車用增壓器渦輪的超速可靠性增長研究

王　正　王增全　何　洪　郭　凱　王晉偉　趙力明

中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室，天津，300400

車用增壓器渦輪的超速可靠性增長研究

王正王增全何洪郭凱王晉偉趙力明

中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室，天津，300400

摘要：針對某型車用增壓器渦輪存在的超速可靠性不高的問題，分析渦輪超速破壞應(yīng)力與失效危險部位，運用渦輪超速破壞可靠度計算模型對原渦輪的超速可靠性進(jìn)行評價。在此基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度出發(fā)，研究渦輪的可靠性增長措施。根據(jù)改進(jìn)后渦輪的超速應(yīng)力與強(qiáng)度參數(shù)，研究改進(jìn)后渦輪的超速可靠性，分析渦輪的超速可靠性增長效果，并通過渦輪增壓器結(jié)構(gòu)耐久性考核試驗進(jìn)行定性試驗驗證。研究結(jié)果表明，改進(jìn)后的渦輪超速可靠性明顯提高，能夠滿足渦輪增壓器的使用要求。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；渦輪；超速破壞；可靠性；可靠性增長

0引言

渦輪是車用渦輪增壓器的核心零件之一，不僅要求具有良好的氣動性能，能夠高效地將發(fā)動機(jī)氣缸排出的廢氣能量轉(zhuǎn)化為壓氣機(jī)葉輪工作所需的機(jī)械功，而且要滿足一定的可靠性，能夠持續(xù)可靠地工作[1]。超速破壞是車用增壓器渦輪的典型失效模式之一[2]，車用渦輪增壓器由于運行工況的復(fù)雜性和多變性，增壓器有時會在超過其額定轉(zhuǎn)速的工況下工作[3]，例如，渦輪增壓器在高海拔地區(qū)使用時在某些工況下會出現(xiàn)超速現(xiàn)象。當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速過大時，渦輪有可能發(fā)生超速破壞。渦輪一旦發(fā)生超速破壞不僅會使渦輪飛散，而且飛散的碎片還有可能擊穿渦輪箱引起更大的損壞。

因此，為有效保證渦輪增壓器的可靠性與發(fā)動機(jī)的安全性，在渦輪增壓器的研制過程中，需要對渦輪的超速可靠性進(jìn)行分析與評價[3-4]。目前，增壓器渦輪的超速可靠性評價大多采用安全系數(shù)法，即按照“安全系數(shù)為2”的設(shè)計準(zhǔn)則對渦輪的超速強(qiáng)度進(jìn)行可靠性評價與試驗驗證。安全系數(shù)法由于計算簡便而在工程中被廣泛應(yīng)用，但是這種方法并不能全面客觀地反映強(qiáng)度分散性、轉(zhuǎn)速波動性等不確定性因素對渦輪超速可靠性的影響[5]。

本文針對某型車用增壓器渦輪的超速可靠性增長問題，研究渦輪對應(yīng)超速破壞失效模式的應(yīng)力與強(qiáng)度，建立渦輪的超速可靠度計算模型，并對渦輪的既有超速可靠性進(jìn)行評價；同時開展渦輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，分析渦輪的超速可靠性增長效果，并通過增壓器耐久性考核試驗進(jìn)行驗證。

1增壓器渦輪的超速應(yīng)力研究

圖1　渦輪超速最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪轂中心

圖2　渦輪超速最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪背

渦輪的超速破壞應(yīng)力主要與由轉(zhuǎn)速引起的離心載荷有關(guān)。渦輪在離心載荷作用下的最大應(yīng)力通常會出現(xiàn)在輪轂中心(圖1)、輪背(圖2)等位置，具體位置與渦輪的實際結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(a)輪背應(yīng)力分布

(b)心部應(yīng)力分布圖3　渦輪的應(yīng)力分布狀態(tài)

圖3所示為渦輪增壓器在某工況運行時，運用有限元法計算得到渦輪的應(yīng)力狀態(tài)。從圖3中可以看出，渦輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪背靠近轉(zhuǎn)軸附近的位置，當(dāng)增壓器在該轉(zhuǎn)速下工作時，渦輪輪背的最大應(yīng)力為737 MPa，此時渦輪心部的最大應(yīng)力為529.87 MPa。受鑄造工藝等因素的影響，渦輪的心部強(qiáng)度通常相對較差，而輪背部位的強(qiáng)度則相對較好，因此，渦輪輪背靠近轉(zhuǎn)軸的位置以及心部都有可能成為渦輪實際發(fā)生超速破壞的部位。

為進(jìn)一步確定渦輪的超速破壞危險部位，在渦輪增壓器試驗臺上進(jìn)行渦輪超速破壞試驗，發(fā)生超速破壞后的渦輪如圖4所示。

圖4　發(fā)生超速破壞的某型車用增壓器渦輪

2渦輪超速可靠性建模與既有超速可靠性評價

車用渦輪增壓器在實際使用過程中，受發(fā)動機(jī)運行工況復(fù)雜性與多變性的影響，在每個指定壽命單位(如一次任務(wù)剖面循環(huán)、隨發(fā)動機(jī)運行10 h、隨車行駛100 km等)內(nèi)，渦輪增壓器實際出現(xiàn)的最高工作轉(zhuǎn)速具有一定的隨機(jī)性。

由于渦輪的超速破壞應(yīng)力主要取決于增壓器在工作過程中出現(xiàn)的最高工作轉(zhuǎn)速，因此，通過對增壓器在指定壽命單位內(nèi)的最高工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行統(tǒng)計分析，并結(jié)合有限元仿真計算，可以獲得在指定壽命單位內(nèi)渦輪超速應(yīng)力的概率分布特征[6]。

為確定渦輪超速破壞危險部位的應(yīng)力概率分布特征，對渦輪增壓器在一次任務(wù)剖面循環(huán)內(nèi)的最高工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并運用有限元法對渦輪超速破壞危險部位的應(yīng)力進(jìn)行仿真計算，得到了渦輪在一次任務(wù)剖面循環(huán)中超速破壞危險部位應(yīng)力s的概率密度函數(shù)為

(1)

同時，為確定渦輪超速破壞危險部位的強(qiáng)度概率分布特征，對渦輪進(jìn)行了輪背取樣拉伸測試，由測試結(jié)果可知，渦輪超速破壞危險部位強(qiáng)度δ的概率密度函數(shù)為

(2)

根據(jù)以離散型變量為壽命度量指標(biāo)框架下的零部件時變可靠性建模方法[6-7]，可以建立以任務(wù)剖面循環(huán)次數(shù)為壽命度量指標(biāo)時增壓器渦輪的超速可靠度計算模型，即

(3)

式中，w為壽命度量指標(biāo)；fδ(δ)為渦輪超速破壞強(qiáng)度的概率密度函數(shù)；Fs(s)、fs(s)分別為渦輪超速破壞應(yīng)力的累積分布函數(shù)和概率密度函數(shù)。

運用式(3)可以計算得到渦輪超速可靠度隨任務(wù)剖面循環(huán)次數(shù)(壽命度量指標(biāo))w的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5　渦輪超速可靠度隨試驗循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

從圖5可以看出，渦輪的超速可靠度隨著任務(wù)剖面循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，當(dāng)任務(wù)剖面循環(huán)次數(shù)達(dá)到16時，渦輪的超速可靠度降低到0.995，超速破壞風(fēng)險增大到0.5%。渦輪的超速破壞不僅涉及增壓器的可靠性問題，而且關(guān)系到發(fā)動機(jī)的安全性問題，因此，增壓器渦輪在整個使用壽命期間不允許發(fā)生超速破壞。顯然，該渦輪的超速可靠性不能滿足使用要求。

3渦輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與應(yīng)力分析

針對渦輪超速可靠性不能滿足使用要求的問題，在不影響增壓器氣動性能的前提下，為提高渦輪的超速可靠性，對渦輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采取的可靠性增長措施具體為，將渦輪的輪背由平面型結(jié)構(gòu)改進(jìn)為凸臺型結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

為確定可靠性增長措施的有效性，對改進(jìn)后的渦輪進(jìn)行了應(yīng)力分析。圖7所示為增壓器在某工況運行時改進(jìn)后渦輪的應(yīng)力分布狀態(tài)。從圖中可以看出，與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后的渦輪心部的最大應(yīng)力有所減小，由529.87 MPa減小到476.45 MPa；而渦輪輪背部位的最大應(yīng)力仍然出現(xiàn)在靠近轉(zhuǎn)軸部位，但是最大應(yīng)力值大幅減小，由改進(jìn)前的737 MPa減小到462 MPa。因此，可以確定改進(jìn)后渦輪的超速破壞危險部位為渦輪的心部最大應(yīng)力處。

(a)改進(jìn)前

(b)改進(jìn)后圖6　改進(jìn)前后的渦輪結(jié)構(gòu)示意圖

(a)輪背應(yīng)力分布

(b)心部應(yīng)力分布圖7　改進(jìn)后渦輪的應(yīng)力分布

進(jìn)一步，結(jié)合渦輪增壓器在一次任務(wù)剖面循環(huán)內(nèi)最高工作轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計特征，對改進(jìn)后渦輪超速破壞危險部位的應(yīng)力進(jìn)行仿真計算，得到了在一次試驗循環(huán)中渦輪超速破壞危險部位應(yīng)力的概率密度函數(shù)：

(4)

4改進(jìn)后渦輪的超速可靠性評價與可靠性增長效果分析

為確定渦輪超速破壞危險部位的強(qiáng)度概率分布特征，更加準(zhǔn)確地評價改進(jìn)后增壓器渦輪的超速可靠性，針對改進(jìn)后的增壓器渦輪，根據(jù)渦輪危險部位的受力狀態(tài)，從渦輪的輪轂靠近輪背的部位沿徑向進(jìn)行取樣，如圖8所示。圖9所示為完成拉伸性能測試的渦輪心部強(qiáng)度模擬試樣。

圖8　渦輪的心部拉伸性能試樣取樣方法

圖9　渦輪的心部拉伸性能試樣

表1所示為隨機(jī)選取的11個渦輪心部取樣試樣拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果。根據(jù)表1的測試結(jié)果，對渦輪心部強(qiáng)度進(jìn)行概率分布檢驗，如圖10所示。從圖10中可以看出，渦輪的心部強(qiáng)度較好地服從威布爾分布，其概率密度函數(shù)可以表示為

(5)

表1　渦輪心部取樣拉伸性能測試結(jié)果　MPa

圖10　渦輪心部拉伸強(qiáng)度概率分布檢驗

進(jìn)一步，將改進(jìn)后渦輪的超速破壞應(yīng)力與強(qiáng)度參數(shù)代入式(3)所示的渦輪超速可靠度計算模型，可以計算得到改進(jìn)后的渦輪超速可靠度隨任務(wù)剖面循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，如圖11所示。

圖11　渦輪超速可靠度隨試驗循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

從圖11中可以看出，與原渦輪相比，改進(jìn)后的渦輪超速可靠度明顯提高。改進(jìn)后渦輪的超速可靠度隨著任務(wù)剖面循環(huán)次數(shù)的增加并未呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，對應(yīng)10 000次任務(wù)剖面循環(huán)，渦輪的超速可靠度均保持在1，即渦輪發(fā)生超速破壞的風(fēng)險極低。顯然，改進(jìn)后的渦輪能夠滿足增壓器渦輪的可靠性要求。

為進(jìn)一步驗證改進(jìn)后渦輪的超速強(qiáng)度及其可靠性，在渦輪增壓器試驗臺上對改進(jìn)后的渦輪增壓器進(jìn)行了120 h結(jié)構(gòu)耐久性考核試驗，在整個試驗過程中增壓器渦輪未出現(xiàn)任何故障，圖12所示為增壓器結(jié)構(gòu)耐久性試驗結(jié)束后渦輪的拆檢照片，從圖12中可以看出渦輪完好無損。

圖12　經(jīng)過120 h耐久性考核試驗后的渦輪

5結(jié)論

針對某型車用增壓器渦輪存在的超速可靠性不足，分析了渦輪對應(yīng)超速破壞失效模式的應(yīng)力分布特征與失效危險部位，根據(jù)某渦輪的應(yīng)力和強(qiáng)度參數(shù)，運用增壓器渦輪超速破壞可靠度計算模型對原渦輪的超速可靠性進(jìn)行了評價，指出原渦輪存在發(fā)生超速破壞的風(fēng)險，不能滿足使用要求。在此基礎(chǔ)上，對渦輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過仿真計算和試驗測試獲得了改進(jìn)后渦輪對應(yīng)超速破壞失效模式的應(yīng)力與強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)一步對改進(jìn)后的渦輪進(jìn)行了可靠度計算，分析了渦輪的超速可靠性增長效果，并通過渦輪增壓器結(jié)構(gòu)耐久性考核試驗進(jìn)行了定性試驗驗證。研究結(jié)果表明，渦輪的可靠性增長措施得當(dāng)有力，可靠性增長效果明顯。與原渦輪相比，改進(jìn)后的渦輪超速可靠性明顯提高，能夠滿足增壓器渦輪的使用要求。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Study on Reliability Growth of Turbine of Turbocharger for Vehicle Applications with Over-speed Failure Mode

Wang ZhengWang ZengquanHe HongGuo KaiWang JinweiZhao Liming

National Key Laboratory of Diesel Engine Turbocharging Technology,China North Engine Research Institute,Tianjing,300400

Abstract:For the over-speed reliability problem of turbine of turbocharger for vehicle applications, the stress and critical position of turbine with over-speed failure mode were analyzed. With the reliability model of turbine with over-speed failure mode, the reliability of original turbine was evaluated. Then, through the structural optimization design, the method for reliability growth of turbine with over-speed failure mode was studied. According to the parameters of stress and strength of improved turbine, the reliability of improved turbine with over-speed failure mode was studied, and the reliability growth effectiveness of turbine was analyzed. Finally, the reliability was verified qualitatively by the structural endurance test of turbocharger in a test bench. The results show that the reliability of improved turbine with over-speed failure mode increases obviously and it can meet the operation requirements of turbocharger.

Key words:turbocharger; turbine; over-speed failure; reliability; reliability growth

收稿日期：2015-01-30

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51375465,50905007)

中圖分類號：TK422;TH114

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.023

作者簡介：王正，男，1981年生。中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室研究員、博士。主要研究方向為渦輪增壓技術(shù)、柴油機(jī)可靠性技術(shù)、機(jī)械系統(tǒng)可靠性等。王增全，男，1962年生。中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室研究員，中國兵器工業(yè)集團(tuán)首席技術(shù)專家。何洪，男，1963年生。中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室研究員。郭凱，男，1983年生。中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室助理研究員。王晉偉，男，1964年生。中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室副研究員。趙力明，男，1973年生。中國北方發(fā)動機(jī)研究所柴油機(jī)增壓技術(shù)重點實驗室工程師。