CC BY
86
УДК 621.515.5-2
Канд. техн. наук Г. В. Пухальская1, И. Л. Гликсон2, канд. техн. наук О. Л. Лукьяненко2
1 Национальный технический университет, 2АО «Мотор Сич»; г. Запорожье
ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ОБРАБОТКОЙ ШАРИКАМИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Исследовано влияние обработки стальными шариками в магнитном поле на усталостную прочность лопаток компрессора. Обработка лопаток шариками в магнитном поле приводит к повышению предела выносливости.
Ключевые слова: лопатка, прочность, магнитное поле, предел выносливости.
Введение
По мере развития и совершенствования авиационной техники постоянно растут параметры двигателей, что приводит к увеличению напряжений, воздействующих на детали, к возрастанию чувствительности этих деталей к различного рода повреждениям их поверхностного слоя. Потеря деталью своего служебного назначения начинается с поверхностного слоя, например, возникновение и развитие усталостной трещины, коррозии, эрозии, износа и др. [1].
Основным видом разрушения лопаток компрессора является усталостное. Причинами разрушения лопаток являются снижение предела выносливости или повышение амплитуды вибрационных напряжений. Кроме усталостных разрушений лопаток существует большая проблема, связанная с досрочным съемом двигателей из-за повреждения лопаток забоинами [2].
Вертолетные ГТД эксплуатируются в условиях повышенной запыленности, что приводит к износу и появлению забоин на входных кромках рабочих лопаток компрессора. Такое повреждение, как забоина, может привести к образованию трещины с последующим обрывом лопатки.
Поверхностное пластическое деформирование применяется для повышения несущей способности деталей за счет максимальною использования свойств поверхностного слоя. Выбор метода деформирования определяется конструкцией и размерами детали, требованиями, предъявляемыми к точности, условиями эксплуатации и ресурсом.
В данной работе исследовано влияние обработки лопаток компрессора из титановых сплавов на усталостную прочность.
Рис. 1. Лопатки 1-й ступени компрессора вертолетного двигателя с повреждениями пера
© Г. В. Пухальская, И. Л. Гликсон, О. Л. Лукьяненко, 2012
Методика проведения экспериментов
В качестве объекта исследований использованы лопатки компрессора двух различных двигателей ГТД, изготовленные из титановых сплавов ВТ8М и ВТЗ-1. Лопатки обработаны по режиму, рекомендованному как оптимальный в результате предыдущих исследований.
Испытания лопаток на усталость проводили способом возбуждения их колебаний по первой из гиб ной форме на электродинамическом вибростенде ВЭДС-200. Лопатки испытывали на усталость ускоренным методом «лестница» на базе N = 108 циклов согласно ОСТ 1 00870-77 с определением среднего предела выносливости. Данный метод применяют для оценки влияния технологических факторов на сопротивление усталости с целью сокращения длительности и стоимости испытаний.
Сущность метода заключается в расчете среднего значения предела выносливости по формуле:
. (А И с 1 = оп + Да — ± — ,
_1 0 ^ 2)
ще о0 - самый низкий уровень напряжения, на котором появляется событие (разрушение или неразруше-ние) с меньшей частотой, МПа;
Да - ступень приращения напряжения;
П
А = ^'п> ;
¡=1
г = 0 - номер низшего уровня напряжений, на котором событие появляется с меньшей частотой;
г = 1 - следующий уровень;
г = к - самый высокий уровень напряжений, на котором появляется событие с меньшей частотой;
п - число событий с меньшей частотой появления на соответствующем уровне напряжений;
N - общее число анализируемых событий
Знак «плюс» ставится, если неразрушение проявляется с меньшей частотой, знак «минус» - если с меньшей частотой проявляется разрушение.
При проведении испытаний принято приращение величины напряжения 20 МПа.
Для подтверждения полученных результатов испытания на усталость проводили стандартным методом на базе 100 млн. циклов. Лопатки испытывали в резонансном режиме до появления макротрещины длиной
1-3 мм, что соответствовало падению частоты собственных колебаний на 2-3 %.
Результаты и их обсуждение
Для оценки эффективности обработки лопаток компрессора стальными шариками в магнитном поле использовали специально разработанную и изготовленную опытно-промышленную установку с широким диапазоном варьирования параметров процесса (индукция магнитного поля, частота перемещений лопатки, диаметр шариков), влияющих на характеристики поверхностного слоя: шероховатость, степень наклепа, величину и глубину распространения остаточных напряжений. Между полюсами электромагнита, который питается от источника постоянного тока, размещаются стальные шарики, которые при создании магнитною поля образуют упругую среду, свойства которой можно варьировать, изменяя индукцию магнитного поля. Регулируемые сердечники в форме усеченного конуса концентрируют силовые линии магнитного поля в рабочей зоне, уплотняя рабочую среду и устраняя зазоры.
При движении лопатки через рабочую зону стальные шарики взаимодействуют с поверхностью лопатки, оказывая при этом определенное контактное давление, в результате чего поверхностный слой пластически деформируется.
Рис. 2. Установка для обработки лопаток шариками в магнитном поле
Предложенный способ упрочнения лопаток компрессора с тонкими кромками характеризуется «мягкой» обработкой кромок лопаток - мест наиболее вероятного зарождения усталостных трещин без искажения геометрии (перенаклепа кромок).
Параметры режима обработки представлены в табл. 1
Таблица 1 - Параметры режима обработки пера лопатки
Параметры режима обработки
Обозначение режима обработки Сечение магнито-провода я, мм й?, мм Расстояние между полюсами магнита, мм V, Гц X, мин
№ 1 УК 29 1,6 11 16 30
Примечание: УК—сечение магнитопроеода - усеченный конус, размер рабочей зоны — 0 6x11 мм; й— диаметр шариков, мм; V — частота перемещений лопатки вдоль оси пера, Гц; а —ход лопатки вдоль оси пера, мм; г— время обработки, мин. При обработке лопатке дополнительно сообщали поперечные колебания, в направлении, перпендикулярном продольной оси с частотой 0,5 Гц и величиной 13 мм.
По результатам испытаний составлены табл. 2 и З и построены графики (см. рис. 3, 4).
О, МПа |
520
500
изо
ш
3
5 6 7 номер испытания
Рис. 3. Обработка результатов испытания исходных лопаток: х - лопатки с трещинами, о - лопатки, отстоявшие заданную базу
<Х МПа
6^0
620
600
580
560
;
6 номер испытания
Рис. 4. Обработка результатов испытания лопаток, обработанных шариками в магнитном поле: л - лопатки с трещинами, о - лопатки, отстоявшие заданную базу
Определяем средний предел выносливости:
- исходных лопаток
С-1 = а0 + Да
V
і ■ п. 1
— + -п, 2
Ст-1 = оп + До
X
эбр ІЄ
= 460+ 20(4/3+ 1/2)=497МПа;
- лопаток, обработанных стальными шариками в магнитном поле
( ^ „ , Л
= 620+20(1/2-1/2)=620 МПа.
Упрочнение лопаток компрессора стальными шариками в магнитном поле приводит к повышению их предела выносливости на 25 %.
Эффективность обработки упрочнением шариками в магнитном поле оценивали на серийных лопатках компрессора окончательно обработанных виброполированием и для сравнения, окончательно обработанных УЗУ (см. табл. 4-7).
Фрактографическое исследование исходных и упрочненных л опагок проводили на оптическом стереоскопическом микроскопе МСП-2 и растровом электронном микроскопе ^М-ТЗОО на двух лопатках компрессора Сб и СМ12, разрушившиеся в процессе усталостных испытаний при разном уровне напряжений.
Трещина на лопатке Сб с началом развития по корыту от входной кромки, а по спинке ориентирована вдоль рисок от мехобработки. По месту зарождения трещины на лопатке СМ12 обнаружен технологический дефект. Обработанная шариками поверхность имеет равномерный серый цвет и слабый блеск.
Вскрытие и анализ строения изломов по трещинам показал следующее: оба излома имеют обычный для усталостною разрушения плоский макрорельеф с усталостными линиями (рис. 5). Разрушение лопатки Сб началось от «косой» риски по корыту пера вблизи входной кромки. В изломе лопатки СМ12, обработанной шариками, наблюдается окисленный технологический дефект по входной кромке пера, от которого началось разрушение (рис. 5).
Микрорельеф усталостной зоны излома обеих лопаток фасеточный, характерный для многоцикловой усталости. Разрушение сопровождалось ветвлением трещин и, как результат, образованием микронадрывов в плоскости, перпендикулярной излому. В изломах лопаток отсутствуют признаки перегрузочною характера (вязкие бороздки, ямки).
Таблица 2 - Результаты испытаний исходных лопаток
<за , МПа Число лопаток с трещинами Число лопаток без трещин щ Порядковый номер события с меньшей частотой і-щ
460 0 1 0 0
480 1 1 1 1
500 2 1 3 3
520 1 0
Е 4 3 4
Таблица 3 - Результаты испытаний лопаток, обработанных шариками в магнитном поле
<за , МПа Число лопаток с трещинами П; Число лопаток без трещин Порядковый номер события с меньшей частотой і ■ п.
560 0 1
580 0 1
600 0 1
620 1 1 0 0
640 1 0 1 1
Е 2 4 1
Таблица 4 - Результаты испытаний на усталость серийных лопаток из титанового сплава ВТ8М (ВП)
№ п/п № лопатки Уровень нагружения а, МПа Кол-во циклов, №Юб Результаты испытаний Примечание
1 С1 620 10,442 Разр. /=14 мм, вх. кромка
2 С2 600 0,549 Разр. / = 34 мм, вх. кромка
3 СЗ 560 0,363 Разр. / = 26 мм, вх. кромка
4 С4 500 100,0 Н.р. -
5 С5 520 46,67 Разр. / = 23 мм, вх. кромка
6 С7 500 40,35 Разр. / = 28 мм, вх. кромка
7 С6 480 0,36 Разр. / = 32 мм, вх. кромка
В С26 460 100,0 Н.р. -
9 С14 480 100,0 Н.р. -
10 С16 500 76,579 Разр. /=36 мм, вх. кромка
11 С26 460 100,0 Н.р. -
12 С18 460 100,0 Н.р. -
13 С39 460 100,0 Н.р. -
14 С34 460 100,0 Н.р. -
15 С66 460 100,0 Н.р. -
16 С68 460 100,0 Н.р. -
Таблица 5 - Результаты испытаний на усталость серийных лопаток из титановою сплава ВТ8М (ВП + обработка шариками в магнитном поле по режиму № 1)
№ п/п № лопатки Уровень нагружения а, МПа Кол-во циклов, ЛґхЮ6 Результаты испытаний Примечание
1 СМ1 560 100,0 Н.р. -
2 СМ6 580 100,0 Н.р. -
3 СМЗ 600 100,0 Н.р. -
4 СМ2 620 100,0 Н.р. -
5 СМ4 640 19,049 Разр. / = 28 мм, вх. кр.
6 СМ5 620 0,54 Разр. / = 45 мм, вх. кр.
7 СМ37 600 100,0 Н.р. -
8 СМ17 600 47,58 Разр. 1=26 мм, вх. кр.
9 СМ53 600 95,25 Разр. / = 39 мм, спинка
10 СМ52 600 15,96 Разр. 1=29 мм, вх. кр.
11 СМ50 600 100,0 Н.р -
12 СМЗО 580 40,3 Разр. 1=25 мм, вх. кр.
13 СМ65 580 13,14 Разр. 1=33 мм, вх. кр.
14 СМ12 560 69,27 Разр. 1=25 мм, вх. кр.
15 СМ67 540 100,0 Н.р. -
16 СМ56 540 100,0 Н.р. -
17 СМ13 540 100,0 Н.р. -
18 СМ20 540 100,0 Н.р. -
19 СМ25 540 100,0 Н.р. -
20 СМ61 540 100,0 Н.р. -
Таблица 6 - Результаты испытаний на усталость серийных лопаток из титанового сплава ВТЗ-1 (УЗУ)
№ лопатки Уровень нагружения а, МПа Кол-во циклов, №106 Результаты испытаний Примечание
1 СЗ-10 400 31,21 Разр. / = 25 мм, вх. кромка
2 СЗ-7 380 46,06 Разр. / = 25 мм, вх. кромка
3 СЗ-9 360 100,0 Н.р. -
4 СЗ-8 360 52,79 Разр. / = 23 мм, вх. кромка
5 СЗ-4 340 100,0 Н.р. -
6 СЗ-6 340 100,0 Н.р. -
7 СЗ-2 340 100,0 Н.р. -
8 СЗ-5 340 100,0 Н.р. -
9 СЗ-1 340 100,0 Н.р. -
10 СЗ-З 340 100,0 Н.р. -
Таблица 7 - Результаты испытаний на усталость серийных лопаток из титанового сплава ВТЗ-1 (ВП + обработка шариками в магнитном поле по режиму № 1)
№ п/п № лопатки Уровень нагружения а, МПа Кол-во циклов, Л' - IO6 Результаты испытаний Примечание
1 МІ 600 23,552 Разр. / = 17 мм, вх. кр.
2 М2 550 0,5 Разр. / = 20 мм, вх. кр.
3 М8 500 100,0 Н.р. -
4 М5 520 38,76 Разр. / = 15 мм, вх. кр.
5 М9 500 62,37 Разр. /=19 мм, спинка
6 М4 500 38,77 Разр. / = 18 мм, вх. кр.
7 М3 480 40,31 Разр. / = 18 мм, вх. кр.
8 М10 460 4,88 Разр. / = 20 мм, вх. кр.
9 М6 440 100,0 Н.р. -
10 М7 440 32,29 Разр. / = 18 мм, вх. кр.
11 Mil 420 100,0 Н.р -
12 М12 420 100,0 Н.р. -
13 М13 420 100,0 Н.р. -
14 М14 420 0,312 Разр. /=13 мм, вых. кр.
15 М15 420 20,52 Разр. / = 15 мм, вх. кр.
16 М16 400 100,0 Н.р. -
17 М17 400 100,0 Н.р. -
18 М18 400 100,0 Н.р. -
19 М19 400 100,0 Н.р. -
20 М20 400 100,0 Н.р. -
21 М21 400 100,0 Н.р. -
: '-|^|
а
Рис. 5. Общий вид излома по трещинам на лопатке СМ 12 (а) и на лопатке С6 (б)
Проведенные испытания на усталость позволяют сделать вывод, что упрочнение лопаток компрессора стальными шариками в магнитном поле приводит к повышению предела выносливости с 460 до 540 МПа по сравнению с лопатками, упрочненнымиВП - сплав ВТ8М и лопатками, упрочненными У ЗУ - с 340 до 400 МПа -сплав ВТЗ-1.
Выводы
Предложенный способ упрочнения лопаток компрессора с тонкими кромками позволяет существенно повысить их усталостную прочность. Предел выносливости лопаток, обработанных стальными шарика-
Пухальська Г.В., Глікеон І.Л., Лукьяненко -О. Л. Підвищення втомної міцності лопаток компресора обробкою кульками в магнітному полі
Досліджений вплив обробки сталевими кульками в магнітному полі на втомну міцність лопаток компресора. Обробка лопаток кульками в магнітному полі призводить до підвищення межі витривалості.
Ключові слова: лопатка, міцність, магнітне поле, межа витривалості.
Pukhalskaya G., Glikson L, Lukyanenko О. Compressor blades fatigue strength increasing by handling balls treatment in a magnetic field
Influence of steel balls in the magnetic field treatment on the durability of the compressor blades are investigated. Increasing of the endurance limit by blades balls processing in a magnetic field was established.
Key words: blade, strength, magnetic field, the limit of endurance.
ми в магнитном поле, повышается на 18 % по сравнению с лопатками, упрочненными ВП - сплав ВТ8М и на 18 % по сравнению с лопатками, упрочненными УЗУ-сплав ВТЗ-1.
Список литературы
1. Детонационное нанесение покрытий на детали авиадвигателей и технологического оснащения с последующей магнитно-абразивной обработкой [Текст] : Монография / [В. А. Богуслаев, А. И. Долматов, П. Д. Же-манюк и др.]. - Запорожье: Дека, 1996. - 364 с.
2. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД / А. Н. Петухов. - М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.: ил.
Одержано 04.12.2012
