高原環(huán)境下增壓器壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠性研究

任兆欣， 蘇鐵熊， 邢衛(wèi)東， 王正 ， 邵萍 ， 李靜

(1. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 山西 太原 030051；2. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300400；3. 北京城區(qū)供電開發(fā)總公司， 北京 100022)

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高原環(huán)境下增壓器壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠性研究

任兆欣1, 2， 蘇鐵熊1， 邢衛(wèi)東2， 王正2， 邵萍2， 李靜3

(1. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 山西 太原 030051；2. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300400；3. 北京城區(qū)供電開發(fā)總公司， 北京 100022)

針對渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪在高原地區(qū)工作時(shí)潛在的輪轂疲勞失效模式，研究了高原環(huán)境下渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律以及壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞失效危險(xiǎn)部位的應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，建立了增壓器壓氣機(jī)葉輪的輪轂疲勞可靠度計(jì)算模型，分析了增壓器壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠度隨不同海拔高度的變化規(guī)律。研究表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔地區(qū)工作時(shí)，渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪發(fā)生輪轂疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)在增大，隨著海拔高度的增加，壓氣機(jī)葉輪輪轂的疲勞可靠性在降低。

渦輪增壓器； 高原環(huán)境； 壓氣機(jī)葉輪； 疲勞失效； 可靠性

渦輪增壓器是車用發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度提升和改善高原環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵部件之一。壓氣機(jī)葉輪作為渦輪增壓器的核心部件，其可靠性對整個(gè)渦輪增壓器有著重要的影響。

渦輪增壓柴油機(jī)在高海拔地區(qū)工作時(shí)，由于環(huán)境的改變，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量、燃燒、熱損失、輸出功率、燃油消耗率以及渦輪增壓器的性能參數(shù)等均會(huì)發(fā)生變化，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷狀況與平原地區(qū)不同，這時(shí)，增壓器渦輪的進(jìn)口燃?xì)鉁囟?、增壓器轉(zhuǎn)速、最高燃燒壓力、燃燒過量空氣系數(shù)和燃油消耗率等諸因素中的任一因素均可能成為限制發(fā)動(dòng)機(jī)功率正常輸出的障礙[1-2]。通常，限制渦輪增壓柴油機(jī)功率發(fā)揮的最主要因素為渦輪前燃?xì)鉁囟然蛟鰤浩鬓D(zhuǎn)速。對于渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪而言，柴油機(jī)在高海拔地區(qū)工作時(shí)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速總體上呈現(xiàn)增大的趨勢，增壓器轉(zhuǎn)速的增大會(huì)使壓氣機(jī)葉輪輪轂部位的應(yīng)力增加，壓氣機(jī)葉輪發(fā)生輪轂疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大。

針對增壓器壓氣機(jī)葉輪的可靠性問題，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究[3-12]。林海英等針對某航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器葉片強(qiáng)度、振動(dòng)問題，結(jié)合氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，對葉輪在離心力作用下的強(qiáng)度和振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析[3]。張虹等通過對車用增壓器壓氣機(jī)葉輪內(nèi)應(yīng)力特點(diǎn)的分析，找到了車用增壓器壓氣機(jī)葉輪應(yīng)力集中的位置，研究了如何利用幾何參數(shù)的修改來減小集中應(yīng)力，建立了車用增壓器壓氣機(jī)葉輪強(qiáng)度分析的過程和方法[4]。Pankaj Kumar等[6]采用修正的數(shù)值分析方法對轉(zhuǎn)子葉片的單自由度非線性隨機(jī)振動(dòng)及可靠性進(jìn)行了研究。黃若等針對某型增壓器壓氣機(jī)葉輪的低周疲勞失效模式，對壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和分析，得到了應(yīng)力—轉(zhuǎn)速曲線，為葉輪低周疲勞試驗(yàn)提供了理論依據(jù)[9]。陳曉偉等應(yīng)用有限元法對某增壓器壓氣機(jī)葉片進(jìn)行了靜應(yīng)力分析與計(jì)算，得到危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力均值, 然后通過改進(jìn)的一次二階矩法對該葉片進(jìn)行了靜強(qiáng)度可靠性分析[11]。

本研究以某渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪為例，針對高原環(huán)境下壓氣機(jī)葉輪潛在的輪轂疲勞失效模式，分析高原環(huán)境下渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化以及壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞失效危險(xiǎn)部位的應(yīng)力響應(yīng)，研究壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠性的變化規(guī)律。

1 高原環(huán)境下壓氣機(jī)葉輪輪轂的失效分析

輪轂疲勞失效是車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪的典型失效模式之一，壓氣機(jī)葉輪輪轂的疲勞破壞不僅會(huì)使增壓器無法正常工作，有時(shí)還會(huì)擊穿蝸殼引起發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件的損壞。對于車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪，在不發(fā)生葉片共振的情況下，其最大應(yīng)力位置(即失效危險(xiǎn)部位)通常會(huì)出現(xiàn)在葉輪的輪轂部位(見圖1)。

由于車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作剖面的復(fù)雜性，渦輪增壓器的工作狀態(tài)參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的改變在不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致壓氣機(jī)葉輪輪轂危險(xiǎn)部位承受著交變載荷的作用，壓氣機(jī)葉輪存在發(fā)生輪轂疲勞失效的可能，特別是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的增加，壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位的應(yīng)力也隨之增大，壓氣機(jī)葉輪發(fā)生輪轂疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)也在增加。渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪輪轂部位的應(yīng)力主要由增壓器的轉(zhuǎn)速所決定。在這里，以某型車用6缸渦輪增壓柴油機(jī)為例，運(yùn)用GT仿真分析軟件，通過建立渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能聯(lián)合仿真模型，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的高原性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔下運(yùn)行時(shí)渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速隨海拔高度與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的變化。

圖2示出該型車用6缸渦輪增壓柴油機(jī)在不同海拔工作時(shí)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖2中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著海拔高度的增加渦輪增壓器的工作轉(zhuǎn)速在逐漸增大，特別是當(dāng)海拔高度為4 500 m時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min的工況下，渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速較平原地區(qū)增加了約17.6%。

2 壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位應(yīng)力分析

壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位的應(yīng)力歷程是進(jìn)行其疲勞可靠性分析與壽命預(yù)測的基礎(chǔ)。壓氣機(jī)葉輪的應(yīng)力歷程取決于其工作狀態(tài)參數(shù)，并由渦輪增壓器所匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)剖面所決定。在這里，將發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性考核試驗(yàn)剖面作為增壓器壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠性分析的依據(jù)，表1列出發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性考核試驗(yàn)剖面的工況組成。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性考核試驗(yàn)剖面的工況組成

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速較低，從表1可以看出，該型車用柴油機(jī)的耐久性考核試驗(yàn)剖面主要由4種工況組成，即工況3～工況6，因此在對渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，可以針對表1所示柴油機(jī)耐久性考核試驗(yàn)剖面中的這4種主要工況進(jìn)行。

渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪工作時(shí)輪轂部位承受著離心載荷和熱載荷的作用，圖3示出壓氣機(jī)葉輪在離心載荷作用下的應(yīng)力分布，圖4示出渦輪增壓器在某工況下運(yùn)行時(shí)壓氣機(jī)葉輪的內(nèi)部溫度場分布。結(jié)合圖3和圖4可以看出，作用于壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位的熱載荷相對較小，因此，在對壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，可以忽略熱載荷的影響。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性考核試驗(yàn)剖面，運(yùn)用增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作過程仿真模型，可以計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔高度運(yùn)行時(shí)，對應(yīng)耐久性試驗(yàn)剖面中4種主要工況的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速。表2列出當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔高度為4 500 m的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，渦輪增壓器在4種工況下的轉(zhuǎn)速。

表2 渦輪增壓器轉(zhuǎn)速

在確定渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元方法可以計(jì)算得到在不同海拔條件下對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性考核試驗(yàn)剖面中4種主要工況的壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位的應(yīng)力。進(jìn)一步，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性考核試驗(yàn)剖面，可以得到壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位的疲勞應(yīng)力歷程(見圖5)。

3 壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠性建模與可靠 度變化分析

為確定壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位的疲勞強(qiáng)度，按照圖6所示的試驗(yàn)樣件取樣方法[12]，設(shè)計(jì)了壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞強(qiáng)度模擬試驗(yàn)樣件，選取了45個(gè)該型號(hào)壓氣機(jī)葉輪，制作了葉輪輪轂疲勞試驗(yàn)樣件，并進(jìn)行了疲勞性能測試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，壓氣機(jī)葉輪輪轂部位的疲勞壽命對數(shù)均值和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差與應(yīng)力水平之間的關(guān)系可以分別表示為

μlgN+0.025 37s=10.123 6，

(1)

σlgN+0.026 31s=8.526 9。

(2)

式中：N為疲勞壽命；s為應(yīng)力；μlgN和σlgN分別為疲勞壽命對數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)線性Miner累積損傷法則，對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性考核試驗(yàn)剖面的一次試驗(yàn)循環(huán)(試驗(yàn)時(shí)間為10h)，增壓器壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位的疲勞累積損傷量為[12]

(3)

式中：Ni為對應(yīng)應(yīng)力水平si時(shí)的疲勞壽命；n為應(yīng)力水平數(shù)量。

進(jìn)一步，可以得到壓氣機(jī)葉輪輪轂發(fā)生疲勞破壞前經(jīng)歷的發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性考核試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)w為

(4)

壓氣機(jī)葉輪輪轂對應(yīng)疲勞失效模式的功能函數(shù)可以表示為

(5)

以發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性考核試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)w作為壓氣機(jī)葉輪輪轂的疲勞壽命度量指標(biāo)時(shí)，壓氣機(jī)葉輪輪轂對應(yīng)疲勞壽命w的可靠度可以表示為[12]

(6)

采用一次二階矩法，令xi=lgNi，壓氣機(jī)葉輪輪轂對應(yīng)疲勞失效模式的功能函數(shù)可以寫成為

(7)

壓氣機(jī)葉輪輪轂對應(yīng)疲勞壽命w的可靠度可以近似表示為

(8)

式中，Φ(·) 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累積分布函數(shù)。

將壓氣機(jī)葉輪的輪轂應(yīng)力參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)代入式(8)，可以計(jì)算得到壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠度的變化規(guī)律(見圖7)。從圖7中可以看出，隨著海拔高度的增加，壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠度在降低；同時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)考核試驗(yàn)剖面循環(huán)次數(shù)的增加，壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠度在逐漸減小。

4 結(jié)束語

針對某型渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪在高原環(huán)境下潛在的輪轂疲勞失效模式，分析了壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞失效的特點(diǎn)，研究了高原環(huán)境下渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律以及在不同海拔工作時(shí)，壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞失效危險(xiǎn)部位的應(yīng)力響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上建立了增壓器壓氣機(jī)葉輪的輪轂疲勞可靠度計(jì)算模型，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔高度工作時(shí)渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪的輪轂疲勞可靠度隨壽命的變化規(guī)律。研究表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，隨著渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的增加，壓氣機(jī)葉輪輪轂失效危險(xiǎn)部位的應(yīng)力也隨之增大，壓氣機(jī)葉輪發(fā)生輪轂疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)也在增加。隨著海拔高度的增加，增壓器壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠性在降低；同時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)考核試驗(yàn)剖面循環(huán)次數(shù)的增加，壓氣機(jī)葉輪輪轂疲勞可靠度在逐漸減小。

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[編輯: 李建新]

Fatigue Reliability of Compressor Impeller Hub for Turbocharger in Plateau Environment

REN Zhaoxin1,2, SU Tiexiong1, XING Weidong2, WANG Zheng2, SHAO Ping2, LI Jing3

(1. College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2. Key Laboratory of Diesel Engine Turbocharging Technology,China North Engine Research Institute, Tianjin 300400, China；3. Beijing urban Electrical Power Engineering Corporation, Beijing 100022, China)

For the fatigue failure mode of compressor impeller hub for turbocharger in plateau environment, the variation of turbocharger speed was analyzed and the stress at the fatigue failure location of compressor impeller hub was studied. Then, the fatigue reliability model of compressor impeller hub was developed and the law of impeller fatigue reliability with altitude was analyzed. The results show that the risk of hub fatigue failure for compressor impeller in high altitude area increases and the reliability of compressor impeller hub decreases with the increase of altitude.

turbocharger; plateau environment; compressor impeller; fatigue failure; reliability

2015-05-11;

2015-10-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375465)

任兆欣(1973—)，男，研究員，博士，主要從事內(nèi)燃機(jī)高原功率恢復(fù)技術(shù)的研究； renzhaoxin126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.011

TK411.8

B

1001-2222(2015)06-0055-04