[发明专利]增压器涡轮疲劳寿命预测及其可靠性评价方法

说明书

技术领域

本发明属于涡轮的评价方法，具体涉及一种增压器涡轮疲劳寿命预测及其可靠性评价方法。

背景技术

涡轮增压器是发动机改善其性能和增强高原环境适应性的关键部件，涡轮作为增压器的核心零部件之一，其可靠性和疲劳寿命在很大程度上决定着增压器的可靠性与使用寿命。疲劳破坏是增压器涡轮最重要的失效模式之一，涡轮一旦发生疲劳破坏将导致增压器在短时间内发生失效，并引起发动机动力性能迅速下降而无法正常工作。因此，增压器涡轮不仅要具有良好的气动性能，能够高效地将发动机废气能量转化为压气机工作所需的机械功；而且要具有足够的使用寿命和可靠性，能够持续可靠地工作。

增压器，特别是用于装甲车辆用工况的增压器，在其整个寿命周期中所经历的载荷环境剖面极为复杂，增压器涡轮常会出现各种失效形式，例如，超速破坏、疲劳失效等。对于疲劳失效，增压器虽然在正常工况下工作，但在经历一定的使用寿命后，由于材料疲劳引起涡轮剩余强度降低，导致涡轮剩余强度不足以承受由正常工况下离心载荷作用所引起的应力而发生失效。显然，这种失效是由于材料的疲劳所引起，且发生在增压器工作一段时间后，与增压器的使用寿命和所经历的载荷历程相关。

在增压器的设计过程中，针对涡轮疲劳失效模式进行涡轮的疲劳寿命预测与可靠性评价研究是涡轮设计的关键环节，也是保证涡轮使用寿命和可靠性的有效技术途径。然而，由于发动机实际使用工况的复杂性和不确定性，在涡轮的设计阶段，很难获得增压器的载荷剖面，无法准确计算增压器涡轮的疲劳载荷与应力历程。因此，现有涡轮的疲劳分析通常针对载荷最大的工况，结合材料疲劳性能曲线进行涡轮的疲劳寿命预测和可靠性定性评价，这种疲劳寿命预测方法较为保守，使得预测结果与涡轮实际疲劳寿命之间存在较大差距；且无法对可靠性指标做出定量化评价，即不能给出涡轮对应疲劳失效模式的可靠度与失效率随疲劳寿命的变化规律，很难有效地指导涡轮的疲劳强度设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有涡轮疲劳寿命预测方法的不足，提供一种增压器涡轮疲劳寿命预测及其可靠性评价方法，该方法基于增压发动机的耐久性台架考核试验剖面，针对增压器涡轮的疲劳失效模式，能够在增压器的设计阶段根据其设计参数预测涡轮的疲劳寿命，并可以计算出涡轮疲劳可靠度与失效率随疲劳寿命的变化规律，为涡轮的疲劳强度设计、合理确定其使用寿命提供科学依据。

本发明技术方案：一种增压器涡轮疲劳寿命预测及其可靠性评价方法，它包括以下步骤：

a、计算增压器所配发动机耐久性考核试验剖面的四种主要工况：

根据增压器所配发动机的性能参数，计算发动机耐久性试验剖面的四种主要工况，分别为：

工况1：发动机转速为标定转速的100％，扭矩按外特性；

工况2：发动机转速为标定转速的88％，扭矩按外特性；

工况3：发动机转速为标定转速的80％，扭矩按外特性；

工况4：发动机转速为最大扭矩转速，扭矩为最大扭矩；

b、计算增压器涡轮对应发动机四种工况的平均转速：

针对发动机的四种不同工况，根据增压器与发动机的匹配关系，借助发动机性能分析软件，分别计算对应发动机四种不同工况时增压器涡轮的平均转速n₁，n₂，n₃，n₄；

c、计算增压器涡轮危险部位的疲劳应力历程：

运用有限元分析软件，确定涡轮的危险部位(即应力最大部位)，分别针对增压器四种不同转速n₁，n₂，n₃，n₄，计算涡轮危险部位的应力s₁，s₂，s₃，s₄，结合发动机耐久性试验剖面，确定涡轮危险部位疲劳应力历程；

d、计算涡轮对应不同应力疲劳寿命的均值与标准差：

根据涡轮材料试验数据，确定疲劳寿命N(或对数疲劳寿命lgN)的均值μ_N(或μ_lgN)、标准差σ_N(或σ_lgN)与应力s之间的函数关系，即

μ_N＝F_μ(s)或μ_lgN＝F_μ′(s)                 (1)