外文翻譯--振動故障分析中的微動磨損軸模擬器 中文版

1 英文翻譯譯文 振動故障分析中的微動磨損軸模擬器 Young-Ho Lee *, Jae-Yong Kim, Hyung-Kyu Kim 韓國原子能研究所， 150 Dukjin-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-353,，出版于韓國。 文章信息 文章歷史：收到 于 2008 年 7 月 11 日 接受 于 2008 年 8 月 1 日 公布于 2008 年 8 月 15日 摘要 最近，微動磨損模擬器的開發(fā)，以評估微動磨損行為在高溫和高壓（高溫高壓）水條件的核部件。經(jīng)過 500h 后的測試，但是，兩個振動中 4 人骨折，其 中軸被連接到一個試樣座使用螺栓夾具。斷裂表面研究同時使用光學顯微鏡（ OM）和掃描電子顯微鏡（ SEM）來確定未能啟動和故障模式。據(jù)發(fā)現(xiàn)，在一開始的失敗接觸區(qū)域之間的振動軸與夾具的燃料棒持有者和疲勞裂紋雖然它是傳播很難證明這一點得出結論，由于重氧化斷裂面。近地點的失敗，但是，螺紋孔受到反復加載到一個事實，即由于持有的試樣夾具進行了圓周運動模擬一個振動的議案。這表明，軸振動故障導致從腐蝕疲勞現(xiàn)象的原因進行了微動測試在高溫度（ 320 C）和蒸餾水加壓（ 15 兆帕）的條件。本文這次的失敗和斷裂機理，揭示和討論的原因利用 光學顯微鏡和掃描電鏡表面的失敗結果和接觸應力分析地區(qū)之間的振動軸與試樣座夾具。最后，上述結果被應用到振動軸的設計變更 . 2008 年愛思唯爾版權所有 1簡介 機械結構的材料在極端環(huán)境退化破壞現(xiàn)象經(jīng)常在各種行業(yè) 中被 報告。這些例子之一，是核電廠（核電站）。一般而言，核電廠的運作 在 高溫度（ 320 丙），壓水（ 15 MPa）和放射性環(huán)境。 這種狀況 在 材料降解過程 中 必然導致如腐蝕，疲勞，輻照脆化，蠕變等 現(xiàn)象 。另一嚴重 的 結構材料的降解情況被稱為由于 主副 冷卻劑 導致的 流激振動相對細長結構（ FIV），它在微動細長的損害結果之間快 速流動速度結構及其支持結構。這些種類的微動 已經(jīng) 損傷主要成分如對核電站的核燃料棒，蒸汽發(fā)生器（ SG）的管和控制棒 1。在這些項目中，我們實驗室以研究和開發(fā)微動磨損機制和無缺陷的燃料組件（法）， 對核燃料棒微動磨損現(xiàn)象進行調(diào)查，一般來說， 燃料組件 由 若干 16x17 或 17x 16 的 核燃料棒 組成 ，其中外徑 9.5 毫米， 0.6 毫米壁厚 ， 約 1 4 米長度。由于受主冷卻劑的 FIV的現(xiàn)象，這些細長的燃料棒可以很容易地震動，因此，他們是幾 個 格架結構，如圖 1 所示的支持。每間隔電網(wǎng)結構單元由兩個彈簧 和 4 個韌窩 。因此，核燃料棒依賴于一 定 量的 的 彈簧來保證 它的形狀和剛度。根據(jù)一項在高溫條件下核電站運行 的資料， 由于彈簧放松 ， 燃料之間的接觸力 桿和彈簧 /韌窩 正逐漸下降，此外， 由于 發(fā)車間彈簧 /韌窩 輻照脆化 ， 彈簧剛度也逐漸增加 。 盡管 彈簧 是運作在其最初的 階段 ， 但 對接觸面比較小幅度下滑燃料棒是不可避免的產(chǎn)生 。 下一個嚴重的 FIV 條件 ， 接觸力正逐步下降，最后，打開了一個缺口。該微動磨損模式可以改變，由隨滑動磨損營運的撞擊磨損手段時間 決定 。另一個重要的一點是，由于一個接觸條件變化的燃料棒 ， 核燃料棒的振動特性也發(fā)生了 2 變化 。 因此，研究核燃料微動磨損機理棒核電站的運 行條件是相當困難的 。 Y.-H. Lee 等人。 /工程失效分析 16（ 2009） 1238-1244 1239 圖 1 一個核燃料組件， 16x16 或 17x 17 燃料棒，并組成若干格架組裝示意圖 一 臺 微動磨損試驗機（ FRETONUS， FRTtting 核系統(tǒng)測試儀）的高溫高壓水條件垂直類型發(fā)展以評估核部件微動磨損性能 2。經(jīng)過 500h 后的測試，但是，兩個振動其中有四個軸斷裂，其中連接到試樣座使用，如圖 2 所示螺栓夾具。有必要評估其失敗的原因，以及改善振動軸的設計，長期試驗以確認可靠性微動磨損。在這項研究中，對于失敗和斷裂機制的原因，揭示并討論了利用光學顯微鏡和掃描電鏡對振動軸斷口微維氏硬度和測量應力分析的結果。最后，上述結果應用到振動軸的設計變更 中去。 3 圖 2 在高溫高壓水條件試驗 500h 后， 振動棒試樣座軸與夾具和振動軸之間 斷裂的組裝方法示意圖 2。斷口分析 2.1 光學顯微鏡觀察 振動軸是一個傳統(tǒng)的高碳馬氏體不銹鋼 做 出（技能提升計 440C），用于廣泛的工具或刀片在相對腐蝕性氣體使用 3。材料的化學成分和力學性能列于表 1。圖 3 顯示了對振動軸斷裂面 分析 的結果。由于高溫高壓的條件下，斷裂表面氧化嚴重，而且很難通過光學顯微鏡觀察金相獲得證明。然而，預計該故障是在一軸和振動之間的接觸區(qū)，因為這兩個部分是通過使用一個如圖 2 所示螺栓裝配在微動磨損測試中， 4 軸的振動回 旋 在軸向方向為 200 m， 頻率 30 赫茲， 在一個 90 度角 的 排列執(zhí)行器 上 。要生成一個圓周運動對燃料棒樣本是作為一個實際經(jīng)營核電站的燃料桿振動仿真視為保守，該執(zhí)行器的兩個信號波形正弦震動相位差設置為 90 度，如圖 4 所示。試樣的燃料棒振動 的 圓周運動，與燃油棒振動槽夾具持有人的接觸區(qū)預計經(jīng)歷疲勞載荷。一般來說，如果是結構材料的疲勞加載條件下裂隙 ， 條紋痕跡是明顯的疲勞破壞可以找到證據(jù)表面上很容易斷裂，。但是用掃描電鏡 對 氧化振動軸斷裂面進行了洗牙檢查，可以預期沒有任何痕跡的條紋，消除氧化過程（如酸洗）。 2.2 硬度變化 SEM 觀察之前，有必要審查振動軸力學性能的變化，因為它被暴露在高溫 高壓水條件在500h 后測試。因此，一個軸斷裂的振動微維氏硬度測量，其結果如圖 5 所示。很明顯，微維氏硬度值根據(jù)振動軸暴露溫度增加。這一結果符合很好地與回火溫度體外對力學性能的 SUS 440C 4。在這項研究中，高碳馬氏體不銹鋼有可能保留大量的未轉奧氏體。據(jù)認為，可能會出現(xiàn)延遲轉變溫度波動在幾個微動磨損試驗，因為在 320 度的條件下實驗 500 h 測試振動軸的材料對紓解壓力的影響甚微。此外，它有可能 發(fā)生 氫脆 現(xiàn)象影響 4 其塑性。就是 在熱處理 中導致 馬氏體不銹鋼含有 的 氫 元素以 蒸餾水 的形式散發(fā) 。 化學成分（重量） C Mn Si P S Cr Mo Fe 1.0 1.0 1.0 0.04 0.03 17 0.75 Bal 機械性 能 屈服強度 抗拉強度 伸長率 彈性模量 密 度 泊松比 1280 Mpa 1750 Mpa 4% 200 Gpa 7.8g/cm 0.3 圖 3 奧姆結果為振動軸斷裂面：箭頭指示的預期裂紋萌生區(qū)域。 Y.-H. Lee 等人。 /工程失效分析 16（ 2009） 1238 年至 1244 年 5 圖 4 通過使用兩個驅(qū)動電磁在 FRETONUS：注意執(zhí)行器，該議案是善變的燃料 棒由燃料棒機制調(diào)整振動的振幅和相位兩個驅(qū)動器之間的差異。 圖 5 測量結果的微維氏硬度根據(jù)暴露溫度的振動軸。 2.3 SEM 結果 圖 .6 顯示了用電 子顯微鏡 鏡掃描 的 斷口形貌。 很明顯，斷裂面幾乎覆蓋 了 氧化物，這是很 難以察覺的痕跡，如條紋的疲勞破壞的證據(jù)。從仔細 觀察 結果，條紋痕跡出現(xiàn) 在 外表面。 另外，裂紋擴展跟蹤被發(fā)現(xiàn) 振動軸與夾具的燃料棒 之間 ，即使其特點不能確定接觸區(qū) 由于在高溫高壓水條件嚴重氧化。 有趣的結果之一是，撞擊磨痕出現(xiàn)在振動軸斷裂面。這一結果意味著，影響兩者之間的磨損斷裂 表面因為 斷裂 振動軸不斷 來回 運動 ， 無軸驅(qū)動器故障。 因此，預計疲勞條紋痕跡已經(jīng)消失，被覆蓋受沖擊磨損議案和磨損碎片嚴重氧化，分別。因此，振動軸故障預計將發(fā)起一個在接觸區(qū)域的接觸疲勞的接觸力，然后由 boltscrew 的壓力，將逐漸減少。此時，初始裂紋擴展逐漸遲緩和接觸條件軸之間的振動和燃料棒 之間 將改為夾具，如圖 7 所 示 。因此，有必要審查 通過使用新的裂紋應力分析，這可能驗證了該振動軸的最大應力區(qū) 在一個圓周運動 的啟動區(qū) 。 3 應力分析 為了分析軸的振動的應力分布，在新的裂縫 進行了 有限元模型 分析 ，直徑 10 毫米，長度 233.5 毫米通過使用商用三維 建模， SolidEdge 創(chuàng)建 如圖 9 所示。 氣缸的約束在左側位移為 0.2 毫米， 在右邊 與連通區(qū)域 電磁致動器是固定的。 4 個節(jié)點的線性四面體分子的振動軸的有限元模型中使用包括約 10,100 47,200 節(jié)點和元素。所使用的彈性模量，屈服強度，密度和泊松 比 提升計劃 440C 比例列于表。 1。商業(yè)代碼， ABAQUS 的標準版本。 6.6-3 5，是 使用后處理的模式，以計算出振動軸馮 - Mises 應力。 在振動軸馮 - Mises 應力分布表明，高濃度的壓力在目前的螺紋孔和邊緣作為如圖 9 所示側外表面。特別是，面對經(jīng)橫向應力的 大小約 640 兆帕斯卡。 該值是對振動軸的屈服應力的一半。據(jù)認為，這 是 高應力集中 受諸多因素影響的有限元分析保守的邊界條件。 因此， 電鏡掃 6 描觀測揭示了 應激的立場 濃度與裂縫產(chǎn)生痕跡 的關系 。 根據(jù)這一結果， 修改振動軸的設計，以減少接觸面之間的應力集中 ，增加疲勞壽命周期。 4 摘要 使用電子顯微鏡掃描有機物的微維氏硬度和有限元分析 來 調(diào)查模擬器中的微動磨損軸振動故障原因 。 由于大量氧化斷口以及兩者之間的斷裂面磨損沖擊失敗后，很難利用光學顯微鏡觀察獲得金相證明 然而，失敗是預期開始在振動軸之間的接觸區(qū)和燃料棒夾具持有人的疲勞載 荷條件下。軸的振動故障，預計將在啟動接觸疲勞在接觸區(qū)域的接觸力，然后由一個螺栓螺釘?shù)膲毫?，將逐漸減少。后初始裂紋擴展逐漸遲緩，對在新的裂紋萌生接觸條件的結果改變一個側面 外表面。從有限元分析結果 ， 掃描電鏡觀測顯示了在應力集中的位置與裂縫產(chǎn)生良好的痕跡。在此基礎上修改對振動軸的設計，以減少應力之間的接觸面和它的螺紋孔大小的降低，增加疲勞壽命 鳴謝 這項研究下進行核研發(fā)計劃 的韓國 科學技術部 參考 文獻 1 費舍爾新澤西州，韋克韋特旺角，格蘭迪森大雨，科特納姆骨髓。微動磨損的鋯合金。 Nucl 工程德 2002 年 ； 213:79-90。 2 金港幣，李一匯， Ryew 平方米，金甲烷，金榮譽勛章。發(fā)