渦輪增壓柴油機(jī)葉輪疲勞仿真及試驗(yàn)

楊玲玲+席德明

【摘 要】本文以增壓器葉輪為研究對(duì)象，以滿足渦輪增壓柴油機(jī)性能為研究目的，基于有限元法及局部應(yīng)變疲勞理論，著重分析葉輪等效應(yīng)力及應(yīng)變的分布情況，預(yù)測(cè)葉輪的疲勞循環(huán)次數(shù)及仿真壽命計(jì)算，將增壓器安裝到柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明對(duì)葉輪的仿真及疲勞分析具有可行性。

【關(guān)鍵詞】柴油機(jī) 渦輪增壓器 葉輪 疲勞 史密斯公式

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）05C-0190-03

現(xiàn)如今，渦輪增壓器早已被大量使用在柴油機(jī)中，尤其是車用及船用發(fā)動(dòng)機(jī)。增壓器可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、改善發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化排放等，在提高柴油機(jī)性能和降低空氣污染方面發(fā)揮著巨大作用。在渦輪增壓技術(shù)中，由于葉輪部件的高速旋轉(zhuǎn)可以顯著提高過(guò)濾后的空氣動(dòng)能，壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，使燃油燃燒更充分，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。葉輪作為增壓器的關(guān)鍵部件起著舉足輕重的作用。影響壓氣機(jī)性能的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，例如壓氣機(jī)的進(jìn)口直徑、葉形、葉片進(jìn)出口角、葉高等。因此，在葉輪的設(shè)計(jì)中，既要滿足空氣動(dòng)力學(xué)原理以確保良好的工作性能，同時(shí)又要保證葉輪葉片具有足夠的強(qiáng)度及剛度以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高原等極端環(huán)境條件下的正常工作。渦輪增壓器特別是車用增壓器，由于其經(jīng)常在交變載荷下工作，所以葉輪的疲勞破壞成為主要的破壞形式。本文以某型號(hào)增壓器葉輪零件為研究對(duì)象，考慮其在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的載荷情況，以CAE軟件為分析平臺(tái)對(duì)葉輪進(jìn)行仿真分析，運(yùn)用疲勞理論可視程序化對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后以發(fā)動(dòng)機(jī)考核試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此型號(hào)葉輪疲勞壽命滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作需求，為葉輪的設(shè)計(jì)工作提供理論依據(jù)。

一、葉輪工作時(shí)的低周疲勞

渦輪增壓器是一種葉輪機(jī)械，渦輪和壓氣機(jī)葉輪是渦輪增壓器的關(guān)鍵部件。增壓器葉輪在工作時(shí)轉(zhuǎn)速逐漸增大，車用渦輪增壓器工作轉(zhuǎn)速一般為100000r/min左右，最高轉(zhuǎn)速已達(dá)300000r/min，所以無(wú)法避免會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的局部應(yīng)力增大。而在局部高應(yīng)力處由于葉輪旋轉(zhuǎn)次數(shù)不斷疊加，塑性應(yīng)變也在逐漸積累。這種逐漸積累的塑性應(yīng)變能或塑性應(yīng)變將導(dǎo)致低周疲勞破壞的產(chǎn)生。渦輪增壓器在實(shí)際工況中處于高速旋轉(zhuǎn)，葉輪不僅承載空氣對(duì)葉片的反作用力，而且承載旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高速離心力。由高的交變應(yīng)力引起的低周疲勞破壞是增壓器失效的主要模式之一。因此，通過(guò)增壓器低周疲勞試驗(yàn)考核低周疲勞壽命具有重要意義。

二、有限元模型仿真計(jì)算

（一）葉輪模型建立

本文所研究的葉輪材料為鋁合金C355T61，彈性模量E=6.9x104Mpa，泊松比0.31。由于葉輪的外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文中先在Pro/E中創(chuàng)建葉輪的三維模型，之后將建立好的模型導(dǎo)入ANSYS中。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。增壓器葉輪有限元模型如圖1所示。

（二）葉輪強(qiáng)度計(jì)算及分析

在實(shí)際工作中，葉片牢固在底盤上，本次分析對(duì)葉片根部設(shè)置為全約束。葉輪前端軸向位移被約束，內(nèi)徑周向位移被約束。設(shè)置結(jié)束后進(jìn)行強(qiáng)度仿真，其結(jié)果分別如圖2—5所示。

從分析結(jié)果可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為72216r/min時(shí)，葉輪應(yīng)力接近于屈服極限。在葉輪高速旋轉(zhuǎn)中，導(dǎo)風(fēng)輪最大應(yīng)力位于內(nèi)徑底部，而葉輪根部有較為明顯的應(yīng)力集中點(diǎn)。說(shuō)明離心力是使葉片在工作中遭受破壞的主要來(lái)源，且破壞點(diǎn)主要集中在葉片根部。最大等效應(yīng)力為193.79Mpa，最大主應(yīng)力為276Mpa。

三、葉輪的疲勞仿真分析

（一）局部應(yīng)變法

機(jī)械產(chǎn)品日常作業(yè)時(shí)，在產(chǎn)品的工作壽命和自身抗疲勞強(qiáng)度中起到?jīng)Q定性作用的是產(chǎn)品部件上所產(chǎn)生的局部應(yīng)力及形變的最大值，零件往往是從最大局部應(yīng)變處出現(xiàn)疲勞的。這種理論考慮的關(guān)鍵點(diǎn)是如果一個(gè)產(chǎn)品部件產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，其源頭基本是位于應(yīng)力變形集中處首先出現(xiàn)的裂紋，且在其發(fā)生之前，均伴隨有一定程度上的塑性形變，這種形變行為正是導(dǎo)致零部件出現(xiàn)裂紋繼而擴(kuò)展的首要前提。對(duì)于車輪這種工作中承受多重復(fù)雜工況的產(chǎn)品而言，一些微小的應(yīng)力也會(huì)觸發(fā)部件出現(xiàn)較大的應(yīng)變。零部件中應(yīng)力較為集中位置的應(yīng)變最大值是影響產(chǎn)品工作使用壽命的重要因素。此方法基于壽命與應(yīng)變關(guān)系，考慮疲勞損傷的作用，被應(yīng)用于機(jī)械零部件疲勞壽命計(jì)算。

其中，為局部應(yīng)變幅值，為局部應(yīng)力幅值，E為彈性模量，為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

此理論在前人學(xué)者不斷研究試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有眾多方法理論相應(yīng)問(wèn)世，其中莫羅修正理論指出在零件出現(xiàn)塑性形變處，應(yīng)力松弛造成其效果很小。故彈性形變處是受到平均應(yīng)力波及的多數(shù)位置。根據(jù)上述原因，把平均應(yīng)力轉(zhuǎn)化為與之等同的對(duì)稱應(yīng)力幅值并綜合平均應(yīng)力作用的壽命應(yīng)變公式：

其中，為局部應(yīng)變幅值；為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；為疲勞延性系數(shù)；為平均應(yīng)力；E為彈性模量；n為疲勞壽命；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)。

（二）局部應(yīng)變法中的史密斯公式

疲勞失效是一個(gè)持續(xù)的、逐步積累的過(guò)程。葉輪每旋轉(zhuǎn)一圈都會(huì)產(chǎn)生一次應(yīng)力，應(yīng)力集中的部位會(huì)逐漸形成微裂紋，最終導(dǎo)致其失效。

在眾多理論中基于平均應(yīng)力的分析方法是史密斯公式。史密斯學(xué)者以試驗(yàn)為依據(jù)，認(rèn)為平均應(yīng)力不光與彈性形變幅值有著內(nèi)在的緊密聯(lián)系，還與塑性形變幅值存在著千絲萬(wàn)縷的互相關(guān)聯(lián)。經(jīng)過(guò)大量論證性的試驗(yàn)分析，史密斯總結(jié)得出其理論是使用零件中存在的最大應(yīng)力與總體應(yīng)變幅值二者的乘積得出其損傷系數(shù)這一重要結(jié)論。

零件的疲勞破壞都是從應(yīng)變集中部位的最大局部應(yīng)變處開(kāi)始，并且在裂紋萌生以前，都要產(chǎn)生一定的塑性變形，而局部塑性變形是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的先決條件。因此，決定零件疲勞壽命的是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)變。本文考慮了實(shí)際作業(yè)中零件的表面加工與尺寸等因素對(duì)高周疲勞的影響，對(duì)以上綜合因素進(jìn)行總結(jié)后，進(jìn)一步得出改進(jìn)后的史密斯公式：

其中，為最大應(yīng)力值；為局部應(yīng)變幅值；為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；為疲勞延性系數(shù)；E為材料的彈性模量；N為疲勞壽命；c為疲勞延性指數(shù)；為考慮了零件的表面加工與尺寸影響后的疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

（三）葉輪疲勞壽命預(yù)測(cè)與計(jì)算程序

疲勞失效是葉輪發(fā)生破環(huán)的主要原因。通過(guò)對(duì)改進(jìn)后的史密斯公式的化簡(jiǎn)，得到疲勞壽命N的計(jì)算式。化簡(jiǎn)過(guò)程如下：

考慮到公式中存在開(kāi)n次方根的根，同時(shí)需多次進(jìn)行對(duì)數(shù)求解，且需代入的參數(shù)非常多，因此本文通過(guò)Visual Basic語(yǔ)言編程環(huán)境，將以上的計(jì)算程序化，并作可視化窗口。將有限元分析的結(jié)果輸入程序中，其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)出葉輪的疲勞壽命為58074小時(shí)，近似1319397.79次應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

四、發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)

增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝是一個(gè)必須引起重視的問(wèn)題，因?yàn)樗扔绊懺鰤喊l(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，又影響可靠性。在車輛上由于動(dòng)力艙空間有限，還必須保證總體布置的緊湊性。增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的布置牽涉渦輪增壓器、中冷器以及與之相連的進(jìn)排氣管的布置，即關(guān)系到整個(gè)增壓系統(tǒng)的布置。本文中發(fā)動(dòng)機(jī)為V型發(fā)動(dòng)機(jī)，將渦輪增壓器與中冷器安放在V型夾角的中間或上方。檢查發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行磨合后開(kāi)始試驗(yàn)。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成曲線，發(fā)現(xiàn)葉輪在經(jīng)過(guò)考核試驗(yàn)后無(wú)明顯裂紋，滿足實(shí)際使用要求。

本文通過(guò)對(duì)葉輪模型進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)葉輪工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力是其疲勞發(fā)生的主要誘因，并得出葉輪根部位置是應(yīng)力集中的主要部位。基于局部應(yīng)變法中低周疲勞對(duì)葉輪的影響，采用改進(jìn)過(guò)的史密斯公式預(yù)測(cè)了葉輪的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)，對(duì)今后的葉輪疲勞分析提供理論依據(jù)。

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【作者簡(jiǎn)介】楊玲玲（1981— ），女，山東威海人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：汽車設(shè)計(jì)制造與檢測(cè)維修。