關(guān)鍵構(gòu)件是高端機(jī)械裝備的核心

　　1. 關(guān)鍵構(gòu)件及其 “三大問(wèn)題”

　　關(guān)鍵構(gòu)件是指決定機(jī)械裝備主要功能，體現(xiàn)機(jī)械裝備壽命與可靠性，失效釀成災(zāi)難性后果，主要失效部件是疲勞的主承力構(gòu)件。關(guān)鍵構(gòu)件有三大類(lèi)：①轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，如葉片、輪盤(pán)、軸;②傳動(dòng)構(gòu)件，如齒輪、軸承;③主承力構(gòu)件，如飛機(jī)起落架、對(duì)接螺栓、承力接頭、承力彈簧等。關(guān)鍵構(gòu)件的共同特點(diǎn)之一是：動(dòng)!它們都在動(dòng)態(tài)下服役，承受動(dòng)載荷導(dǎo)致其疲勞失效。共同特點(diǎn)之二是：極端環(huán)境!因?yàn)殛P(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)的宗旨是重量輕、體積小、長(zhǎng)壽命、高可靠，將選用材料的性能都用到了極限。極端環(huán)境下動(dòng)態(tài)服役導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件經(jīng)常提前疲勞失效。所以，長(zhǎng)期以來(lái)中國(guó)關(guān)鍵構(gòu)件存在壽命短、可靠性差和結(jié)構(gòu)重等三大問(wèn)題。例如，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承壽命僅約300h，國(guó)外已達(dá)到3000h。軍用直升機(jī)主減速器傳動(dòng)齒輪大修期(TBO)僅約800～1200h;國(guó)外達(dá)到6000h，民用直升機(jī)達(dá)到8000～10000h。變速箱是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，國(guó)外風(fēng)電機(jī)組變速箱壽命20年以上，否則不能收回成本。而且維修困難、耗費(fèi)巨大，歐洲兩家整機(jī)廠商曾因齒輪故障維修而倒閉。中國(guó)制造的風(fēng)電機(jī)組變速箱僅保修2年，而且齒輪重量高出原機(jī)20%～25%，還常出問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)壓氣機(jī)葉片壽命多為100h，短則20多小時(shí);渦輪導(dǎo)向器葉片臺(tái)架試車(chē)時(shí)僅48h就出現(xiàn)裂紋，低則甚至5h出現(xiàn)裂紋;渦輪葉片甚至很少進(jìn)行試驗(yàn)。關(guān)鍵構(gòu)件“三大問(wèn)題”嚴(yán)重制約高端機(jī)械裝備發(fā)展和安全服役。

　　2.關(guān)鍵構(gòu)件的主要失效模式是疲勞

　　疲勞是一種在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變的重復(fù)作用下，構(gòu)件一處或幾處發(fā)生的開(kāi)裂或斷裂的失效形式。疲勞是一個(gè)機(jī)械損傷累積、延時(shí)失效的過(guò)程。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)過(guò)程，在低于材料的屈服強(qiáng)度下發(fā)生，在無(wú)明顯變形下突然失效。所以，與其它失效相比，疲勞是一類(lèi)最危險(xiǎn)的失效形式。通常，葉片為振動(dòng)疲勞失效，高溫渦輪葉片為冷熱疲勞失效，傳動(dòng)齒輪為 彎曲疲勞失效，對(duì)接螺栓為拉-拉疲勞失效、軸承為接觸疲勞失效等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效占80%以上。在航空齒輪發(fā)生的17起事件中，13起為疲勞失效，占76%，既有齒根彎曲疲勞斷裂，也有齒面接觸疲勞剝落。20世紀(jì)60年代到90年代發(fā)生的14起航空發(fā)動(dòng)機(jī)重大事故中，13起源自關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞失效。80年代，某機(jī)種故障導(dǎo)致3000架飛機(jī)停飛，查得的原因是機(jī)翼主梁疲勞裂紋。2003年，對(duì)300多起發(fā)動(dòng)機(jī)重大故障進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)絕大部分來(lái)自關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效。令人特別關(guān)注的是，過(guò)去發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片疲勞失效出現(xiàn)在服役一定時(shí)間之后，而今卻出現(xiàn)在臺(tái)架試車(chē)階段。非航空關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效率達(dá)50%～90%。汽輪機(jī)高壓、中壓段葉片承受高溫、高壓過(guò)熱蒸汽的作用，擾動(dòng)的蒸汽流產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力，失效模式為疲勞斷裂或應(yīng)力腐蝕誘發(fā)疲勞斷裂。汽輪機(jī)葉片疲勞斷裂約占火力發(fā)電廠運(yùn)行事故的1/3。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組服役環(huán)境復(fù)雜而惡劣，既承受動(dòng)載荷沖擊又承受腐蝕環(huán)境，所用對(duì)接螺栓疲勞失效高達(dá)85%。中國(guó)鐵路運(yùn)輸發(fā)展很快，隨著列車(chē)速度的提高和高速重載鐵路的迅猛發(fā)展，高速重載線路輪軌和車(chē)輪滾動(dòng)接觸疲勞失效情況十分嚴(yán)重。

　　3.關(guān)鍵構(gòu)件“三大問(wèn)題”源自應(yīng)力集中敏感

　　關(guān)鍵構(gòu)件普遍選用高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng) 度鋼和高溫合金制造。隨著高端機(jī)械裝備發(fā)展，關(guān)鍵 構(gòu)件用合金強(qiáng)度還會(huì)不斷提高。由于高強(qiáng)度合金具有高疲勞強(qiáng)度，其重量輕、體積小、長(zhǎng)壽命、高可靠。但高強(qiáng)度合金的突出弱點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中敏感。滲碳表面硬度>60HRC時(shí)，表面劃傷應(yīng)力集中甚至超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度。隨著合金強(qiáng)度提高，疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感程度將更為劇烈。由于應(yīng)力集中造成疲勞強(qiáng)度和壽命降低，關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)不得不降低許用應(yīng)力、提高安全系數(shù)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量高;對(duì)確定的設(shè)計(jì)和選材，由于沒(méi)有抗疲勞概念和防止措施，切削加工時(shí)又不可避免地在關(guān)鍵構(gòu)件表面造成損傷和粗糙度，從而附加了一個(gè)應(yīng)力集中，疲勞強(qiáng)度再次降低，導(dǎo)致了關(guān)鍵構(gòu)件壽命短;由于附加應(yīng)力集中的位置和程度不確定，導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件可靠性差。一句話， 疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感導(dǎo)致了關(guān)鍵構(gòu)件的 “三大問(wèn)題”。大量的關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效分析結(jié)果表明，80%以上的疲勞失效源自表面損傷或切削加工刀痕不連續(xù)處，因?yàn)槟莾簯?yīng)力集中高。關(guān)鍵構(gòu)件疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感的嚴(yán)重程度和潛在危害究竟有多么大，從下面的例子可見(jiàn)一斑。眾所周知，低合金超高強(qiáng)度鋼300M是一個(gè)優(yōu)良的結(jié)構(gòu)鋼，它具有：σb=1960MPa、σ0.2=1625MPa、δ5=10.4%、ψ=41.6%、 KⅠC=80MPa·m、疲勞強(qiáng)度σf=1035MPa的綜合性能。因之，世界上95%以上的軍機(jī)、客機(jī)的起落架用它制造。但是，當(dāng)在構(gòu)件表面出現(xiàn)硬度壓痕造成應(yīng)力集中時(shí)，疲勞強(qiáng)度便降低到σNf=240MPa;當(dāng)在3.5%NaCl水溶液中試驗(yàn)時(shí)，疲勞強(qiáng)度降低到σcf=280MPa;當(dāng)帶有硬度壓痕的構(gòu)件在3.5%NaCl水溶液中試驗(yàn)時(shí)，疲勞強(qiáng)度降低為σNcf=100MPa。不僅如此，在3.5%NaCl水溶液中試驗(yàn)時(shí)還顯示很強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕應(yīng)力集中敏感性。在應(yīng)力σ=1035MPa時(shí)，壽命為266h;在應(yīng)力σ=1155MPa時(shí)，壽命為166h;在應(yīng)力σ=1260MPa時(shí)，壽命僅為13h。顯而易見(jiàn)，在應(yīng)力集中和腐蝕介質(zhì)服役環(huán)境中， 綜合性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼300M居然變得完全不能使用了?？梢?jiàn)，不解決疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感問(wèn)題，關(guān)鍵構(gòu)件非但不能收到重量輕、體積小、長(zhǎng)壽命、高可靠的預(yù)期效果，反而潛在災(zāi)難性后果。

關(guān)鍵構(gòu)件是高端機(jī)械裝備的核心

　　1. 關(guān)鍵構(gòu)件及其 “三大問(wèn)題”

　　關(guān)鍵構(gòu)件是指決定機(jī)械裝備主要功能，體現(xiàn)機(jī)械裝備壽命與可靠性，失效釀成災(zāi)難性后果，主要失效部件是疲勞的主承力構(gòu)件。關(guān)鍵構(gòu)件有三大類(lèi)：①轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，如葉片、輪盤(pán)、軸;②傳動(dòng)構(gòu)件，如齒輪、軸承;③主承力構(gòu)件，如飛機(jī)起落架、對(duì)接螺栓、承力接頭、承力彈簧等。關(guān)鍵構(gòu)件的共同特點(diǎn)之一是：動(dòng)!它們都在動(dòng)態(tài)下服役，承受動(dòng)載荷導(dǎo)致其疲勞失效。共同特點(diǎn)之二是：極端環(huán)境!因?yàn)殛P(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)的宗旨是重量輕、體積小、長(zhǎng)壽命、高可靠，將選用材料的性能都用到了極限。極端環(huán)境下動(dòng)態(tài)服役導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件經(jīng)常提前疲勞失效。所以，長(zhǎng)期以來(lái)中國(guó)關(guān)鍵構(gòu)件存在壽命短、可靠性差和結(jié)構(gòu)重等三大問(wèn)題。例如，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承壽命僅約300h，國(guó)外已達(dá)到3000h。軍用直升機(jī)主減速器傳動(dòng)齒輪大修期(TBO)僅約800～1200h;國(guó)外達(dá)到6000h，民用直升機(jī)達(dá)到8000～10000h。變速箱是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，國(guó)外風(fēng)電機(jī)組變速箱壽命20年以上，否則不能收回成本。而且維修困難、耗費(fèi)巨大，歐洲兩家整機(jī)廠商曾因齒輪故障維修而倒閉。中國(guó)制造的風(fēng)電機(jī)組變速箱僅保修2年，而且齒輪重量高出原機(jī)20%～25%，還常出問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)壓氣機(jī)葉片壽命多為100h，短則20多小時(shí);渦輪導(dǎo)向器葉片臺(tái)架試車(chē)時(shí)僅48h就出現(xiàn)裂紋，低則甚至5h出現(xiàn)裂紋;渦輪葉片甚至很少進(jìn)行試驗(yàn)。關(guān)鍵構(gòu)件“三大問(wèn)題”嚴(yán)重制約高端機(jī)械裝備發(fā)展和安全服役。

　　2.關(guān)鍵構(gòu)件的主要失效模式是疲勞

　　疲勞是一種在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變的重復(fù)作用下，構(gòu)件一處或幾處發(fā)生的開(kāi)裂或斷裂的失效形式。疲勞是一個(gè)機(jī)械損傷累積、延時(shí)失效的過(guò)程。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)過(guò)程，在低于材料的屈服強(qiáng)度下發(fā)生，在無(wú)明顯變形下突然失效。所以，與其它失效相比，疲勞是一類(lèi)最危險(xiǎn)的失效形式。通常，葉片為振動(dòng)疲勞失效，高溫渦輪葉片為冷熱疲勞失效，傳動(dòng)齒輪為 彎曲疲勞失效，對(duì)接螺栓為拉-拉疲勞失效、軸承為接觸疲勞失效等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效占80%以上。在航空齒輪發(fā)生的17起事件中，13起為疲勞失效，占76%，既有齒根彎曲疲勞斷裂，也有齒面接觸疲勞剝落。20世紀(jì)60年代到90年代發(fā)生的14起航空發(fā)動(dòng)機(jī)重大事故中，13起源自關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞失效。80年代，某機(jī)種故障導(dǎo)致3000架飛機(jī)停飛，查得的原因是機(jī)翼主梁疲勞裂紋。2003年，對(duì)300多起發(fā)動(dòng)機(jī)重大故障進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)絕大部分來(lái)自關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效。令人特別關(guān)注的是，過(guò)去發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片疲勞失效出現(xiàn)在服役一定時(shí)間之后，而今卻出現(xiàn)在臺(tái)架試車(chē)階段。非航空關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效率達(dá)50%～90%。汽輪機(jī)高壓、中壓段葉片承受高溫、高壓過(guò)熱蒸汽的作用，擾動(dòng)的蒸汽流產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力，失效模式為疲勞斷裂或應(yīng)力腐蝕誘發(fā)疲勞斷裂。汽輪機(jī)葉片疲勞斷裂約占火力發(fā)電廠運(yùn)行事故的1/3。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組服役環(huán)境復(fù)雜而惡劣，既承受動(dòng)載荷沖擊又承受腐蝕環(huán)境，所用對(duì)接螺栓疲勞失效高達(dá)85%。中國(guó)鐵路運(yùn)輸發(fā)展很快，隨著列車(chē)速度的提高和高速重載鐵路的迅猛發(fā)展，高速重載線路輪軌和車(chē)輪滾動(dòng)接觸疲勞失效情況十分嚴(yán)重。

　　3.關(guān)鍵構(gòu)件“三大問(wèn)題”源自應(yīng)力集中敏感

　　關(guān)鍵構(gòu)件普遍選用高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng) 度鋼和高溫合金制造。隨著高端機(jī)械裝備發(fā)展，關(guān)鍵 構(gòu)件用合金強(qiáng)度還會(huì)不斷提高。由于高強(qiáng)度合金具有高疲勞強(qiáng)度，其重量輕、體積小、長(zhǎng)壽命、高可靠。但高強(qiáng)度合金的突出弱點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中敏感。滲碳表面硬度>60HRC時(shí)，表面劃傷應(yīng)力集中甚至超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度。隨著合金強(qiáng)度提高，疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感程度將更為劇烈。由于應(yīng)力集中造成疲勞強(qiáng)度和壽命降低，關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)不得不降低許用應(yīng)力、提高安全系數(shù)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量高;對(duì)確定的設(shè)計(jì)和選材，由于沒(méi)有抗疲勞概念和防止措施，切削加工時(shí)又不可避免地在關(guān)鍵構(gòu)件表面造成損傷和粗糙度，從而附加了一個(gè)應(yīng)力集中，疲勞強(qiáng)度再次降低，導(dǎo)致了關(guān)鍵構(gòu)件壽命短;由于附加應(yīng)力集中的位置和程度不確定，導(dǎo)致關(guān)鍵構(gòu)件可靠性差。一句話， 疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感導(dǎo)致了關(guān)鍵構(gòu)件的 “三大問(wèn)題”。大量的關(guān)鍵構(gòu)件疲勞失效分析結(jié)果表明，80%以上的疲勞失效源自表面損傷或切削加工刀痕不連續(xù)處，因?yàn)槟莾簯?yīng)力集中高。關(guān)鍵構(gòu)件疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感的嚴(yán)重程度和潛在危害究竟有多么大，從下面的例子可見(jiàn)一斑。眾所周知，低合金超高強(qiáng)度鋼300M是一個(gè)優(yōu)良的結(jié)構(gòu)鋼，它具有：σb=1960MPa、σ0.2=1625MPa、δ5=10.4%、ψ=41.6%、 KⅠC=80MPa·m、疲勞強(qiáng)度σf=1035MPa的綜合性能。因之，世界上95%以上的軍機(jī)、客機(jī)的起落架用它制造。但是，當(dāng)在構(gòu)件表面出現(xiàn)硬度壓痕造成應(yīng)力集中時(shí)，疲勞強(qiáng)度便降低到σNf=240MPa;當(dāng)在3.5%NaCl水溶液中試驗(yàn)時(shí)，疲勞強(qiáng)度降低到σcf=280MPa;當(dāng)帶有硬度壓痕的構(gòu)件在3.5%NaCl水溶液中試驗(yàn)時(shí)，疲勞強(qiáng)度降低為σNcf=100MPa。不僅如此，在3.5%NaCl水溶液中試驗(yàn)時(shí)還顯示很強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕應(yīng)力集中敏感性。在應(yīng)力σ=1035MPa時(shí)，壽命為266h;在應(yīng)力σ=1155MPa時(shí)，壽命為166h;在應(yīng)力σ=1260MPa時(shí)，壽命僅為13h。顯而易見(jiàn)，在應(yīng)力集中和腐蝕介質(zhì)服役環(huán)境中， 綜合性能優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼300M居然變得完全不能使用了?？梢?jiàn)，不解決疲勞強(qiáng)度應(yīng)力集中敏感問(wèn)題，關(guān)鍵構(gòu)件非但不能收到重量輕、體積小、長(zhǎng)壽命、高可靠的預(yù)期效果，反而潛在災(zāi)難性后果。