大型壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子疲勞損傷機(jī)理及再制造壽命預(yù)測(cè)基礎(chǔ)研究.pdf

1、大型壓縮機(jī)屬于重大裝備機(jī)械，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力等國(guó)家經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)及國(guó)防軍工領(lǐng)域，是衡量著一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志性設(shè)備之一。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子由主軸和葉輪兩部分組成，是保證壓縮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件。目前制約我國(guó)再制造發(fā)展的核心問(wèn)題是再制造基礎(chǔ)研究不足，必須解決再制造對(duì)象的疲勞失效機(jī)理、壽命演變規(guī)律和壽命預(yù)測(cè)等專(zhuān)屬問(wèn)題才能高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)再制造。本課題以高附加值的轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究轉(zhuǎn)子主軸和葉輪的疲勞失效機(jī)理，建立再制造壽命預(yù)測(cè)模型

2、，對(duì)豐富轉(zhuǎn)子疲勞基礎(chǔ)研究和推動(dòng)再制造產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化發(fā)展具有重大意義。
　　轉(zhuǎn)子在服役過(guò)程中的疲勞損傷機(jī)理與壽命演變規(guī)律的研究是轉(zhuǎn)子再制造的前提和基礎(chǔ)。由于轉(zhuǎn)子尺寸的限制和工況的復(fù)雜，使得常規(guī)試驗(yàn)方法很難準(zhǔn)確的對(duì)實(shí)際工況下轉(zhuǎn)子內(nèi)部應(yīng)變變化進(jìn)行量化，從而分析研究其疲勞失效機(jī)理和壽命演變規(guī)律。本文利用有限元法，對(duì)轉(zhuǎn)子的幾何形狀，邊界條件、載荷條件進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，通過(guò)精確建模和網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子主軸和葉輪進(jìn)行分析。分析了滾動(dòng)接觸下主軸內(nèi)部的應(yīng)

3、力應(yīng)變分布狀態(tài)，確定了主軸的疲勞損傷機(jī)理；分析了特征載荷(離心力載荷、氣流載荷、振動(dòng)載荷等)非正常協(xié)同作用對(duì)葉輪疲勞損傷和壽命演變規(guī)律的影響，同時(shí)也對(duì)工藝載荷和極端工況載荷對(duì)轉(zhuǎn)子壽命的影響進(jìn)行了探討和研究，這些研究為葉輪再制造提供了理論基礎(chǔ)。
　　以主軸的接觸疲勞失效為主軸再制造主要研究方向，基于等離子噴涂技術(shù)的高效性和低成本性，采用超音速等離子噴涂技術(shù)為轉(zhuǎn)子中主軸的關(guān)鍵再制造技術(shù)，通過(guò)正交法確定最優(yōu)工藝參數(shù)，利用超音速等離子噴涂

4、得到質(zhì)量較好的主軸再制造涂層，利用課題組內(nèi)的新型滾滑接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)得到了模擬工況下疲勞損傷試樣形貌，利用SEM對(duì)不同失效形貌進(jìn)行表征，以大樣本統(tǒng)計(jì)方法對(duì)涂層的失效模式進(jìn)行分類(lèi)，系統(tǒng)研究不同接觸應(yīng)力水平下的涂層接觸疲勞失效機(jī)理，通過(guò)P-S-N曲線建立了主軸再制造的接觸疲勞壽命模型。
　　針對(duì)葉輪復(fù)雜的尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)葉輪的危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行力學(xué)和結(jié)構(gòu)的相似簡(jiǎn)化處理，確定出能夠代表葉輪危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)的試件形式與尺寸，基于試件尺寸和形式研制和

5、搭建了能夠模擬葉輪實(shí)際工況條件的綜合試驗(yàn)平臺(tái)。
　　研究了葉輪構(gòu)件的疲勞失效機(jī)理并建立了葉輪構(gòu)件的壽命預(yù)測(cè)模型。基于綜合試驗(yàn)平臺(tái)和葉輪材料試樣，對(duì)模擬工況下的葉輪構(gòu)件失效形式和機(jī)理進(jìn)行分類(lèi)和表征，并對(duì)預(yù)測(cè)葉輪構(gòu)件疲勞極限的Soderberg曲線進(jìn)行了修正和試驗(yàn)驗(yàn)證。以多軸疲勞模型為理論基礎(chǔ)，對(duì)多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式方法：基于最大主應(yīng)變的多軸等效應(yīng)變疲勞壽命預(yù)測(cè)方法、基于等效應(yīng)變的多軸等效應(yīng)變疲勞壽命預(yù)測(cè)方法和基于最大剪

6、切應(yīng)變多軸等效應(yīng)變疲勞壽命預(yù)測(cè)方法等方法進(jìn)行了對(duì)比分析，建立起基于Von Mises屈服理論的葉輪構(gòu)件的多軸等效應(yīng)變疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。
　　研究了葉輪再制造構(gòu)件的疲勞失效機(jī)理并建立了葉輪再制造構(gòu)件的壽命預(yù)測(cè)模型。以葉輪疲勞失效為葉輪再制造的主要研究方向，以激光熔覆技術(shù)作為葉輪再制造的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)葉輪進(jìn)行修復(fù)，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化確定最優(yōu)激光熔覆工藝，基于綜合試驗(yàn)平臺(tái)和再制造葉輪構(gòu)件，對(duì)模擬工況下的再制造葉輪構(gòu)件失效性形式和機(jī)理進(jìn)行了分類(lèi)和表

7、征，并對(duì)修正的Soderberg曲線預(yù)測(cè)再制造葉輪構(gòu)件疲勞極限準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。以修正的基于Von Mises等效應(yīng)變屈服理論的葉輪多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，引入再制造特征修正參數(shù)，得到了二次修正后Von Mises屈服理論的多軸等效應(yīng)變疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，獲得了再制造葉輪構(gòu)件的壽命預(yù)測(cè)模型。利用與新品葉輪相同的臺(tái)架考核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)激光再制造葉輪進(jìn)行了強(qiáng)度考核，經(jīng)傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法和工業(yè)CT對(duì)考核后的葉輪進(jìn)行檢測(cè)和表征，未發(fā)現(xiàn)葉輪表面和內(nèi)部有宏