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2低温对主要机械部件的影响及改进措施
客观上因为低温的应用范围毕竟有限,此类设备的经验和知识远没有常温和高温环境那样受到广泛的关注。不同种类的零部件受低温的影响是不同的,对于金属机件应根据承受载荷的形式予以区别对待。例如传动系统中的齿轮箱、主轴等,承受冲击载荷,这类零部件需重点防止低温时的脆性断裂,提高材料和机件的多次冲击抗力。材料的化学成分、冶炼方法、晶粒尺寸、扎制方向、应变时效以及冶金缺陷等是影响冲击韧度和冷脆转变温度影响的主要因素,需要在设计时认真对待。采取适当的热处理方法(淬火+回火)能显著提高材料多冲抗力、避免应力集中,表面冷作硬化和提高零件的表面加工质量等措施均能提高多冲载荷下的破断抗力。
当然避免在低温情况下出现较大的冲击载荷也是非常关键的,例如在风速较高时机组频繁投切启动,紧急制动等工况对机组的影响是非常不利的,应在设计上采取措施降低此类情况发生的概率。承受循环载荷的部件如机舱底板和塔架,一般是大型焊接件,此类零件在高寒地区环境温度下存在低温疲劳问题。大量试验结果表明,几乎所有的金属材料的疲劳极限均随温度的降低而提高,且材料的缺口敏感性增大。因此焊缝将成为影响低温疲劳强度的关键环节。焊缝的抗疲劳能力主要取决于焊接质量和焊缝型式,如果焊缝中存在大的缺陷,非常容易引起低温脆断破坏。根据这个观点,在考虑低温型塔架的设计选材时,如果过分强调材料的低温冲击性能,选择D等级甚至E等级的钢,而焊缝仍按常规设计处理的话,很难说能达到希望的结果。这种过高地追求韧性而采用价格贵的钢种显然不经济。实际上在我国低合金结构钢16Mn及Q345C(GB/1591—1994)低温性能和焊接性能好,用途广泛、能大批量生产、质量稳定可靠,已广泛应用在重要的大型焊接结构和设备上。
选择这个等级的钢材制作塔架等结构件能够满足我国低温环境的要求,但应针对焊缝采取必要的防止低温脆断技术措施,包括避免焊缝应力集中,采取预热和焊后热处理改善焊缝、热影响区、熔合线部位的性能,避免未焊透,加强无损探伤检验、定期检查等技术措施,保障设备的安全工作。
复合材料如玻璃纤维增强树脂具有较好的耐低温性能,选用适合低温环境的结构胶生产叶片,就能满足叶片在-30℃运行的要求。但是需要注意由不同材料制作的机构,由于热膨胀系数不同,常温状态下装配正常,但在低温时配合状态会发生变化,可能影响机构的正常功能,需要在设计时予以充分考虑。
一般电子电气器件功能受温度影响较大,选用耐低温的元器件成本昂贵甚至无法做到。但可以采取在柜体内加热,保持局部环境温度的方法,实践表明这一方法简单有效。
风力发电机组所使用的油品受到温度的影响也比较大。一般要求润滑油在正常的工作温度条件下需具备适当的粘度以保持足够的油膜形成能力,但另一方面温度越低,油的粘度越大。例如目前普遍采用的Mobilgear SHC XMP320润滑油,40℃粘度为320cSt,倾点-38℃,低温时油的流动性很差,机组在这种情况下难以运转,需要润滑的部位可能得不到充分的润滑油供给,这会危及设备的安全运行。可以通过加热使油温维持到正常水平。若采取直接加热方式需采取措施使被加热油保持流动,否则加热效果不均匀,可能造成其他不利影响。
基础需要考虑的低温影响主要是冻土问题。冻土中因有冰和未冻水存在,故在长期载荷下有强烈的流变性。长期载荷作用下的冻土极限抗压强度比瞬时载荷下的抗压强度要小很多倍,且与冻土的含冰量及温度有关,这些情况应在基础设计施工时进行考虑。冻土层基础的要求可参考JGJI18—98(冻土地区建筑地基基础设计规范》。
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