关键构件是高端机械装备的核心

　　1. 关键构件及其 “三大问题”

　　关键构件是指决定机械装备主要功能，体现机械装备寿命与可靠性，失效酿成灾难性后果，主要失效部件是疲劳的主承力构件。关键构件有三大类：①转动构件，如叶片、轮盘、轴;②传动构件，如齿轮、轴承;③主承力构件，如飞机起落架、对接螺栓、承力接头、承力弹簧等。关键构件的共同特点之一是：动!它们都在动态下服役，承受动载荷导致其疲劳失效。共同特点之二是：极端环境!因为关键构件设计的宗旨是重量轻、体积小、长寿命、高可靠，将选用材料的性能都用到了极限。极端环境下动态服役导致关键构件经常提前疲劳失效。所以，长期以来中国关键构件存在寿命短、可靠性差和结构重等三大问题。例如，军用航空发动机主轴承寿命仅约300h，国外已达到3000h。军用直升机主减速器传动齿轮大修期(TBO)仅约800～1200h;国外达到6000h，民用直升机达到8000～10000h。变速箱是风电机组的核心部件，国外风电机组变速箱寿命20年以上，否则不能收回成本。而且维修困难、耗费巨大，欧洲两家整机厂商曾因齿轮故障维修而倒闭。中国制造的风电机组变速箱仅保修2年，而且齿轮重量高出原机20%～25%，还常出问题。据统计，某发动机一级压气机叶片寿命多为100h，短则20多小时;涡轮导向器叶片台架试车时仅48h就出现裂纹，低则甚至5h出现裂纹;涡轮叶片甚至很少进行试验。关键构件“三大问题”严重制约高端机械装备发展和安全服役。

　　2.关键构件的主要失效模式是疲劳

　　疲劳是一种在循环应力和应变的重复作用下，构件一处或几处发生的开裂或断裂的失效形式。疲劳是一个机械损伤累积、延时失效的过程。疲劳包括裂纹萌生和裂纹扩展两个过程，在低于材料的屈服强度下发生，在无明显变形下突然失效。所以，与其它失效相比，疲劳是一类最危险的失效形式。通常，叶片为振动疲劳失效，高温涡轮叶片为冷热疲劳失效，传动齿轮为 弯曲疲劳失效，对接螺栓为拉-拉疲劳失效、轴承为接触疲劳失效等。据统计，航空关键构件疲劳失效占80%以上。在航空齿轮发生的17起事件中，13起为疲劳失效，占76%，既有齿根弯曲疲劳断裂，也有齿面接触疲劳剥落。20世纪60年代到90年代发生的14起航空发动机重大事故中，13起源自关键构件的疲劳失效。80年代，某机种故障导致3000架飞机停飞，查得的原因是机翼主梁疲劳裂纹。2003年，对300多起发动机重大故障进行调研，发现绝大部分来自关键构件疲劳失效。令人特别关注的是，过去发动机涡轮叶片疲劳失效出现在服役一定时间之后，而今却出现在台架试车阶段。非航空关键构件疲劳失效率达50%～90%。汽轮机高压、中压段叶片承受高温、高压过热蒸汽的作用，扰动的蒸汽流产生弯曲应力和动应力，失效模式为疲劳断裂或应力腐蚀诱发疲劳断裂。汽轮机叶片疲劳断裂约占火力发电厂运行事故的1/3。风力发电机组服役环境复杂而恶劣，既承受动载荷冲击又承受腐蚀环境，所用对接螺栓疲劳失效高达85%。中国铁路运输发展很快，随着列车速度的提高和高速重载铁路的迅猛发展，高速重载线路轮轨和车轮滚动接触疲劳失效情况十分严重。

　　3.关键构件“三大问题”源自应力集中敏感

　　关键构件普遍选用高强度铝合金、钛合金、超高强 度钢和高温合金制造。随着高端机械装备发展，关键 构件用合金强度还会不断提高。由于高强度合金具有高疲劳强度，其重量轻、体积小、长寿命、高可靠。但高强度合金的突出弱点是疲劳强度对应力集中敏感。渗碳表面硬度>60HRC时，表面划伤应力集中甚至超过材料的抗拉强度。随着合金强度提高，疲劳强度应力集中敏感程度将更为剧烈。由于应力集中造成疲劳强度和寿命降低，关键构件设计时不得不降低许用应力、提高安全系数，从而导致结构重量高;对确定的设计和选材，由于没有抗疲劳概念和防止措施，切削加工时又不可避免地在关键构件表面造成损伤和粗糙度，从而附加了一个应力集中，疲劳强度再次降低，导致了关键构件寿命短;由于附加应力集中的位置和程度不确定，导致关键构件可靠性差。一句话， 疲劳强度应力集中敏感导致了关键构件的 “三大问题”。大量的关键构件疲劳失效分析结果表明，80%以上的疲劳失效源自表面损伤或切削加工刀痕不连续处，因为那儿应力集中高。关键构件疲劳强度应力集中敏感的严重程度和潜在危害究竟有多么大，从下面的例子可见一斑。众所周知，低合金超高强度钢300M是一个优良的结构钢，它具有：σb=1960MPa、σ0.2=1625MPa、δ5=10.4%、ψ=41.6%、 KⅠC=80MPa·m、疲劳强度σf=1035MPa的综合性能。因之，世界上95%以上的军机、客机的起落架用它制造。但是，当在构件表面出现硬度压痕造成应力集中时，疲劳强度便降低到σNf=240MPa;当在3.5%NaCl水溶液中试验时，疲劳强度降低到σcf=280MPa;当带有硬度压痕的构件在3.5%NaCl水溶液中试验时，疲劳强度降低为σNcf=100MPa。不仅如此，在3.5%NaCl水溶液中试验时还显示很强的应力腐蚀应力集中敏感性。在应力σ=1035MPa时，寿命为266h;在应力σ=1155MPa时，寿命为166h;在应力σ=1260MPa时，寿命仅为13h。显而易见，在应力集中和腐蚀介质服役环境中， 综合性能优良的超高强度钢300M居然变得完全不能使用了。可见，不解决疲劳强度应力集中敏感问题，关键构件非但不能收到重量轻、体积小、长寿命、高可靠的预期效果，反而潜在灾难性后果。

关键构件是高端机械装备的核心

　　1. 关键构件及其 “三大问题”

　　关键构件是指决定机械装备主要功能，体现机械装备寿命与可靠性，失效酿成灾难性后果，主要失效部件是疲劳的主承力构件。关键构件有三大类：①转动构件，如叶片、轮盘、轴;②传动构件，如齿轮、轴承;③主承力构件，如飞机起落架、对接螺栓、承力接头、承力弹簧等。关键构件的共同特点之一是：动!它们都在动态下服役，承受动载荷导致其疲劳失效。共同特点之二是：极端环境!因为关键构件设计的宗旨是重量轻、体积小、长寿命、高可靠，将选用材料的性能都用到了极限。极端环境下动态服役导致关键构件经常提前疲劳失效。所以，长期以来中国关键构件存在寿命短、可靠性差和结构重等三大问题。例如，军用航空发动机主轴承寿命仅约300h，国外已达到3000h。军用直升机主减速器传动齿轮大修期(TBO)仅约800～1200h;国外达到6000h，民用直升机达到8000～10000h。变速箱是风电机组的核心部件，国外风电机组变速箱寿命20年以上，否则不能收回成本。而且维修困难、耗费巨大，欧洲两家整机厂商曾因齿轮故障维修而倒闭。中国制造的风电机组变速箱仅保修2年，而且齿轮重量高出原机20%～25%，还常出问题。据统计，某发动机一级压气机叶片寿命多为100h，短则20多小时;涡轮导向器叶片台架试车时仅48h就出现裂纹，低则甚至5h出现裂纹;涡轮叶片甚至很少进行试验。关键构件“三大问题”严重制约高端机械装备发展和安全服役。

　　2.关键构件的主要失效模式是疲劳

　　疲劳是一种在循环应力和应变的重复作用下，构件一处或几处发生的开裂或断裂的失效形式。疲劳是一个机械损伤累积、延时失效的过程。疲劳包括裂纹萌生和裂纹扩展两个过程，在低于材料的屈服强度下发生，在无明显变形下突然失效。所以，与其它失效相比，疲劳是一类最危险的失效形式。通常，叶片为振动疲劳失效，高温涡轮叶片为冷热疲劳失效，传动齿轮为 弯曲疲劳失效，对接螺栓为拉-拉疲劳失效、轴承为接触疲劳失效等。据统计，航空关键构件疲劳失效占80%以上。在航空齿轮发生的17起事件中，13起为疲劳失效，占76%，既有齿根弯曲疲劳断裂，也有齿面接触疲劳剥落。20世纪60年代到90年代发生的14起航空发动机重大事故中，13起源自关键构件的疲劳失效。80年代，某机种故障导致3000架飞机停飞，查得的原因是机翼主梁疲劳裂纹。2003年，对300多起发动机重大故障进行调研，发现绝大部分来自关键构件疲劳失效。令人特别关注的是，过去发动机涡轮叶片疲劳失效出现在服役一定时间之后，而今却出现在台架试车阶段。非航空关键构件疲劳失效率达50%～90%。汽轮机高压、中压段叶片承受高温、高压过热蒸汽的作用，扰动的蒸汽流产生弯曲应力和动应力，失效模式为疲劳断裂或应力腐蚀诱发疲劳断裂。汽轮机叶片疲劳断裂约占火力发电厂运行事故的1/3。风力发电机组服役环境复杂而恶劣，既承受动载荷冲击又承受腐蚀环境，所用对接螺栓疲劳失效高达85%。中国铁路运输发展很快，随着列车速度的提高和高速重载铁路的迅猛发展，高速重载线路轮轨和车轮滚动接触疲劳失效情况十分严重。

　　3.关键构件“三大问题”源自应力集中敏感

　　关键构件普遍选用高强度铝合金、钛合金、超高强 度钢和高温合金制造。随着高端机械装备发展，关键 构件用合金强度还会不断提高。由于高强度合金具有高疲劳强度，其重量轻、体积小、长寿命、高可靠。但高强度合金的突出弱点是疲劳强度对应力集中敏感。渗碳表面硬度>60HRC时，表面划伤应力集中甚至超过材料的抗拉强度。随着合金强度提高，疲劳强度应力集中敏感程度将更为剧烈。由于应力集中造成疲劳强度和寿命降低，关键构件设计时不得不降低许用应力、提高安全系数，从而导致结构重量高;对确定的设计和选材，由于没有抗疲劳概念和防止措施，切削加工时又不可避免地在关键构件表面造成损伤和粗糙度，从而附加了一个应力集中，疲劳强度再次降低，导致了关键构件寿命短;由于附加应力集中的位置和程度不确定，导致关键构件可靠性差。一句话， 疲劳强度应力集中敏感导致了关键构件的 “三大问题”。大量的关键构件疲劳失效分析结果表明，80%以上的疲劳失效源自表面损伤或切削加工刀痕不连续处，因为那儿应力集中高。关键构件疲劳强度应力集中敏感的严重程度和潜在危害究竟有多么大，从下面的例子可见一斑。众所周知，低合金超高强度钢300M是一个优良的结构钢，它具有：σb=1960MPa、σ0.2=1625MPa、δ5=10.4%、ψ=41.6%、 KⅠC=80MPa·m、疲劳强度σf=1035MPa的综合性能。因之，世界上95%以上的军机、客机的起落架用它制造。但是，当在构件表面出现硬度压痕造成应力集中时，疲劳强度便降低到σNf=240MPa;当在3.5%NaCl水溶液中试验时，疲劳强度降低到σcf=280MPa;当带有硬度压痕的构件在3.5%NaCl水溶液中试验时，疲劳强度降低为σNcf=100MPa。不仅如此，在3.5%NaCl水溶液中试验时还显示很强的应力腐蚀应力集中敏感性。在应力σ=1035MPa时，寿命为266h;在应力σ=1155MPa时，寿命为166h;在应力σ=1260MPa时，寿命仅为13h。显而易见，在应力集中和腐蚀介质服役环境中， 综合性能优良的超高强度钢300M居然变得完全不能使用了。可见，不解决疲劳强度应力集中敏感问题，关键构件非但不能收到重量轻、体积小、长寿命、高可靠的预期效果，反而潜在灾难性后果。