非接觸測量技術在葉根應力測試中的應用

黃小波，王敬

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

非接觸測量技術在葉根應力測試中的應用

黃小波，王敬

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

由于葉根形狀和應力分布的復雜性，傳統的應變片測試技術難以滿足葉根應力測試的要求。文章介紹了非接觸式測量技術包括電子散斑和應變全場掃描技術的試驗方法，并測量了某樅樹型葉根在給定載荷下的應力分布。試驗結果表明，非接觸式測量技術能很好地滿足葉根應力測試的要求。

非接觸，電子散斑，全場掃描，應力測試

0　引言

葉片根部是連接動葉片和轉子的結構，在汽輪機運轉時，承受很大的離心力。為了保證機組的安全性，需重點考慮葉根處的應力場。樅樹型葉根因其較大的承載力而在大功率汽輪機中廣泛應用，但由于樅樹型葉根型線復雜，圓角過渡和接觸面較多，其應力分布情況較復雜，傳統的接觸式測量方法諸如應變片測試技術難以達到要求，而非接觸式的測量方法由于其強大的應變掃描能力，能很好地用于葉根試件的應力場測試。本文采用非接觸式的電子散斑干涉技術和應變全場掃描技術相結合的方法，全面測試了某樅樹型葉根的應力場分布情況，并與傳統的應變片測試技術進行了對比。

1　試驗方法介紹

樅樹型葉根應力場測試時需要重點考慮的區域包括頸截面和葉根齒的應力分布［1］。葉片工作時承受的離心力通過中間體均勻化后直接作用于葉根各頸截面，其主要承受單向拉伸應力，應力曲線較為平滑，可以采用傳統電測技術，通過粘貼多個單向應變片來測試，從而推算應力場分布。而葉根齒由于其尺寸較小，對應變片要求較高，受到應變片大小和粘貼位置的限制，而且過渡圓弧較多，應力集中明顯，接觸狀態復雜，難于判斷主應力方向，傳統接觸式測量較難實現，采用非接觸式測量方法則能全面地測量分析葉根試件的應力場，主要包括電子散斑干涉技術和應變全場掃描技術。

電子散斑干涉技術［2］是由散斑探頭發射四束激光照射待測表面，運用光的干涉和相位變化，依次采用攝像頭記錄下物體變形前后的散斑圖，并通過實時相位處理，得到測試部件的應力場，該技術測試精度高，主要用于非接觸式和全場的應力應變測試，但掃描區域較小。對于樅樹型葉根的測試，電子散斑技術能精確測量各個齒處的應力場，由于其掃描區域的限制，每個齒只能單獨測量。

非接觸式應變全場掃描技術 （DIC）［3］通過2個攝像頭等時間間隔地采集和保存試件變形過程中的數字圖像信息，再利用圖像分析軟件像素化圖像中位于試件表面測量區域內的特征點并定位，通過追蹤計算這些特征點在加載過程中的位置變化，進一步計算出所有特征點在加載過程中的位置變化和所代表試件表面測量點的變形量，從而得到測試系統的三維應變場，該技術能獲得全場的三維型面、位移和應變結果，掃描范圍大，能一次測量葉根的全場應力分布，但精度較低，僅為50 με。

2　測試系統

應變測試加載裝置采用電子萬能材料試驗機，該試驗機的最大載荷為400 kN，其誤差為示值的±0.5%，上下夾頭約束面積為100 mm×100 mm。

電子散斑技術采用Q-100型電子散斑測試與分析系統，其光學探頭有效面積為 35 mm×25 mm，測量精度為5～20 με，如圖1（a）所示；非接觸式應變全場掃描技術采用GOM公司的ARAMIS光學應變測量系統進行，其相機分辨率為1 624×1 236，掃描面積從平方毫米到平方米級，測量精度為50 με，如圖1（b）所示。

圖1　應變測試系統圖

3　測試過程

本次試驗首先采用傳統的應變片測試技術測試了葉根各頸截面的應力分布，然后采用電子散斑干涉技術分別測試各圓角的應力分布，最后采用應變全場掃描技術測試了整個葉根區域的應力分布。整個試驗過程如下：

（1）安裝葉根試件于拉力機上，調整好加載裝置；

（2）試件加載至50 kN，然后卸載至0 kN，消除剛體位移并盡量保證加載對稱；

（3）利用傳統應變測試技術測試各頸截面在給定載荷下的應力分布；

（4）電子散斑測試，先用白色涂料噴涂待測表面，保證試件表面的反射性，將探頭中心對準測試區域并固定，記錄初始圖像而后進行加載，按照一定的加載速度加載，同時采集干涉條紋；

（5）全場掃描測試，先用黑、白兩種顏色的微小散點處理掃描表面，并用模板進行系統標定，隨后采用合適的速度進行加載，并用圖像采集系統進行同步圖像采樣；

（6）數據處理，得到應力場分布。

4　試驗結果及分析

圖2為頸截面測試結果，其中圖2（a）為電子散斑測試結果，因電子散斑掃描范圍較小且頸截面中部應力較小，安全性高，所以在電子散斑測試時未測量頸截面中部；圖2（b）為全場掃描得到的全場應變分布；圖2（c）為傳統應變片測試結果。電子散斑測試結果表明葉根各頸截面中第一頸截面靠近圓角處應力最大，為597 MPa，且電子散斑和傳統電測測試結果較吻合；從全場掃描測試結果中發現，頸截面處應力遠小于各工作齒上的擠壓面處應力，說明葉根上的薄弱環節為葉根齒，應重點關注其應力分布。

圖2頸截面測試結果

圖3（a）為電子散斑測試得到的承受最大擠壓應力的葉根齒應力分布，所有葉根齒中第一對齒應力最大，最大值達到776 MPa，遠高于頸截面各處拉應力，驗證了全場掃描測試的正確性。圖3（b）為全場掃描技術得到的各葉根齒處擠壓面應變數據，計算得到最大應力約為630 MPa，位于第一對齒的2個工作面。

圖3　葉根齒測試結果

5　結論

本文以某樅樹型葉根試件為例，采用電子散斑和全場應變掃描技術2種非接觸式應變測試技術，全面地分析了葉根試件在離心力載荷作用下各頸截面和接觸齒處的應力分布，并與傳統應變片測試技術進行了對比，結果正確，表明這2種非接觸式應變測試技術能較好地應用于復雜的葉根應力測試試驗中。

［1］中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊：第二卷［M］.北京：機械工業出版社，2007

［2］翟棟，何斌.基于電子散斑干涉的樅樹型葉根應力場測試技術［J］.東方汽輪機，2013，（2）：6-10

［3］王磊，謝里陽，張丹，李兵.基于ARAMIS的攪拌摩擦焊焊接件拉伸試驗分析 ［J］.焊接技術試驗與研究，2008，（6），15-17

Application of Non-contact Measurement Technology in Blade Root Stress Test

Huang Xiaobo，Wang jing

（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Traditional strain gauge test technology is difficult to meet the requirement of blade root stress test as the complexity of the structure and stress distribution.The non-contact measurement technology including the electronic speckle and the strain whole-filed scanning technique is presented in this paper.And with these technologies，the stress distribution of a fir-tree root under given load is measured.The result shows that the non-contact measurement technology can be good to meet the requirement of blade root stress test.

non-contact，electronic speckle，whole-filed scanning，stress test

TH3

B

1674-9987（2015）02-0053-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.011

黃小波 （1979-），男，工程學士，2004年7月畢業于蘭州理工大學機械設計制造及其自動化專業，現在東方汽輪機有限公司從事產品設計及標準化工作。