基于失效模式的壓縮機(jī)道路試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為臺(tái)架試驗(yàn)研究

徐國(guó)權(quán)，武文超，李明，邵翌旻

(1-泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201；2-吉林大學(xué)熱能工程系，吉林長(zhǎng)春 130025；3-上海三電貝洱汽車(chē)空調(diào)有限公司，上海 200232)

0 引言

近年來(lái)，客戶質(zhì)量第一的理念使得各主機(jī)廠對(duì)道路試驗(yàn)的投入越來(lái)越大，同時(shí)現(xiàn)有汽車(chē)零部件的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)主要依托于ISO，ASTM等國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并沒(méi)有充分考慮到中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家的使用路況和情況，因此開(kāi)展實(shí)際道路路試是開(kāi)發(fā)步驟不可或缺的一環(huán)，但是道路試驗(yàn)有著時(shí)間長(zhǎng)，試驗(yàn)樣本數(shù)量有限，投入人力、物力、資本大，可重復(fù)性差等缺陷，因此有必要對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M路試進(jìn)行研究，以便快速發(fā)現(xiàn)潛在失效模式，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，保障工程開(kāi)發(fā)質(zhì)量[1]。

本文基于M公司整車(chē)壓縮機(jī)道路試驗(yàn)的結(jié)果，根據(jù)對(duì)等原理，模擬道路試驗(yàn)負(fù)載，在臺(tái)架試驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)損傷。

1 壓縮機(jī)在道路工況實(shí)際表現(xiàn)和試驗(yàn)工作

壓縮機(jī)是汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的唯一動(dòng)力部件，建立空調(diào)系統(tǒng)的高、低壓以進(jìn)行換熱，本體固定在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架上，本體通過(guò)皮帶輪與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出惰輪相連后將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行工作，其切斷吸合通過(guò)車(chē)室內(nèi)控制頭給出電磁離合器線圈的通斷進(jìn)行控制。

根據(jù)以往的道路試驗(yàn)表現(xiàn)，壓縮機(jī)的失效模式主要集中在瞬間吸合異響，運(yùn)行噪聲，輪系異響，壓縮機(jī)滲漏，離合線圈燒毀，壓縮機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)摩擦副咬死。尤其是最后兩種失效模式危害性極大，往往造成壓縮機(jī)總成徹底報(bào)廢。

M公司G型車(chē)X型6缸單向120 cc排量壓縮機(jī)，按照A1(M公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))夏季道路試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)離合器燒毀，分析拆解壓縮機(jī)發(fā)現(xiàn)是內(nèi)部止推軸承保持架因工藝質(zhì)量控制問(wèn)題導(dǎo)致提前斷裂所致，如圖1所示。

針對(duì)失效進(jìn)行臺(tái)架復(fù)現(xiàn)，按照道試A1規(guī)范，得到G型車(chē)采集實(shí)際空調(diào)壓縮機(jī)的吸排氣壓力，壓縮機(jī)吸合與斷開(kāi)時(shí)間，如圖2所示。

圖1 X型壓縮機(jī)路試離合器線圈失效和保持架斷裂情況

圖2 X型壓縮機(jī)路試信號(hào)時(shí)間采集

2 試驗(yàn)損傷的量化

試驗(yàn)損傷理論早在上世紀(jì)被各大車(chē)廠廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的計(jì)算[2]，如下公式1所示：

式中：

Damage——試驗(yàn)損傷；

Cycle——試驗(yàn)時(shí)間或者存活時(shí)間，以天、小時(shí)、循環(huán)次數(shù)為單位；

δ——試驗(yàn)應(yīng)力；

Exponent ——倒冪曲線的指數(shù),根據(jù)應(yīng)力種類(lèi)不同而不同。

任何試驗(yàn)應(yīng)力損傷都是由試驗(yàn)時(shí)間以及試驗(yàn)應(yīng)力指數(shù)關(guān)系所組成，缺一不可，試驗(yàn)應(yīng)力包括機(jī)械應(yīng)力，例如加速度、振動(dòng)位移、形變等，電應(yīng)力包括電壓，電流，溫度應(yīng)力，化學(xué)應(yīng)力等[3]。

其中的指數(shù)關(guān)系按照產(chǎn)品壽命與應(yīng)力曲線倒冪公式[4]所得：

式中：

life——產(chǎn)品壽命；

K——試驗(yàn)?zāi)Ｊ匠?shù)；

n——倒冪曲線斜率。

其中指數(shù)n的確定最為關(guān)鍵。按照常用的工程分析步驟，采用三階應(yīng)力法進(jìn)行試驗(yàn)，一階試驗(yàn)應(yīng)力是產(chǎn)品由于設(shè)計(jì)和材料問(wèn)題所能承受極限應(yīng)力的80%，二、三階應(yīng)力依次是前階應(yīng)力乘以90%，試驗(yàn)樣件數(shù)量順序是2、2、不小于3。例如壓縮機(jī)12000 r/min左右壓縮機(jī)必然超出其共振轉(zhuǎn)速；根據(jù)三階應(yīng)力法，可得一階應(yīng)力為轉(zhuǎn)速9600 r/min時(shí)，二、三階應(yīng)力分別為轉(zhuǎn)速 8640 r/min、7776 r/min時(shí)。每個(gè)樣件采用試驗(yàn)到失效的方式，直到失效為止，統(tǒng)計(jì)壽命時(shí)間并繪制壽命-應(yīng)力圖，得到產(chǎn)品最終應(yīng)力壽命線，直線斜率即為n。

從所得到的直線，可以得出其他各個(gè)使用應(yīng)力條件下產(chǎn)品的預(yù)期壽命，同時(shí)對(duì)于試驗(yàn)加速和減速試驗(yàn)有著重要的指導(dǎo)意義。在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速三階應(yīng)力條件下，共有三個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)工況采用 2個(gè)樣件，共得到6個(gè)樣件的失效壽命，取每個(gè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下的平均壽命作圖，得到曲線斜率為4.92，如圖3所示。機(jī)械應(yīng)力n在4到5之間。

圖3 倒冪曲線

根據(jù)上述理論，同應(yīng)力條件下試驗(yàn)損傷等同關(guān)系可以進(jìn)行量化：

式中：

Damagenr——正常使用的應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)件的損傷；

Damageac——應(yīng)力提升后對(duì)試驗(yàn)件造成的損傷。

根據(jù)公式(1)和公式(3)則有：

式中：

δnr——正常使用的試驗(yàn)應(yīng)力；

δac——提升后的試驗(yàn)應(yīng)力；

lifenr——正常使用的樣件存活時(shí)間；

lifeac——應(yīng)力提升后的樣件存活時(shí)間。

根據(jù)式(4)可以得到應(yīng)力提升后的產(chǎn)品預(yù)期壽命：

同時(shí)：

如果試驗(yàn)系統(tǒng)有多個(gè)應(yīng)力同時(shí)加載[5-6]，則結(jié)果如下：

式中：

damage——試驗(yàn)損傷；

lifecycle——樣件存活時(shí)間；

δ1…δn——各個(gè)應(yīng)力值。

如果試驗(yàn)系統(tǒng)有著不同時(shí)段的應(yīng)力作用，則結(jié)果如下：

式中：

Totaldamage——各個(gè)應(yīng)力下的總損傷；

timei——各個(gè)時(shí)段值；

δi——各個(gè)應(yīng)力值；

exponenti——各個(gè)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的倒冪曲線指數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分試驗(yàn)分析

機(jī)械損傷經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

式中：

rpm ——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

pressure ——壓縮機(jī)排氣壓力，MPa。

道路試驗(yàn)A1標(biāo)準(zhǔn)分為A1-1和A1-2兩大工況，其中A1-1工況大體如下：

1) 事件1：試驗(yàn)車(chē)輛四檔加速到150 km/h。期間壓縮機(jī)在3600 r/min運(yùn)行10 s，在6000 r/min下運(yùn)行10 s；

2) 事件2：從150 km/h減速到120 km/h。期間壓縮機(jī)在6000 r/min下運(yùn)行5 s，在4800 r/min下運(yùn)行15 s；

3) 事件3：再次四檔加速到150 km/h。期間壓縮機(jī)在3600 r/min下運(yùn)行10 s；

4) 事件4：5檔150 km/h降速到5檔120 km/h。期間壓縮機(jī)在6000 r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)行8 s，在4800 r/min下運(yùn)行16 s；

5) 事件 5：再次加速到 150 km/h，壓縮機(jī)在3600 r/min下運(yùn)行10 s；

6) 事件 6：加速到 160 km/h后減速到 120 km/h。期間壓縮機(jī)在6400 r/min運(yùn)行12 s，在5100 r/min運(yùn)行10 s。

其他事件過(guò)程類(lèi)似，在這里就不一一贅述。

根據(jù)如上損傷等同理論公式，計(jì)算出單個(gè)工況單個(gè)過(guò)程的損傷，倍乘總的循環(huán)次數(shù)得到路試 A1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于單體壓縮機(jī)的損傷后，轉(zhuǎn)化為臺(tái)架應(yīng)力為：排氣壓力1.7 MPa，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速6600 r/min，詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果如表1～表3。

表1 試驗(yàn)結(jié)果：壓縮機(jī)吸斷狀態(tài)和次數(shù)

表2 試驗(yàn)結(jié)果：各事件下?lián)p傷值

表3 其它試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果

按照上述臺(tái)架試驗(yàn)要求，問(wèn)題批次的壓縮機(jī)和改進(jìn)后壓縮機(jī)樣品，各用兩件進(jìn)行臺(tái)架模擬路試復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，兩個(gè)問(wèn)題樣件都在連續(xù)運(yùn)行35 h后表現(xiàn)離合器燒壞，并且壓縮機(jī)活塞不動(dòng)咬死，有效工作時(shí)間大概占整個(gè)試驗(yàn)要求的26.5%，這與路試失效里程百分比吻合，而新樣件最終通過(guò)132 h考核，說(shuō)明臺(tái)架試驗(yàn)可以很好地模擬路試應(yīng)力結(jié)果。如圖 4所示是132 h后改進(jìn)試驗(yàn)樣件的止推軸承情況，無(wú)破損，保持架滾針等零件完好。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的計(jì)算分析，可以得到如下結(jié)論：

1) 應(yīng)力壽命的倒冪曲線通過(guò)三階應(yīng)力的試驗(yàn)?zāi)M，采用小樣本加速試驗(yàn)可以快速得到一定設(shè)計(jì)產(chǎn)品下的應(yīng)力壽命曲線，對(duì)預(yù)測(cè)使用條件下產(chǎn)品預(yù)期壽命有著重要的指導(dǎo)意義；

2) 通過(guò)應(yīng)力分析和損傷對(duì)等理論分析，可以在不同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可以有效縮短試驗(yàn)時(shí)間，盡早暴露設(shè)計(jì)缺陷和發(fā)現(xiàn)潛在失效，并且極大節(jié)省試驗(yàn)資源和開(kāi)發(fā)成本；

3) 對(duì)于本篇所陳述的壓縮機(jī)實(shí)車(chē)道路模擬的方法，受臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備能力所限，僅考慮了壓縮機(jī)內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)于外部路面激勵(lì)車(chē)身振動(dòng)的影響有待進(jìn)一步考證。

[1] 李文斌, 喻凡, 胡文偉. 轎車(chē)后減振器上支座優(yōu)化結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 41(2): 284-288.

[2] 黃松, 夏武超, 陳軍. 以道路載荷譜為基礎(chǔ)建立汽車(chē)零部件的當(dāng)量壽命[J]. 汽車(chē)科技, 2003(2): 6-8, 33.

[3] 趙少汴. 常用累積損傷理論疲勞壽命估算精度的試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械強(qiáng)度, 2000, 22(3): 206-209.

[4] LU W B, SHI D M. A new compounding life distribution:the Weibull-Poisson distribution[J]. Journal of applied statistics, 2012, 39(1/2): 21-38.

[5] KOYANAGI J, NAKADA M, MIYANO Y. Tensile strength at elevated temperature and its applicability as an accelerated testing methodology for unidirectional composites[J]. Mechanics of Time-Dependent Materials,2012, 16(1): 19-30.

[6] RUAN J J, MONNEREAU N, TREMOUILLES D, et al.An accelerated stress test method for electrostatically driven MEMS devices[J]. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions, 2012, 61(2): 456-461.