材料力学在电力工程中的应用探讨

孙皆宜

电力工业是国家的基础工业，是国家的第一、二、三产业可持续发展的重要保障。随着国家强国战略的发展，“一带一路”成为电力行业发展的新目标。而电力行业的发展需要对设备材料有着更高的要求，材料力学则在该工程领域有着不可替代的作用。本文从材料力学与电力工程的宏观联系及微观实例，对材料力学在电力工程中的应用进行了一定的探讨，分析了材料力学对解决电力工程建设的必要性。

1 材料力学与电力工程的现状

改革开放四十年以来，我国在国民经济发展和基础设施建设方面得到了长足的发展，工业生产能力得到了大幅度的提高。基础设施和基础产业的长足发展，使经济发展的支撑条件有着显著的改善。随着我国建立起比较完善的国民经济发展体系，完善的电力工业体系在一定程度上为国家经济的健康、稳定剂较快幅度的增长提供了充足的保障。

作为国家经济社会发展的动力源泉，电力工程自然而然的成为了发展的支柱。目前我国的电力行业已经进入了并行电网、超大电力基地、大型发电机组、高压、超高压输电、智能化控制的新时代。然而，我国整体电力发展还存在较多的不足之处。例如，我国电力能源结构有待优化，火电比重较高，造成了一定程度上的资源紧张及环境污染;电力生产的主要技术指标也与国际发达国家的先进水平有着较大的差距，例如，清洁能源发展较慢，电力调峰能力欠缺，调峰经济性较差，智能电网落后等等。

电能的传输媒介、电力设施等的发展涉及到基础材料的优劣，更和材料的应用离不开关系。而材料力学材料力学（mechanics of materials）是研究相关领域的材料在一定的外应力的影响下产生的形变、结构强度、均匀性、刚度、各向同性等因素导致材料性质发生变化的极限，这对于发电设备的建设，电力的高压、特高压输送、风能等清洁能源的发展有着基础性的根基作用。人类对于物理力学的认识、了解一直可以追溯到史前文明时期。在我国古代和部分西方文明中就已经有关于力学的研究启蒙。而在电力工程研究建设领域，材料力学也起着极其重要的作用。

2 材料力学对电力工程的作用与影响

电力工程主要包括电力的生产、输送、分配等。在电力从产生到使用的每一个环节必须保证机械结构和工程材料在允许的不确定度内保持相应的性能，即构件应用足够的强度承担起所受的负荷强度。因此，工程人员常常运用材料力学评估分析相应的构件有足够的机械强度，即在规定的载荷作用下，其应该有足够的抵抗破坏的能力。在电力的远距离高压、超高压输送过程以及用于架设高压电线线路的铁塔、用作通讯机站、各类通信信号以及微波站信號的传输等等的信号塔，其建设规划、原材料的选择都需要材料力学来计算评估相应的刚度要求，即构件应该有规定的足够抵抗形变的能力，即使构件有足够的强度，但若变形过大，则会引起潜在单位安全隐患。例如，水电以及部分的风电的发电机组，其涡轮发电扇叶的传动轴承形变若发生较大的改变，会导致轴承传动轴和外壁的贴合不良，进而影响了构件的精度，引起部分振动及降低能效。稳定性要求就是指构件应有足够的保持原有平衡形态的能力。

目前国内的主要电能来源是水电，而将水流能量转换为电能的主要动力设备为水轮发电机组。水电站水轮发电机组的每一个构件均直接关系到发电站的效能安全。而水轮机组的卡环质量及其安装则是整套设备的关键。

水轮发电机组的密封环套一般轴向荷载 （ N ） 为 1450 kN，密封环套材料的最大可承载的切应力一般为 [c] = 80 MPa，最大允许挤压应力一般可以达到 0.15 KMPa，我们用材料力学来计算评估该水电设备用密封环套的强度：

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。

对于挤压面 Abs = π * （ 380²- 320²） * 10^-6/ 4 = 33.1 * 10^-3m²，

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

因此对于卡环的挤压面也是合格的。

3 材料力学在工程领域的必要性

若构件尺寸形状不合理、段界面面积尺寸不足、或者材料选用不当，都会造成发电、输电设备的强度、刚度和稳定性的缺陷，从而导致电力工程结构的安全隐患。相反，也不能不合时宜的片面加大横截面积尺寸或者更改电力设备的材料，这样即使满足了设备的性能及安全要求，但却消耗了过多的原材料，增加了材料成本，造成整体设备成本的增加。而电力行业的发展需要对设备材料有着更高的要求，材料力学则在该工程领域有着不可替代的作用，因此，材料力学的任务就是在满足电力设备在相应的参数不确定度范围内，为设计经济、安全、可靠的电力设备构件提供了简单有效的理论基础和实践经验。同时，今后还应从材料力学与电力工程的宏观联系及微观实例，对材料力学在电力工程中的应用进行了一定的探讨，分析材料力学对解决电力工程建设的必要性。

综上而言，材料力学的任务就是在满足电力设备在相应的参数不确定度范围内，为设计经济、安全、可靠的电力设备构件提供了简单有效的理论基础和实践经验。同时，今后还应从材料力学与电力工程的宏观联系及微观实例，对材料力学在电力工程中的应用进行了一定的探讨，分析材料力学对解决电力工程建设的必要性，为今后的材料力学和电力工程奠定良好、稳定的基础。

（作者单位：唐山学院）