發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計分析

王德芬 楊賀緒

摘要：為了提高發(fā)動機(jī)的運(yùn)行可靠性，不斷完善發(fā)動機(jī)的功能，越來越多的高精尖技術(shù)被應(yīng)用到發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計中，當(dāng)前對于在發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計方面受到了越來越多的關(guān)注。本文對發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計分析的研究現(xiàn)狀及其可靠性設(shè)計分析的思路進(jìn)行了概括。從發(fā)動機(jī)可靠性的優(yōu)化設(shè)計、發(fā)動機(jī)的可靠性靈敏度分析及發(fā)動機(jī)可靠性的穩(wěn)健設(shè)計等三個方面對發(fā)動機(jī)可靠性的設(shè)計方法進(jìn)行了研究，并對發(fā)動機(jī)可靠性的設(shè)計技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，研究內(nèi)容對于提高發(fā)動機(jī)的利用效率及研究其運(yùn)行可靠性方面具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);可靠性;設(shè)計分析

中圖分類號：TK421.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0037-02

0 ?引言

在當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中，發(fā)動機(jī)已經(jīng)成為了影響國民經(jīng)濟(jì)的非常重要的因素，隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)化產(chǎn)品的競爭越來越復(fù)雜，設(shè)備的運(yùn)行可靠性成為了產(chǎn)品的競爭過程中關(guān)鍵因素。發(fā)動機(jī)的可靠性指的是特定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在一定的環(huán)境條件下與時間跨度內(nèi)維持預(yù)期的功能的能力。現(xiàn)代機(jī)械正朝著精密化、高效化、信息化以及智能化的方向發(fā)展，為了提高發(fā)動機(jī)的運(yùn)行可靠性，不斷完善發(fā)動機(jī)的功能，越來越多的高精尖技術(shù)被應(yīng)用到發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計中。當(dāng)前對于在發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計方面受到了越來越多的關(guān)注。徐凱等[1]對發(fā)動機(jī)可靠性技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，從發(fā)動機(jī)零部件的可靠性設(shè)計方法、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的可靠性評估及發(fā)動機(jī)的可靠性試驗(yàn)方法對發(fā)動機(jī)的可靠性技術(shù)上進(jìn)行了研究，并對發(fā)動機(jī)可靠性技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。王建平等[2]對發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計面臨的問題及解決方法進(jìn)行了探討，確定了一種可靠性試驗(yàn)方案，為發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計提供了一種全新的設(shè)計思路。劉海年等[3]對航空發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計方法進(jìn)行了研究，對可靠性設(shè)計與驗(yàn)證工作流程、可靠性設(shè)計方法、可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計方法、成品可靠性試驗(yàn)方法及成品可靠性評估方法進(jìn)行概述。

對發(fā)動機(jī)的可靠性進(jìn)行設(shè)計分析的意義在于可以提高發(fā)動機(jī)的運(yùn)行可靠性，改善發(fā)動機(jī)的工作效率，減少發(fā)動機(jī)的使用費(fèi)用以及可以避免由于發(fā)動機(jī)的可靠性差的原因造成其他方面的經(jīng)濟(jì)損失。本文通過對發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計的方法、原理及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和歸納，對發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計技術(shù)具體內(nèi)涵進(jìn)行了研究，研究內(nèi)容對于推動發(fā)動機(jī)的可靠性分析工作具有一定的借鑒意義。

1 ?發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計思路

發(fā)動機(jī)械可靠性設(shè)計工作需要以大量的物理學(xué)理論研究和可靠性試驗(yàn)為基礎(chǔ)，仿真工作是一種主要的理論分析方式，其工作流程如圖1所示。在發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計過程中，對可靠性試驗(yàn)中相關(guān)數(shù)據(jù)的分析尤為重要，這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)是確定發(fā)動機(jī)設(shè)計參數(shù)的重要基礎(chǔ)。從本質(zhì)上來說，發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計原理就是通過對發(fā)動機(jī)的可靠性指標(biāo)的控制來提高發(fā)動機(jī)的性能與長期運(yùn)行穩(wěn)定性。發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計，不僅僅是對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，還需要保證發(fā)動機(jī)產(chǎn)品具有較長的使用壽命以及良好的工作性能。

從物理指標(biāo)角度來說，發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計主要包括定性設(shè)計與定量設(shè)計兩個方面的內(nèi)容。定性設(shè)計主要是指在發(fā)動機(jī)的設(shè)計階段，通過以其中某些相關(guān)的成功設(shè)計經(jīng)驗(yàn)為參考，或者就以往的某些失敗案例進(jìn)行進(jìn)一步的研究與思考，以獲得優(yōu)化性的解決方案，通過取長補(bǔ)短的方式減少設(shè)計缺陷，提高發(fā)動機(jī)的綜合設(shè)計水平。發(fā)動機(jī)的定性設(shè)計還包括可能對發(fā)動機(jī)的整體質(zhì)量造成影響的各種外界因素分析以及各個發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的故障預(yù)測與風(fēng)險評估，針對這些可能發(fā)生的故障與評估得到的風(fēng)險制定相應(yīng)的改善方案，將對發(fā)動機(jī)的質(zhì)量造成不利影響的各種因素逐一消除。發(fā)動機(jī)可靠性的定量設(shè)計主要包括應(yīng)力計算、強(qiáng)度計算以及對模型的干涉分析等，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行其機(jī)械性能失效的狀態(tài)函數(shù)演算推演。在發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計的定量設(shè)計中，可以將發(fā)動機(jī)的強(qiáng)度參數(shù)，受到的應(yīng)力參數(shù)當(dāng)成隨機(jī)變量，通過特定的推演計算，結(jié)合隨機(jī)變量估算發(fā)動機(jī)功能的失效概率與可靠度評估，確定機(jī)械設(shè)計方案的可行性。

2 ?發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計方法

當(dāng)前在發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計過程中，為了保證發(fā)動機(jī)具有更高的工作效率和工作性能，通常需要從發(fā)動機(jī)的可靠性的優(yōu)化設(shè)計、可靠性的靈敏度設(shè)計及可靠性的穩(wěn)健性設(shè)計等幾個方面考慮。

2.1 發(fā)動機(jī)的可靠性優(yōu)化設(shè)計

隨著近年來科技的進(jìn)步，新材料、新技術(shù)以及新的加工工藝等不斷出現(xiàn)并在發(fā)動機(jī)的設(shè)計加工中得到廣泛的應(yīng)用，極大的提高了現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的設(shè)計質(zhì)量，也縮短了從發(fā)動機(jī)設(shè)計到其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的周期。另一方面，社會的發(fā)展，使得人們對發(fā)動機(jī)的性能、安全性以及可靠性等方面有了更高的要求，也加速了發(fā)動機(jī)的更新?lián)Q代，為了更好推動發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計的發(fā)展，需要從設(shè)計理論與設(shè)計技術(shù)等方面進(jìn)行深入的研究。在此背景下，發(fā)動機(jī)優(yōu)化設(shè)計的概念逐漸形成，它較好的實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)規(guī)劃與計算機(jī)技術(shù)的融合，對一些現(xiàn)代化大型、復(fù)雜、精密儀器設(shè)計質(zhì)量的提高大有裨益。發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計的內(nèi)涵逐漸豐富，其主要包括質(zhì)量優(yōu)化、成本優(yōu)化以及可靠度優(yōu)化三個層次的內(nèi)容;具體來說就是，發(fā)動機(jī)可靠性優(yōu)化設(shè)計是提高其綜合指標(biāo)的必要手段，它能夠保證相關(guān)企業(yè)在盡可能短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的發(fā)動機(jī)設(shè)計制造。

2.2 發(fā)動機(jī)的可靠性靈敏度分析

近年來隨著人們對發(fā)動機(jī)綜合性能要求的不斷提高，發(fā)動機(jī)可靠性的靈敏度分析設(shè)計也得到了更多的關(guān)注。通常情況下，在進(jìn)行新的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品設(shè)計時需要針對各個設(shè)計方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確定設(shè)計方案的可行性與預(yù)期效果，當(dāng)發(fā)生設(shè)計變更時需要再次進(jìn)行試驗(yàn)。因此，發(fā)動機(jī)的可靠性靈敏度設(shè)計是一項(xiàng)需要大量時間資源的工作。此外，現(xiàn)代機(jī)械復(fù)雜程度越來越高，其中需要考慮的數(shù)學(xué)參數(shù)與物理參數(shù)不斷增多，而發(fā)動機(jī)可靠性靈敏度設(shè)計正是要通過相關(guān)的研究與規(guī)劃來保證這些參數(shù)在允許的范圍內(nèi)。較為常見的一些發(fā)動機(jī)可靠性靈敏度設(shè)計方法主要有直接分析法、伴隨變量法和Green函數(shù)法等。

發(fā)動機(jī)可靠性靈敏度設(shè)計其實(shí)就是在其可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)上融入靈敏度設(shè)計的內(nèi)容，發(fā)動機(jī)可靠性靈敏度設(shè)計能夠得到所需的產(chǎn)品參數(shù)，有助于針對性的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而提高發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的綜合性能。

2.3 發(fā)動機(jī)的可靠性穩(wěn)健設(shè)計

發(fā)動機(jī)的總體質(zhì)量可以分為內(nèi)部質(zhì)量與外部質(zhì)量，因此從質(zhì)量控制的角度來說，在發(fā)動機(jī)的設(shè)計制造過程中需要同時保證內(nèi)部質(zhì)量與外部質(zhì)量兩個方面。具體來說，內(nèi)部質(zhì)量指的是發(fā)動機(jī)的綜合性能與穩(wěn)健性;外部質(zhì)量通常是用戶可以通過觀感直接掌握的一些質(zhì)量特征。為了保證發(fā)動機(jī)的內(nèi)部質(zhì)量，就需要設(shè)計方法與設(shè)計理念上進(jìn)行綜合層次的保障，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的整體質(zhì)量。

現(xiàn)階段，發(fā)動機(jī)的可靠性穩(wěn)健設(shè)計的常用模式主要包括以經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計模式或者半經(jīng)驗(yàn)半理論的設(shè)計模式以及在工程模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行針對性優(yōu)化等幾種模式。具體而言，傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)穩(wěn)健性設(shè)計方法主要包括田口方法、響應(yīng)面分析法和廣義模型法等;在工程模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的機(jī)械穩(wěn)健性設(shè)計方法主要包括隨機(jī)模型法與變差傳遞法。近年來，在計算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的推動下，CAD建模技術(shù)極大的促進(jìn)了以工程模型為基礎(chǔ)的發(fā)動機(jī)穩(wěn)健性設(shè)計水平的提高。從某種程度上來說，發(fā)動機(jī)可靠性穩(wěn)健設(shè)計與發(fā)動機(jī)可靠性靈敏度設(shè)計是相輔相成的，通過發(fā)動機(jī)可靠性靈敏度設(shè)計可以找出影響產(chǎn)品綜合質(zhì)量的各種因素，從而為針對性的優(yōu)化方案的制定奠定了基礎(chǔ)，也為發(fā)動機(jī)可靠性穩(wěn)健設(shè)計創(chuàng)造了條件。

3 ?發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用

3.1 技術(shù)原理

發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計技術(shù)主要包括其零部件的可靠性設(shè)計方法、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計評估及發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)方法等方面的內(nèi)容。對于發(fā)動機(jī)零部件的可靠性設(shè)計方法，在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中為了保證發(fā)動機(jī)的安全系數(shù)，通常發(fā)動機(jī)設(shè)計人員按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行發(fā)動機(jī)安全系數(shù)的設(shè)定，這種設(shè)計過程中一般比較保守，所以發(fā)動機(jī)整體設(shè)計出來之后會顯得非常笨重。

對于發(fā)動機(jī)零部件的可靠性設(shè)計而言，是將發(fā)動機(jī)的載荷、發(fā)動機(jī)的材料性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)用一函數(shù)來進(jìn)行表示，通常會建立一種應(yīng)力-強(qiáng)度的干涉模型。通常在發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中已經(jīng)將發(fā)動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、有限元設(shè)計技術(shù)及可靠性設(shè)計技術(shù)結(jié)合起來，這已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，未來會取得越來越廣泛的應(yīng)用。

對于發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的可靠性評估分析技術(shù)，主要的方法包括數(shù)學(xué)模型評估法、上下限評估法、相似設(shè)備評估法、蒙特卡洛評估法、故障分析評估法。其中故障分析評估法主要包括故障模式及影響分析、故障樹分析法。故障樹的分析技術(shù)通常是指在其系統(tǒng)設(shè)計過程中對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素進(jìn)行分析確認(rèn)，從而對系統(tǒng)的故障原因進(jìn)行確認(rèn)。

3.2 技術(shù)應(yīng)用

隨著現(xiàn)代社會機(jī)械化程度的提高，各種自動化設(shè)備得到快速普及，發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計的實(shí)踐應(yīng)用也越來越成熟。現(xiàn)階段，發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計多集中在大功率產(chǎn)品設(shè)計、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)易損件壽命的提高和保持發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)穩(wěn)定等方面，而發(fā)動機(jī)的整體可靠性保證是通過加強(qiáng)各個主要零部件的可靠性設(shè)計來實(shí)現(xiàn)的。一般情況下，發(fā)動機(jī)的主要承載部件在日常工作狀態(tài)中會受到相關(guān)的應(yīng)力影響，在長時間的動載荷作用下經(jīng)常出現(xiàn)疲勞斷裂、磨損以及銹蝕等失效問題，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的正常使用，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)可靠性不良的問題。

因此，發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用就是將發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)中的應(yīng)力分析，發(fā)動機(jī)各部件的強(qiáng)度分析以及發(fā)動機(jī)的長期運(yùn)轉(zhuǎn)性能與可靠性進(jìn)行有機(jī)融合，結(jié)合概率運(yùn)算，為發(fā)動機(jī)的整體可靠性設(shè)計奠定基礎(chǔ)。通過相關(guān)的耦合方程的計算，結(jié)合對發(fā)動機(jī)零部件組合方式與復(fù)雜程度的分析以及在各種使用工況下結(jié)構(gòu)或零部件失效的統(tǒng)計研究，從而最終確定發(fā)動機(jī)的可靠性指標(biāo)，并在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)加強(qiáng)對這些發(fā)動機(jī)可靠性指標(biāo)的控制。

4 ?結(jié)語

總而言之，發(fā)動機(jī)的可靠性設(shè)計既是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的技術(shù)工程，又是發(fā)動機(jī)綜合性能以及長期運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性的根本保證。本文對發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計分析的研究現(xiàn)狀及其可靠性設(shè)計分析的思路進(jìn)行了概括。從發(fā)動機(jī)可靠性的優(yōu)化設(shè)計、發(fā)動機(jī)的可靠性靈敏度分析及發(fā)動機(jī)可靠性的穩(wěn)健設(shè)計等三個方面對發(fā)動機(jī)可靠性的設(shè)計方法進(jìn)行了研究，并對發(fā)動機(jī)可靠性的設(shè)計技術(shù)機(jī)器具體應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，研究內(nèi)容對于提高發(fā)動機(jī)的利用效率及研究其運(yùn)行可靠性方面具有一定的借鑒意義。

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作者簡介：王德芬（1986-），男，江蘇徐州人，碩士在讀，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程;楊賀緒（1982-），男，寧夏固原人，博士在讀，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械振動/動力學(xué)。