鈦合金彎曲振動(dòng)疲勞性能試驗(yàn)

劉崇

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222；2.遼寧省勞動(dòng)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，遼寧沈陽110045）

鈦合金彎曲振動(dòng)疲勞性能試驗(yàn)

劉崇1，2

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222；2.遼寧省勞動(dòng)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，遼寧沈陽110045）

在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，葉片容易產(chǎn)生振動(dòng)。國內(nèi)外大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，葉片故障大部分是振動(dòng)引起的。近年來，鈦合金成為航空航天領(lǐng)域的重要材料，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)盤與葉片廣泛采用。本實(shí)驗(yàn)是針對鈦合金的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，這是為了在今后設(shè)計(jì)、制造、使用中為確定其可靠性水平進(jìn)行的試驗(yàn)研究，為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)、故障分析提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

振動(dòng)；鈦合金；振動(dòng)疲勞試驗(yàn)

引言

眾所周知，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件——發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的劣勢為：工作環(huán)境復(fù)雜、數(shù)量多、葉片故障占比例大。在研制新型發(fā)動(dòng)機(jī)中，為提高葉片性能常需要投入大量的人力、物力、財(cái)力。在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，葉片容易產(chǎn)生振動(dòng)。國內(nèi)外大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，葉片故障大部分是振動(dòng)引起的。而對于發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)中國長期受到外國技術(shù)的控制，中國能借鑒的技術(shù)資料少之又少，我國現(xiàn)在是孤軍奮戰(zhàn)。在中國為了發(fā)展航空領(lǐng)域發(fā)展，對于葉片相關(guān)研究，不僅僅需要現(xiàn)有的資料，還需要有大量的試驗(yàn)支撐。鈦合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕好、耐熱性高等特點(diǎn)。自上世紀(jì)中期開始鈦合金逐步被世界發(fā)達(dá)國家重視[1]。近年來，鈦合金成為航空航天領(lǐng)域的重要材料，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)盤與葉片廣泛采用。本實(shí)驗(yàn)是針對鈦合金的振動(dòng)疲勞試驗(yàn),這是為了在今后設(shè)計(jì)、制造和使用中為確定其可靠性水平進(jìn)行的試驗(yàn)研究，為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)、故障分析提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

1　葉片疲勞試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中葉片如同一個(gè)個(gè)懸臂梁，在受到氣體產(chǎn)生的振動(dòng)后，葉片將受到更多的振動(dòng)載荷。葉片在實(shí)踐工作中受到眾多形式的振動(dòng)影響，其中以彎曲疲勞斷裂失效最為常見，并且危害最大。通過表1統(tǒng)計(jì)資料可以看出葉片振動(dòng)疲勞是導(dǎo)致葉片的故障原因，振動(dòng)疲勞斷裂甚至將造成發(fā)動(dòng)機(jī)及其危險(xiǎn)的重點(diǎn)事故。

表1　國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)葉片故障的主要類型統(tǒng)計(jì)

葉片斷裂是從裂紋產(chǎn)生、裂紋發(fā)展直至斷裂幾個(gè)過程逐步發(fā)展產(chǎn)生的。通過對振動(dòng)疲勞斷裂的研究可以看出斷裂正是遵循疲勞斷裂的規(guī)律，在振動(dòng)循環(huán)力與葉片內(nèi)里相互影響來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)內(nèi)力超過裂紋產(chǎn)生的振動(dòng)力時(shí)葉片將不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)疲勞斷裂，反之則會(huì)出現(xiàn)。因此，本實(shí)驗(yàn)采用彎曲疲勞加載試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)[2]。

2　彎曲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)

彎曲疲勞試驗(yàn)是利用振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)完成的，該系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)、專用夾具、傳感器、測量放大器、頻率計(jì)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測系統(tǒng)、功率放大系統(tǒng)和振蕩器等組成，如圖1所示。振動(dòng)發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)并傳至振動(dòng)臺(tái);通過調(diào)整頻率，被夾具固定在振動(dòng)臺(tái)上的工件類似懸臂梁，將處彎曲諧振下，通過功率放大器的作用加載使葉片振動(dòng)振幅增大；并產(chǎn)生一階彎曲，利用傳感器及檢查系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)；通過應(yīng)力幅，葉片位移，與系數(shù)的關(guān)系來處理數(shù)據(jù)。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖

3　試樣要求及數(shù)據(jù)分析

標(biāo)準(zhǔn)試樣采用某TiAL合金材料，試樣尺寸為: L1=10mm，L2=10mm，L3=5mm，L4=3.2mm，R1=3mm，R2=1 mm，h=3 mm，b=10 mm，試樣去注意消除表面加工缺陷同時(shí)保證光潔度達(dá)。在振動(dòng)臺(tái)終端對試樣進(jìn)行牢固固定。

圖2　鈦合金彎曲振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的疲勞壽命曲線分析圖

試驗(yàn)結(jié)果分析:通過鈦合金彎曲振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的疲勞壽命曲線分析（圖2）可以看出。在改系統(tǒng)鈦合金試驗(yàn)加載方式下，曲線是一個(gè)連續(xù)下降型曲線，當(dāng)在106循環(huán)周期內(nèi)，曲線圖形的下降趨勢近似平緩。當(dāng)?shù)窖h(huán)2×106次時(shí)應(yīng)力迅速下降，因此對于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在該區(qū)域要注重可靠性研究。

4　結(jié)語

模擬鈦合金葉片材料的工作環(huán)境下的振動(dòng)失效，具有工程應(yīng)用指導(dǎo)意義。通過分析可以看出對葉片分析失效在循環(huán)2×106～2×107次也會(huì)產(chǎn)生失效，而對于高周試驗(yàn)研究較少，應(yīng)加大研究。

[1]李重河,朱明,王寧,等.鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用［J].稀有金屬, 2009,33(1):84－91．

[2]趙萍,何清華,楊治國.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞斷裂研究領(lǐng)域與方法概述[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2009（3):58-61.

（編輯：劉楠）

Fatigue Performance Test of Titanium A lloy Bending Vibration

Liu Chong
(1.Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222；2.Liaoning Labor Economy School,Shenyang Liaoning 110045)

The blades easily vibrate in aviation turbine engine.The faults of blade aremostly caused by vibration according to themass data at home and abroad.Nowadays,titanium alloy becomes important in aerospace field which is widely used in compressor discs and blades of turbine engine.This experiment is the test of vibration fatigue of titanium alloy,which is to test the reliability of titanium alloy used in design,manufactureand application.The research provides the data for the reliability design and faultanalysisofaircraftengine.

vibration；titanium alloy；testof vibration fatigue

TG115.5

A

2095-0748(2016)21-0073-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.21.32

2016-10-03

劉崇（1978—），男，遼寧錦州人，本科，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)工程碩士在讀，現(xiàn)就職于遼寧省勞動(dòng)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，從事機(jī)電類專業(yè)課的教學(xué)工作。