預應力錨桿疲勞壽命研究

王旺球，李莎莎，王 丹

（1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015；2.湖北三江航天紅林探控有限公司，湖北孝感 432000）

0 引言

高強度預應力錨桿通過與混凝土的錨固自鎖作用和整體預應力張拉技術，確保風機基礎擁有較強的抗拉、抗壓和抗彎能力，從而將風機塔筒緊緊地固定在風機基礎之上，滿足塔筒和風機葉輪工作時產生的復雜載荷工況，為風力發電機組的穩定運行提供安全可靠的基礎保障。風機塔筒和葉輪組成的鋼結構傳至風機基礎的載荷為低頻往復拉伸載荷，在運行年限內各構件都要承受不間斷的數十萬次的往復動載，這一點不同于任何其他土建結構的荷載工況。預應力錨桿均是一次性構件，無法更換，所以對材料力學性能要求甚高，預應力錨桿不僅要滿足在荷載工況下的強度要求，也要滿足疲勞荷載要求。本文以某型預應力錨桿為例，測定錨桿材料的疲勞S-N曲線，計算材料的疲勞極限，同時分析錨桿實際工作載荷，對錨桿產品組成的螺紋連接副進行了疲勞試驗，為錨桿的疲勞壽命設計提供數據支撐。

1 疲勞破壞特點

機械零件疲勞破壞時并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯預兆，而是突然地破壞。即使一個在靜載下有大量塑性變形的塑性材料，在疲勞負荷下也顯示出類似脆斷的宏觀特征。但是疲勞斷裂和脆斷不同，從宏觀斷口上可以看出疲勞裂紋緩慢擴展的過程，呈現貝殼狀條痕，而從微觀的電子斷口金相中可以看出疲勞裂紋尖端有明顯的塑性變形以及裂紋每周擴展的距離。引起疲勞斷裂的應力很低，常常低于靜載時的屈服強度。這是因為疲勞破壞是從局部薄弱地區開始的，這些地區的應力集中很高，這可能是由于缺口、溝槽或零件的幾何形狀而造成的應力集中，或者是由于材料的內部缺陷而造成。疲勞裂紋在局部地區形成后，經過很多周次的循環，逐漸擴展到余下的截面不再能承受該負荷時便突然斷裂。疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發生、擴展和最后斷裂三個組成部分。現今的疲勞測試技術已經能揭示疲勞裂紋擴展的不同階段，伴隨著斷裂力學的引入，在零件設計時，已經可以對疲勞壽命進行預測。

2 錨桿材料疲勞S-N曲線和疲勞極限

2.1 試驗方法

《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》（GB/T 3075—2008）規定了室溫下金屬材料試樣軸向等幅力控制疲勞試驗的方法，可以用來獲取金屬材料的疲勞S-N曲線。S-N法主要要求零件有無限壽命或壽命很長，因而應用在零件受很低的應力幅或變幅，零件的破斷周次很高，一般大于105周次，零件主要只發生彈性變形，亦即所謂高周疲勞的情況。加工標準試樣，設計不同的應力水平進行疲勞試驗時，及不斷降載時，試樣的破斷周次不斷增加，若在某應力下107次仍不斷裂，即可認為此應力低于疲勞極限。對于一般低、中強度鋼，當σ b＜1 400 MPa時，如能經受住107次疲勞試驗而不發生疲勞斷裂，就可憑經驗認為永不斷裂，相應地不發生斷裂的最高應力稱為疲勞極限。

2.2 試驗條件

以某型錨桿為例，在進行疲勞試驗前，依據《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）測試了錨桿的力學性能，試驗結果如表1所示。

表1 錨桿力學性能測試結果

為測定錨桿材料的疲勞性能，依據《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》（GB/T 3075—2008）的要求，加工了一定數量的標準圓形疲勞試樣，測定不同應力幅下的材料疲勞壽命，試樣結構尺寸如圖1所示。根據表1的錨桿力學性測試結果，擬定的應力幅為600 MPa、500 MPa、400 MPa、300 MPa、200 MPa、100 MPa，應力比為-1。選用載荷為300 kN的高頻拉伸疲勞試驗機進行試驗，試驗頻率為80 Hz，試驗溫度為19.5℃～20.6℃，設定1 500萬次的疲勞循環次數，如達到設定的循環次數，試驗自動停止，如未達到設定的循環次數，記錄實際循環次數。

圖1 錨桿疲勞試樣（單位：mm）

2.2 試驗情況

在中鋼集團鄭州金屬制品研究院材料實驗室進行了7組錨桿材料疲勞試驗，試驗情況如表2所示。應力水平為±400 MPa、500 MPa、600 MPa的疲勞試樣在進行疲勞試驗時，試樣有明顯的發熱現象，經受幾萬次或十幾萬疲勞載荷之后，試樣表面變色，試樣斷裂，試驗自動中止，試驗之后的疲勞試樣如圖2所示。應力水平為±100 MPa、200 MPa、300 MPa的試樣在經受1 500萬次疲勞試驗之后，試樣表面完好。根據疲勞試驗結果，繪制錨桿材料疲勞S-N曲線，如圖3所示。

表2 錨桿材料疲勞試驗情況匯總表

圖2 ±600 MPa錨桿材料疲勞試驗情況

圖3 錨桿材料S-N曲線

2.3 試驗分析

由表1可知，錨桿材料的實測極限抗拉強度Su最小為936 MPa，當承受拉壓循環載荷時，由經驗公式可估算其疲勞極限Sf為：

可知在對稱循環（應力比R=-1，平均應力Sm為0的）條件下，應力幅值為327.6 MPa時，錨桿材料的疲勞壽命可達107次，這與錨桿材料的疲勞S-N曲線也是吻合的，說明試驗測試數據可信。

3 螺紋連接副疲勞壽命

3.1 疲勞壽命特點

由于試驗方法的限制，致使S-N曲線以及用它作為疲勞抗力的指標，具有某些局限性，沒有把疲勞裂紋的發生和擴展區別開來，沒能揭示出疲勞裂紋擴展的各個階段，致使對實際零件的疲勞壽命難以作出定量的預測。錨桿和螺母組成的螺紋連接副的疲勞破壞和壽命不同于標準疲勞試樣，這是因為疲勞破壞是從局部薄弱地區開始的，這些地區的應力集中很高，這可能是由于缺口、溝槽或零件的幾何形狀而造成的應力集中，或者是由于材料的內部缺陷而造成，因此對錨桿和螺母實際產品組成的螺紋連接副進行疲勞試驗。

3.2 錨桿載荷分析

以某型風機基礎為例，錨桿的初始預應力為660 kN，在各種工況下，錨桿的拉伸載荷如表3所示。

表3 各種工況下的錨桿拉伸載荷

3.3 試驗測試條件

為測定錨桿產品螺紋連接副的疲勞性能，設計制造專用工裝夾具，加工長度為600 mm長的錨桿，兩端螺紋長分別為200 mm，根據表3所示的錨桿載荷分析結果，選定不同的應力水平，測定錨桿產品螺紋連接副在規定應力幅下的疲勞壽命，試驗原理如圖4所示。選用載荷為1 000 kN的低頻拉伸疲勞試驗機進行試驗，試驗頻率為6 Hz，試驗溫度為19.5℃～20.6℃，設定200萬次或1 000萬次的疲勞循環次數，如達到設定的循環次數，試驗自動停止，如未達到設定的循環次數，記錄實際循環次數。

圖4 錨桿產品螺紋連接副疲勞試驗原理（單位：mm）

3.4 試驗結果與分析

在中鋼集團鄭州金屬制品研究院材料實驗室采用低頻疲勞試驗機進行錨桿產品螺紋連接副進行疲勞試驗，共進行了6組試驗，試驗結果如表4所示。

表4 錨桿螺紋連接副低頻疲勞試驗情況

從表4可以看出，其中試驗序號1和試驗序號5的疲勞試驗疲勞應力水平為(470±110) MPa和(450±40) MPa，在經受104萬次、110萬次疲勞載荷之后，錨桿螺紋處斷裂，螺母完好，如圖5所示。兩組試驗的錨桿螺紋處疲勞斷口如圖6所示，可以看到，疲勞斷口明顯地分為兩個區域：較為光滑的裂紋擴展區和較為粗糙的斷裂區。裂紋形成后，交變應力使裂紋的兩側時而張開時而閉合，相互擠壓反復研磨，光滑區就是這樣形成的，載荷的間斷和大小的變化，在光滑區留下多條裂紋前沿線，至于粗糙的斷裂區，則是最后突然斷裂形成的。

圖5 錨桿螺紋連接副疲勞斷口位置

圖6 錨桿104萬次和110萬次斷裂后的疲勞斷口

以試驗序號1所述的應力水平為例，結合疲勞試驗測試的設定條件，根據實測錨桿材料的疲勞極限，可由經驗公式計算疲勞壽命：

式中：m為系數，m=7.314；Su為材料的抗拉極限強度，Su=936 MPa；Sf為材料的疲勞極限強度，Sf=327 MPa。

計算得N=101萬次，與試驗結果104萬次吻合。

錨桿產品螺紋連接副在(450±20) MPa的應力水平下，可以經受200萬次或1 000萬次的疲勞載荷，說明錨桿風機基礎實際工況下能夠達到1 000萬次的疲勞壽命，可以滿足風機基礎的總壽命要求。(450±40) MPa的兩組疲勞試驗，其中一組試驗在110萬次試驗時試樣斷裂，另一組在經受200萬次試驗后試樣表面正常，說明該種應力水平下的疲勞壽命具有不穩定性，與錨桿產品螺紋加工狀態和表面質量等因素有關，錨桿在該種載荷下長時間運行存在一定風險。

4 結論

本文針對預應力錨桿的使用工況，首先測定了錨桿材料的疲勞S-N曲線，得到了材料的疲勞極限，并針對錨桿產品螺紋連接副進行了疲勞試驗，結論如下：

1）錨桿材料疲勞試驗表明，錨桿材料的疲勞極限約為300 MPa，與理論計算值327.6 MPa十分吻合。

2）錨桿產品螺紋連接副，在應力水平450±20 MPa的工況下可以經受200萬次或1 000萬次的疲勞載荷，說明錨桿在風機基礎實際工況下可以達到1 000萬次的疲勞壽命，可以滿足風機基礎的總壽命要求。

3）疲勞試驗結果表明，預應力錨桿必須首先保證材料力學性能要求，且有一定余量。預應力錨桿施工時，必須嚴格控制張拉力，其初始預應力一般不得超過公稱規定非比例延伸強度Rp0.2的70%。

4）錨桿產品螺紋連接副的疲勞斷裂試驗表明，應嚴格控制錨桿原材料表面質量，零件表面不得有裂紋、結疤、折疊及夾雜等缺陷，原材料應進行探傷。

5）本文所述的疲勞試驗方法可用于預應力錨桿或類似結構的疲勞壽命預測和疲勞性能評估。