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斜流式风机叶片失效分析
发布时间:2019.04.26
  冷却风机是车辆冷却系统的重要组成部件,由于发动机和传动部件散发的热量主要靠风机带走,所以它的性能好坏直接影响到冷却系统乃至发动机的工作。我公司设计的某型车,因其空间位置及动力传动布置的需求,选用了斜流式风机[1] ,这台风机在某次试车过程中,转子失效,导致叶片断裂。
1 系统工作原理
  该冷却系统由液压温控调速传动驱动风机运转,产生压力能,使空气流动,通过散热器带走整车热量,保证车辆正常工作。控制关系是:利用液压温控调速传动系统中的温控阀感受发动机的出水温度,并随着温度的变化改变液压泵斜盘开度,流量随斜盘摆角从零增加到最大值,冷却风机的转速随之变化,当水温达到设计水温时,风机开始运转,当水温逐渐升高时,冷却风扇达到设计转速。
2 风机叶片失效分析
2.1 风机叶片断裂分析

2.1.1 叶片断口宏观形貌观察
  对风机叶片断口宏观形貌观察,叶片断裂位置均位于叶片根部圆弧过渡处,疲劳源区位于叶片与轮毂呈锐角过渡一侧,线源的中心位置位于距风机叶片小端面宽度1/3位置附近,线源。从图1中可观察到1#叶片断口疲劳扩展区面积呈穿透性裂纹扩展,断口缘区较粗糙,扩展棱线较为细小,并且在疲劳裂纹萌生位置还可见二次裂纹。2#叶片断口疲劳扩展区面积相对较小,但扩展棱线较为粗大。

 

2.1.2 叶片断口微观形貌观察
源区存在明显的表面孔洞缺陷,并且还存在由于表面质量较差形成的凹坑,见图2。由这些表面缺陷为中心的局部点源构成大的线源,对疲劳裂纹的萌生存在较大的影响。

 

2.2 叶片金相分析
  风机叶片的材料为ZL104,根据GB/T 1173-1995铸造铝合金对材料的要求,铸件的布氏硬度不小于70HB,对叶片的金相试样抛光,进行显微硬度测定,铸件的平均布氏硬度在105.0左右,符合材料要求;并且对叶片材料进行化学成分检测,结果也符合GB/T1173-1995铸造铝合金材料ZL104的要求。排除了材料问题导致的叶片失效。
2.3 叶片固有频率测试
  对叶片进行了固有频率测试,结果表明:风机静子与转子组成的系统,在设计转速附近,产生气体流动共振,对风机叶片进行频繁冲击,导致疲劳断裂。
2.4  流体振动模态分析
  斜流式风机由于其特殊的结构,风机静子支撑筋与转子之间应保持一定的轴向间隙Δ,主要是保证风机叶片有均匀的进气,消除不均匀的气流可能作为振动源对叶片产生冲击,引起叶片的振动,造成疲劳损坏。另外风机静子的支撑筋位于叶片进气口,容易形成钝体绕流,当气流经过时,靠近静子筋尾部的区域将产生边界层分离,从而形成圆柱体下游一个由漩涡组成的尾流区,尾流区的流动性质随雷诺数Re的变化而有所不同。当雷诺数很小时为层流尾流,随着雷诺数的增加在圆柱体表面产生边界层,边界层分离使圆柱体表面上下两侧产生漩涡的分离,并形成尾流中的卡门涡街(见图3)。当雷诺数不断增大,尾流中的漩涡的型式不规则并破碎,演变为紊流尾流,当转子叶片每扫过一次这样的非定长尾迹时,叶片表面的压力分布就发生一次变化,从而引起一次振动。它产生的激振频率和叶轮的转速u,静子筋的数目N相关,具体公式为f=Nu/60,当此频率与叶片自振频率发生耦合时,就会产生强烈的共振。因此必须改变激振频率或气动特性,以避开叶片的固有频率。

 

2.5  叶片失效分析
  综上所述,可以看出风机叶片断口存在明显的疲劳弧线,疲劳弧线之间分布着均匀细密的疲劳条带,为典型的高低周复合疲劳断裂特征。在叶片叶根受力最大位置处存在一定的表面缺陷(叶根圆弧过渡处的表面孔洞、凹坑及气孔等缺陷诱发了疲劳裂纹),使得在该位置萌生疲劳裂纹,裂纹在疲劳应力作用下扩展至一定阶段后,叶片剩余有效承载面积减小到不足以承受工作应力而发生风机叶片瞬断,该疲劳应力主要是风机叶片旋转产生的离心力叠加振动应力,从而造成叶片的高低周复合疲劳断裂。
3 台架模拟试验
  针对断裂分析的结果,进行台架模拟试验,工作状态完全模拟实车安装方式,台架试验共计43.5h、循环冲击580次,在风机转速由低速向高速上升的过程中,风机叶片失效,与实车失效情况一致,观察疲劳裂纹为线源,有一叶片的疲劳区贯穿整个截面,叶片有效承载面积减小到不足以承受工作应力而发生瞬断,此台架试验结果与断裂分析的结果相吻合,验证了风机叶片断裂系高低周复合疲劳断裂。
4 改进措施
  1) 将斜流式风机静子支撑筋截面做成机翼型,一方面有效削弱卡门涡街的强度,减少其对叶片的冲击,另一方面改变卡门涡街的特征长度,从而改变其脱落频率,使其远离风机叶片的自振频率。
  2) 增大斜流式风机叶片根部圆角尺寸,以增加叶片根部强度和叶片自振频率。
  3) 增大斜流式风机静子支撑筋与叶片进口之间的安装距离(靠近轮毂处),消除彼此影响,减少不均匀气流的进入。
  采取上述改进措施后,进行台架试验500h,循环冲击5 013次,系统工作正常。说明改进后的风机静子支撑筋产生的卡门涡街对叶片的冲击已大大改善。并且通过频率测试,在工作转速范围内,改进后的叶片的固有频率,与气动激振频率已避开。

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