水輪發(fā)電機(jī)組阻尼繞組連接片的包辛格效應(yīng)

李金澤，謝克非

（南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌330099）

水輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組主要是防止發(fā)電機(jī)在負(fù)載突變時(shí)對發(fā)電機(jī)繞組的沖擊。 發(fā)電機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，其繞組內(nèi)的電壓和電流會形成一個(gè)震蕩的過程。 發(fā)電機(jī)阻尼繞組（紫銅材質(zhì)）固定在磁極上受拉，運(yùn)行一段時(shí)間后受熱膨脹后相互擠壓，常出現(xiàn)燒傷、因拉壓導(dǎo)致強(qiáng)度損毀等現(xiàn)象[1-6]。

因此，國內(nèi)外對解決水輪發(fā)電機(jī)組阻尼繞組失效的研究一直持續(xù)不斷，2019 年陳國強(qiáng)[1]對阻尼繞組阻尼條的故障進(jìn)行了分析與探討，結(jié)合寧鋼近年來出現(xiàn)的幾起同步電動機(jī)故障處理經(jīng)驗(yàn),對阻尼條斷裂后探索了一種新型處理方法；Bauw G 對帶有阻尼繞組的發(fā)電機(jī)組的噪聲及振動問題進(jìn)行了研究[8]。 阻尼繞組問題根本原因在于內(nèi)部拉壓應(yīng)力的變化，導(dǎo)致材料發(fā)生形變。

對阻尼繞組拉壓過程進(jìn)行包辛格效應(yīng)（Bauschinger Effect，BE）研究，有利于解決阻尼繞組出現(xiàn)的工程問題。 阻尼繞組結(jié)構(gòu)包括阻尼銅條、阻尼銅環(huán)、磁極、阻尼條和銅環(huán)的連接件阻尼連接片構(gòu)成，見圖1，整個(gè)結(jié)構(gòu)中，阻尼繞組中阻尼連接片拉壓應(yīng)力最為明顯。

圖1 阻尼繞組結(jié)構(gòu)Fig.1 Damping winding structure

1 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用阻尼繞組連接片為紫銅材質(zhì)，其中加入少量脫氧元素或其他元素以改善材質(zhì)和性能,也可稱之為紫銅合金。阻尼繞組連接片紫銅合金[9-11]，化學(xué)成分為：Cu+Ag 99.90%，Bi 0.001%，Sb 0.004%，As 0.005%，F(xiàn)e 0.001%，Pb 0.005%，S 0.001 5%，O 0.000 5%。

紫銅試樣按國標(biāo)GBT 26077-2010 金屬材料-疲勞試驗(yàn)-軸向應(yīng)變控制方法加工, 將尺寸為120 mm×120 mm×20 mm 的原材料分割成5 份試樣，每份試樣的表面磨去0.4～0.5 mm ,以消除表面狀態(tài)的影響。 BE軸向加載試樣如圖2 所示，總長度為120 mm，直徑為15 mm，中間加載部位長度為20 mm，直徑為6 mm。在離最終尺寸還差0.1 mm 時(shí)，以每道工序不超過0.005 mm 速度進(jìn)行研磨，研磨后對試樣表面再沿試樣軸向進(jìn)行拋光處理。

圖2 試樣加工尺寸規(guī)格（單位：mm）Fig.2 Processing dimensions and specifications of samples（Unit：mm）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

安排5 組試驗(yàn)。 其中一個(gè)試樣進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),測量金屬拉伸強(qiáng)度，作為紫銅“原始拉伸強(qiáng)度”，其余4個(gè)試驗(yàn)分別進(jìn)行不同預(yù)壓縮變形后的拉伸試驗(yàn)， 測量拉伸屈服強(qiáng)度。 試驗(yàn)在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)（INSTRON 8801）上進(jìn)行[12-13]，拉伸速率為0.5 mm/min，壓縮速率為0.2 mm/min，試驗(yàn)溫度為室溫。 以固定速率（0.2 mm/min）進(jìn)行4 組壓縮試驗(yàn)，分別按1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的壓縮形變量進(jìn)行，記錄4 組實(shí)驗(yàn)的壓縮荷載值，以固定速率（0.5 mm/min）進(jìn)行4 組拉伸試驗(yàn)，拉伸形變量為3%，4 組為上述壓縮后試樣，記錄4 組試驗(yàn)的拉伸荷載值。 以固定速率（0.5 mm/min）進(jìn)行1 組拉伸試驗(yàn)，拉至試樣失效，記錄實(shí)驗(yàn)的拉伸載荷值。

2 試驗(yàn)過程

2.1 壓縮試驗(yàn)

對加工好的5 個(gè)試樣，任取4 個(gè)，編號分別為1#，2#，3#，4#，以0.2 mm/min 的速率進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，1#試樣進(jìn)行壓縮1%（2 mm）的形變量，2#試樣壓縮2%（4 mm）的形變量，3#試樣壓縮3%（6 mm）的形變量，4#試樣進(jìn)行壓縮4%（8 mm）的形變量。提取部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成表1 及表2。表1 左表為1#試樣壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，右表為2#試樣壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)；表2 中左表為3# 試樣壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，右表為4#試樣壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 1#和2#試樣壓縮Tab.1 Sample1#and 2#compression

表2 3#和4#試樣壓縮Tab.2 Compression of Sample 3#and 4#

通過表1 及表2 可以看出，耗時(shí)為30 s 時(shí)，2#試樣的載荷為4 546 N，壓縮應(yīng)力為151 MPa，3#試樣的載荷為4 470 N，壓縮應(yīng)力為159 MPa，4#試樣的載荷為4 292 N,壓縮應(yīng)力為152 MPa。 在不同壓縮應(yīng)變實(shí)驗(yàn)下，同時(shí)間段的載荷值與壓縮應(yīng)力值基本相同。

1#試樣在壓縮1%（2 mm）時(shí)，荷載值為6 656 N，壓縮應(yīng)力為234 MPa；2#試樣在壓縮2%（4 mm）時(shí)，荷載值為6 382 N，壓縮應(yīng)力為228 MPa；3#試樣在壓縮3%（6 mm）時(shí)，荷載值為6 805 N，壓縮應(yīng)力為243 MPa；4#試樣在壓縮4%（8 mm）時(shí)，荷載值為6 692 N，壓縮應(yīng)力為238 MPa。 不同壓縮應(yīng)變試驗(yàn)下，在達(dá)到最終壓縮形變量時(shí)， 不同試驗(yàn)的施壓荷載值，壓縮應(yīng)力值相差不同，形變量的最終大小與荷載值、壓縮應(yīng)力無明顯相關(guān)性。

將4 組壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖， 如圖3 所示。 橫坐標(biāo)表示壓縮變量，從1%（2 mm）增加到4%（8 mm）,縱坐標(biāo)為壓縮載荷值，以kN 為單位。從圖中可以看出，水輪發(fā)電機(jī)組阻尼繞組紫銅連接片的載荷/應(yīng)變曲線基本都處于相同的變化趨勢，但也有細(xì)微的不同，1#，2#和3#試樣的變化趨勢基本一致，最終荷載值趨向于6 500 N 左右，但4#試樣在最終形變時(shí)，載荷需求增大，隨著壓縮形變量的激增，4#試樣的載荷需求增大明顯。

圖3 紫銅連接片壓縮試驗(yàn)Fig.3 Compression test of copper joint

2.2 拉伸試驗(yàn)

取未壓縮的試樣，及上述壓縮后的4 個(gè)試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，編號分別為1′，2′，3′，4′，5′，以0.5 mm/min 的速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，1′試樣為原始拉伸試樣，拉伸至喪失屈服強(qiáng)度，可截取任意段作為對比數(shù)據(jù)，其余4 個(gè)試樣拉伸量均為3%（6 mm）；2′試樣為壓縮1%（2 mm）的形變量下拉伸試驗(yàn)，3′試樣為壓縮2%（4 mm）的形變量下拉伸試驗(yàn)，4′試樣為壓縮3%（6 mm）的形變量下拉伸實(shí)驗(yàn)，5′試樣為壓縮4%（8 mm）的形變量下拉伸實(shí)驗(yàn)。 提取部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成表3，表4。 表3 左表為2′試樣拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，右表為3′試樣拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)；表4 中左表為4′試樣拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，右表為5′試樣拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從表3 及表4 中可以看出，開始拉伸（1 s）時(shí)，3′試樣的起始載荷為369 N，2′，4′和5′試樣的起始載荷都在500～550 N 之間，3′試樣的起始載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他的3 個(gè)試樣，表明3′試樣的初始拉伸試樣的需求載荷（力）最小，在幾個(gè)試樣試驗(yàn)中荷載處于極小值。 隨著耗時(shí)、拉伸量的增加，最終拉伸量為3%（6 mm）時(shí)，2′試樣的最終載荷為6 230 N,拉伸應(yīng)力值為225 MPa；3′試樣的最終載荷為6 609 N，拉伸應(yīng)力為225 MPa；4′試樣的最終載荷為6 383 N，拉伸應(yīng)力為227 MPa；5′試樣的最終載荷為7 413 N，拉伸應(yīng)力為261 MPa。在拉伸量終值時(shí)，3′試樣的載荷值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2′和4′試樣，在前3 組試樣中，處于荷載極大值。

表3 2′和3′試樣壓縮Tab.3 Compression of Specimen 2′and 3′

表4 4′和5′試樣壓縮Tab.4 Sample4 'and 5' compression

將1′試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸至試樣失去屈服強(qiáng)度，提取部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制成表5。 在表5 中可以看出，初始拉伸（1s）時(shí)，試樣1′的初始荷載為502 N，拉伸應(yīng)力為19 MPa，隨著耗時(shí)、拉伸量的增加，在拉伸量為3%（6 mm）時(shí)，試樣1′的載荷為6 283 N，拉伸應(yīng)力為238 MPa。

將試樣1′，2′，3′，4′，5′的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖4 所示。 在圖4 中可以看出，試樣2′，3′，4′，5′經(jīng)過壓縮試驗(yàn)后，再進(jìn)行拉伸試樣，最終曲線趨向荷載值均小于試樣1′的曲線趨向荷載值。 說明，包辛格效應(yīng)在水輪發(fā)電機(jī)組阻尼繞組紫銅連接片中存在明顯。

在2′，3′，4′組試樣曲線中可以看出，3′試樣在其中屬于極值， 最終拉伸應(yīng)力值遠(yuǎn)高于2′試樣和4′試樣。但5′試樣最終拉伸應(yīng)力值遠(yuǎn)超于2′，3′，4′組試樣， 并且也遠(yuǎn)超于試樣1′的最終拉伸應(yīng)力， 試樣5′的現(xiàn)象說明，水輪發(fā)電機(jī)組阻尼繞組紫銅連接片的包辛格效應(yīng)在壓縮量4%（8 mm）以下再拉伸時(shí)，現(xiàn)象明顯，超過壓縮量4%（8 mm）再拉伸時(shí)，包辛格效應(yīng)不再突出。

此外，通過試樣1′的完全拉伸試驗(yàn)可以看出，阻尼繞組連接片的最終拉伸應(yīng)力值趨近于240 N 左右，不在發(fā)生明顯變化，阻尼繞組連接片的最終拉伸應(yīng)變量值在43%左右時(shí)，材料發(fā)生斷裂，徹底損毀，進(jìn)一步驗(yàn)證了阻尼繞組紫銅連接片的伸長率在45%左右的物性參數(shù)。

表5 1 試樣壓縮Tab.5 Compression of Sample 1

圖4 紫銅連接片拉伸試驗(yàn)Fig.4 Tensile test of red copper connection sheet

4 結(jié)論

通過對阻尼繞組紫銅連接片進(jìn)行1 組極限拉伸試驗(yàn)，4 組不同壓縮形變量下拉伸試驗(yàn)， 可以得到以下幾項(xiàng)結(jié)論：

1）通過對試樣1′的極限拉伸試驗(yàn)可知，阻尼繞組紫銅連接片的拉伸應(yīng)力在240 N 左右，極限拉伸應(yīng)變量在43%左右，極限應(yīng)變量值也符合紫銅連接片的伸長率；

2）通過對4 組試樣進(jìn)行不同壓縮形變量試驗(yàn)可知，不同微小形變量下，紫銅連接片的需求載荷，壓縮應(yīng)力值變化不大，形變量發(fā)生巨大變化時(shí)，紫銅連接片的需求載荷、壓縮應(yīng)力值可能發(fā)生巨大變化；

3）通過2′，3′，4′，5′試樣拉伸試驗(yàn)與試樣1′拉伸試驗(yàn)可知，經(jīng)過壓縮再拉伸，拉伸應(yīng)力普遍小于原始拉伸應(yīng)力值，水輪發(fā)電機(jī)組阻尼繞組連接片的包辛格效應(yīng)存在較為明顯，水輪發(fā)電機(jī)組阻尼繞組連接片的包辛格效應(yīng)極值在壓縮形變量為2%時(shí)出現(xiàn)。