渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪的葉片振動對車輛的應(yīng)用依 賴于時間的振動頻率可靠性分析

1、渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪的葉片振動對車輛的應(yīng)用依賴于時間的振動頻率可靠性分析 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：對車輛應(yīng)用來說，葉片振動的失效源自于渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪的失效。評價壓縮機(jī)葉片振動的可靠性的現(xiàn)有模型是靜態(tài)的，并不能反映壓縮機(jī)葉輪的葉片振動失效模式的可靠性和壽命的參數(shù)之間的關(guān)系。對渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪的葉片振動的故障模式的可靠性評價方法進(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)葉輪與葉片振動故障模式的時間相關(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)葉片振動的可靠壽命被呈現(xiàn)。介于這個方法，提出了評價壓氣機(jī)葉輪的可靠性與葉片振動的故障模式的時間依賴性。關(guān)鍵詞：渦輪增壓器，壓縮機(jī)葉輪，葉片振動，可靠性，失效率，可靠壽命。1 、簡介葉片振動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，對車輛應(yīng)用來說，壓縮機(jī)葉輪引起的葉片振動的損

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)動機(jī)的可變的工作條件而改變的，由于車輛發(fā)動機(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力，造成了不穩(wěn)定的氣流。當(dāng)空氣動力的激勵頻率等于葉片的固有振動頻率的整數(shù)倍時，壓縮機(jī)葉輪的葉片將產(chǎn)生共鳴，并且葉片的應(yīng)力會迅速增加，并且由于疲勞葉片可能會損壞。一旦壓縮機(jī)葉輪的一個葉片被打碎，破碎的葉片會損害其他葉片。結(jié)果，渦輪增壓器和發(fā)動機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了防止因共振振動造成的葉片斷裂，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的可靠性應(yīng)被評估，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的激勵特性。PANKAJ等人4，研究了非線性隨機(jī)動力學(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)動機(jī)的渦輪增壓器的葉片振動強(qiáng)度問題和分析渦輪和壓縮機(jī)葉輪的強(qiáng)度和振動模式的離心

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)對渦輪增壓器的進(jìn)氣噪音問題的共振振動頻率，用于控制葉片的振動和噪音。朱等人10，在薄弧形葉片的自激振動的調(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。本文以渦輪增壓器壓縮機(jī)輪車輛應(yīng)用程序作為一個例子,講述了時變振動頻率可靠性分析方法和模型的葉片共振振動失效模式發(fā)展。壓縮機(jī)葉輪與葉片振動故障模式和可靠性的變化這個規(guī)則，并且該方法對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模式用于研究了壓氣機(jī)葉輪的與葉片振動的可靠性分析。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)際固有振動頻率是分散的。通過測試在靜止?fàn)顟B(tài)中獲得四個相同壓縮機(jī)輪不同足尺葉片的第一階固有振動頻率被示于圖4。從圖4可以得出結(jié)論，葉片的固有振動頻率是明顯分散，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頻率的分散性，隨