Pidades silmas pragude ebaõnnestumist kompressori rootori tera katsesõidu ajal turboventilaator Selles artiklis analüüsitakse tera tugevus- ja vibratsiooniomadusi ning jõutakse järeldusele, et tera võib töötamise ajal resonantsi tekitada. Laba vibratsiooni mõõdeti kontaktivaba mõõtmise meetodil ja saadi korrosioonisüvenditeta rootori laba vibratsioonipinge. Tera töökindlust korrosioonivabas olekus kontrolliti tera suure tsükliga väsimustestiga. Tera pragunemise lävi korrosiooniseisundis pöörati paari valemiga ümber ja analüüsiti tera pragunemise põhjust. Murde peamine põhjus on see, et tera moodustab esmalt korrosioonisüvendid ja seejärel ebaõnnestub korrosiooniväsimuse tõttu suure tsükliga vahelduvate koormuste mõjul. See artikkel keskendub täiustamisele protsessi vaatenurgast, kontrollib materjali karastamise temperatuurivahemikku, lisab tera pinnale alumiiniumi imbumisprotsessi, takistab tõhusalt tera purunemist ja parandab tera töökindlust.

Tera on mootori üks olulisi osi ja täidab tähtsat ülesannet soojusenergia muundamiseks mehaaniliseks energiaks. Suure kiiruse, suure koormuse ja keeruliste töötingimuste tõttu on see töö ajal lihtne rikki minna. Lennuki roostevaba teras on kõrge tugevuse, hea plastilisuse, sitkuse ja väsimuskindlusega ning selle hind on madal. Seda kasutatakse laialdaselt lennundustööstuses mootorilabade tootmiseks. Merelennukites ja laevades kasutatavad auruturbiinid, mis on tingitud mereatmosfääri meteoroloogilistest teguritest, nagu kõrge temperatuur, kõrge niiskus, kõrge soolsus ja paljud udused alad, mõjutavad otseselt terasesulamite materjalide korrosioonikäitumist. Mootori labad on väga altid pingekorrosioonile ja väsimuskorrosioonile, mis mitte ainult ei vähenda mootori efektiivsust, vaid suurendab ka hooldusaega ja -kulusid.

Pingekorrosioonipragunemine on sageli habras murd, mis tekib ilma ilmse makroskoopilise deformatsioonita. Pärast moodustumist paisuvad pingekorrosioonipraod kiiremini kui muud tüüpi lokaalne korrosioon ja on seni teadaolevalt kõige hävitavam korrosioonitüüp. Statistilised tulemused näitavad, et roostevaba terase pingekorrosioonipragunemine on purunemiskahjustuste hulgas esikohal, moodustades enam kui 50%. Aastakümneid on seotud valdkondade teadlased üle maailma pühendunud kõrgtugevate legeerterasest konstruktsioonide korrosiooniväsimise uurimisele, pannes tugeva aluse selliste konstruktsioonide eksperimentaalsele väljatöötamisele ja korrosiooniväsimuse mehhanismide uurimisele. Näiteks Liu et al. uuris 38CrMoAl kõrgtugeva terase korrosiooniväsimusomadusi ja leidis, et korrosioonikahjustused tekivad esmalt proovi lokaalses plastikustsoonis, mis kiirendab väsimuspragude teket. Guo Hongchao uuris Q690 kõrgtugeva terase väsimusvõimet söövitavas keskkonnas ja leidis, et väsimuspiir vähenes 30.15% ja 38.89%, kui korrosioonitsükkel oli vastavalt 60 d ja 100 d. Jing Yongzhi võttis kokku asjakohased uuringud merekeskkonnas kasutatavate mootorilabade kaitsekatete kohta ja tegi kokkuvõtte labade kaitsekatete disainikontseptsioonist.

Püüdes kompressori esimese astme rootorilaba pingekorrosioonimurdumise nähtust teatud tüüpi mootori katsetamise ajal, analüüsiti käesolevas artiklis laba tööümbrise püsiseisundi pinge- ja vibratsiooniomadusi ning jõuti järeldusele, et teral oli resonantsirisk alla aeglase kiiruse; viis läbi laba vibratsiooni jälgimise katse, mis põhines kontaktivaba deformatsiooni mõõtmisel, ja sai rootori laba vibratsioonipinge ilma korrosioonisüvenditeta; koos tera kõrgtsüklilise väsimuskatse mõõtmistulemustega kontrolliti tera töökindlust korrosioonivabas olekus; Korrodeerivas olekus tera pragunemise läve ümberpööramiseks kasutati paari valemit ja analüüsiti tera pragunemise põhjust. Analüüsi tulemused olid kooskõlas luumurdude analüüsi järeldustega, kontrollides analüüsi tõhusust. Võeti kasutusele vastavad kaitsemeetmed ning meetmete teostatavust kontrolliti katsetega.

1 Vea ülevaade
Turboventilaatormootori kompressori esimese astme laba ketas ja eesmine kang on integreeritud, kasutades 1Cr12Ni2WMoVNb kuumakindlat terasstantsi ja integreeritud CNC-töötlust. Pärast umbes 177 tundi kestnud proovisõitu leiti, et kõikidel teradel olid tera juurest kuni tipuni ebaühtlaselt jaotunud erineva suurusega süvendid ja ühel teral oli mõra. Prao pikkus on umbes 8.3 mm, see asub sisselaskeserva lähedal, umbes 4.8 mm kaugusel servaplaadist ja mõranenud tera välimus on näidatud joonisel 1.
Murdeallika piirkonna makroskoopiline morfoloogia on näidatud joonisel 2, kus on näha tüüpilised väsimuskaared ja radiaalsed harjad. Lähteala on must umbes 0.2 mm ulatuses, mis näitab, et allika piirkonnas on korrosiooniprodukte. Laiendatud ala on hallikasmust ja helekollane ning näha on suur hulk väsimuskaare.

2 Põhjuste analüüs
Rikke põhjuse ja mehhanismi täiendavaks selgitamiseks viidi kompressori esimese astme rootorilabale läbi staatilise tugevuse analüüs, vibratsioonianalüüs, pragude pikenemise analüüs ja murdumise analüüs.

2.1 Staatilise tugevuse analüüs
Vastavalt kompressori esimese astme laba tsüklilistele sümmeetrilistele konstruktsiooniomadustele võeti arvutusmudeliks 1/31 ketta korpus ja terviklik tera ning staatilise tugevuse analüüs viidi läbi tarkvaraplatvormi ANSYS abil. Lingi poldiaugu sõlmede aksiaalsed ja ümbermõõdulised vabadusastmed olid piiratud ning koormus arvestas temperatuuri, kiirust ja aerodünaamilist jõudu. Tsüklilise sümmeetria pinnale rakendati tsüklilisi sümmeetrilisi piirtingimusi. Lõplike elementide mudel on näidatud joonisel 3 ja tera korpuse pingejaotus maksimaalses tööseisundis on näidatud joonisel 4. Arvutustulemused näitavad, et pinge tera tagumise juure keskmises piirkonnas on suurim ja pinge tera pragunemisel on suhteliselt väike, mis vastab tugevuse konstruktsiooninõuetele.

2.2 Vibratsioonianalüüs
Viidi läbi kompressori esimese astme rootori laba modaalanalüüs. Tera esimest järku vibratsioonirežiim ja suhteline vibratsioonipingete jaotus on näidatud joonisel 5. Jooniselt 5 on näha, et esimest järku maksimaalse vibratsioonipinge asend langeb kokku tera prao asukohaga. Tera resonantskiiruse diagramm on näidatud joonisel 6.

Nende hulgas on analüüsimist vajavate ergutusjärjestuste hulka kuuluvad: K = 1, 2, 3, 4, mis vastavad sisselaskeõhuvoolu moonutustele ja mootori madala astme ergutusele; esiastme juhtlabade arv on 38 ja tagumise astme juhtlabade arv 52. Nagu on näidatud joonisel 6, on mootori töökiiruse vahemikus resonantspunkt K = 3-kordse ergastuse vahel. joon ja tera esimest järku loomulik sagedusjoon. Mootori vastav töökiirus on aeglane kiirus, resonantspunkt on madalam kui aeglane ja resonantsvaru on 5.4%.

Laba esimest järku resonantsriski kontrollimiseks K=3-kordse ergastuse korral mõõdeti kompressori esimese astme rootori laba vibratsiooni mittekontaktse laba vibratsioonimõõtmissüsteemi abil. Kompressori esimese astme rootori labad kontrolliti enne katset ja korrosioonisüvendeid ei leitud.
Et mõõta maksimaalset vibratsioonipinget, mis võib tekkida labas mähisvahemikus, arvestati katsesõidul erinevate juhtlaba avanemisnurkade ja sisselasketemperatuuri tingimuste kombinatsiooni ning kokku viidi läbi 6 kombineeritud olekukatset. Kiirustesti spekter on näidatud joonisel 7.

Kontaktivaba deformatsioonitestimise põhiprintsiip jaguneb kaheks etapiks: esimene samm on tera tipu amplituudi väärtuse testimine resonantstingimustes tera tegeliku töötingimuste korral; teiseks sammuks on resonantsis vajaliku deformatsioonimõõtmispunkti deformatsioonitulemuse arvutamine tera deformatsiooni ja tipu amplituudi vahelise teisendussuhte alusel. Laba vibratsiooni nihke, resonantskiiruse ja sageduse tulemused esimese tsükli kiirendamise protsessis oleku 1 all on näidatud joonisel 8. Horisontaalne telg joonisel on laba number ja vertikaaltelg on nihe, resonantskiirus, ja resonantssagedus ülalt alla. Pärast teisendamist saadud tera esimest järku vibratsioonipinge on näidatud tabelis 1.

Viidates standardile HB 5277-84, mõõdeti tõstemeetodil tera kõrge tsükli vibratsiooni väsimuspiiri ja saadi 15 kehtivat andmeid. Tera 107-tsükli väsimuspiir-3σ väärtus 5% veapiiriga (st 95% usaldustase, 99.73% ellujäämismäär) oli 485 MPa. Suure tsükliga väsimusreservi analüüs, kasutades tera väsimuspiiri-3σ väärtust, on näidatud joonisel 9, kus ordinaat on vibratsioonipinge ja abstsiss on püsiseisundi pinge. Nagu on näha jooniselt 9, jaotub vibratsioonipinge tera prao juures allpool Goodmani kõverat väsimusreserviga 1.7 ja maksimaalse vibratsioonipinge abil arvutatud kõrge tsükli väsimusreserv on 5.2, seega tera ei kannata kõrge tsükliga väsimuskahjustusi.

2.3 Pragude leviku analüüs
Selleks, et teha kindlaks, kas tera võib suure tsükliga vahelduvate koormuste mõjul läbida väsimuse levikut, tehakse nüüd tera pragude leviku analüüs.
Väsimusprao kasvu seadus on näidatud joonisel 10. Jooniselt 10 on näha, et väsimusprao kasvukiiruse da/dN ja pinge intensiivsuse teguri ΔK vahel on kolm piirkonda.
a) Esimene piirkond on aeglase väsimusprao kasvu staadium. Väsimusprao kasvu läviväärtus on ΔKth. Kui ΔK on väiksem kui ΔKth, siis väsimuspragu ei kasva või kasvab äärmiselt aeglaselt;
b) Väsimuspragude kasv teises piirkonnas järgib võimsusfunktsiooni seadust. Väsimusprao kasvukiirust da/dN saab väljendada pinge intensiivsusteguri amplituudi ΔK võimsusfunktsiooniga. Selle väljendamiseks kasutatakse laialdaselt Pariisi valemit;
c) Kolmas piirkond on kiire kasvu staadium. Kui pragu kasvab aeglaselt TIKi lähedale või jõuab selleni (1 – R), kasvab pragu kiiresti. Nagu on näha jooniselt 1, algab laba pragu korrosioonikaevust ja väsimuspragu tekib lokaalses piirkonnas korrosioonikaevu tipu lähedal. Vibratsioonianalüüs näitab, et tera prao esimest järku vibratsioonipinge on tõmbepinge piki sisselaskeserva ja esialgne pragu kuulub I-tüüpi pragule. Pingevälja ja nihkevälja I-tüüpi prao otsa lähedal saab lihtsustada järgmiselt: Vaata valemit (1) ja (2) joonisel.
Kus: KI on I-tüüpi praootsa pinge intensiivsuse tegur; r on prao tipu polaarraadius polaarkoordinaatides; fij(I) (θ) ja g(ijI) (θ) on vastavalt pingefunktsioon ja nihkefunktsioon.
Lineaarse elastse purunemise mehaanika järgi on pinge intensiivsuse teguri väljendus valemis (3), kus: Δσ on pinge amplituud; a on pragu suurus; Y on kuju koefitsient. Kuna korrosioonisüvendi kuju on ligikaudu elliptiline pinnapragu, võetakse kujukoefitsiendiks Y 1.12. Teisendage valem (3), et saada (4).
Kus: a0 on väsimuspragude kriitiline suurus. Kui pragu suurus on väiksem kui a0, ei teki tera väsimuspragusid.
Martensiiterase puhul sai Barsom järgmise empiirilise seose (5). Kus: R on pingesuhe. See tähendab, et pingesuhte suurenedes väheneb martensiiterase pinge intensiivsusteguri läviväärtus.

Statistiliselt analüüsitakse mõõdetud vibratsioonipinge näidisandmeid ning analüüsitakse laba vibratsioonipinge sagedusjaotust. Vibratsioonipingete sagedusjaotuse histogramm on näidatud joonisel 11. Nagu on näidatud joonisel 11, vastab vibratsioonipingete jaotus normaaljaotusele ja sobituskõver järgib X~N (36.86, 323.336) jaotust. Vibratsioonipinge +3σ väärtus (st 95% usaldusnivoo, 0.13% ellujäämismäär) on arvutatud 88 MPa.

Võttes aluseks vibratsioonipinge +3σ väärtuse ja püsiseisundi pinge tera resonantskiirusel, arvutatakse pingesuhteks R tera pragunemisel 0.2. Valemist (5) saab arvutada, et pinge intensiivsusteguri ΔKth läviväärtus, mis vastab pingesuhtele R 0.2, on 5.31 MPa·m1/2. Valemist (4) saab arvutada, et väsimusprao kriitiline prao suurus a0 on 0.23 mm. Korrosioonikaevu sügavus terviklikult mõõdetuna on 0.25 mm. Ülaltoodud arvutusest on näha, et kui vibratsioonipinge võtab väärtuseks +3σ, võib korrosioonisüvendi sügavus ulatuda kriitilise prao suuruseni ja pragu laieneb. Kuna vibratsioonipingete jaotus järgib normaaljaotust, ei saa vibratsioonipinge osa, mis on väiksem kui väärtus +3σ, täita pragude laienemise tingimusi. Analüüs näitab, et see on seotud materjali omaduste vähenemisega pärast tera korrodeerumist.

Kuna söövitav keskkond vähendab metallmaterjali pinge intensiivsuse tegurit, muutes tera rohkem pragunemiseks, nimetatakse seda pinge intensiivsuse teguri amplituudi korrosiooniväsimuse pinge intensiivsuse teguri amplituudi läviväärtuseks, mida esindab ΔKthCF. Nüüd on tera pinge intensiivsuse teguri läviväärtus söövitava keskkonna all vastupidine. Eeldades, et tera kriitiline pragude suurus on 0.25 mm, on vibratsioonipinge keskmine väärtus 36.86 MPa ja valemi (3) põhjal arvutatakse tera pinge intensiivsusteguri läviväärtus söövitavas keskkonnas 2.31 MPa·. m1/2. Analüüs näitab, et söövitav keskkond vähendab tera pingetugevusteguri läviväärtust. Kui pinge intensiivsuse tegur tera pragude alguspunktis jõuab söövitavas keskkonnas pragude pikenemise läviväärtuseni, algab korrosiooniväsimuspragu ja seejärel väsimuse laienemine.

2.4 Murdude analüüs
Mõranenud tera murdeanalüüs näitab murdeallika ala mikroskoopilist morfoloogiat joonisel 12. Lähtealal on näha tüüpilised teradevahelised tunnused ja tera pinnal on näha peenkorrosioonisüvendi morfoloogiat. Murde mikromorfoloogia on näidatud joonisel 13. Pragu ulatub väljalaskeserva suunas ja tüüpilisi väsimusribade tunnuseid võib näha enne, selle ajal ja pärast pikendamist.

Mõranenud labast lõigati metallograafiline proov paralleelselt pragunemise suunaga. Proov jahvatati ja poleeriti, et jälgida mikrostruktuuri. Morfoloogia on näidatud joonisel 14. Nagu on näha jooniselt 14, on pragunenud tera sisselaskeserval näha palju teradevahelisi pragusid. Pragude sügavus on suhteliselt madal, umbes 0.25 mm, ja teravilja piiri lähedal on näha peeneid teradevahelisi pragunemisomadusi, mis näitavad, et tera sisselaskeserva augud on põhjustatud korrosioonist.

Energiaspektri analüüs tera piiril näitab, et murdumisallika ala sisaldab peamiselt söövitavaid elemente nagu O, S ja C ning paisumisalas on ka teatud kogus O elementi. Söövitavaid elemente, nagu S ja O, on ka teistes süvendites ja tera pindadel, vt tabel 2.

Murdeanalüüsi tulemused näitavad, et tera sisselaskeservas olevad süvendid ja tera piki murdeallika ala on põhjustatud korrosioonist. Korrosioonikahjustuse astme ja lõhenemisasendi seisukohast on pragude allika piirkond põhimõtteliselt tera juure lähedal, mis näitab, et tera väsimuspikendus ei ole seotud ainult pinna korrosioonikahjustuse astmega, vaid ka suhteliselt suur vibratsioonipinge, mida see asend töö ajal kannab. Tera võib esmalt läbida piki tera korrosioonipragusid ja seejärel tekib tööpinge mõjul väsimuspikenemine.

3 Põhjalik põhjuste analüüs

Terade rikke ja murdumise põhjused on kokku võetud järgmiselt: rootori labad töötavad sageli ranniku- ja sisemaa niisketes ja kuumades piirkondades. Atmosfäär sisaldab palju söövitavaid aineid, nagu väävel ja kloor, ning pH väärtus on madal. Keskkonna mõjul terad esmalt korrodeeruvad ning õhu sisselaske servale tekivad ebaühtlased lohud ja augud. Korrosioonisüvendite teke tekitab lokaalse pingekontsentratsiooni, mistõttu labade korrosiooniväsimuspraod tekivad korrosioonisüvenditest.

Korrosioon nõrgestab oluliselt materjaliterade vahelist sidumisjõudu ja vähendab materjali pingetugevuse teguri läviväärtust. Kõrge tsükliga vibratsioonipinge toimel hakkavad korrosioonisüvendid muutuma pragudeks. Kui tera korrosioonisüvendi samaväärse prao pingeintensiivsuse teguri väärtus jõuab korrosiooniväsimuspragude pikendamise pingeintensiivsuse teguri läviväärtuseni, tekivad korrosiooniväsimuspraod. Seejärel soodustatakse söövitava keskkonna ja suure tsükliga vahelduvate koormuste koosmõjul korrosiooniväsimuspragude laienemist ja lõpuks tekitatakse terade korrosiooniväsimustõrke.

4 Parendusmeetmed ja kontrollimine

4.1 Parandusmeetmed
Kuna rootori labad vastavad konstruktsiooni konstruktsiooni ja aerodünaamilise jõudluse nõuetele, kaalutakse protsessi seisukohast kahte järgmist täiustust:
a) Sepistamise käigus kontrollitakse karastamistemperatuuri, et parandada materjali korrosioonikindlust;
b) Tera korrosioonikindluse parandamiseks lisatakse tera pinnale madala temperatuuriga aluminiseerimisprotsess.

4.2 Meetmete kontrollimine
Meetmete tõhususe kontrollimiseks viidi läbi samade materjalide proovide soolapihustuskorrosioonikatsed. Vastavalt GJB150.11A-2009[19] nõuetele projekteeriti katsekehad ja mõõtmed on näidatud joonisel 15. Kolm katsekeha on karastatud temperatuuril 590 ℃ ilma aluminiseerimiseta, kolm katsekeha on karastatud temperatuuril 580 ℃ ilma aluminiseerimiseta ja kolm katsekeha karastatud. 580 ℃ juures koos aluminiseerimisega võeti soolapihustuskorrosioonikatseteks ning uuriti aluminiseerimisprotsessi ja karastamistemperatuuri mõju 1Cr12Ni2WMoVNb materjali soolapihustuskorrosioonikindlusele. Katseprotsessi katseparameetrid on toodud tabelis 3 ja katsekeha välimus pärast 96-tunnist soolapihustuskorrosiooni on näidatud joonisel 16.

Katsetulemused näitavad, et 580 ℃ karastatud proovi korrosioonikindlus on oluliselt parem kui 590 ℃ karastatud proovi oma; aluminiseeritud kiht aeglustab oluliselt aluspinna korrosiooni ja mängib rolli soolapihustuskorrosiooni vastu.
Pärast ülaltoodud parendusmeetmete rakendamist võeti kasutusea lõppu jõudnud mootori rootorilabad lahti ja kontrolliti ning korrosiooni ega purunemist ei ilmnenud, mis viitab meetmete tõhususe kontrollimisele.

Järeldus

Teatud tüüpi mootorite katsetamisel viidi läbi vastavad uuringud labade korrosiooni ja murdumise kohta ning sellest võib teha järgmised järeldused:

Simulatsioonianalüüsi järgi on näha, et labadel on resonants alla aeglase kiiruse; vastavalt kogu masina kontaktivaba deformatsiooni mõõtmise katsele ja terade suure tsükli väsimuskatse mõõtmistulemustele saab tõestada, et terad töötavad usaldusväärselt mittesöövitavas olekus.

Murde peamine põhjus on see, et tera on kõigepealt korrodeerunud ja korrosioon vähendab materjali väsimusprao pikendamise läve. Kui tera korrosioonisüvendis oleva ekvivalentse prao pingeintensiivsuse teguri väärtus jõuab korrosiooniväsimusprao pikenemise pingeintensiivsuse teguri läviväärtuseni, käivitatakse korrosiooniväsimuspragu ja seejärel tekib suure tsükli vahelduvvoolu toimel väsimustõrge. koormus. Korrosiooni mõju väsimusprao pikenemise lävele on seotud söövitava keskkonna, materjali korralduse ja omadustega, temperatuuri, pingesuhte ja koormuse vormiga, mis on suhteliselt keeruline ja nõuab täiendavat põhjalikku uurimistööd.

Tähelepanu tuleb pöörata konstruktsiooni kontseptsioonile tera kaitsekate. Näiteks võib madala temperatuuriga aluminiseerimisprotsess tõhusalt parandada tera korrosioonikindlust ja kasutusiga. Madala temperatuuriga aluminiseerimisprotsess võib aga mõjutada selliseid parameetreid nagu pragude pikenemise lävi, ja selle mõju ulatus nõuab põhjalikku uurimist asjakohaste katsete kaudu.