渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)對(duì)車輛的應(yīng)用依 賴于時(shí)間的振動(dòng)頻率可靠性分析

1、渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)對(duì)車輛的應(yīng)用依賴于時(shí)間的振動(dòng)頻率可靠性分析 WANG Zheng1, *, WANG Zengquan1, ZHUANG Li1, and WANG A-na2 1 Science and Technology on Diesel Engine Turbocharging Laboratory, China North Engine Research Institute, Tianjin 300400, China 2 Center of Engine Test and Measurement, China North Engine Research Instit

2、ute, Tianjin 300400. Received January 31, 2013; revised September 16, 2013; accepted September 28, 2013 摘要：對(duì)車輛應(yīng)用來說，葉片振動(dòng)的失效源自于渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪的失效。評(píng)價(jià)壓縮機(jī)葉片振動(dòng)的可靠性的現(xiàn)有模型是靜態(tài)的，并不能反映壓縮機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)失效模式的可靠性和壽命的參數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)的故障模式的可靠性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。取渦輪增壓器的壓縮機(jī)葉輪的車輛應(yīng)用為例，在葉片振動(dòng)特性以及它們?nèi)绾闻c渦輪增壓器的運(yùn)行參數(shù)的變化進(jìn)行了分析。壓縮機(jī)葉輪葉片振動(dòng)模式的失效準(zhǔn)

3、則是建立于坎貝爾圖的，從葉片固有振動(dòng)頻率的分散性和渦輪增壓器運(yùn)行速度的隨機(jī)性考慮，壓縮機(jī)葉輪與葉片振動(dòng)故障模式的時(shí)間相關(guān)的可靠性模型的推導(dǎo)，這體現(xiàn)了葉片固有振動(dòng)頻率，渦輪增壓器的運(yùn)行速度，壓縮機(jī)葉輪的葉片數(shù)，壽命指數(shù)和共振的最小數(shù)目等的參數(shù)。最后，管理壓縮機(jī)葉輪的可靠性和故障率的方法用于確定壓縮機(jī)葉片振動(dòng)的可靠壽命被呈現(xiàn)。介于這個(gè)方法，提出了評(píng)價(jià)壓氣機(jī)葉輪的可靠性與葉片振動(dòng)的故障模式的時(shí)間依賴性。關(guān)鍵詞：渦輪增壓器，壓縮機(jī)葉輪，葉片振動(dòng)，可靠性，失效率，可靠壽命。1 、簡介葉片振動(dòng)的失效是渦輪增壓器的壓縮機(jī)葉輪的用于車輛的主要失效模式之一。統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)車輛應(yīng)用來說，壓縮機(jī)葉輪引起的葉片振動(dòng)的損

4、害是在渦輪增壓器的總的故障模式中占很大比例1。對(duì)車輛應(yīng)用來說，渦輪增壓器的運(yùn)行狀的態(tài)連續(xù)變化是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的可變的工作條件而改變的，由于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行配置文件是復(fù)雜多變的。在渦輪增壓器的汽車應(yīng)用 工作的過程中，壓縮機(jī)葉輪的葉片都受到了可變周期性氣動(dòng)力，造成了不穩(wěn)定的氣流。當(dāng)空氣動(dòng)力的激勵(lì)頻率等于葉片的固有振動(dòng)頻率的整數(shù)倍時(shí)，壓縮機(jī)葉輪的葉片將產(chǎn)生共鳴，并且葉片的應(yīng)力會(huì)迅速增加，并且由于疲勞葉片可能會(huì)損壞。一旦壓縮機(jī)葉輪的一個(gè)葉片被打碎，破碎的葉片會(huì)損害其他葉片。結(jié)果，渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了防止因共振振動(dòng)造成的葉片斷裂，在壓縮機(jī)葉輪的發(fā)展中，葉片的固有頻率應(yīng)增加到最大程度和激勵(lì)源頻

5、率應(yīng)該降低。然而，通過增加葉片厚度并改變?nèi)~片輪廓所得到的較高的固有頻率，將犧牲壓縮機(jī)的性能。因此，壓縮機(jī)葉輪與葉片共振振動(dòng)的可靠性應(yīng)被評(píng)估，并且壓縮機(jī)葉輪的葉片應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)，使壓縮機(jī)輪可滿足規(guī)定的可靠性目標(biāo)并且具有良好的空氣動(dòng)力性能。近年來，許多研究人員已經(jīng)從不同方面研究了葉片振動(dòng)的問題2-11。STEPHAN等人2，通過三維模型計(jì)算的方法在脈沖充電混流渦輪增壓器上研究了渦輪的葉片振動(dòng)的激勵(lì)特性。PANKAJ等人4，研究了非線性隨機(jī)動(dòng)力學(xué),混亂,和可靠性的單自由度模型轉(zhuǎn)子葉片用修改數(shù)值的方法。林等人5，研究了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器的葉片振動(dòng)強(qiáng)度問題和分析渦輪和壓縮機(jī)葉輪的強(qiáng)度和振動(dòng)模式的離心

6、力在結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)之下。MA等人8，研究了壓縮機(jī)輪和渦輪機(jī)對(duì)渦輪增壓器的進(jìn)氣噪音問題的共振振動(dòng)頻率，用于控制葉片的振動(dòng)和噪音。朱等人10，在薄弧形葉片的自激振動(dòng)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)渦流從弧形葉片脫落能否有一定機(jī)率誘導(dǎo)自激振動(dòng)。本文以渦輪增壓器壓縮機(jī)輪車輛應(yīng)用程序作為一個(gè)例子,講述了時(shí)變振動(dòng)頻率可靠性分析方法和模型的葉片共振振動(dòng)失效模式發(fā)展。壓縮機(jī)葉輪與葉片振動(dòng)故障模式和可靠性的變化這個(gè)規(guī)則，并且該方法對(duì)確定可靠壽命故障率進(jìn)行了研究。2、增壓器壓縮機(jī)葉輪的葉片振動(dòng)的特性分析通常，渦輪增壓器的壓縮機(jī)葉輪是由足尺葉片和分流器交叉組成，如圖所示1。由于的葉片的形狀不同，足尺葉片的第一階固有頻率較低，但該分離器的

7、頻率較高。足尺葉片和分離器處于靜止?fàn)顟B(tài)的一階固有頻率模式的有限元計(jì)算列于圖，圖2和圖3。 圖1、渦輪增壓器的壓縮機(jī)葉輪對(duì)車輛的應(yīng)用如圖2和3，壓縮機(jī)葉輪的足尺葉片的第一階固有頻率模式是6730赫茲，但小葉片的第一階固有頻率模式可以達(dá)到12482赫茲。由于足尺葉片的第一階固有頻率是最低的，其共振發(fā)生容易且是最有害的。因此，足尺葉片的一階振動(dòng)模式用于研究了壓氣機(jī)葉輪的與葉片振動(dòng)的可靠性分析。壓縮機(jī)輪主要是由鑄造或銑削制造。由于不確定因素的影響，諸如材料特性的分散性和生產(chǎn)過程中的不穩(wěn)定性，壓縮機(jī)葉輪葉的實(shí)際固有振動(dòng)頻率是分散的。通過測試在靜止?fàn)顟B(tài)中獲得四個(gè)相同壓縮機(jī)輪不同足尺葉片的第一階固有振動(dòng)頻率被示于圖4。從圖4可以得出結(jié)論，葉片的固有振動(dòng)頻率是明顯分散，分散度不僅存在壓縮機(jī)葉輪的不同樣品中，也可在同一壓縮機(jī)葉輪的不同葉片上。圖2、壓縮機(jī)輪的足尺葉片的一階固有頻率模式（C1=6730赫茲）圖3、壓縮機(jī)輪的分流器的一階固有頻率模式（C1=12482赫茲）為確定足尺葉片一階固有振動(dòng)頻率的分散性，隨