某發(fā)動(dòng)機(jī)靜子葉片疲勞極限試驗(yàn)研究

劉 濤 張秀梅 呂文菊

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

某發(fā)動(dòng)機(jī)靜子葉片疲勞極限試驗(yàn)研究

劉 濤 張秀梅 呂文菊

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

通過(guò)對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)靜子葉片進(jìn)行疲勞極限試驗(yàn)，得出葉片一階固有頻率、應(yīng)力沿葉高分布最大點(diǎn)位置、計(jì)算出應(yīng)力與振幅的關(guān)系，并對(duì)其進(jìn)行疲勞極限試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，促進(jìn)葉片結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化，為靜子葉片安全裝機(jī)提供重要試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

靜子葉片；固有頻率；應(yīng)力分布；疲勞極限

1 概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)非常重要的零件之一，由于工作條件比較惡劣，在高速、高壓氣流條件下工作，所以葉片斷裂故障不可避免。振動(dòng)疲勞斷裂在葉片故障中占有較大比例，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性的主要因素之一。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)研究工作在國(guó)內(nèi)外倍受關(guān)注。在葉片生產(chǎn)和研制的過(guò)程中，需對(duì)葉片進(jìn)行疲勞極限試驗(yàn)，以確定其加工質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求。靜子葉片的結(jié)構(gòu)不同于動(dòng)葉，工作狀態(tài)比較復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究工作是必不可少的。

2 試驗(yàn)方法

疲勞考核是對(duì)設(shè)計(jì)、材料、工藝必不可少的綜合性檢驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)的目的是通過(guò)研究零部件的疲勞強(qiáng)度，確保試驗(yàn)樣件能在最大負(fù)荷下達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命。以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)靜子葉片為研究對(duì)象，在電磁振動(dòng)臺(tái)上對(duì)葉片施加載荷，模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作狀態(tài)。

將葉片榫頭作為裝夾端，葉身處于懸臂狀態(tài)。由于圓柱形榫頭不利于裝夾，將圓柱榫頭兩端面進(jìn)行銑平處理，上下端面分別用壓塊壓緊，固定在電磁振動(dòng)臺(tái)上。葉片在周期性激振力作用下產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)激振力的頻率等于葉片的某階固有頻率時(shí)，懸空葉身的振幅就急劇增加，這時(shí)葉片受強(qiáng)迫振動(dòng)進(jìn)入共振狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，葉片的振型節(jié)線附近能產(chǎn)生較大致命的交變應(yīng)力，通過(guò)控制應(yīng)力大小和循環(huán)周數(shù)可以對(duì)葉片的質(zhì)量進(jìn)行比較全面的綜合性考核。

2.1 夾緊力矩的確定。在一階彎曲頻率下,逐步改變夾緊力矩,測(cè)定葉片頻率與夾緊力矩的關(guān)系, 規(guī)定夾緊力矩P=（1～1.2）×PMIN，PMIN為保證穩(wěn)定激振和共振條件下的最小夾緊力矩，通過(guò)試驗(yàn)確定夾緊力矩為80N·m。每次裝夾葉片時(shí)，使用扭矩扳手來(lái)控制夾緊力矩的大小。

2.2 最大應(yīng)力點(diǎn)的確定。隨機(jī)抽取4件葉片，在同一激振水平下進(jìn)行第一階固有振型下葉身的表面應(yīng)力試驗(yàn)。應(yīng)變片的粘貼嚴(yán)格按工藝規(guī)程要求進(jìn)行，應(yīng)變片引線采用三線制，以減少信號(hào)干擾。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制沿葉高方向的應(yīng)力分布曲線，確定最大應(yīng)力點(diǎn)位置在葉背內(nèi)緣板距葉根5mm處。

2.3 葉片應(yīng)力監(jiān)視。在葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)中, 測(cè)量振動(dòng)應(yīng)力的方法有2種：1種是利用應(yīng)變片監(jiān)測(cè)應(yīng)力；另1種是通過(guò)讀取葉尖振幅值來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)力。由于應(yīng)變片在高應(yīng)力水平、長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)后易受焊點(diǎn)斷開(kāi)、粘貼膠振動(dòng)脫開(kāi)等因素的影響，故采用振幅監(jiān)測(cè)法。葉片近似看成等截面懸臂梁，由理論力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知振動(dòng)應(yīng)力水平與梁端振幅和頻率之乘積成正比。

圖1 S-N曲線圖

2.4 應(yīng)力與振幅關(guān)系測(cè)試。隨機(jī)抽取3件葉片，在應(yīng)力最大點(diǎn)處，粘貼兩片測(cè)試應(yīng)變片，做應(yīng)力與振幅對(duì)應(yīng)關(guān)系試驗(yàn)，試驗(yàn)中調(diào)整振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)，讀取不同激勵(lì)下的應(yīng)力數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的振幅值并記錄。利用最小二乘法擬合，得出全幅值。

3 疲勞極限試驗(yàn)。

整個(gè)試驗(yàn)采用正弦激勵(lì)，以2×107循環(huán)為試驗(yàn)基準(zhǔn)，將26件葉片分成七個(gè)應(yīng)力水平完成。控制振幅達(dá)到給定應(yīng)力水平的80%時(shí)開(kāi)始記錄，然后再精調(diào)至給定的應(yīng)力水平。在整個(gè)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格監(jiān)視葉片的振幅保持穩(wěn)定，發(fā)生瞬時(shí)過(guò)載要記錄，如果長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載試件將作廢。

在試驗(yàn)過(guò)程中，將葉片一階彎曲振型下的振動(dòng)頻率下降1%作為試件產(chǎn)生宏觀裂紋的標(biāo)志，然后調(diào)整葉片的共振頻率，直至下降達(dá)到5%時(shí)，停止試驗(yàn)，取下葉片檢查裂紋。應(yīng)力水平一般由最高應(yīng)力開(kāi)始，逐級(jí)降低應(yīng)力水平，記錄在各級(jí)應(yīng)力水平下的疲勞壽命，直到完成全部試驗(yàn)為止。越接近疲勞極限，應(yīng)力間隔應(yīng)越小。當(dāng)應(yīng)力水平為320 MPa時(shí)，有6件葉片通過(guò)了2×107循環(huán)次數(shù)的考核。根據(jù)各應(yīng)力水平下測(cè)得的疲勞壽命N,以應(yīng)力水平S為縱坐標(biāo)，以lgN為橫坐標(biāo)，將各數(shù)據(jù)點(diǎn)畫(huà)在坐標(biāo)紙上，用曲線連接各點(diǎn)，即可得到S-N曲線，如圖1所示。

4 結(jié)論

（1）由試驗(yàn)結(jié)果確定葉片疲勞極限值為320 MPa，而材料疲勞極限值為285 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。（2）葉片裂紋沒(méi)有出現(xiàn)在葉背的最大應(yīng)力點(diǎn)位置，而是在進(jìn)氣邊靠近外緣板的葉根處，表明該處應(yīng)力集中系數(shù)較大，建議在葉片加工過(guò)程中應(yīng)注意倒圓的圓弧大小和表面質(zhì)量。（3）疲勞極限試驗(yàn)結(jié)果為該級(jí)靜子葉片的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝優(yōu)化提供重要參考數(shù)據(jù)。

[1]佟玲，等．疲勞試驗(yàn)研究進(jìn)展[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2006（02）：53-55．

[2]錢(qián)軍良，等．某機(jī)靜葉振動(dòng)疲勞試驗(yàn)研究[J]．測(cè)控技術(shù)，2008增刊（27）：62-64．

[3]萬(wàn)利，等．某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)第1級(jí)整流葉片疲勞試驗(yàn)研究[J]．航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2009（35）：15-16．

TG14

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