高原環(huán)境下渦輪增壓器壓氣機葉輪可靠性指標評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于渦輪增壓器結(jié)構(gòu)可靠性評價技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高原環(huán)境下渦 輪增壓器壓氣機葉輪可靠性指標評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦輪增壓器是柴油機實現(xiàn)功率密度提升和改善高原環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵部件之一。 壓氣機葉輪作為渦輪增壓器的核心部件之一，其可靠性對整個渦輪增壓器有著重要的影 響。當渦輪增壓柴油機在高海拔地區(qū)工作時，由于大氣環(huán)境的改變，發(fā)動機的進氣量、熱損 失、輸出功率、燃油消耗率、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速等參數(shù)均會發(fā)生不同程度變化，使得發(fā)動機的 機械負荷和熱負荷狀況與平原地區(qū)存在明顯的不同。發(fā)動機在高原地區(qū)工作時，增壓器渦 輪的進口燃氣溫度、增壓器轉(zhuǎn)速、最高燃燒壓力、燃燒過量空氣系數(shù)和燃油消耗率等諸因素 中的任一因素均可能成為限制發(fā)動機正常功率輸出的障礙。
[0003] 通常，限制渦輪增壓柴油機功率發(fā)揮的最主要因素為渦輪前燃氣溫度或增壓器轉(zhuǎn) 速。對于渦輪增壓器壓氣機葉輪而言，柴油機在高海波地區(qū)工作時渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速總體 上呈現(xiàn)出增大的趨勢，增壓器轉(zhuǎn)速的增大會增加壓氣機葉輪發(fā)生輪轂疲勞失效或葉片共振 失效的風險，降低壓氣機葉輪的可靠性與壽命。因此，針對發(fā)動機在高原環(huán)境下運行時渦輪 增壓器壓氣機葉輪的失效特點，對壓氣機葉輪的可靠性進行準確評估是進行壓氣機葉輪結(jié) 構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與合理使用的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種高原環(huán)境下渦輪增壓器壓氣機葉輪可靠性指標 評價方法，以便進行壓氣機葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0006] -種高原環(huán)境下渦輪增壓器壓氣機葉輪可靠性指標評價方法，包括如下步驟：
[0007] a、確定高原環(huán)境下渦輪增壓器轉(zhuǎn)速nTC的概率密度函數(shù)/%e(raTC);
[0008] b、通過先確定出壓氣機葉輪輪轂疲勞壽命N與應(yīng)力s的函數(shù)關(guān)系式smN = C中參數(shù)m 的值以及參數(shù)C的概率密度函數(shù)fc(C)和壓氣機葉輪輪轂部位最大應(yīng)力σ與渦輪增壓器轉(zhuǎn)速 me之間的函數(shù)關(guān)系即〇 =匕(1^)，再運用如下式（1)確定出以發(fā)動機任務(wù)剖面循環(huán)次數(shù)w為 壽命度量指標時，渦輪增壓器壓氣機葉輪對應(yīng)輪轂疲勞失效模式的失效判據(jù)，BP
[0009]
(1)：；
[0010] C、通過先確定出壓氣機葉輪大葉片一階靜態(tài)振動固有頻率(^的概率密度函數(shù) A(q)和累積分布函數(shù)^；(q)，和壓氣機葉輪大葉片一階動態(tài)振動固有頻率Cnl與渦輪增 壓器轉(zhuǎn)速nTC、一階靜態(tài)振動固有頻率(^之間的關(guān)系即= G q)，以及壓氣機葉輪 大葉片的最小諧振階數(shù)匕^再運用如下式(2)確定出壓氣機葉輪對應(yīng)葉片共振失效模式的 失效判據(jù)，S口
[0011]
⑵；
[0012] d、以發(fā)動機任務(wù)剖面循環(huán)次數(shù)w為壽命度量指標，運用如下式(3)確定出渦輪增壓 器壓氣機葉輪在高原環(huán)境下的可靠度模型，即
[0013]
[0UM」式（3)中，sgn( ·)為付虧凼數(shù)，h為壓氣機葉輪的大葉片數(shù)重；
[0015] e、將步驟a至c中獲得的參數(shù)代入式(3)中，確定渦輪增壓器壓氣機葉輪在高原環(huán) 境下的可靠度變化規(guī)律；
[0016] f、根據(jù)壓氣機葉輪在高原環(huán)境下的可靠度模型或壓氣機葉輪在高原環(huán)境下的可 靠度變化規(guī)律，確定渦輪增壓器壓氣機葉輪在高原環(huán)境下工作時的可靠性指標。
[0017] 進一步的，所述步驟a是通過對發(fā)動機在一次任務(wù)剖面循環(huán)內(nèi)渦輪增壓器的所有 峰值工作轉(zhuǎn)速進行統(tǒng)計分析，確定出對應(yīng)發(fā)動機一次任務(wù)剖面循環(huán)的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速n TC的 概率密度函數(shù)/"TC〇iTC)。
[0018] 進一步的，所述步驟b是通過對壓氣機葉輪輪轂取樣試樣進行應(yīng)力循環(huán)比為0的疲 勞性能試驗，確定出參數(shù)m的值以及參數(shù)C的概率密度函數(shù)f c(C);通過有限元仿真計算方法 確定出壓氣機葉輪輪轂部位最大應(yīng)力σ與渦輪增壓器轉(zhuǎn)速nTC之間的函數(shù)關(guān)系即〇 =匕(1^)。
[0019] 進一步的，所述步驟c是通過自振頻率測量試驗確定出壓氣機葉輪大葉片一階靜 態(tài)振動固有頻率(^的概率密度函數(shù)/jq)和累積分布函數(shù)i^(q)，采用仿真計算方法確 定出壓氣機葉輪大葉片一階動態(tài)振動固有頻率Cnl與渦輪增壓器轉(zhuǎn)速nTC、一階靜態(tài)振動固 有頻率 C1之間的關(guān)系即(? (?π ），根據(jù)壓氣機葉輪的設(shè)計規(guī)范確定壓氣機葉輪大 葉片的最小諧振階數(shù)。
[0020] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：
[0021]針對渦輪增壓器隨發(fā)動機在高原環(huán)境下工作時壓氣機葉輪的失效特點，結(jié)合高原 環(huán)境下工作時渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，通過確定壓氣機葉輪對應(yīng)輪轂疲勞失效模式與 葉片共振失效模式的失效判據(jù)，能夠根據(jù)壓氣機葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)、失效判據(jù)以及渦輪增壓 器轉(zhuǎn)速等得到渦輪增壓器壓氣機葉輪在高原環(huán)境下的可靠度模型，進而確定出渦輪增壓器 壓氣機葉輪在高原環(huán)境下的可靠度變化規(guī)律與可靠性指標;能夠有效地指導(dǎo)壓氣機葉輪的 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與高原環(huán)境下工作壽命的確定。
【附圖說明】
[0022] 構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實 施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：
[0023] 圖1為本發(fā)明實施例所述高原環(huán)境下渦輪增壓器壓氣機葉輪可靠性指標評價方法 的流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相 互組合。
[0025]下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。
[0026] -種高原環(huán)境下渦輪增壓器壓氣機葉輪可靠性指標評價方法，如圖1所示，包括以 下步驟：
[0027] 步驟1，確定高原環(huán)境下渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的概率分布特征；
[0028] 根據(jù)發(fā)動機在高原地區(qū)工作時渦輪增壓器的工作轉(zhuǎn)速，通過對發(fā)動機在一次任務(wù) 剖面循環(huán)內(nèi)渦輪增壓器的所有峰值工作轉(zhuǎn)速進行統(tǒng)計分析，確定出對應(yīng)發(fā)動機一次任務(wù)剖 面循環(huán)的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速1^的概率密度函數(shù)/%e(?Te)。
[0029]本實施例中，某型車用渦輪增壓器隨發(fā)動機在海拔為4500m的高原環(huán)境下工作時， 通過對一次任務(wù)剖面循環(huán)內(nèi)渦輪增壓器的所有峰值工作轉(zhuǎn)速進行統(tǒng)計分析，可以確定出對 應(yīng)發(fā)動機一次任務(wù)剖面循環(huán)的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速nTC的概率密度函數(shù)(?TC)為 [0030]
[0031 ]步驟2，確定壓氣機葉輪對應(yīng)輪轂疲勞失效模式的失效判據(jù)；
[0032] 針對渦輪增壓器壓氣機葉輪在高原環(huán)境下工作時潛在的輪轂疲勞失效模式，通過 對壓氣機葉輪輪轂取樣試樣進行應(yīng)力循環(huán)比為〇的疲勞性能試驗，確定出壓氣機葉輪輪轂 疲勞壽命N與應(yīng)力s的函數(shù)關(guān)系式s mN=C中參數(shù)m的值以及參數(shù)C的概率密度函數(shù)fc(C);
[0033] 同時，采用有限元仿真計算方法確定出壓氣機葉輪輪轂部位最大應(yīng)力〇與渦輪增 壓器轉(zhuǎn)速rnc之間的函數(shù)關(guān)系即〇 = Fa(nTC)，進一步，運用如下式（1)確定出以發(fā)動機任務(wù)剖 面循環(huán)次數(shù)w為壽命度量指標時，渦輪增壓器壓氣機葉輪對應(yīng)輪轂疲勞失效模式的失效判 據(jù)，即
[0034]
⑴：
[0035] 本實施例中，通過對某型由鋁合金制造的壓氣機葉輪輪轂取樣試樣進行應(yīng)力循 環(huán)比為0的疲勞性能試驗，獲得的壓氣機葉輪輪轂疲勞參數(shù)m的值為12.4574,參數(shù)C的概率 密度函數(shù)fc(C)為
[0036]
[0037] 同時，采用有限元仿真計算方法確定出壓氣機葉輪輪轂部位最大應(yīng)力〇與渦輪增 壓器轉(zhuǎn)速me之間的函數(shù)關(guān)系為σ = 2.746χΚ) ;進一步，運用式（1)可以確定出以發(fā) 動機任務(wù)剖面循環(huán)