發動機“耐久模型”的研究與探討

勞國強（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

發動機“耐久模型”的研究與探討

勞國強
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

根據材料構件的疲勞原理、試驗方法和發動機耐久運行的失效案例，對現有的發動機耐久模型進行了分析，提出了簡化耐久模型和一般耐久模型的概念。應用耐久模型對發動機的耐久考核與無大修工作周期或行駛里程的關系進行了分析，并闡述了耐久與疲勞的關系。

耐久模型 S-N曲線 耐久 疲勞

1　引言

通常，規范開發、正規制造的發動機，都必須通過500 h、1 000 h或更長時間的耐久試驗，對發動機進行考核驗證，以檢驗發動機的各項性能，包括可靠性和使用壽命等。

那末，通過這些耐久試驗“考核”的發動機，就能夠確保其在設計的預定工作周期（無大修）或行駛里程內不發生整機毀壞性失效嗎？或者說，通過500 h 或1 000 h耐久考核的發動機，能否確保其在6 000 h、10 000 h，甚至20 000 h以上也能正常、可靠運行呢？

這里，“整機毀壞性失效”的定義為：曲軸、凸輪軸和連桿等重要零部件斷裂；連桿螺栓、飛輪螺栓、主軸承蓋和缸蓋等的關鍵螺栓斷裂；機體、缸蓋等結構部件毀壞。日常維護、調整和更換預定使用工作周期的部件，及易損件等一般維修則不包括在內。

本文假定，（1）發動機各零部件均符合產品圖紙和各項技術要求，無制造缺陷、材料等的質量問題；（2）裝配嚴格按工藝規范；（3）用戶正常合理使用，并嚴格按規范對發動機進行維護和保養。

2　發動機耐久的基礎

發動機最重要的功能，是“有效且持續”的動力輸出。因此，發動機結構系統的強度耐久性是確保發動機耐久運行的根本基礎。

2.1結構系統耐久的基礎─部件的疲勞特性

在“發動機動力的有效、持續輸出”的前提下，要確保發動機的耐久（或“無大修”）里程達到設計指標，根據機型和用途的不同，可以是40萬公里、80萬公里，甚至超過100多萬公里，就必須先充分確保發動機結構系統的強度耐久的各項技術要求。

發動機的結構系統是由各個零部件組成。在耐久運行中，如果發生結構系統的失效，并不是所有的部件一起失效，往往是某一個或幾個相關聯的部件（有可能是重要、關鍵的，也有可能是看上去并不重要的小零件）首先失效所導致。所以，結構系統的耐久與其各個部件直接相關。

各部件的“耐久”，主要是由該部件自身的疲勞性能決定（此處要強調，是“主要”而不是“完全”。詳見后面分析和討論的“4.3耐久與疲勞關系的深刻理解”）。而部件的疲勞性能是由其材料特性、部件的設計結構和制造工藝等決定。

2.2疲勞的概念

根據沃勒（A.Wo..hler）的疲勞原理（疲勞試驗方法和疲勞極限概念等），各結構部件均存在應力-壽命曲線（S-N曲線）［1］，見圖1。圖中，在S-N疲勞曲線以上，為“疲勞斷裂區”；在S-N曲線（疲勞極限段）的延伸線以下，為“無限疲勞工作區”；在S-N曲線（有限疲勞段）以下與在S-N曲線（疲勞極限段）的延伸線以上的三角區是“有限疲勞工作區”。

圖1　部件疲勞的S-N曲線

為便于討論，本文假定：發動機各結構部件均存在疲勞極限。對于超高周次疲勞的“臺階型”疲勞曲線，本文的分析、討論和結論仍然適用。

3　耐久模型的研究

目前關于部件疲勞的原理、概念和試驗方法已很明確、成熟，但發動機結構系統的強度耐久機理并不清晰。發動機耐久試驗考核的方法基本是憑經驗積累，或者隨先行同行（引進、借鑒或照搬一些國內外發動機制造商的企業標準或行業標準）的做法。為此，有必要對發動機耐久機理模型進行分析和研究。

3.1簡化耐久模型（理想耐久模型）

很明顯，部件的疲勞特性是發動機耐久的基礎。由此，借用疲勞的原理和試驗方法，定義“簡化耐久模型”為：把發動機當作疲勞試驗機來處理，把發動機的耐久試驗“理想化”地看作是對其各結構部件的疲勞試驗考核。為使分析具有一般性和廣泛性，以下所稱的“結構件”或“（零）部件”均為泛指發動機結構部件。

圖2為結構件在耐久過程中，其狀態的變化過程。在耐久開始時，即初始狀態下，A表示初始工作應力大于其疲勞極限的狀態，B為初始工作應力小于其疲勞極限的狀態。根據疲勞試驗的原理和本簡化耐久模型的定義，各結構件在發動機耐久考核的運行過程中，就是在S-N圖中由初始運行狀態向右行進的水平線。在耐久考核過程中，A沿水平線前進，在越過S-N曲線后，工作應力循環數應小于107次，發生了疲勞斷裂，表示A沒能通過耐久考核；而B在耐久考核中，該部件也沿水平線向右前進，因其所受應力始終小于其疲勞極限，即始終不越過S-N曲線（或不與S-N曲線交叉），故跨過耐久考核期線，B最終通過耐久考核。

圖2　簡化耐久模型：工作應力狀態的變化過程

柴油機的耐久考核期時間一般定義為500 h、1 000 h甚至1 500 h，各工作循環數均應大于或遠大于107次。

3.2簡化耐久模型的優點與“困惑”

根據上述對簡化耐久模型的分析，可得出以下兩點結論：

（1）在耐久考核期內，如果某部件發生了疲勞失效，即其應力狀態，在S-N圖中為A，見圖2。其原因有兩個：一是該部件本身的抗疲勞能力差，疲勞性能低于設計要求；二是某種因素，如不合理的設計，沒有足夠的安全系數等等，導致該部件的初始工作應力大于其疲勞極限。當然，二者兼有的情況更會發生疲勞失效。

（2）超出耐久考核期的疲勞失效，即在大于107次工作循環后，由于其應力狀態在S-N圖中為B（見圖2），始終是沿水平線向右前進，是不會與S-N線相交，其工作壽命應該是無限的。如果這種情況下發生了疲勞失效，其原因一定是發動機承受了超過正常的外加載荷，或“過負荷損傷”的非正常使用。

在發動機行業中，只要稍有疲勞基本概念的工程師，都在不同程度地有意、無意（潛意識）使用這個“簡化耐久模型”。

很多發動機制造廠，因試驗經費、試驗工作量、開發進度、試驗裝備和分析能力等原因，通常不對部件進行疲勞試驗。而依據簡化耐久模型，采用整機耐久考核形式。在實際工作中，各制造廠對改進設計的部件、重大工藝變更后制造的部件和新供應商提供的部件進行驗證時，大多也以裝機考核進行驗證。

誠然，簡化耐久模型直觀、易被理解，便于在工廠中實現“直接的、較經濟的”試驗驗證。在一定條件和適用范圍內，該模型在相當程度上是確實可信的，故在發動機制造行業中被廣泛采用。

然而，對該模型進行深入思考和分析后，發現其局限性也是很明顯的。在耐久考核期內，發生的結構或零部件疲勞失效，用簡化耐久模型都可以對其順利、成功地進行分析和解釋。而在超出耐久考核期出現的失效，簡化耐久模型認為，這是由于發動機外加“過載荷”或“過負荷損傷”的非正常使用，是導致工作循環次數超過107次之后發生疲勞斷裂的根本原因。在發動機的外加載荷有明顯超載或非正常使用的情況下，這種分析理論基本能解釋得通。

但在有些案例中，這一結論與事實完全不符。根據筆者多年來對一些發動機失效案例的深入調查、實物觀察和分析，發現未必都是“外加過載荷”或“過負荷損傷”的非正常使用因素導致的疲勞失效。見如下案例：

案例1：2002年114系列某客車用發動機曲軸運行至28萬公里時疲勞斷裂，拆機發現斷裂發生在第3缸主軸徑附近。據用戶單位反映，該大客車專職駕駛員是“行業國家標兵”，平時用車和保養都極其規范。駕駛員在察覺發動機異常后，及時停車。檢查發現曲軸斷裂，其它部件無明顯異常，僅更換曲軸后該發動機正常繼續運轉使用。

案例2：2008年114系列某新型四氣門發動機配套實車試驗，在上海至北京高速公路上進行循環試驗實車行駛。至16.7萬公里在進行例行檢查時，發現曲軸主軸承蓋螺栓疲勞斷裂，其它部件無異常，僅更換螺栓后發動機正常繼續運行。

案例3：2010年某合資公司的外資品牌發動機，運行至39萬公里時曲軸主軸承蓋螺栓疲勞斷裂。該發動機的相關結構件均為CKD件，螺栓（CKD）斷裂形式、失效情況基本同案列2。

顯然，以上三個案例中發生疲勞斷裂的部件，工作應力循環數均遠遠超過107次。對這三個案例情況的進一步調查和分析，可以判定：這三個案例疲勞斷裂與外加載荷變化并無關聯。在發動機沒有超載、沒有非正常使用的情況下，這三個部件仍然出現了疲勞斷裂。

這使得我們思考，在超過107次工作應力循環之后，發動機結構部件發生疲勞斷裂的根本原因，除發動機外加載荷因素之外，是否還有其它因素存在呢？

3.3一般耐久模型

在簡化耐久模型中，把發動機當作疲勞試驗機來處理，部件應力狀態在S-N圖中是一條水平線。在觀察、分析后發現，并不是所有的情況下都能把發動機當作疲勞試驗機來“理想化”處理的。

在更普遍的情況下，結構部件的應力狀態在S-N圖中從初始的工作應力點出發向右移動，并不一定是水平直線。在圖3中，理論上工作應力曲線有三種可能的發展趨勢：（1）“逐步向上”的線；（2）“逐步向下”的線；（3）“水平走向”的線。很明顯，“水平走向”的線，是理想情況下的特例。故“簡化耐久模型”也可稱“理想耐久模型”，其相關結論前面已述。從初始工作狀態點“逐步向下”走的線，也可歸到“簡化耐久模型”的結論中。真正需要重點研究的是“逐步向上”走向的線。

圖3　一般耐久模型中工作應力狀態曲線

在圖3中，A表示部件的初始工作應力大于疲勞極限，而B為初始工作應力小于疲勞極限，這與圖2中的簡化耐久模型一致。“a水”、“b水”在前面的“簡化耐久模型”中已有結論，“a上”可歸到“a水”一類處理。“a下”分兩種情況：如果與S-N曲線的有限疲勞段交叉的“a下1”，則也可歸到到“a水”一類處理；如果不與S-N曲線交叉的“a下2”，則可與“b下”一起處理。“b下”在耐久運行中，越使用工作應力就越低。由于是越運行越安全，故是無需關注的曲線。

真正需要研究的是，B的“逐步向上”走向的線，見圖4中的①～⑦曲線。曲線①和②在簡化耐久模型中常被歸到“a水”來處理，曲線③～⑥分別代表10萬公里、16.7萬公里、28萬公里、39萬公里失效部件的工作應力狀態曲線，曲線⑦是能確保發動機在預定的（無大修）工作周期或行駛里程內，結構部件不發生疲勞失效的曲線，它是發動機設計、研發的目標線。

4　分析和討論

4.1耐久模型的分析和對“耐久試驗”的認識

對比簡化耐久模型與一般耐久模型之后，不難發現，在發動機正常使用、無過載的情況下，在超過107次工作應力循環之后，結構部件發生疲勞失效的根本原因是：發動機結構部件在耐久運行中的工作應力并非恒定不變，而是不受控制的"逐步變大"，在越過S-N疲勞曲線后，最終疲勞斷裂失效。圖3中的曲線“a上”、“a水”、“a下1”、①和②，在耐久考核期內，失效都會被及時發現。不過，按簡化耐久模型，這都認為是“a水”，即只有一條線；而按一般耐久模型，則存在信息更豐富的5條曲線。在實際解決問題時，根據一般耐久模型制定的改進方案，其針對性更強、也更有效，這需要以長期的技術積累為基礎。

圖3中的曲線③～⑥，在耐久考核期內，均不會發生疲勞失效。而在超出耐久考核期后，在發動機正常使用的情況下，按簡化耐久模型是不可能發生疲勞失效；而按一般耐久模型，則完全可能發生疲勞失效，除非該發動機結構部件的工作應力，控制得像曲線⑦一樣，能確保在預定的工作周期或行駛里程內，不與S-N曲線交叉。

綜上耐久模型的分析，可以得出這樣的結論：發動機通過了通常500 h、1 000 h整機耐久考核，并不能確保其在超出耐久考核期后，如6 000 h或10 000 h也能正常、可靠地運行。但反之，能在6 000 h、10 000 h甚至20 000 h以上可靠運行的發動機，一定能通過通常的耐久考核。即：通過通常的耐久考核，僅是“在設計預定的（無大修）工作周期或行駛里程內能正常可靠運行發動機”的必要條件，而非充分條件。除非在耐久考核時，能對發動機結構部件的工作應力進行記錄，才能判斷其應力狀態的變化趨勢，由此推斷其耐久性能。對此，應有充分的認識。

4.2耐久模型的應用及對案例的簡要判斷

根據上面建立的一般耐久模型，前述的行駛16.7萬公里、28萬公里和39萬公里后疲勞斷裂的三個案例就得到順利解釋，其失效原因也能由此得以準確判斷。

案例1：在運行至28萬公里的過程中，雖然該發動機外加載荷均正常，但該6缸曲軸的第3缸處主軸承檔有很緩慢的、逐步累積的松弛情況。在相同的爆發壓力條件下，使曲軸該處的彎曲應力逐漸增大，緩慢地達到并超過其疲勞極限，最終發生彎曲疲勞斷裂，如圖3中的曲線⑤。

案例2：該發動機在運行的16.7萬公里過程中，雖然該發動機外加載荷均正常，爆壓也在正常范圍內，但（第4軸承檔）主軸承螺栓的預緊力逐步下降，導致該主軸承螺栓所受的動態工作應力上升［2～4］，慢慢地達到、超過螺栓疲勞極限，最終發生疲勞斷裂，如圖3的曲線④。

案例3的情況基本同案例2，僅僅是該主軸承螺栓的動態工作應力上升得更緩慢（當然，也應考慮到：案例3螺栓的疲勞性能優于案例2的可能），逐步地達到、超過其疲勞極限，最終在39萬公里時發生疲勞斷裂，如圖3的曲線⑥。

4.3耐久與疲勞關系的深刻理解

通常，耐久性是對系統（如發動機）而言，而疲勞性能是對部件而言。但在實際工作中涉及部件的“耐久”與“疲勞”時，常見把二者混淆或等同的情況。通過前面“耐久模型”的定義、分析和比較，可以深刻地理解發動機部件“耐久”與“疲勞”的關系與差異。明確如下的概念含義：

（1）發動機部件疲勞的概念：在給定試驗條件、確定應力（范圍）的情況下，部件的抗應力循環的能力或壽命，即S-N曲線。

（2）發動機部件耐久的概念：部件安裝在發動機系統中，無故障、能正常工作的能力或壽命。

按以上定義，“部件的耐久”與“部件的疲勞性能”，雖然是相關聯的，但有明顯的區別。一方面，只要試驗條件和方法一致，精度保證，疲勞試驗結果是確定的，在理論上，部件的疲勞特性是該部件自身的客觀特性；另一方面，只有適用于實際需要的部件，才能發揮其功能。因而，部件疲勞“給定試驗條件、確定的應力（范圍）”的各類參數均應采集、抽象自實際的運行系統。所以，部件疲勞特性的試驗也是與實際運行系統有密切聯系的。

因此，判斷某部件的疲勞性能時，可以不管或不涉及部件的運行系統。但是，在判斷某部件的耐久性能時，則一定是以該部件在某具體的系統中運行為前提的。

否則，脫離具體運行系統環境討論部件的耐久性能，就是混淆了耐久與疲勞的概念差異。

當部件的實際運行系統環境完全理想化時，該部件的耐久試驗，就如同該部件在進行疲勞試驗。前面提到的簡化耐久模型，就是這種情況。

5　結論

（1）明確了簡化耐久模型和一般耐久模型的定義、關系和應用范圍，簡化耐久模型是一般耐久模型理想狀況下的特例。簡化耐久模型直觀、易懂，也便于實現“直接的、較經濟的”驗證，已在一般發動機制造廠普遍應用，其缺點是：對超出耐久試驗考核期的失效情況，有不能正確解釋、甚至誤導判斷的情況發生。一般耐久模型，無論工作循環數小于或大于107次，均能作出有效、合理的分析和判斷。

（2）通過通常的耐久考核，僅是確保發動機“在設計預定的（無大修）工作周期或行駛里程內能正常可靠運行”的必要條件，絕非是充分必要條件。

（3）部件的“疲勞性能”是由其材料特性、設計結構和制造工藝等確定；部件的“耐久特性”，不僅僅與部件自身的疲勞性能相關，而且也與該部件實際的運行系統息息相關。

以往，提高發動機工作壽命的研究思路，是增強各重要部件的疲勞強度，以獲得更高的安全系數等。而根據這個一般耐久模型，從兩個方向來解決問題：⑴提高部件的疲勞強度；⑵控制部件所受應力的變化。

上述的案例2中，根據該模型的分析思路，同時對國產螺栓的制造工藝和該主軸承螺栓的裝配等進行了一系列更改和優化。投產8年來，該機型沒有再發生該失效問題。而且其它機型類似的問題也采用了該模型的思路進行了更改。

［1］徐灝.疲勞強度［M］.北京：機械工業出版，1988：3.

［2］HagiwaraM，Yoshimoto I.The Relation between Load and Strength in Bolted JointsSubjected to Fatigue Loading［J］，Bulletin of JSME，1986，29 （257）：3917-3922.

［3］楊壽藏譯.疲勞載荷下螺釘連接的載荷和強度的關系［J］.柴油機設計與制造，1988（4）.

［4］Junker G.H，W allace PW.The Bolted Joint：Economy ofDesign through Improved Analysisand Assembly Methods［J］.Proc Instn Mech Engrs，1984，198B（14）：255～266.

Research and Discussion on Durability Model of Diesel Engine

Lao Guoqiang
（ShanghaiDiesel Engine Co.，Ltd，.Shanghai200438，China）

To study themechanism ofengine durability testand evaluation，the conceptof"simplified durabilitymodel"and"general durabilitymodel"was put forward，According to the fatigue principle and testmethod ofengine components，the case ofengine durability failure.The relationship between durability testand no overhauloperate cycle or endurancemileageisanalyzed by using themodelof durability.Stated relation durability and fatigue.

durabilitymodel，S-N curve，durability，fatigue

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.010

來稿日期：2015-12-20

勞國強（1960-），男，高級工程師，主要研究方向為部件強度試驗與失效分析。