高原环境下涡轮增压器压气机叶轮可靠性指标评价方法

摘要

本发明提供了一种高原环境下涡轮增压器压气机叶轮可靠性指标评价方法，包括以下步骤：a、确定高原环境下涡轮增压器转速的概率分布特征；b、确定压气机叶轮对应轮毂疲劳失效模式的失效判据；c、确定压气机叶轮对应叶片共振失效模式的失效判据；d、确定涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度模型；e、确定涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度变化规律；f、确定涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下工作时的可靠性指标。本发明可确定出涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度变化规律与可靠性指标；能够有效地指导压气机叶轮的结构优化设计与高原环境下工作寿命的确定。

说明书

技术领域

本发明属于涡轮增压器结构可靠性评价技术领域，尤其是涉及一种高原环境下涡轮增压器压气机叶轮可靠性指标评价方法。

背景技术

涡轮增压器是柴油机实现功率密度提升和改善高原环境适应性的关键部件之一。压气机叶轮作为涡轮增压器的核心部件之一，其可靠性对整个涡轮增压器有着重要的影响。当涡轮增压柴油机在高海拔地区工作时，由于大气环境的改变，发动机的进气量、热损失、输出功率、燃油消耗率、涡轮增压器转速等参数均会发生不同程度变化，使得发动机的机械负荷和热负荷状况与平原地区存在明显的不同。发动机在高原地区工作时，增压器涡轮的进口燃气温度、增压器转速、最高燃烧压力、燃烧过量空气系数和燃油消耗率等诸因素中的任一因素均可能成为限制发动机正常功率输出的障碍。

通常，限制涡轮增压柴油机功率发挥的最主要因素为涡轮前燃气温度或增压器转速。对于涡轮增压器压气机叶轮而言，柴油机在高海波地区工作时涡轮增压器的转速总体上呈现出增大的趋势，增压器转速的增大会增加压气机叶轮发生轮毂疲劳失效或叶片共振失效的风险，降低压气机叶轮的可靠性与寿命。因此，针对发动机在高原环境下运行时涡轮增压器压气机叶轮的失效特点，对压气机叶轮的可靠性进行准确评估是进行压气机叶轮结构优化设计与合理使用的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高原环境下涡轮增压器压气机叶轮可靠性指标评价方法，以便进行压气机叶轮结构优化设计。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高原环境下涡轮增压器压气机叶轮可靠性指标评价方法，包括如下步骤：

a、确定高原环境下涡轮增压器转速n_TC的概率密度函数

b、通过先确定出压气机叶轮轮毂疲劳寿命N与应力s的函数关系式s^mN＝C中参数m的值以及参数C的概率密度函数f_C(C)和压气机叶轮轮毂部位最大应力σ与涡轮增压器转速n_TC之间的函数关系即σ＝F_σ(n_TC)，再运用如下式(1)确定出以发动机任务剖面循环次数w为寿命度量指标时，涡轮增压器压气机叶轮对应轮毂疲劳失效模式的失效判据，即

$g_1=\sqrt[m]{C-(w-1){\int }_0^{+\infty }{F}_{\sigma }{\left(n_{TC}\right)}^m{f}_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right){\mathrm{dn}}_{TC}}-F_{\sigma }\left(n_{TC}\right)---\left(1\right);$

c、通过先确定出压气机叶轮大叶片一阶静态振动固有频率c₁的概率密度函数和累积分布函数和压气机叶轮大叶片一阶动态振动固有频率c_n1与涡轮增压器转速n_TC、一阶静态振动固有频率c₁之间的关系即以及压气机叶轮大叶片的最小谐振阶数k_min；再运用如下式(2)确定出压气机叶轮对应叶片共振失效模式的失效判据，即

$g_2=F_{c_{n1}}(n_{TC},c_1)-\frac{k_{\min }·n_{TC}}{60}---\left(2\right);$

d、以发动机任务剖面循环次数w为寿命度量指标，运用如下式(3)确定出涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度模型，即

$\begin{array}{c}R\left(w\right)={\int }_0^{+\infty }{\int }_0^{+\infty }{f}_C\left(C\right)h{\left[F_{c_1}\left(c_1\right)\right]}^{h-1}{f}_{c_1}\left(c_1\right)\underset{i=1}{\overset{w}{\Pi }}[{\int }_0^{+\infty }{f}_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right)\\ \times \mathrm{sgn}(\sqrt[m]{C-(i-1){\int }_0^{+\infty }{F}_{\sigma }{\left(n_{TC}\right)}^m{f}_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right){\mathrm{dn}}_{TC}}-F_{\sigma }(n_{TC})\\ +|\sqrt[m]{C-(i-1){\int }_0^{+\infty }{F}_{\sigma }{\left(n_{TC}\right)}^m{f}_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right){\mathrm{dn}}_{TC}}-F_{\sigma }\left(n_{TC}\right)|)\\ \times \mathrm{sgn}\left(F_{c_{n1}}\right(n_{TC},c_1)-\frac{k_{\min }·n_{TC}}{60}+|F_{c_{n1}}\left(n_{TC},c_1\right)-\frac{k_{\min }·n_{TC}}{60}\left|\right){\mathrm{dn}}_{TC}]{\mathrm{dc}}_{1}dC\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中，sgn(·)为符号函数，h为压气机叶轮的大叶片数量；

e、将步骤a至c中获得的参数代入式(3)中，确定涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度变化规律；

f、根据压气机叶轮在高原环境下的可靠度模型或压气机叶轮在高原环境下的可靠度变化规律，确定涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下工作时的可靠性指标。

进一步的，所述步骤a是通过对发动机在一次任务剖面循环内涡轮增压器的所有峰值工作转速进行统计分析，确定出对应发动机一次任务剖面循环的涡轮增压器转速n_TC的概率密度函数

进一步的，所述步骤b是通过对压气机叶轮轮毂取样试样进行应力循环比为0的疲劳性能试验，确定出参数m的值以及参数C的概率密度函数f_C(C)；通过有限元仿真计算方法确定出压气机叶轮轮毂部位最大应力σ与涡轮增压器转速n_TC之间的函数关系即σ＝F_σ(n_TC)。

进一步的，所述步骤c是通过自振频率测量试验确定出压气机叶轮大叶片一阶静态振动固有频率c₁的概率密度函数和累积分布函数采用仿真计算方法确定出压气机叶轮大叶片一阶动态振动固有频率c_n1与涡轮增压器转速n_TC、一阶静态振动固有频率c₁之间的关系即根据压气机叶轮的设计规范确定压气机叶轮大叶片的最小谐振阶数。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

针对涡轮增压器随发动机在高原环境下工作时压气机叶轮的失效特点，结合高原环境下工作时涡轮增压器转速的变化规律，通过确定压气机叶轮对应轮毂疲劳失效模式与叶片共振失效模式的失效判据，能够根据压气机叶轮的结构参数、失效判据以及涡轮增压器转速等得到涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度模型，进而确定出涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度变化规律与可靠性指标；能够有效地指导压气机叶轮的结构优化设计与高原环境下工作寿命的确定。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述高原环境下涡轮增压器压气机叶轮可靠性指标评价方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种高原环境下涡轮增压器压气机叶轮可靠性指标评价方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，确定高原环境下涡轮增压器转速的概率分布特征；

根据发动机在高原地区工作时涡轮增压器的工作转速，通过对发动机在一次任务剖面循环内涡轮增压器的所有峰值工作转速进行统计分析，确定出对应发动机一次任务剖面循环的涡轮增压器转速n_TC的概率密度函数

本实施例中，某型车用涡轮增压器随发动机在海拔为4500m的高原环境下工作时，通过对一次任务剖面循环内涡轮增压器的所有峰值工作转速进行统计分析，可以确定出对应发动机一次任务剖面循环的涡轮增压器转速n_TC的概率密度函数为

$f_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right)=\frac{1}{1500}\exp (-\frac{n_{TC}-104000}{1500})\exp [-\exp (-\frac{n_{TC}-104000}{1500})].$

步骤2，确定压气机叶轮对应轮毂疲劳失效模式的失效判据；

针对涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下工作时潜在的轮毂疲劳失效模式，通过对压气机叶轮轮毂取样试样进行应力循环比为0的疲劳性能试验，确定出压气机叶轮轮毂疲劳寿命N与应力s的函数关系式s^mN＝C中参数m的值以及参数C的概率密度函数f_C(C)；

同时，采用有限元仿真计算方法确定出压气机叶轮轮毂部位最大应力σ与涡轮增压器转速n_TC之间的函数关系即σ＝F_σ(n_TC)，进一步，运用如下式(1)确定出以发动机任务剖面循环次数w为寿命度量指标时，涡轮增压器压气机叶轮对应轮毂疲劳失效模式的失效判据，即

$g_1=\sqrt[m]{C-(w-1){\int }_0^{+\infty }{F}_{\sigma }{\left(n_{TC}\right)}^m{f}_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right){\mathrm{dn}}_{TC}}-F_{\sigma }\left(n_{TC}\right)---\left(1\right)$

本实施例中，通过对某型由铝合金制造的压气机叶轮轮毂取样试样进行应力循环比为0的疲劳性能试验，获得的压气机叶轮轮毂疲劳参数m的值为12.4574，参数C的概率密度函数f_C(C)为

$f_C\left(C\right)=\frac{1}{5.7686\times {10}^{32}\sqrt{2\pi }}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{C-5.9309\times {10}^{33}}{5.7686\times {10}^{32}}\right)}^2];$

同时，采用有限元仿真计算方法确定出压气机叶轮轮毂部位最大应力σ与涡轮增压器转速n_TC之间的函数关系为进一步，运用式(1)可以确定出以发动机任务剖面循环次数w为寿命度量指标时该型涡轮增压器压气机叶轮对应轮毂疲劳失效模式的失效判据。

步骤3，确定压气机叶轮对应叶片共振失效模式的失效判据；

针对压气机叶轮在高原环境下工作时潜在的叶片共振失效模式，通过自振频率测量试验确定出压气机叶轮大叶片一阶静态振动固有频率c₁的概率密度函数和累积分布函数采用仿真计算方法确定出压气机叶轮大叶片一阶动态振动固有频率c_n1与涡轮增压器转速n_TC、一阶静态振动固有频率c₁之间的关系即根据压气机叶轮的设计规范确定压气机叶轮大叶片的最小谐振阶数k_min；进一步，运用如下式(2)确定出压气机叶轮对应叶片共振失效模式的失效判据，即

$g_2=F_{c_{n1}}(n_{TC},c_1)-\frac{k_{min}·n_{TC}}{60}---\left(2\right)$

本实施例中，通过自振频率测量试验确定出某型压气机叶轮大叶片一阶静态振动固有频率c₁的概率密度函数和累积分布函数分别为

$f_{c_1}\left(c_1\right)=\frac{1}{87\sqrt{2\pi }}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{c_1-6798}{87}\right)}^2]\frac{1}{2},$

$F_{c_1}\left(c_1\right)={\int }_0^{+\infty }\frac{1}{87\sqrt{2\pi }}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{c_1-6798}{87}\right)}^2]{\mathrm{dc}}_1;$

采用仿真计算方法确定出该型压气机叶轮大叶片一阶动态振动固有频率c_n1与涡轮增压器转速n_TC、一阶静态振动固有频率c₁之间的关系为

c_n1＝0.005329n_TC+c₁-212；

根据该型压气机叶轮的设计规范确定压气机叶轮大叶片的最小谐振阶数k_min＝3.5，进一步，运用式(2)确定出该型压气机叶轮对应叶片共振失效模式的失效判据为

$g_2=0.005329n_{TC}+c_1-212-\frac{3.5·n_{TC}}{60}.$

步骤4，确定涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度模型；

根据步骤1至3中得到的函数关系，以发动机任务剖面循环次数w为寿命度量指标，运用如下式(3)确定出涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度模型，即

$\begin{array}{c}R\left(w\right)={\int }_0^{+\infty }{\int }_0^{+\infty }{f}_C\left(C\right)h{\left[F_{c_1}\left(c_1\right)\right]}^{h-1}{f}_{c_1}\left(c_1\right)\underset{i=1}{\overset{w}{\Pi }}[{\int }_0^{+\infty }{f}_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right)\\ \times \mathrm{sgn}(\sqrt[m]{C-(i-1){\int }_0^{+\infty }{F}_{\sigma }{\left(n_{TC}\right)}^m{f}_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right){\mathrm{dn}}_{TC}}-F_{\sigma }(n_{TC})\\ +|\sqrt[m]{C-(i-1){\int }_0^{+\infty }{F}_{\sigma }{\left(n_{TC}\right)}^m{f}_{n_{TC}}\left(n_{TC}\right){\mathrm{dn}}_{TC}}-F_{\sigma }\left(n_{TC}\right)|)\\ \times \mathrm{sgn}\left(F_{c_{n1}}\right(n_{TC},c_1)-\frac{k_{\min }·n_{TC}}{60}+|F_{c_{n1}}\left(n_{TC},c_1\right)-\frac{k_{\min }·n_{TC}}{60}\left|\right){\mathrm{dn}}_{TC}]{\mathrm{dc}}_{1}dC\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中，sgn(·)为符号函数，h为压气机叶轮的大叶片数量。

步骤5，确定涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度变化规律；

将步骤1中确定的涡轮增压器转速概率密度函数步骤2中确定的参数C的概率密度函数f_C(C)和参数m以及压气机叶轮轮毂部位最大应力函数F_σ(n_TC)、步骤3中确定的压气机叶轮大叶片一阶静态振动固有频率c₁的概率密度函数与累积分布函数和压气机叶轮大叶片一阶动态振动固有频率函数以及压气机叶轮大叶片最小谐振阶数k_min、压气机叶轮的大叶片数量h等参数代入式(3)中，确定出涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下的可靠度R(w)随发动机任务剖面循环次数w的变化规律。

步骤6，确定涡轮增压器压气机叶轮在高原环境下工作时的可靠性指标；

运用步骤4中式(3)所示压气机叶轮在高原环境下的可靠度模型或根据步骤5中确定的压气机叶轮在高原环境下的可靠度变化规律，确定对应不同发动机任务剖面循环次数时涡轮增压器压气机叶轮的可靠度，同时，确定满足不同可靠度要求时涡轮增压器压气机叶轮对应的发动机任务剖面循环次数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。