關鍵構件是高端機械裝備的核心

　　1. 關鍵構件及其 “三大問題”

　　關鍵構件是指決定機械裝備主要功能，體現機械裝備壽命與可靠性，失效釀成災難性后果，主要失效部件是疲勞的主承力構件。關鍵構件有三大類：①轉動構件，如葉片、輪盤、軸;②傳動構件，如齒輪、軸承;③主承力構件，如飛機起落架、對接螺栓、承力接頭、承力彈簧等。關鍵構件的共同特點之一是：動!它們都在動態下服役，承受動載荷導致其疲勞失效。共同特點之二是：極端環境!因為關鍵構件設計的宗旨是重量輕、體積小、長壽命、高可靠，將選用材料的性能都用到了極限。極端環境下動態服役導致關鍵構件經常提前疲勞失效。所以，長期以來中國關鍵構件存在壽命短、可靠性差和結構重等三大問題。例如，軍用航空發動機主軸承壽命僅約300h，國外已達到3000h。軍用直升機主減速器傳動齒輪大修期(TBO)僅約800～1200h;國外達到6000h，民用直升機達到8000～10000h。變速箱是風電機組的核心部件，國外風電機組變速箱壽命20年以上，否則不能收回成本。而且維修困難、耗費巨大，歐洲兩家整機廠商曾因齒輪故障維修而倒閉。中國制造的風電機組變速箱僅保修2年，而且齒輪重量高出原機20%～25%，還常出問題。據統計，某發動機一級壓氣機葉片壽命多為100h，短則20多小時;渦輪導向器葉片臺架試車時僅48h就出現裂紋，低則甚至5h出現裂紋;渦輪葉片甚至很少進行試驗。關鍵構件“三大問題”嚴重制約高端機械裝備發展和安全服役。

　　2.關鍵構件的主要失效模式是疲勞

　　疲勞是一種在循環應力和應變的重復作用下，構件一處或幾處發生的開裂或斷裂的失效形式。疲勞是一個機械損傷累積、延時失效的過程。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴展兩個過程，在低于材料的屈服強度下發生，在無明顯變形下突然失效。所以，與其它失效相比，疲勞是一類最危險的失效形式。通常，葉片為振動疲勞失效，高溫渦輪葉片為冷熱疲勞失效，傳動齒輪為 彎曲疲勞失效，對接螺栓為拉-拉疲勞失效、軸承為接觸疲勞失效等。據統計，航空關鍵構件疲勞失效占80%以上。在航空齒輪發生的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60年代到90年代發生的14起航空發動機重大事故中，13起源自關鍵構件的疲勞失效。80年代，某機種故障導致3000架飛機停飛，查得的原因是機翼主梁疲勞裂紋。2003年，對300多起發動機重大故障進行調研，發現絕大部分來自關鍵構件疲勞失效。令人特別關注的是，過去發動機渦輪葉片疲勞失效出現在服役一定時間之后，而今卻出現在臺架試車階段。非航空關鍵構件疲勞失效率達50%～90%。汽輪機高壓、中壓段葉片承受高溫、高壓過熱蒸汽的作用，擾動的蒸汽流產生彎曲應力和動應力，失效模式為疲勞斷裂或應力腐蝕誘發疲勞斷裂。汽輪機葉片疲勞斷裂約占火力發電廠運行事故的1/3。風力發電機組服役環境復雜而惡劣，既承受動載荷沖擊又承受腐蝕環境，所用對接螺栓疲勞失效高達85%。中國鐵路運輸發展很快，隨著列車速度的提高和高速重載鐵路的迅猛發展，高速重載線路輪軌和車輪滾動接觸疲勞失效情況十分嚴重。

　　3.關鍵構件“三大問題”源自應力集中敏感

　　關鍵構件普遍選用高強度鋁合金、鈦合金、超高強 度鋼和高溫合金制造。隨著高端機械裝備發展，關鍵 構件用合金強度還會不斷提高。由于高強度合金具有高疲勞強度，其重量輕、體積小、長壽命、高可靠。但高強度合金的突出弱點是疲勞強度對應力集中敏感。滲碳表面硬度>60HRC時，表面劃傷應力集中甚至超過材料的抗拉強度。隨著合金強度提高，疲勞強度應力集中敏感程度將更為劇烈。由于應力集中造成疲勞強度和壽命降低，關鍵構件設計時不得不降低許用應力、提高安全系數，從而導致結構重量高;對確定的設計和選材，由于沒有抗疲勞概念和防止措施，切削加工時又不可避免地在關鍵構件表面造成損傷和粗糙度，從而附加了一個應力集中，疲勞強度再次降低，導致了關鍵構件壽命短;由于附加應力集中的位置和程度不確定，導致關鍵構件可靠性差。一句話， 疲勞強度應力集中敏感導致了關鍵構件的 “三大問題”。大量的關鍵構件疲勞失效分析結果表明，80%以上的疲勞失效源自表面損傷或切削加工刀痕不連續處，因為那兒應力集中高。關鍵構件疲勞強度應力集中敏感的嚴重程度和潛在危害究竟有多么大，從下面的例子可見一斑。眾所周知，低合金超高強度鋼300M是一個優良的結構鋼，它具有：σb=1960MPa、σ0.2=1625MPa、δ5=10.4%、ψ=41.6%、 KⅠC=80MPa·m、疲勞強度σf=1035MPa的綜合性能。因之，世界上95%以上的軍機、客機的起落架用它制造。但是，當在構件表面出現硬度壓痕造成應力集中時，疲勞強度便降低到σNf=240MPa;當在3.5%NaCl水溶液中試驗時，疲勞強度降低到σcf=280MPa;當帶有硬度壓痕的構件在3.5%NaCl水溶液中試驗時，疲勞強度降低為σNcf=100MPa。不僅如此，在3.5%NaCl水溶液中試驗時還顯示很強的應力腐蝕應力集中敏感性。在應力σ=1035MPa時，壽命為266h;在應力σ=1155MPa時，壽命為166h;在應力σ=1260MPa時，壽命僅為13h。顯而易見，在應力集中和腐蝕介質服役環境中， 綜合性能優良的超高強度鋼300M居然變得完全不能使用了。可見，不解決疲勞強度應力集中敏感問題，關鍵構件非但不能收到重量輕、體積小、長壽命、高可靠的預期效果，反而潛在災難性后果。