自然環境對發動機壽命預測影響研究

陸子 謝鑫鵬

摘要：發動機的氣缸壓力是影響發動機壽命的關鍵因素，但當車輛運行在不同的地域、氣候、工況等環境條件下，發動機的壽命也會有很大差別。分別介紹了發動機測試時的各種使用條件，然后定義了使用條件綜合修正系數K，最后通過實車試驗確定了不同地域的使用條件綜合修正系數欠，以供廣大讀者參考。

關鍵詞：發動機 壽命預測 使用條件 修正系數

中圖分類號：U469.2.03 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2018）02-0096-05

第一作者：陸子，男，1995年生，本科，研究方向為車輛運用工程。

1 前言

發動機的壽命是指發動機從開始正常工作到動力下降至某一數值（國家規定的標準參數值）時所經歷的時間或里程，車輛發動機的壽命一般以千米為單位。

眾所周知，發動機的壽命取決于其結構、材質、制造質量和修理質量。換言之，發動機的壽命取決于發動機的技術水平。當發動機的技術水平一定時，同型號發動機的壽命將主要取決于發動機的使用條件。同型號發動機在不同條件下使用時，即使嚴格遵循發動機使用說明書的規定，其壽命值也吋能相差好幾倍。因此，外界各種使用條件是影響發動機壽命的重要因素。

2 研究背景

柴油發動機壽命預測研究離不開對氣缸套進行磨損分析[1]。國外采用的方法大都是進行油液分析，所用的儀器多用鐵譜儀和光譜儀。這些方法主要是通過檢測柴油發動機潤滑油中鐵元素的含量，進而預測柴油發動機的壽命[2，3]。在此基礎上，采用RBF神經網絡和聯立約束法來實現缸套摩擦學系統各元件的動力學性能仿真[4，5]。

國內對柴油發動機壽命的預測研究，大都是基于對車輛的零部件進行壽命預測研究[6]，如北京清華大學的摩擦學國家重點實驗室和西安交通大學等重點院校。2002年軍事交通學院以軍用車輛機械系統為主要研究對象，研究了柴油發動機、傳動系中齒輪、軸和軸承穩態及非穩態振動信號的特征提取，研制了“車輛檢測診斷和壽命預測系統”[7]。并以柴油發動機鋁合金活塞彈塑性有限元計算為基礎，將計算結果與活塞臺架試驗及柴油發動機整機可靠性試驗數據進行比較，從而證明預測公式及預測方法可靠性[8，9]。

本文將從發動機氣缸的磨損量入手，考慮不同地域環境下自然條件對發動機磨損的影響，定義使用條件綜合修正系數（最后通過實車試驗確定了不同地域的火值，從而對發動機壽命進行預測。

3 各種使用條件對發動機壽命的綜合影響

使用條件，從廣義上講就是車輛完成工作的使用環境。車輛是在氣候、道路和運輸等各種組合條件下完成運輸任務的?。本文將影響發動機的使用因素分為3類：第一類是與車輛使用者無關的因素——道路、氣候條件和貨物種類、批量、運距等；第二類是與車輛使用者有部分關系的因素——使用制度和運行材料的質量等；第三類是完全取決于車輛使用者的因素，如駕駛員技術水平、保養修理水平等，所有這些因素都是互相關聯的。因此，發動機在給定條件下的壽命是所有使用條件綜合作用的結果。表1為發動機壽命預測各種使用條件影響系數。

4 發動機壽命預測模型的建立

由摩擦學相關理論及參考文獻可知，發動機的氣缸漏氣量Q與發動機的壽命L的關系如圖1所示。該圖稱為“發動機壽命曲線。”

5 試驗數據

在西藏試驗點（拉薩）和廣州試驗點分別進行了發動機氣缸壓力數據的采集，其中CDS代表西藏試驗點，001代表1號試驗車、002代表2號試驗車、003代表3號試驗車；GZS代表原廣州試驗點，001代表1號試驗車、002代表2號試驗車、003代表3號試驗車。下表2中所列數據為六輛測試車的部分數據。

6 數據分析

選取其中一輛試驗車（CDS001）測得數據進行分析，其他車輛類似。把每次測得的10個數據取平均值，得到5個氣缸壓力平均值，再將所對應的行使里程列出即得表3。

圖2為西藏試驗點1號試驗車實測的氣缸壓力隨車輛行駛里程的變化圖。從圖中可以看出，兩者的關系是離散的，而通過上面的理論分析已經得出了行使里程與氣缸壓力的關系式，下面需要找出實際使用環境條件下車輛發動機壽命隨氣缸壓力的函數關系式（即使用環境綜合修正系數欠的具體數值）。

將CDS001實際測得的5組數據的平均值和對應的行使里程數值輸入MATLAB軟件，通過采用最小二乘的：次曲線擬合，得出實際條件下發動機壽命與氣缸壓力的關系曲線圖3。圖3中所標示的5個離散數據點表示的是5次測量氣缸壓力的平均值，曲線表示擬合出的發動機壽命隨氣缸壓力的變化曲線。從圖中可以看出，隨著發動機氣缸壓力值的逐漸減小，發動機的壽命也將減少。

本文將在西藏試驗點測得的發動機氣缸壓力數值與在內地平原地區（天津）測得的發動機氣缸壓力數值進行對比（量缸表測量數據見表4所示），就可以得出該地區（西藏）相對于內地平原地區（天津）的使用條件綜合修正系數欠。通過比較，本文分別得出了5次測量數據所對應的使用條件綜合修正系數K，經取平均，得出CDSO01綜合修正系數平均值，如圖4所示。

從圖4可以看出，使用條件綜合修正系數尤的數值在2.51?2.53之間，取平均值后可以得出該地區（西藏）的使用條件綜合修正系數A：值為2.5202。

在實際工作中，K值的確定比較困難，筆者通過大量的試驗數據推導得出K值，具體方法是：每間隔4000?5000km對被測車輛（西藏試驗點3輛車）的氣缸壓力進行測量，并取其平均值，以得到15個氣缸壓力值，同時記錄每次車輛的行駛里程，數據如表5所示，接著計算兩次測量間的氣缸壓力差和里程差，在式（3）的基礎上求解方程即可得到試驗車當前運行狀態的K值，這樣可以得到15個K值，最后取其平均值即可得出3輛車的平均K值和車輛所處地區的樣本K值，如表6所示。

將綜合環境修正系數尤固定儲存于國內環境數據庫中，可作為某些地區內車輛發動機壽命預測的綜合修正因素；同時也可作為預測其他地區車輛發動機壽命的參考因素。

同理，如果選用原廣州試驗點（廣西）的某輛車進行試驗，亦可以得到類似的曲線關系圖，這里由于篇幅有限，不再贅述，只給出結論：使用條件綜合修正系數尺的數值為6.45?6.6，取平均值后可以得出該地區（廣西）的使用條件綜合修正系數K值為6.54。

進一步選取全國典型11個地區的環境系數進行討論分析，并選用最高、最低、平均氣溫、年降雨量、空氣濕度、平均風速和海拔高度等因素作為環境相似因子，具體樣本數據如表7所示。

對上述環境數據進行歸一化處理后可以看出：貴港與南寧的自然環境特征最為相似，呼市與其相似程度最低。這也就是說，當車輛行駛在貴港地區時，自然環境系數尤可參考南寧地區使用，就不需要在貴港地區實際測量了，節省了大量的人力物力，同時預測結果也符合實際情況。

7 結語

綜上可以看出，在同一地區、不同車輛的環境修正系數變化不大，已行駛里程數較大的車輛，發動機壽命平均預測提前量也較大；然而，不同地區、相近車況的環境修正系數明顯不同，發動機壽命預測提前量也不同，西藏地區的預測提前量均大于天津地區的預測提前量。西藏地區車輛應更加注重保養和維修，以延長高原環境下車輛的使用壽命。

參考文獻

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