材料力學(xué)在電力工程中的應(yīng)用探討

孫皆宜

電力工業(yè)是國家的基礎(chǔ)工業(yè)，是國家的第一、二、三產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著國家強(qiáng)國戰(zhàn)略的發(fā)展，“一帶一路”成為電力行業(yè)發(fā)展的新目標(biāo)。而電力行業(yè)的發(fā)展需要對設(shè)備材料有著更高的要求，材料力學(xué)則在該工程領(lǐng)域有著不可替代的作用。本文從材料力學(xué)與電力工程的宏觀聯(lián)系及微觀實(shí)例，對材料力學(xué)在電力工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的探討，分析了材料力學(xué)對解決電力工程建設(shè)的必要性。

1 材料力學(xué)與電力工程的現(xiàn)狀

改革開放四十年以來，我國在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面得到了長足的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)能力得到了大幅度的提高?；A(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐條件有著顯著的改善。隨著我國建立起比較完善的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展體系，完善的電力工業(yè)體系在一定程度上為國家經(jīng)濟(jì)的健康、穩(wěn)定劑較快幅度的增長提供了充足的保障。

作為國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力源泉，電力工程自然而然的成為了發(fā)展的支柱。目前我國的電力行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了并行電網(wǎng)、超大電力基地、大型發(fā)電機(jī)組、高壓、超高壓輸電、智能化控制的新時(shí)代。然而，我國整體電力發(fā)展還存在較多的不足之處。例如，我國電力能源結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，火電比重較高，造成了一定程度上的資源緊張及環(huán)境污染;電力生產(chǎn)的主要技術(shù)指標(biāo)也與國際發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平有著較大的差距，例如，清潔能源發(fā)展較慢，電力調(diào)峰能力欠缺，調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性較差，智能電網(wǎng)落后等等。

電能的傳輸媒介、電力設(shè)施等的發(fā)展涉及到基礎(chǔ)材料的優(yōu)劣，更和材料的應(yīng)用離不開關(guān)系。而材料力學(xué)材料力學(xué)（mechanics of materials）是研究相關(guān)領(lǐng)域的材料在一定的外應(yīng)力的影響下產(chǎn)生的形變、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、均勻性、剛度、各向同性等因素導(dǎo)致材料性質(zhì)發(fā)生變化的極限，這對于發(fā)電設(shè)備的建設(shè)，電力的高壓、特高壓輸送、風(fēng)能等清潔能源的發(fā)展有著基礎(chǔ)性的根基作用。人類對于物理力學(xué)的認(rèn)識、了解一直可以追溯到史前文明時(shí)期。在我國古代和部分西方文明中就已經(jīng)有關(guān)于力學(xué)的研究啟蒙。而在電力工程研究建設(shè)領(lǐng)域，材料力學(xué)也起著極其重要的作用。

2 材料力學(xué)對電力工程的作用與影響

電力工程主要包括電力的生產(chǎn)、輸送、分配等。在電力從產(chǎn)生到使用的每一個(gè)環(huán)節(jié)必須保證機(jī)械結(jié)構(gòu)和工程材料在允許的不確定度內(nèi)保持相應(yīng)的性能，即構(gòu)件應(yīng)用足夠的強(qiáng)度承擔(dān)起所受的負(fù)荷強(qiáng)度。因此，工程人員常常運(yùn)用材料力學(xué)評估分析相應(yīng)的構(gòu)件有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，即在規(guī)定的載荷作用下，其應(yīng)該有足夠的抵抗破壞的能力。在電力的遠(yuǎn)距離高壓、超高壓輸送過程以及用于架設(shè)高壓電線線路的鐵塔、用作通訊機(jī)站、各類通信信號以及微波站信號的傳輸?shù)鹊鹊男盘査?，其建設(shè)規(guī)劃、原材料的選擇都需要材料力學(xué)來計(jì)算評估相應(yīng)的剛度要求，即構(gòu)件應(yīng)該有規(guī)定的足夠抵抗形變的能力，即使構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度，但若變形過大，則會(huì)引起潛在單位安全隱患。例如，水電以及部分的風(fēng)電的發(fā)電機(jī)組，其渦輪發(fā)電扇葉的傳動(dòng)軸承形變?nèi)舭l(fā)生較大的改變，會(huì)導(dǎo)致軸承傳動(dòng)軸和外壁的貼合不良，進(jìn)而影響了構(gòu)件的精度，引起部分振動(dòng)及降低能效。穩(wěn)定性要求就是指構(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。

目前國內(nèi)的主要電能來源是水電，而將水流能量轉(zhuǎn)換為電能的主要?jiǎng)恿υO(shè)備為水輪發(fā)電機(jī)組。水電站水輪發(fā)電機(jī)組的每一個(gè)構(gòu)件均直接關(guān)系到發(fā)電站的效能安全。而水輪機(jī)組的卡環(huán)質(zhì)量及其安裝則是整套設(shè)備的關(guān)鍵。

水輪發(fā)電機(jī)組的密封環(huán)套一般軸向荷載 （ N ） 為 1450 kN，密封環(huán)套材料的最大可承載的切應(yīng)力一般為 [c] = 80 MPa，最大允許擠壓應(yīng)力一般可以達(dá)到 0.15 KMPa，我們用材料力學(xué)來計(jì)算評估該水電設(shè)備用密封環(huán)套的強(qiáng)度：

剪切面 AS = π * 380 * 40 * 10^-6

c = 1450 * 103 / （ π * 380 * 40 * 10^-6） = 30.3 MPa < [c]，

因此材料的剪切面是安全的。

對于擠壓面 Abs = π * （ 380²- 320²） * 10^-6/ 4 = 33.1 * 10^-3m²，

d = 1450 * 10³/ （ 33.1 * 10^-3） = 44 MPa < [d]，

因此對于卡環(huán)的擠壓面也是合格的。

3 材料力學(xué)在工程領(lǐng)域的必要性

若構(gòu)件尺寸形狀不合理、段界面面積尺寸不足、或者材料選用不當(dāng)，都會(huì)造成發(fā)電、輸電設(shè)備的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的缺陷，從而導(dǎo)致電力工程結(jié)構(gòu)的安全隱患。相反，也不能不合時(shí)宜的片面加大橫截面積尺寸或者更改電力設(shè)備的材料，這樣即使?jié)M足了設(shè)備的性能及安全要求，但卻消耗了過多的原材料，增加了材料成本，造成整體設(shè)備成本的增加。而電力行業(yè)的發(fā)展需要對設(shè)備材料有著更高的要求，材料力學(xué)則在該工程領(lǐng)域有著不可替代的作用，因此，材料力學(xué)的任務(wù)就是在滿足電力設(shè)備在相應(yīng)的參數(shù)不確定度范圍內(nèi)，為設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的電力設(shè)備構(gòu)件提供了簡單有效的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，今后還應(yīng)從材料力學(xué)與電力工程的宏觀聯(lián)系及微觀實(shí)例，對材料力學(xué)在電力工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的探討，分析材料力學(xué)對解決電力工程建設(shè)的必要性。

綜上而言，材料力學(xué)的任務(wù)就是在滿足電力設(shè)備在相應(yīng)的參數(shù)不確定度范圍內(nèi)，為設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的電力設(shè)備構(gòu)件提供了簡單有效的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，今后還應(yīng)從材料力學(xué)與電力工程的宏觀聯(lián)系及微觀實(shí)例，對材料力學(xué)在電力工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的探討，分析材料力學(xué)對解決電力工程建設(shè)的必要性，為今后的材料力學(xué)和電力工程奠定良好、穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

（作者單位：唐山學(xué)院）