增压器高低周疲劳可靠性机理分析与改进措施和验证

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摘要：针对涡轮增压器压气机叶轮在高原地区工作时潜在的轮毂疲劳失效模式研究了高原环境下涡轮增压器转速的变化规律以及压气机叶轮轮毂疲劳失效危险部位的应力 在此基础上分析了涡轮增压器压气机叶轮轮毂低周疲劳的可靠性机理，同时提出改进措施和验证方案。

涡轮增压器叶片每旋转一周叶片便受到强气流冲击一次即叶片会受到周期性的气流激振力作用当激振力频率与叶片的振动固有频率相等或成倍数关系时，叶片就会发生共振导致叶片折断，针对这种高周疲劳机理，提出改进措施和验证方案。

关键词：柴油机；增压器；高周疲劳；低周疲劳

Abstract：For the turbocharger compressor impeller in plateau area work potential hub fatigue failure mode was studied in plateau environment and the change rule of the turbocharger speed compressor impeller wheel hub fatigue failure stress of the dangerous parts based on the analysis of the turbocharger compressor impeller wheel mechanism of low cycle fatigue reliability， and puts forward improvement measures and validation protocols;.

Turbocharger blade every rotating blade was strong air impact once a week the blade and the exciting force is subject to periodic air when the excitation frequency and the vibration of the blade natural frequency is equal to or double several relations， blade resonance occurs cause blade broken， aiming at the high cycle fatigue mechanism， put forward the improvement measures and validation protocols.

keywords：Diesel engine; Turbocharger; High cycle fatigue; Low cycle fatigue

引言

压气机叶轮是涡轮增压器的核心部件之一，其强度直接关系到整个涡轮增压器的工作可靠性及安全性，一旦出现故障，将导致整个增压器在极短时间内损坏． 随着增压器压比和转速的不断提高，叶轮的机械负荷和热负荷增加，所以对叶轮强度校核和分析变得更为重要。

实际工作中，离心压气机的运行工况随着环境条件和工作条件变化，叶轮不仅要在设计点有良好的强度，而且在非设计工况点也同样应该满足强度要求；由离心压气机特性及增压器运行工况特点可知，涡轮增压器运行复杂，其工作点分布在压气机MAP图宽广范围内，压气机流量低于或者接近喘振线时，流经压气机的气流出现强烈的振动，极易引起叶片损坏．另外，离心压气机转速越高（转速交变频繁），温度越高，气动载荷越大，导致叶轮寿命越短。

针对目前市场增压器这种高低周疲劳故障频繁爆发，随着增压器压比和转速的 不断提高，叶轮的机械负荷增加，寿命要求更长，成本要求更低，这就使得以结构优化为目的的强度机理分析 变得更为重要。

叶轮的强度分析和气动分析的结果是相关联的，气动分析所生成的叶片载荷以及热应力分析结果可以在强度分析中进一步讨论，并可以同叶轮高速旋转所产生的应力进行比较，以研究叶轮中主要应力分布特点， 用于制定改进方法和措施，同时整合验证方案，提前识别故障风险，降低市场增压器的高低周疲劳故障率。

1高低周疲劳失效可靠性机理分析

增压器高低周疲劳的故障模式如图1，图2所示，高周疲劳的故障现象一般为叶片断裂，低周疲劳的故障现象一般为叶轮从根部碎裂。

高低周疲劳机理如图3所示：

1）高周疲劳机理分析：

增压器叶轮叶片在360°方向上运行，进气不均匀，在某些位置气流会较大，因此对于某一叶片每旋转一周叶片便受到强气流冲击一次，即叶片会受到周期性的气流激振力作用，当激振力频率与叶片的振动固有频率相等或成倍数关系时，叶片就会发生共振导致叶片折断，因此在叶轮叶片设计的初期进行叶轮叶片振动固有频率计算对提高高周疲劳可靠性具有重要意义。

增压器叶轮在结构上主要由轮毂和叶片组成，由于轮毂刚度明显高于叶片刚度，因此叶轮的低阶模态主要表现为叶片的一阶弯曲振动，叶轮叶片的振动可以简化为梯形悬臂梁的振动见图4。

梯形悬臂梁振动固有频率的计算式为：

可以看出叶片顶部越薄根部越厚叶片越短则叶片振动固有频率越高；相反叶片根部越薄叶片越长则叶片振动固有频率越低， 叶片出口处悬臂最长，因此叶片一阶振动的最大位移发生在此处（见图5）。

2）低周疲劳机理分析：

叶轮旋转过程中受到离心载荷 热载荷和气动载荷三种作用力的共同作用，其中，叶轮的离心载荷主要由转速决定，而热载荷和气动载荷主要与叶轮的进出口温度及压力气体流量等参数有关。

当转速相同时，为了研究压气机叶轮在不同工况下等效应力分布和最大等效应力发生位置，分别计算了离心载荷 离心载荷和热载荷共同作用 离心载荷和气动载荷共同作用以及3种载荷共同作用下叶轮的等效应力。

压气机叶轮在近喘振工况点、最高效率点、近阻塞工况点3种工况下，离心载荷热载荷和气动载荷共同作用时压气机叶轮的最大等效应力占比分别为90%、4%、6%，离心载荷、热载荷和气动载荷共同作用时压气机叶轮的最大应力发生在轴孔处（如图6，图7所示）。

2高低周疲劳改进方案和措施

目前高周疲劳的机理分析和薄弱点已经有了结论，针对高低周疲劳的可靠性机理，可专项优化改进，提高增压器叶轮叶片的抵抗高低周疲劳的能力。

1）高周疲劳改进方案与措施：

避免高周疲劳的措施即为改变目前结构的振动固有频率和模态，让气体激振力频率与叶片的振动固有频率不相等或不成倍数关系，叶片就不会发生共振导致叶片折断，具体优化方案如下：

a、用新的材料或者改变结构的几何形状都能改变结构的振动固有频率和模态；

b、当材料已经选定时，修改叶型或增大叶根厚度、减小叶片顶部厚度、缩短叶片高度可提高叶片振动固有频率。

2）低周疲劳改进方案与措施：

目前低周疲劳的机理分析和薄弱点已经有了结论，叶轮旋转过程中受到离心载荷 热载荷和气动载荷三种作用力的共同作用，其中离心载荷占据90%以上，并且叶轮的离心载荷主要由转速决定，可以看出增压器叶轮的B10寿命与转速相关，见下图8.

具体优化方案如下：

a、增压器叶轮铸造改机加，B10寿命一般会提高2～3倍；

b、提升材料强度，比如钛合金材料，提高抗拉应力作用；

c、匹配自卸版增压器，降低增压器转速，提高B10寿命。

3高低周疲劳的验证方案

针对全新设计的增压器或者优化后的叶轮叶片，验证其高低周疲劳的方案必可不少，验证试验也是不可或缺的，验证方案具体如下：

1）  增压器零部件验证方案：

增压器耐久高低周疲劳零部件考核试验按图9顺序进行。轴系疲劳试验中每一次工况变化测量记录一次，若5s之内无法实现工况变化，则应使t1、t2的工况切换时间尽可能短（10万次循环，单次循环10s，共计278h）。

2）  增压器配机验证方案：

增压器耐久高低周疲劳配机考核试验按图10顺序进行。试验过程中，大扭矩转速到标定转速的负荷按照105%，其余转速按照实际负荷进行考核。试验需要根据柴油机配置装配发电机、空压机、风扇等附件，并带载，并安装散热水箱提供风阻。

3）  仿真计算评估：

a、  针对高周疲劳，共振相干分析评估（常用工况区），评估常用工况区下，增压器叶片的一阶振动频率是否与叶片本身的固有频率相等或者整数倍，避开共振区域。

b、  针对低周疲劳，路谱寿命评估，测试一段典型路谱（包括增压器转速，压后温度、压力），计算评估增压器叶轮的B10寿命，评估是否满足整机技术要求。

4总结

综上所述：

高周疲劳一般出现在叶轮叶片上，是由于叶片的一阶振动频率是否与叶片本身的固有频率相等或者整数倍，通过修改叶型或者修改材料改变叶片自振频率，避开共振区，降低高周疲劳风险，同时通过瞬态考核和仿真评估进一步降低风险。

低周疲劳一般出现在叶轮轴孔底部，叶轮旋转过程中受到离心载荷 热载荷和气动载荷三种作用力的共同作用，其中离心载荷占据90%以上，并且叶轮的离心载荷主要由转速决定，通过降低转速或者提升自身强度或加工方式，可提升B10寿命，同时通过耐久考核和路谱数据仿真评估进一步降低风险。

针对目前市场增压器这种高低周疲劳故障，进行可靠性机理或有限元分析，找到失效的原因和机理，进而采取对应的防范措施和优化方向，同时制定相应的验证方案，提前识别故障风险，降低市场增压器的高低周疲劳故障率。

参考文献：

[1] 陈家瑞. 汽车构造. 北京：机械工业出版社，2005.1.

[2] 周龙保. 内燃机学. 北京：机械工业出版社，2004.

[3]  朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器［M］． 北京： 机械工业出版社，1992．

[4]  张虹．车用涡轮增压器压气机叶轮多载荷应力分析. 车辆与动力技术，2016．

[5]  郭凯．车用增压器涡轮的振动特性分析及试验验证. 车用发动机，2012．

作者信息

1、作者简介：满凯，男，山东潍坊人，本科，可靠性工程师，主要研究方向为质量可靠性。