【文章內(nèi)容簡介】 子束加工或激光加工時，沉積表面上的重熔金屬噴鍍層。 2. 各種加工方法的表面完整性對零件疲勞性能的影 金屬材料去除的加工方法有常規(guī)和特殊兩種。常規(guī)的加工方法包括鉆、鉸、銑、車、磨、削等，由于加工的條件不同，又分為粗劣加工和精細(xì)加工。精細(xì)加工的條件就是使用鋒利的刃具或磨輪，每次切削量撾少。鈍了的刀具和膳輪是造成粗劣加工的原因。 特種加工方法包括電火花加工、電子束及激光束加工和電化學(xué) 加工。 — 些加工方法對疲勞性能的影響 見圖 2— 5。 圖 2— 5 加工方法對疲勞強度的影響 由圖 2— 5 看出，由于糊磨削時，表面及其內(nèi)層往往形成未回火和過回火馬氏的斑紋，因此其疲勞極限比精細(xì)磨削下降 35％。 對于 Inconel 718 合金粗劣或粗細(xì)的電火花加工使其疲勞極限比精磨黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院自動化學(xué)院畢業(yè)論文 9 加工降低了分之二；對于 Ti6AI4V 電拋光的疲勞強度比粗磨降降低了三分之一。 對于關(guān)鍵的受力零件，應(yīng)該設(shè)法消除加工裂紋，熱影響層和其它有害的表面層以提高疲勞強度。對加工零件的這種處理 稱為二次處理。 圖 2— 5中 4350鋼和 Inconel合金經(jīng)二次處理（噴丸）后，疲勞繢度均有明顯提高。 影響發(fā)動機(jī)壽命和可靠性的外界因素 發(fā)動機(jī)設(shè)計師已經(jīng)知道，部件的壽命是由低循環(huán)疲勞、蠕變、應(yīng)力斷裂和氧化／腐蝕限制的。產(chǎn)生這些破壞形式的主要來源是飛行任務(wù)。不同的機(jī)種，戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、教練機(jī)以不同的飛行任務(wù)剖面工作時，其部件產(chǎn)生的故障形式、嚴(yán)重程度也不盡相同。 影響發(fā)動機(jī)壽命和可靠性的外界因素包括使用方法、環(huán)境、維護(hù)及人為因素。 使用方法的影響 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的難以確定的參數(shù)是實際使用。設(shè)計者常是根據(jù)飛行系統(tǒng) 任務(wù)的類型和任務(wù)混合來推導(dǎo)設(shè)計任務(wù)循環(huán)，進(jìn)行發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計。但是在實際使用中，由于使用條件不同，對發(fā)動機(jī)原有的設(shè)汁壽命和可靠性將帶來嚴(yán)重的影響。 美國通用電氣公司采用“工作苛刻性分析汁算機(jī)程序”進(jìn)行了F101(裝于轟炸機(jī) B1)、 TF30(裝于 F14)和 CF6— 50(裝于軍用運輸機(jī) YC14)幾種發(fā)動機(jī)的飛行使用研究，引用了總苛刻度 St 來評價新的發(fā)動機(jī)使用任務(wù)： St=Sc+Ss 式中 St為總損傷率 (故障／時間）與基準(zhǔn)損傷率之比； Sc為循環(huán)苛刻度，由循環(huán)引起的損傷率與總基準(zhǔn)損傷率之比； Ss 為穩(wěn)態(tài)苛刻度，穩(wěn)態(tài)工作引起的損傷率與總基準(zhǔn)損傷率之比。程序中輸入基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)使用信息作為評定基準(zhǔn)，并把平均起飛推力下降 7． 5％、續(xù)航時間 4． 4h定為基準(zhǔn)任務(wù)。 1. 民用發(fā)動機(jī)使用分析 圖 26 所 示出非計劃換發(fā)率在不同功率下隨航程的變化。圖中實線為按基準(zhǔn)飛行任務(wù)將功率降低 ％，其余兩條分別下降 0％及 20％。由圖看出，非計劃換發(fā)率受航程影響著，它隨航程之減小而增加。這是因為縮短續(xù)航時間，使每飛行小時中含較高的循環(huán)成份。 黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院自動化學(xué)院畢業(yè)論文 10 圖 26 非計劃換發(fā)率隨航程的變 化 2. 軍用發(fā)動機(jī)的使用分析 戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)和教練機(jī)的飛行任務(wù)剖面是由用戶提出的。飛行任務(wù)剖面規(guī)定了發(fā)動機(jī)功率隨時間變化的百分率，還給出了飛行馬赫數(shù) M 和飛行高度 H 包線。但是飛行任務(wù)剖面往往不能完全滿足發(fā)動機(jī)耐久性設(shè)計中所需要的全部數(shù)據(jù)，下列這些是很難得到或只是部分得到 : 1).油門桿偏移的數(shù)量和程度； 2).過渡態(tài)的比率和持續(xù)時間； 3).發(fā)生工作狀態(tài)偏離的次序； 4).使用習(xí)慣上的差異，如駕駛員、編隊、飛機(jī)或環(huán)境溫度等的變動； 5).任務(wù)的暫停，這是指轉(zhuǎn)場、功能檢驗飛行，地 面停機(jī)時間與試驗時間和加油等，這些估計約占整個使用的 50％； 6).機(jī)動包線。 對于裝有同樣發(fā)動機(jī)的戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)，由于其任務(wù)類型不同，使用的苛刻度也不同。即使是同一類型的飛機(jī)，飛行任務(wù)剖面不同，駕駛員操作技術(shù)不同，使用的苛刻度也會有差別。圖 2— 7所 示出裝用 F101的 B1轟炸機(jī)的幾種情況，其中取 B1 的設(shè)計任務(wù)混合 A 為基準(zhǔn)，它的苛刻度為，是由 74％穩(wěn)態(tài)苛刻度和 26％循環(huán)苛刻度構(gòu)成，由于穩(wěn)態(tài)苛刻度的增加使固定油門桿的訓(xùn)練任務(wù) B 相對于基準(zhǔn)總苛刻度增加了 17％。 B、 C 和 D的穩(wěn)態(tài)苛刻度相等， C、 D 總苛刻度的 增加足由于循環(huán)苛刻度增加所致。最小油門 C 和最大油門 D 的差別表示不同飛行員飛同 — 任務(wù)的差別，其值達(dá)4： 1。由此可見，飛行員是造成苛刻差別的的重要因素 . 黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院自動化學(xué)院畢業(yè)論文 11 圖 2— 7 轟炸機(jī)使用苛刻度的比較 A— 設(shè)計任務(wù)混合（基準(zhǔn)）； B— SAC 規(guī)定的訓(xùn)練任務(wù) — 固定油門桿； C— SAC 規(guī)定的訓(xùn)練任務(wù) — 油門最小移動范圍； D— SAC 規(guī)定的訓(xùn)練任務(wù) — 油門最大移動范圍。 圖 28 所 示出轟炸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)設(shè)計務(wù)和飛行任務(wù)的苛刻度。顯然可以得出 F14 的任務(wù)混合的總苛刻度最低； F16 戰(zhàn)斗任務(wù)混合的苛刻度比 F16 設(shè)計任 務(wù)混合的苛刻度要高；轟炸機(jī)的穩(wěn)態(tài)苛刻度幾乎對于各種任務(wù)均為常數(shù)，戰(zhàn)斗機(jī)所有穩(wěn)態(tài)苛刻度均低于一般轟炸機(jī)穩(wěn)態(tài)苛刻度。但由于循環(huán)苛刻度增加，使總苛刻度增加。 圖 28 戰(zhàn)斗機(jī)與轟炸機(jī)苛刻度比較 1— B1 設(shè)計任務(wù)混合； 2— SAC 規(guī)定的訓(xùn)練任務(wù) — 駕駛桿固定； 3— SAC 規(guī)定的訓(xùn)練任務(wù) — 最小油門移動范圍； 4— SAC 規(guī)定的訓(xùn)練任務(wù) — 最大油門移動范圍； 5— F14 戰(zhàn)斗任務(wù)混合； 6— F14 各個別任務(wù)范圍； 7— F16 設(shè)計任務(wù)混合； 8— F16 任務(wù)； 9— F16 戰(zhàn)斗任務(wù)混合； 10— F16 任務(wù)范圍。 因此可以推得：戰(zhàn)斗機(jī)任務(wù)苛刻 度高于轟炸機(jī)任務(wù)苛刻度，這是由于戰(zhàn)斗機(jī)高的循環(huán)使用成分所致；設(shè)計任務(wù)混合低估了任務(wù)艱巨實際循環(huán)使用；因為許多單個任務(wù)要比任務(wù)混合苛刻，所以設(shè)計任務(wù)混合往往低估了實際飛行使用通過 F14的研究看出，艦上著陸飛行的苛刻度是任務(wù)混合的黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院自動化學(xué)院畢業(yè)論文 12 兩倍。如果飛機(jī)專門用來飛艦上著陸科目，發(fā)動機(jī)的壽命將大大縮短。 3. 軍、民用發(fā)動機(jī)使用比較 軍用發(fā)動機(jī)的變化范圍主要由系統(tǒng)的工作能力極限及機(jī)載燃油來決定，而不像民用發(fā)動機(jī)那樣受航線、功率管理和旅客舒服等方面的約束。因此，軍用機(jī)的使用范圍寬得多，耐久性問題也比民用發(fā)動機(jī)多。 圖 29（ a） 、 (b)所 示出戰(zhàn)斗機(jī)的民用機(jī)發(fā)動機(jī)的典型循環(huán)，可以看出：戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)在一次格斗任務(wù)下飛行中油門桿變化極大、負(fù)荷高、推力變化大、循環(huán)次數(shù)頻繁，而民用發(fā)動機(jī)的使用相當(dāng)緩和。這是民用發(fā)動機(jī) (翻修壽命達(dá)、 10000h以上 )和軍用發(fā)動機(jī) (翻修壽命只有 600— 1000h)壽命差別的主要原因。 圖 29 戰(zhàn)斗機(jī)和民用機(jī)發(fā)動機(jī)典型循環(huán) 同理，軍用發(fā)動機(jī)的返廠率高于民用機(jī)達(dá)四倍之多。 圖 2— 10 所 示出軍、民用運輸機(jī)的循環(huán)和穩(wěn)態(tài)苛刻度的比較。由圖看出，軍用運輸機(jī)的穩(wěn)態(tài)苛刻度比民用運輸機(jī)稍大，而其循環(huán)苛刻度比民用的大得多，使 用苛刻度為民用的 2 3 倍。 黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院自動化學(xué)院畢業(yè)論文 13 圖 2— 10 軍、民用飛機(jī)苛刻度比較 圖 2— 11 軍、民用飛機(jī)任務(wù)苛刻度比較 圖 211 所示 是裝用 CF6— 5 發(fā)動機(jī)的民用基準(zhǔn)任務(wù)與裝用于軍用運輸機(jī) YC— 14的設(shè)計任務(wù)、飛行試驗數(shù)據(jù)的比較。由圖看出，飛行實驗數(shù)據(jù)的循環(huán)苛刻度遠(yuǎn)大于民用運輔機(jī)基準(zhǔn)任務(wù)和 YC14的設(shè)計任務(wù)。大多數(shù)飛行試驗數(shù)據(jù)中，基準(zhǔn)任務(wù)的穩(wěn)態(tài)苛刻度遠(yuǎn)大于設(shè)計任務(wù)下的苛刻度之值。 上述分析表明，軍用飛機(jī)的工作任務(wù)由循環(huán)苛刻度決定，而民用飛機(jī)的工作任務(wù)由發(fā)動機(jī)和各個構(gòu)件穩(wěn)態(tài)苛刻度決定。 綜上，軍用比 民用苛刻，戰(zhàn)斗機(jī)使用比轟炸機(jī)苛刻，訓(xùn)練任務(wù)比戰(zhàn)斗任務(wù)苛刻。由于飛行員不同，對戰(zhàn)斗機(jī)造成的苛刻度差別最大。 苛刻性的增加是由于高使用循環(huán)成分所致。研究表明，實際飛行使用苛刻度大于初始設(shè)計任務(wù)混合值。 使用環(huán)境的影響 1. 環(huán)境溫度的影響 環(huán)境溫度變化時，通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度的變化而影響熱端部件的低循環(huán)疲勞和蠕變性能。圖 2— 12 所 示出標(biāo)準(zhǔn)、熱帶和炎熱氣候條件下工作時間的百分比。環(huán)境溫度升高時，使高壓渦輪的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以及進(jìn)門燃?xì)獾姆€(wěn)態(tài)溫度升高。在過渡態(tài)時，會產(chǎn)生瞬態(tài)超轉(zhuǎn)和瞬態(tài)超溫。環(huán)境溫度越低， 相對于穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的瞬態(tài)超轉(zhuǎn)和瞬態(tài)超溫越大。 所以，由于環(huán)境溫度的作用，以及加速時的急速瞬態(tài)過程，超溫超轉(zhuǎn)對于熱端轉(zhuǎn)子零件相導(dǎo)向葉片可能產(chǎn)生嚴(yán)重的低循環(huán)疲勞損壞以及蠕變損壞。圖 2— 13 所 示出高壓渦輪導(dǎo)向葉片的低循環(huán)疲勞性能隨環(huán)境溫度的變化。 黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院自動化學(xué)院畢業(yè)論文 14 圖 2— 12 環(huán)境溫度超越曲線 圖 2— 13 外界溫度對高壓渦輪導(dǎo)向葉片低 循環(huán)疲勞的影響 2. 濕環(huán)境影響 濕度對沿海一帶裝用的發(fā)動機(jī)，艦船上發(fā)動機(jī)、低空飛行直升機(jī)發(fā)動機(jī)均有明顯影響。長期處于潮濕環(huán)境，對發(fā)動機(jī)，尤其是壓氣機(jī)，能夠加速破壞 過程。濕度往往使鋁合金葉片表面韌性降低，改變間隙特性，并使金屬間顆粒與基體之間的界面變脆，擴(kuò)大裂紋增長率。 1） .對鋁合金影響，研究結(jié)果指出，鋁合金產(chǎn)生裂紋要經(jīng)歷成核過程— 形成微裂紋 — 初期微裂紋長大 — 微裂紋以一定速率擴(kuò)展及聚合、微裂紋形成宏觀裂紋的鏈?zhǔn)竭^程。 表面裂紋的擴(kuò)展是由于表面微裂紋尖端殘余拉應(yīng)變引起的裂紋應(yīng)力造成的。終應(yīng)力可由下式確定（見圖 214）。 σ cc=α Z0/2Cσ max 式中б cc 為終應(yīng)力；α為對濕度敏感的材料常數(shù)； Z0 為沿裂紋擴(kuò)展方向表面裂紋尖頂?shù)阶罱Я＿吔绲木嚯x， 2C為裂紋長 度。 ． 已發(fā)現(xiàn)微裂紋擴(kuò)展速率與循環(huán)應(yīng)力范圍Δ Keff有關(guān)， Δ Keff～（σ maxσ cc） 裂紋擴(kuò)展率可寫為 dC/dN=A（Δ Keff） m 式中б max 為最大應(yīng)力； A， m 為材料常數(shù) (與濕度無關(guān) )； N 為循環(huán)次數(shù)。 黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院自動化學(xué)院畢業(yè)論文 15 圖 214 微結(jié)構(gòu)參數(shù)圖示 圖 2— 15 不同濕度對材料表面韌性的影響 實驗表明，濕度能降低材料的表面韌性，使終應(yīng)力б cc 降低，而使ΔKeff增加，結(jié)果裂紋擴(kuò)展率 dC /dN 增加。圖 2— 15 所 示出不同濕度對鋁臺金材料表面韌性影響的試驗及分