数值。 表2单位换算表 1N 1m 1m 1m2 1m2 0.225b 3.28ft 39.37in 1550in2 2 10.764ft 23/2 Kic/E=2(Akv) 11_22 -22100.22539.37bin(270.2253.28ft-1b) 3/2 =71867.6755(1bin-) =71867.6755X4536X.8NX0.O254-3/2m-3/2 =79MN•m-3/2 (2)裂纹容限;m的确定 在本研究中, 厂—=41.74141MPa=182.74MPa c= 1 1 二0.26, 所以 a 2182.742 2二( )2二() 二s 35 K1C 2 792 am-c( ■) =0.26()m 二0.029m 二29mm ;「s 35 ⑶当量裂纹尺寸a的确定 根据国际焊接学会(IIW)按照脆断观点的缺陷评定标准草案,可以将各种缺陷简化成表面的、深埋的、穿透的裂纹。 根据这种简化,计算当量裂纹尺寸或计算应力强度因子。 然后将当量裂纹尺寸与临界裂纹尺寸(或应力强度因子和临界应力强度因子)进行比较,如前者小于后者则是安全的,否则是危险的,需要进行返修或报废。 该草案对裂纹和其它缺陷根据其形状、部位和尺寸、性质,将其转换成表面的、深埋的或贯穿的裂纹,再将其换算成当量裂纹。 在进行换算时,将缺陷分成平面及非平面缺陷。 前者指裂纹和未焊透,后者指气孔、疏松、夹杂物、咬边等。 显然前者是危险的。 然后用一个包围不规则缺陷边界的简单几何图形如矩形、椭 据此将缺陷分为贯穿 圆和圆形表示。 几何图形的长边和最接近的自由表面平行,的、深埋的或表面的,如下图5所示。 如果单个缺陷之间距离小于某规定值,则作大包络线将其作为一个大缺陷包围起来。 如深埋缺陷和自由表面距离较小,小于某规定值,则可依据标准给出的图表将此缺陷作为表面的或贯穿缺陷。 这样就可得到一个长为L,宽为t的单个 表面、深埋或贯穿裂纹。 再按L和t的数值查阅图6,将表面和深埋缺陷一律换算成贯穿的当量裂纹ao 图6表面缺陷换算图 (4)缺陷的评定举例 对于电机转轴,在电机转轴中间完全开裂的前提下,如果电机端部表面裂纹 深度t=15mm,裂纹板厚e=30mm,焊缝长度L=345mm,则有t/e=0.5,t/L=0.043, 由图6处理,查得: a/e=3.8,故当量贯穿裂纹尺寸=114mm。 由于当量贯穿裂纹尺寸a=114mm大于裂纹容限;m=29mm,所以该裂纹缺陷不允许存在,必需进行相应的去除及补焊处理。 经过反推,在电机转轴中间完全开裂的前提下,当裂纹容限am=29mm、裂纹深度t=15mm、裂纹板厚e=30mm时,;m/e=29/30=0.97,t/e=15/30=0.5。 根据表面缺陷换算图,可得t/L=0.18,因此所允许的焊接裂纹的最大长度L=83.33mm。 6.给定疲劳寿命条件下电机转轴初始裂纹尺寸的分析 7. 裂纹扩展速率与应力强度因子幅值之间的关系遵循帕瑞斯公式: 式中为No裂纹扩展至C0时的循环次数(若Sb为初始裂纹长度,则No=O),Nf为扩展至临界失稳断裂长度ac时的循环次数。 应当注意的是: 在进行裂纹长度取值时,对于两裂纹之间的距离小于最小裂纹尺寸的情况,要将两相邻裂纹合并为一个裂纹,且裂纹尺寸为两个裂纹长度加上裂纹之间距离的和,并以此作为已存在的缺陷进行评定。 对于图7所示的无限大板中心穿透裂纹的情况,惑-*、、右代入公式1 积分后,得疲劳裂纹扩展寿命: N=Nf—No=丄)_|(*厂-J(公式2) Cn_2(3后;)n]a。 _ 式中2。 若n=2时,疲劳裂纹扩展寿命得: (公式3) 根据文献《工程材料的力学性能》(姜伟之编,北京航空航天大学出版社) F=1.122-1.40(a/b)-7.33(a/b)2-13.08(a/b)3-14.0(a/b) =.2btan「: a : 二a2b 0.9230.199(1-sin")4 2b 兀a cos—— 2b 若ao为初始裂纹长度,则No=O。 有: 对于结构钢,参数n=2~3,但门工2。 当n=2时: 式中材料系数对应n=3.0~2.25C=6.9X10-12~1.35X10-10 对于YKS710-4电机转轴,a=15mmb=30mm。 临界失稳断裂长度 ac=83.33mm,符合有限宽受弯单边裂纹梁计算公式。 所以, a兀4 0.9230.199(1—sin) 2b a二 cos— 2b 情况1取扩展至临界失稳断裂长度时的循环次数叫=106次 (1)当n=2,C=6.910时, 可得,a°=81.90mm。 ⑵当n=3,C=1.35汉10』时, 可得,a0=1.781X0-8mm。 对于结构钢焊接时,参数n=2~3。 所以,在1.781X0_8mm~81.90mm之间。 为了安全起见,取a0=1.781X0-8mm~0mm。 情况2: 取扩展至临界失稳断裂长度时的循环次数Nf=l05次 (1)当n=2, C=6.910°2时, 由公式 N=NfN0=Nf=厂.In— C(F△辽丁応)a° 可得,a0=83.19mm= ⑵当n=3,C=1.35X10-0时, 可得,ao=1.782X0-6mmo 对于结构钢焊接时,参数n=2~3o所以,ao在1.782X0-6mm~83.19mm之间 为了安全起见,取ao=1.782X0-6mm^0mm。 情况3: 取扩展至临界失稳断裂长度时的循环次数Nf=l07次 ⑴当n=2,C=6.910丄2时, ,,1acac 由公式N=Nf-N°=Nfnln- C(F也^丫兀)a。 可得,ao=70.05mm。 ⑵当n=3,C=1.35x10」°时, 可得,a0=1.781X10-10o 对于结构钢焊接时,参数n=2~3o所以,a0在1.781X10-10~70.05mm之间 为了安全起见,取a0=1.781X10-10"0mm。
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