基于Workbench的圆柱螺旋弹簧强度和疲劳分析_彭家强.pdf

Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期基于 Workbench 的圆柱螺旋弹簧强度和疲劳分析基于 Workbench 的圆柱螺旋弹簧强度和疲劳分析DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.01.004第一作者简介：彭家强（1986-），男，硕士研究生，高级工程师，毕业于西南科技大学机械制造及其自动化专业，主要从事汽轮机调速系统液压设计工作。彭家强，王昌垒（东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳，618000）摘要：某电厂汽轮机高调门操纵座弹簧出现了断裂，针对此情况对高调门弹簧进行了强度和疲劳分析。采用ANSYSWorkbench和solidworks相结合的方法对该电厂高调操纵座的弹簧进行仿真分析，理论计算结果与仿真分析结果基本一致，误差最大不超过2.5；实际断裂位置和仿真基本吻合；所得的数据和结果对圆柱螺旋弹簧寿命分析等有极其重要的意义，对进一步解决该电厂弹簧断裂问题提供理论依据。关键词：螺旋弹簧，断裂，强度中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：1674-9987（2023）01-0012-03Strength and Fatigue Analysis of Cylindrical Helical Springwith WorkbenchPENG Jiaqiang，WANG Changlei（Dongfang Electric Automatic Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）Abstract：The strength and fatigue life of spring of the high pressure control valve(HPCV)spring house is analyzed because crack-ing.The spring of HPCV is analyzed with software of the ANSYS Workbench and Solidworks.The results show that the simulationresults are basically consistent with the theory solution,and the maximum difference is not more than 2.5%.In addition,the actualdamage position of spring is basically in agreement with the simulation results.The data and results are of great importance to thefatigue life analysis of the cylindrical helical spring,and provide a theory basis to solve the damage problem of the spring in future.Key words：cylindrical helical spring,damage,strength0引言调节阀操纵机构是汽轮机调速系统中最重要的组成部分，它接受DEH控制系统发出的指令，实现汽轮机阀门的开启和关闭，从而达到控制机组转速、负荷以及保护机组安全的目的1。弹簧是汽轮机操纵座的关键零部件之一，阀门快速关闭都是靠操纵座里面的弹簧力来实现，迅速切断蒸汽，防止汽轮机飞车，快速关闭应小于或等于0.3秒2。由于圆柱螺旋弹簧结构简单，所以螺旋弹簧是汽轮机阀门操纵机构最常用的弹簧之一，其强12No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期度和寿命直接影响着汽轮机运行性能和运行安全3，因此弹簧的疲劳强度以及其寿命成为研究的重点4。在弹簧的设计过程中，要求弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限，弹簧钢材的特性也对弹簧的强度及寿命至关重要5-6。某电厂的高压调节阀操纵座弹簧材质为60Si2MnA，工作时弹簧处于压缩状态，在机组正常运行期间出现了断裂，为了防止同类事故再次发生，故对该工程调节阀门的操纵座中的圆柱螺旋弹簧的强度和疲劳寿命进行有限元分析。1模型的建立该圆柱弹簧的直径d为25 mm，中径D为160 mm，自由长度328 mm，工作圈数5.5，总圈数7.75。具体参数如图1所示，装配模型如图2所示。为了保证计算精度，弹簧座采用六面体单元网格，弹簧座与弹簧之间是Bonded关系，弹簧在受到外载荷后压缩变形，因此定义弹簧自接触类型为No separation7。模型网格单元38 096个，节点数为92 383个，网格最大扭曲度0.8，平均扭曲度0.357，网格总体质量较好。图1弹簧尺寸图2装配体的网格划分2静态分析2.1刚度和应力的理论计算弹簧的材料为60Si2MnA，屈 服 极 限1 275MPa，剪切弹性模量G=78.5 GPa；由圆柱螺旋弹簧的刚度公式4K=Gd48nD3可得：K=7.85101025485.51603170.1 N/mm（1）螺旋弹簧在受到中心压力作用时，在其钢丝截面上产生2种剪应力7，1种是由剪力产生的最大剪应力1，另1种由力产生的扭矩引起的最大剪应力2。1=16Pmax3d2=16157 1333.1425242.7 MPa（2）2=8DK1Pmaxd3506.27 MPa，其中弹簧的曲度系数K1=4C-14C-4+0.615C1.235，弹簧环绕比C=D/d=6.4，由2种剪切力叠加产生的最大剪切力为：max=1+2=548.97 MPa（3）在轴向载荷的作用下，弹簧产生的弯曲和扭转应力分别为；b=8DKbPmaxd3450.93 MPa（4）t=8DKtPmaxd3934.66 MPa（5）其中，Kt=2（4C-1）4C-42.28，Kb=1+sin（a）1.1，螺旋角度a=6。由等效应力公式得：eq=（b-t）2+421 199.78 MPa（6）2.2刚度和应力的理论解和有限元解的比较弹簧的静力分析结果如图3所示，根据弹簧的极限载荷为Pmax15 713 N，从图a中可以看出，弹簧的最大变形量为=92.171 mm，则可求出弹簧的刚度K=Pmax/170.4 N/mm；13Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期（a）弹簧的最大变形量（b）弹簧的剪切应力图（c）弹簧的等效应力图（d）弹簧等效应力局部放大图（e）弹簧剪应力的局部放大图图3弹簧的静力分析结果图3给出了弹簧的变形量，弹簧的剪切应力图，弹簧的等效应力图以及弹簧等效应力局部放大图；从弹簧等效应力分布图中可以看出，弹簧的最大应力位于弹簧的第2圈，其最大应力为1230.4 MPa，与材料的屈服极限很接近；应力集中主要在弹簧端部，弹簧的内侧应力基本在957 MPa以内；螺旋弹簧的最大剪应力位于第2圈弹簧丝内侧点，其值为549.25 MPa，没有超过材料的许用剪应力740 MPa8。从表1可以看出，仿真结果和理论计算的值非常接近，误差不超过2.5%，说明有限元分析结果的计算精度可以满足工程的需要。表1有限元解和理论解的比较3疲劳分析3.1材料的S-N曲线该电厂调门弹簧采用的是常用的60Si2MnA材质，查手册可得P-S-N曲线，P为存活率，S为应力水平，N为疲劳寿命，如图4所示6：图4螺旋弹簧的P-S-N曲线3.2疲劳分析从图3（d）中可以看出，弹簧的最大值应力位于弹簧的第2个工作圈，该处是最先出现断裂的情况。图5实际断裂位置和仿真结果高调门操纵座弹簧出现了图5的断裂情况，从图5可以看出，弹簧仿真和实际断裂的位置基本吻合，由于引起弹簧断裂的因素较多，该电厂高调门弹簧出现疲劳断裂的原因有待进一步分析调查。4结论（下转第22页）参数刚度/（Nmm-1）最大剪应力/MPa等效应力/MPa有限元解170.4549.251 230.4理论解170.1548.971 199.78误差0.18%0.05%2.49%14Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期（上接第14页）本文主要是针对某电厂高调操纵座弹簧断裂问题，对该弹簧进行有限元应力分析和理论计算，两者最大误差在2.5%以内。从有限元分析结果得出，圆柱螺旋弹簧危险部位位于第二圈内侧，与弹簧实际断裂位置吻合，为解决电厂高调操纵座弹簧断裂问题提供了理论参考。参考文献1徐章福,彭家强,李庆,等.汽轮机调节阀操纵机构特性分析J.2015,29(2):33-36.2国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会.火力发电厂汽轮机电液控制系统技术条件GB/T 36285-2018S.2018.3李源,李明,袁杰红.某型圆柱螺旋弹簧设计与疲劳寿命分析J.计算机辅助工程,2013,22(21):303-306.4郝凤翔.螺旋弹簧疲劳破坏的研究及其寿命估算方法的分析J.试验技术与试验机,2003,43(4):21-22,46.5张德军.60Si2CrVAT弹簧钢机械性能的研究D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2005.6张英会,刘辉行.弹簧手册M.北京:机械工业出版社,2003.7李红艳.基于ANSYS的圆柱螺旋弹簧的强度与疲劳寿命分析J.机械设计与制造,2010(10):92-93.8陈保华.机械设计手册:第2卷M.北京:机械工业出版社,2004.9谢里阳.机械设计手册:疲劳强度设计M.北京:机械工业出版社,2004.缸的45方向、辅助支点选在中分面和天地方向，均各四点。缸采用径向卡紧、轴向压紧方式，各卡、压点变形量控制在0.03 mm以内。（2）缸就位后，按车削基准和已加工面找正。（3）汽机侧向下，粗车、半精车电机侧内孔。（4）调头，电机侧向下，先粗车、半精车汽机侧内孔，然后精车。（5）再调头，汽机侧向下，按已精车面找正，精车电机侧内孔。4.4加工结果所有加工尺寸、形位公差、表面粗糙度等均符合设计要求。合缸状态，空缸时，内孔隔板定位面错位末级、次末级0.05 mm，正反一到三级0.03 mm；实缸时，内孔隔板定位面错位末级、次末级小于0.08 mm，正反一到三级0.05 mm。按工作状态合缸，自由状态中分面间隙0.1 mm，把紧中分面螺栓间隙0.02 mm。5结论本文介绍的低压内缸加工技术，不仅能很好保证缸的加工精度，而且加工效率高、加工成本低，推广价值突出。目前在制300 MW级、1 000MW级和其他600 MW级汽轮机低压内缸总体结构均与本文介绍的缸相类似，在立车精车后，内孔隔板定位面的错位规律也与本文介绍的缸相近，处理方法通常是现状使用或上镗床返修内孔隔板定位面错位，缸返修量约占所加工缸的二分之一，这些返修缸的隔板定位面最终加工精度和密封效果均不够理想，接近合格或微超差状态，故这些低压内缸在按本文介绍的工艺方案加工的同时，还有必要将中分面定位锥销孔按本文介绍的技术方案优化，以满足大型汽轮机低压内缸高质量、低成本的制造要求。参考文献1朱佳生.透平机械制造工艺学M.西安:西安交通大学出版社,2016.2王宛山.机械制造手册M.沈阳:辽宁科学技术出版社,2002.3谢龙飞.660 MW超超临界汽轮机低压外缸加工技术研究J.东方汽轮机,2018(4):36-40.4谢龙飞,刘祥,罗霞,等.大功率汽轮机低压内缸加工技术现状及改进方向初探J.东方汽轮机,2020(4):43-47.5谢龙飞,刘祥,张斌,等.某1 000 MW级核电汽轮机低压内缸制造技术研究J.东方电气评论,2020,34(3):53-59.6谢龙飞.某1 000 MW超超临界汽轮机铸造汽缸加工技术研究J.汽轮机技术,2021,63(1):77-80,28.22