涡轮增压器压缩机叶轮的叶片振动对车辆的应用依 赖于时间的振动频率可靠性分析.doc

涡轮增压器压缩机叶轮的叶片振动对车辆的应用依赖于时间的振动频率可靠性分析
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 Institute, Tianjin 300400.
Received January 31, 2013; revised September 16, 2013; accepted September 28, 2013
摘要：对车辆应用来说，叶片振动的失效源自于涡轮增压器压缩机叶轮的失效。评价压缩机叶片振动的可靠性的现有模型是静态的，并不能反映压缩机叶轮的叶片振动失效模式的可靠性和寿命的参数之间的关系。对涡轮增压器压缩机叶轮的叶片振动的故障模式的可靠性评价方法进行了研究。取涡轮增压器的压缩机叶轮的车辆应用为例，在叶片振动特性以及它们如何与涡轮增压器的运行参数的变化进行了分析压缩机叶轮叶片振动模式的失效准则是建立于坎贝尔图的，从叶片固有振动频率的分散性和涡轮增压器运行速度的随机性考虑，压缩机叶轮与叶片振动故障模式的时间相关的可靠性模型的推导，这体现了叶片固有振动频率，涡轮增压器的运行速度，压缩机叶轮的叶片数，寿命指数和共振的最小数目等的参数。最后，管理压缩机叶轮的可靠性和故障率的方法用于确定压缩机叶片振动的可靠寿命被呈现。介于这个方法，提出了评价压气机叶轮的可靠性与叶片振动的故障模式的时间依赖性。
关键词：涡轮增压器，压缩机叶轮，叶片振动，可靠性，失效率，可靠寿命。

1 、简介
叶片振动的失效是涡轮增压器的压缩机叶轮的用于车辆的主要失效模式之一。统计表明，对车辆应用来说，压缩机叶轮引起的叶片振动的损害是在涡轮增压器的总的故障模式中占很大比例[1]。
对车辆应用来说，涡轮增压器的运行状的态连续变化是随着发动机的可变的工作条件而改变的，由于车辆发动机的运行配置文件是复杂多变的。在涡轮增压器的汽车应用

工作的过程中，压缩机叶轮的叶片都受到了可变周期性气动力，造成了不稳定的气流。当空气动力的激励频率等于叶片的固有振动频率的整数倍时，压缩机叶轮的叶片将产生共鸣，并且叶片的应力会迅速增加，并且由于疲劳叶片可能会损坏。一旦压缩机叶轮的一个叶片被打碎，破碎的叶片会损害其他叶片。结果，涡轮增压器和发动机不能正常运转。
为了防止因共振振动造成的叶片断裂，在压缩机叶轮的发展中，叶片的固有频率应增加到最大程度和激励源频率应该降低。然而，通过增加叶片厚度并改变叶片轮廓所得到的较高的固有频率，将牺牲压缩机的性能。因此，压缩机叶轮与叶片共振振动的可靠性应被评估，并且压缩机叶轮的叶片应科学设计，使压缩机轮可满足规定的可靠性目标并且具有良好的空气动力性能。
近年来，许多研究人员已经从不同方面研究了叶片振动的问题[2-11]。STEPHAN等人[2]，通过三维模型计算的方法在脉冲充电混流涡轮增压器上研究了涡轮的叶片振动的激励特性。PANKAJ等人[4]，研究了非线性随机动力学,混乱,和可靠性的单自由度模型转子叶片用修改数值的方法。林等人[5]，研究了航空活塞发动机的涡轮增压器的叶片振动强度问题和分析涡轮和压缩机叶轮的强度和振动模式的离心力在结构改进设计之下。MA等人[8]，研究了压缩机轮和涡轮机对涡轮增压器的进气噪音问题的共振振动频率，用于控制叶片的振动和噪音。朱等人[10]，在薄弧形叶片的自激振动的调查中发现涡流从弧形叶片脱落能否有一定机率诱导自激振动。
本文以涡轮增压器压缩机轮车辆应用程序作为一个例子,讲述了时变振动频率可靠性分析方法和模型的叶片共振振动失效模式发展。压缩机叶轮与叶片振动故障模式和可靠性的变化这个规则，并且该方法对确定可靠寿命故障率进行了研究。
2、增压器压缩机叶轮的叶片振动的特性分析
通常，涡轮增压器的压缩机叶轮是由足尺叶片和分流器交叉组成，如图所示1。由于的叶片的形状不同，足尺叶片的第一阶固有频率较低，但该分离器的频率较高。足尺叶片和分离器处于静止状态的一阶固有频率模式的有限元计算列于图，图2和图3。

图1、涡轮增压器的压缩机叶轮对车辆的应用

如图2和3，压缩机叶轮的足尺叶片的第一阶固有频率模式是6730赫兹，但小叶片的第一阶固有频率模式可以达到12482赫兹。
由于足尺叶片的第一阶固有频率是最低的，其共振发生容易且是最有害的。因此，足尺叶片的一阶振动模式用于研究了压气机叶轮的与叶片振动的可靠性分析。
压缩机轮主要是由铸造或铣削制造。由于不确定因素的影响，诸如材料特性的分散性和生产过程中的不稳定性，压缩机叶轮叶的实际固有振动频率是分散的。通过测试在静止状态中获得四个相同压缩机轮不同足尺叶片的第一阶固有振动频率被示于图4。从图4可以得出结论，叶片的固有振动频率是明显分散，分散度不仅存在压缩机叶轮的不同样品中，也可在同一压缩机叶轮的不同叶片上。

图2、压缩机轮的足尺叶片的一阶固有频率模式（C1=6730赫兹）

图3、压缩机轮的分流器的一阶固有频率模式（C1=12482赫兹）
为确定足尺叶片一阶固有振动频率的分散性，随机选择95个相同的压缩机轮，对这些处于静止状态下的足尺叶片振动的一阶固有频率进行了测试。数据显示，第一阶固有频率被显示为正态分布，其平均值为6725赫兹和18赫兹的标准偏差。

图4、压缩机叶轮的第一阶固有频率模式的足尺 叶片振动的实际值