Day 7 — 机械电气

（六）应力测试

1. 了解

1. 应力试验目的：①实测结构部件实际应力状态、特性规律、大小和分布，鉴定机组安全状态；②验证理论计算结果可靠性及精度，修正改进计算方法；③根据试验结果改进部件结构。检测参数包括应力、残余应力、主轴扭矩等。依据标准：GB/T 17189—2017、SL 499—2010《钻孔应变法测量残余应力》、GB/T 24179—2023《金属材料 残余应力测定 压痕应变法》。

1. 应变片工作特性与选取：

- 盲孔法残余应力测量：需采用高精度应变计（释放应变值很小），钻孔深度$h \geqslant 2a$。

- 压痕法：碳钢/低合金钢选用BA120-1BA(11)-ZKY，不锈钢/铝合金选用BE120-2CA-B。

- 主轴扭矩测量：应变片与轴线成$\pm45^\circ$方向粘贴。

- 转轮动应力测量：采用$45^{\circ}$应变花，有裂纹处应变片垂直于裂纹布置。

1. 应变片防护：

- 贴片后用胶带覆盖丝栅，防止铁屑破坏。

- 转轮动应力测量：采用防水胶和"铜管-铜盖防冲防潮盒"结构防护。

- 钻孔时要稳、低速，防止应变片温度漂移和切削应变影响。

1. 应变片接桥方法及相应计算：

- 全桥法测扭矩：$T=\frac{E\varepsilon W_p}{4(1-\mu)}$（式6-31），$\varepsilon$为全桥法测得的扭应变值。

- 盲孔法：$45^{\circ}$应变花（$0^\circ,45^\circ,90^\circ$），残余主应力$\sigma_{1,2}=\frac{E}{4A}(\varepsilon_0+\varepsilon_{90})\pm\frac{\sqrt{2}E}{4B}\sqrt{(\varepsilon_0-\varepsilon_{45})^2+(\varepsilon_{90}-\varepsilon_{45})^2}$，方向$\tan2\varphi=\frac{\varepsilon_0+\varepsilon_{90}-2\varepsilon_{45}}{\varepsilon_0-\varepsilon_{90}}$（式6-9）。$60^{\circ}$应变花用式6-13计算。

- 拉扭联合下扭矩：应变片与轴线成$\pm45^\circ$，半桥或全桥接法，$\gamma=2\varepsilon$（式6-29）。

1. 残余应力测量方法：

- 盲孔法：在工件上钻小孔使应力释放，由孔周围应变计测释放应变量，根据弹性力学原理计算残余应力。精度较高，应用广泛。主应力方向已知时用式6-12；方向未知时用$45^{\circ}$应变花（式6-9）或$60^{\circ}$应变花（式6-13）求解。理论公式法中A、B通过计算得到；试验标定法中$A'$、$B'$通过在拉伸试件上标定获得。当残余应力沿厚度分布不均匀时采用分层钻孔法（式6-21、6-22）。

- 压痕法：利用球形压头产生的压痕外弹性区应变变化计算残余应力。采用电阻应变片为敏感元件，冲击加载制造压痕，通过应变增量获得真实弹性应变。设备为KJS-3+型。打击杆锁扣分3挡，对应不同材料硬度/屈服点。测量步骤：表面准备（确定位置→粗磨→抛光→手工打磨）→应变片粘贴→压痕制造和数据处理。

1. 主轴扭矩测量：

- 原理：主轴上粘贴应变片，将应变片电阻变化转换为扭应力，通过$T=G\gamma_R W_p$计算扭矩。主轴同时承受水推力产生的拉应力，应变片按与轴线成$\pm45^\circ$方向粘贴。

- 关键公式：极惯性矩$I_p=\int_A\rho^2 dA$；扭转截面系数$W_p=\frac{I_p}{r}=\frac{\pi D^3}{16}[1-(\frac{d}{D})^4]$（式6-26）；扭矩$T=\frac{E}{1+\mu}\frac{\pi D^3}{16}[1-(\frac{d}{D})^4]\cdot\varepsilon$（式6-30）。

- 采集装置：现代用蓄电池供电采集仪器和电源模块直接捆绑在主轴上，替代传统引电器。

1. 转轮叶片动应力测量：

- 目的：测量叶片应力大小、分布特性及随负荷变化规律，指导避开动应力较大负荷区域，减少疲劳裂纹。对裂纹叶片可为分析裂纹原因提供技术资料。

- 测点布置：按理论分析选最大应力可能出现的部位，采用$45^{\circ}$应变花；有裂纹则应变片垂直于裂纹布置。

- 采集装置：主轴中心中空机组→采集仪及电源装于主轴轴顶，无线遥控，数字电台实时传输；实体主轴（轴流式）→装置密封装于转轮泄水锥，用两个定时器控制（T1供电、T2启动采集）。

- 信号线防护：防水胶+铜管-铜盖防冲防潮盒结构。

- 试验工况：带负荷试验（空载、$25\%$/$50\%$/$75\%$/$100\%$负荷、启动快速增负荷）；甩负荷试验（$50\%$/$75\%$/$100\%$）。

1. 应力测试结果的分析和评判：

- 全部试验数据与测量结果应列表表示。

- 按公式计算残余应力的大小和方向（盲孔法用式6-9/6-13，压痕法由仪器直接输出$S_1$、$S_2$应力值）。

- 对测量结果进行误差分析。

- 编写检测报告。

2. 掌握

1. 应变片接桥方法及应力计算基本步骤：

- 应变花接桥：采用$45^{\circ}$或$60^{\circ}$应变花，在$0^\circ$、$45^\circ$（或$-60^\circ$）、$90^\circ$（或$60^\circ$）三个方向粘贴，每个角度两根测试线，接入静态应变仪通道1、2、3，单点平衡清零。

- 应力计算步骤：①测量钻孔（或压痕）前后各方向释放应变$\varepsilon_0$、$\varepsilon_{45}$、$\varepsilon_{90}$；②计算释放系数A、B（理论法：$A=-\frac{(1+\mu)a^2}{2r_1r_2}$，$B=\frac{2a^2}{r_1r_2}[\frac{(1+\mu)a^2(r_1^2+r_1r_2+r_2^2)}{4r_1^2r_2^2}-1]$；标定法：由标定试验获得$K_1$、$K_2$，再用$K_1=A'+B'$、$-\mu K_2=A'-B'$换算）；③代入公式：$\sigma_{1,2}=\frac{E}{4A}(\varepsilon_0+\varepsilon_{90})\pm\frac{\sqrt{2}E}{4B}\sqrt{(\varepsilon_0-\varepsilon_{45})^2+(\varepsilon_{90}-\varepsilon_{45})^2}$；④主应力方向：$\tan2\varphi=\frac{\varepsilon_0+\varepsilon_{90}-2\varepsilon_{45}}{\varepsilon_0-\varepsilon_{90}}$。

- 全桥法扭矩计算步骤：①在主轴表面与轴线成$\pm45^\circ$方向粘贴4片应变片组成全桥；②测量扭应变值$\varepsilon$；③计算扭转截面系数$W_p=\frac{\pi D^3}{16}[1-(\frac{d}{D})^4]$；④代入扭矩公式$T=\frac{E\varepsilon W_p}{4(1-\mu)}$。