趙俊生 ，鹿雪龍 ，黃新忠 ，王雙永

（1.中北大學機械與動力工程學院，太原 030051；2.中國航天科工集團第二研究院總裝調(diào)部，北京 100854；3.中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

微動廣泛存在于承受機械振動、疲勞載荷、冷熱循環(huán)等工況的緊配合件中[1]。微動造成構件材料的損傷，加速裂紋的萌生和擴展，已成為一些關鍵零部件失效的主要原因之一。渦輪增壓器壓氣機葉輪的破壞主要是由裂紋擴展引起的，而研究發(fā)現(xiàn)該裂紋的形成正是由于微動磨損[2]。壓氣機葉輪是渦輪增壓器的重要部件，一般采用過盈配合壓裝在葉輪軸上。壓氣機葉輪的工作轉(zhuǎn)速比較高，目前普遍使用的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速范圍為60000～120000r/min[3]，最高轉(zhuǎn)速可達 260000r/min。摩擦功是摩擦應力與對應滑移距離的乘積，是衡量摩擦磨損程度嚴重與否的重要參數(shù)。本文通過研究過盈量、摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)對微動特性參數(shù)的影響，找出它們之間的數(shù)值關系，以期為壓氣機葉輪的裝配工藝提供理論依據(jù)，對實踐進行指導。

1 數(shù)值模擬

1.1 試驗對象

以某型車用渦輪增壓器的壓氣機葉輪為例進行計算，如表1所示。該葉輪由兩個部分組成：進氣處的旋轉(zhuǎn)導向部分和帶徑向葉片的葉輪部分。該型葉輪沿周向均勻分布12個葉片。葉輪的材料為鑄鋁，軸的材料為 45 鋼[3]。

表1 葉輪主要參數(shù)

1.2 模型的建立

由于壓氣機葉輪軸-轂為周期循環(huán)對稱，根據(jù)有限元接觸分析的理論，可以采用子結構分析方法，只分析其中1個周期即可。葉輪與軸沿周向可以分為6個子結構，即60°為1個旋轉(zhuǎn)周期，應用Pro/E建立其中1個子結構的三維模型，然后導入ANSYS中，采用子結構結合網(wǎng)格隨移技術的分析方法，針對不同過盈量、轉(zhuǎn)速和摩擦系數(shù)進行大量計算。子結構的三維模型如圖1所示，劃分網(wǎng)格后的子結構如圖2所示。

本文采用Solid185單元，在綜合考慮計算效率和計算精度的基礎上，選擇單元長度為0.8mm，將壓氣機葉輪軸孔的內(nèi)表面、軸的外表面沿軸向劃分為44個網(wǎng)格，沿周向劃分為6個網(wǎng)格。采用網(wǎng)格隨移技術只需對軸的半徑進行偏移即可得到不同過盈量下的有限元過盈接觸分析模型，可以大大節(jié)約前處理時間。

1.3 工作參數(shù)的選取

1.3.1 過盈量

對于壓氣機葉輪軸-轂過盈聯(lián)接裝配方式，葉輪通常以一定的過盈量壓裝在轉(zhuǎn)軸上，靠接觸摩擦來傳遞轉(zhuǎn)矩。當摩擦面間的摩擦應力小于摩擦系數(shù)μ與接觸壓力的乘積時，軸轂之間處于粘著區(qū)；當摩擦面間的摩擦應力等于摩擦系數(shù)μ與接觸壓力的乘積時，軸轂之間產(chǎn)生相對滑移，處于滑移區(qū)。離心力變化將引起葉輪軸-轂的徑向微動，不同的過盈量對接觸壓力的影響很大。過盈量太小，葉輪與軸-轂接觸不牢靠，從而造成增壓器的工作事故；過盈量太大，從而會使葉輪應力過高，在裝配時有可能使葉輪結構破壞，進而影響到增壓器的壽命[4]。為了研究過盈量對壓氣機葉輪軸-轂徑向微動特性的影響規(guī)律，本文選取的過盈量取值分別為0.006mm、0.007mm、0.008mm、0.009mm。

圖1 子結構三維模型Fig.1 Substructure of the 3D model

圖2 網(wǎng)格化子結構Fig.2 Meshed substructure

1.3.2 摩擦系數(shù)

摩擦力也是影響接觸面表層切向應力的一個重要因素，對接觸表面微裂紋的生成和擴展起推動作用，最終會導致結構疲勞壽命下降。在接觸載荷確定的情況下，摩擦力大小與摩擦系數(shù)成正比。摩擦系數(shù)不僅影響接觸表面間的摩擦應力和滑移距離，還影響摩擦功和微動區(qū)域的劃分。為了研究摩擦系數(shù)對壓氣機葉輪軸-轂徑向微動特性的影響規(guī)律，本文選取的摩擦系數(shù)分別為 0.10、0.15、0.20、0.25。

1.3.3 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是施加在壓氣機葉輪軸-轂裝配體上的外載。在一定過盈量下，壓氣機葉輪旋轉(zhuǎn)過程中由于轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，沿徑向產(chǎn)生的離心力大小會發(fā)生變化。變化的離心力會引起接觸面間滑移距離的變化，從而導致接觸面間發(fā)生微動。總之，對于實際的葉輪軸-轂裝配體，轉(zhuǎn)速的變化會直接導致葉輪微動的發(fā)生[5]。為了研究轉(zhuǎn)速對壓氣機葉輪軸-轂徑向微動特性的影響規(guī)律，本文選取的轉(zhuǎn)速分別為 90000r/min、100000r/min、110000r/min、120000r/min。

1.3.4 其他參數(shù)

本文僅分析葉輪軸-轂徑向微動特性，并沒有考慮扭矩作用引起的葉輪軸-轂切向微動磨損，因此沒有涉及葉輪軸與軸肩由于離心力引起的切向微動磨損特性，扭矩作用引起的扭轉(zhuǎn)微動磨損特性，增壓器葉輪轉(zhuǎn)速的變化、加載頻率等參數(shù)對軸-轂復合微動特性的影響規(guī)律也需要考慮。

2 方案確定及目標函數(shù)選取

2.1 方案確定

本文的研究對象包括過盈量、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)速3個因素，每個因素選取4個水平數(shù)[6-7]。選用L16（45）正交表，如表2所示。

2.2 目標函數(shù)選取

微動不僅會造成接觸表面的摩擦磨損，還可以促進裂紋的萌生與擴展，降低零部件的疲勞壽命。在微動區(qū)域內(nèi)，不斷變化的摩擦功會導致微動磨損與裂紋萌生。

由壓氣機葉輪的結構可知，壓氣機葉輪本身的質(zhì)量沿軸向有較大的梯度，在工作過程中壓氣機葉輪質(zhì)量越大沿著徑向的離心力相應也越大。在相同轉(zhuǎn)速下，質(zhì)量較大的一側受到的離心力大，可以在一定程度上減小壓氣機葉輪與轉(zhuǎn)子軸之間的擠壓作用，相應的接觸面間的接觸壓力會較小。接觸壓力沿軸向按一定的規(guī)律分布。

圖3 不同參數(shù)對最大單位摩擦功的影響Fig.3 Influence of different parameters on maximum unit friction work

圖4 不同參數(shù)對平均摩擦功的影響Fig.4 Influence of different parameters on average friction work

本文分別選取最大單位摩擦功的最小值和平均摩擦功的最小值作為分析和優(yōu)化的目標函數(shù)。

3 結果與討論

3.1 因素顯著性分析

由如表2模擬的結果分析可得數(shù)據(jù)最大單位摩擦功和平均摩擦功極差分析表，如表3和表4所示。

表 3的極差結果顯示，R摩察系數(shù)＞R過盈量＞R轉(zhuǎn)速，即對最大單位摩擦功最小值的影響顯著性為摩擦系數(shù)最大，過盈量次之，轉(zhuǎn)速最小。

表 4的極差結果表明，R摩察系數(shù)＞R過盈量＞R轉(zhuǎn)速，3個因素中摩擦系數(shù)對平均摩擦功最小值影響最為顯著，其次過盈量，而轉(zhuǎn)速影響最不顯著。

3.2 參數(shù)對目標函數(shù)的影響規(guī)律

（1）不同參數(shù)對最大單位摩擦功的影響見圖3?？梢?，過盈量、轉(zhuǎn)速和摩擦系數(shù)增大時，最大單位摩擦功呈現(xiàn)出增大的趨勢，只是增大的程度不同。

（2）不同參數(shù)對平均摩擦功的影響見圖4?？梢?，過盈量、轉(zhuǎn)速和摩擦系數(shù)增大時，平均摩擦功也呈現(xiàn)出增大的趨勢，只是增大的程度不同。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

由于本文研究的目標函數(shù)有2個，因此對工藝參數(shù)的優(yōu)化采用綜合平衡法，即分別對各個指標進行分析，找出各個指標的最優(yōu)水平，然后將各個指標的最優(yōu)條件綜合平衡，找出兼顧每個指標都盡可能好的條件。

由表3和表4可以看出，4個因素對單個目標函數(shù)最佳組合為最大單位摩擦功：過盈量水平1、摩擦系數(shù)水平1、轉(zhuǎn)速水平1；平均摩擦功：過盈量水平1、摩擦系數(shù)水平1、轉(zhuǎn)速水平1。

表2 正交設計方案

表3 最大單位摩擦功極差分析表

表4 平均摩擦功極差分析表

上述最佳組合的過盈量都為1水平，故過盈量取1水平；上述最佳組合的摩擦系數(shù)都為1水平，故摩擦系數(shù)取1水平；上述最佳組合的轉(zhuǎn)速都為1水平，故轉(zhuǎn)速取1水平。

綜合以上分析可得，徑向微動特性參數(shù)優(yōu)化組合為過盈量水平1、摩擦系數(shù)水平1、轉(zhuǎn)速水平1，即過盈量0.006mm、摩擦系數(shù)0.1、轉(zhuǎn)速 90000 r/min。

該組合是1號試驗組合，其最大單位摩擦功為2.36×10-5J，小于其他幾組試驗，且平均摩擦功也是最小的。由此可見，優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合是可信的，不僅有效地降低了摩擦磨損程度，而且減輕了壓氣機葉輪與轉(zhuǎn)軸之間的擠壓作用，從而降低了接觸面間的接觸壓力[8-10]。

4 結論

（1）摩擦系數(shù)是影響壓氣機葉輪軸-轂過盈聯(lián)接裝配方式摩擦磨損程度的重要因素，對最大單位摩擦功和平均摩擦功的影響最大；過盈量次之；轉(zhuǎn)速最小。

（2）虛擬正交試驗結果顯示，過盈量、轉(zhuǎn)速和摩擦系數(shù)增大時，最大單位摩擦功和平均摩擦功均呈現(xiàn)出增大的趨勢，只是增大的程度不同。

（3）壓氣機葉輪軸-轂過盈聯(lián)接裝配方式微動特性參數(shù)優(yōu)化組合：過盈量0.006mm、摩擦系數(shù)0.1、轉(zhuǎn)速90000 r/min。

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