高原环境下涡轮增压器压气机叶轮可靠性指标评价方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] -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：
[0007] a、确定高原环境下涡轮增压器转速nTC的概率密度函数/%e(raTC);
[0008] 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smN = C中参数m 的值以及参数C的概率密度函数fc(C)和压气机叶轮轮毂部位最大应力σ与涡轮增压器转速 me之间的函数关系即〇 =匕(1^)，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，BP
[0009]
(1)：；
[0010] 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(^的概率密度函数 A(q)和累积分布函数^；(q)，和压气机叶轮大叶片一阶动态振动固有频率Cnl与涡轮增 压器转速nTC、一阶静态振动固有频率(^之间的关系即= G q)，以及压气机叶轮 大叶片的最小谐振阶数匕^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，S口
[0011]
⑵；
[0012] 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
[0013]
[0UM」式（3)中，sgn( ·)为付亏凼数，h为压气机叶轮的大叶片数重；
[0015] 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；
[0016] 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。
[0017] 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/"TC〇iTC)。
[0018] 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nTC之间的函数关系即〇 =匕(1^)。
[0019] 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(^的概率密度函数/jq)和累积分布函数i^(q)，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Cnl与涡轮增压器转速nTC、一阶静态振动固 有频率 C1之间的关系即(? (?π ），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。
[0020] 相对于现有技术，本发明具有以下优势：
[0021]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】
[0022] 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：
[0023] 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】
[0024] 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。
[0025]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0026] -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：
[0027] 步骤1，确定高原环境下涡轮增压器转速的概率分布特征；
[0028] 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1^的概率密度函数/%e(?Te)。
[0029]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nTC的概率密度函数(?TC)为 [0030]
[0031 ]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；
[0032] 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〇的疲劳性能试验，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fc(C);
[0033] 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〇与涡轮增 压器转速rnc之间的函数关系即〇 = Fa(nTC)，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
[0034]
⑴：
[0035] 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fc(C)为
[0036]
[0037] 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〇与涡轮增 压器转速me之间的函数关系为σ = 2.746χΚ) ;进一步，运用式（1)可以确定出以发 动机任务剖面循环