三、可靠性设计

产品的可靠性分为狭义的可靠性和广义的可靠性两类。狭义可靠性是指产品的固有可靠性，它是在设计和制造阶段就确定下来的；广义可靠性是指产品的工作可靠性，它包括固有可靠性和使用可靠性两个方面。它们之间的关系可用下式表示：

工作可靠度＝固有可靠度×使用可靠度

产品的固有可靠性是设计出来的，因此在设计中引入可靠性设计并在制造中对产品进行可靠性控制，对提高产品固有可靠性是十分有效的。

高机动性车辆发动机是一个综合、复杂的系统。随着技术发展，作战使用要求的不断提高，发动机应具有更高的功能，并在限定时间内实现产品具体化。

要求产品的性能提高、功能完善，必然导致产品零、部件数目增多。以坦克柴油机为例，见表3。面对日趋复杂且技术难度大的产品，如果仍使用以往的零部件，仍采用传统的设计方法和制造过程，产品发生故障的机会将随其零部件数目的增多而成比例增加。从而，不得不发展新技术或进行系统设计来解决这个矛盾。

表3 部分发动机的部件总数

可靠性设计是系统设计中的重要组成部分，是保证产品的可靠性更符合实际、更有效的设计方法。目前机械产品可靠性设计方法可归为三种，根据具体情况选用。

（一）借鉴于电子产品的可靠性设计和分析方法

1．降额设计和安全裕度设计

发动机零部件的工作应力低于设计值，从而降低零部件的故障率，保证整机目标实现，称降额设计。对机械零件则是加大安全系数，提高承载能力，保证零件的可靠性，以适应整机目标要求。对于重要的涉及安全性的零件，则可采用极限设计方法，保证在最恶劣的极限状态下使用也不发生故障和损坏。

（1）对曲轴、连杆、活塞等运动件必须降额；

（2）对机体、缸盖、缸套和气门导管等承力件应进行降额；

（3）轴承应对其负载和温升进行降额；

（4）对机体丝对、各种高强度螺栓等则应加大安全系数；

（5）对增压器叶轮，则应采用极限设计方法，以保证在规定的恶劣的极限状态下使用。

2．简单化和标准化

发动机属串联系统，提高整机可靠性的最基本原则是从选用可靠的零部件、材料和减少零部件数及简化结构做起。尽量采用功能简单的零部件，尽量减少零件数目，尽量采用已经成熟或标准化的零件和技术，以减少零件故障率，保证整机系统可靠性目标实现。

3．冗余设计

为完成规定的功能，增加多余的零部件或设备数，即使其中一部分发生故障，也不会引起整机或系统故障的设计称作冗余设计。如发动机的电启动和压缩空气启动系统，机油滤清器的旁通活门等。

4．耐环境设计

通过对产品所处工作环境类型、严酷程度以及对产品影响的预测和评估，进行产品强度和寿命的设计。通过耐久性试验、寿命试验、环境试验等各种可靠性试验手段，对产品的耐环境性进行数据统计，分析产品的故障、疲劳和磨损现象，进一步参照各种规范、技术标准进行设计，这是可靠性设计中最基本的方法。

强化耐环境性，自然会受到经济性的限制，协调的方法是可以考虑对产品的极端环境下采取保护措施。例如使用中遇到的高温、振动、冲击等情况时，装备调节器、缓冲器等保护装置，比强化产品本身的耐环境性更为经济。

对于新研制的发动机所进行的台架考核，热冲击，热箱，超速超负荷，纵、侧倾等试验；装车运行于高原、沙漠、海滨、严寒等地区的试验；发动机排气管的隔热，涡轮增压器隔热挡板，采用弹性支承、弹性联轴器和减振器等，均属于耐环境设计。

（二）机械产品设计的概率设计法

关于概率设计法，美国亚利桑那大学教授Kececioglu D将其划分为15个步骤。在这里仅结合其中某些步骤，对发动机的概率设计进行介绍。

1．使用剖面

车辆发动机的工作剖面，由台架试验剖面和所装车辆的使用剖面所构成。对于军用车辆则含寿命剖面和任务剖面。

2．发动机可靠性模型

（1）往复活塞式发动机通常由增压器、中冷器、输油泵、燃油滤、喷油泵、喷油器、水泵、机油泵、机油滤、曲轴、连杆、活塞组、机体、汽缸盖、配气机构、传动机构等单元组成的系统。涡轮增压柴油机可靠性模型见图1。

图1涡轮增压柴油机可靠性模型

（2）燃气涡轮轴发动机通常由启动电机、高压压气机涡轮、回热器、输油泵、燃油滤、燃油定量泵、喷油嘴、燃烧室、机油泵、机油滤、低压压气机涡轮、动力涡轮、减速机构等单元组成的系统。燃气涡轮轴发动机可靠性模型见图2。

图2燃气涡轮轴发动机可靠性模型

3．发动机可靠性数学模型

根据试验结果，发动机经全部使用期，其系统故障率近于指数分布，故其可靠度函数为

R（t）＝e－λt

式中λ——故障率；

t——时间。

4．可靠性分配

（1）可靠性分配的约束条件将发动机整机可靠性指标分配到各分系统一级，并按下列约束条件进行

①整机系统故障率必须等于各分系统和零部件故障率之和，即

②所有系统和零部件的可靠度都必须分别大于整机系统的可靠度，即

R（t）＝P（t1＞t）P（t2＞t）…P（ti＞t）

（2）可靠性分配方法

①根据上述约束条件，将新研制机型的分系统和零部件，参照同类机型或原准机的故障率统计值 （如12V150L柴油机分系统和零部件故障率，见表4），并结合新研制机型的性能、强化程度和结构特点进行分配。

表412V150L柴油机分系统和零部件故障率

②采用专家评分法进行可靠性预计或分配。

（3）示例现以增压柴油机的几个部件为例。

①故障率分配

a．曲柄连杆机构曲柄连杆机构由固定件和运动件组成。固定件由上箱和下箱（即机体）以及缸盖组成；运动件由活塞、连杆、曲轴（含减振器）等组成。可靠性框图如图3所示。

图3曲柄连杆机构可靠性框图

所以曲柄连杆机构故障率λa

b．润滑系润滑系主要由机油泵和机油滤组成，可靠性框图如图4所示。

图4润滑系可靠性框图

所以润滑系统故障率λb

λb＝0．0003＋0．000025＝0．000325

c．供油系供油系主要由输油泵、柴油泵、喷油泵（含喷油泵安装和管路系统）、喷油器（含喷油器安装和管路系统）等组成，可靠性框图如图5所示。

图5供油系可靠性框图

供油系统故障率λc

②研制机型与相似机型故障率列表比较。以新机型与12V150L故障率比较为例，见表5。

表5新机型与12V150L故障率对比

由表5可见：新机型分系统的故障率已经接近，以致低于原准机型的故障率，这是由于研制机型结构改进所致；由于原准机型的故障率统计数据不全，加之无其他同类机型的故障率参考，因此，可靠性分配和预计必然存在一定的不确定性。可靠性分配过程本身也必然是：预计—分配—再预计—再分配的过程。根据分配的故障率和任务时间，则可计算出各分系统的可靠度。

5．故障模式、影响及危害度分析（FMECA）

（1）已给出故障分类，并将发动机故障按其危害度分为四类，即对各种故障危害的严酷程度进行了确定。

（2）确定各种故障模式的故障概率等级，对装甲车辆发动机分成以下等级：

A级（经常发生），即故障模式出现的概率大于总故障概率的0．2；

B级（很可能发生），即故障出现的概率为总故障概率的0．1～0．2；

C级（偶然发生），即故障模式出现的概率为总故障概率的0．01～0．1；

D级（很少发生），即故障模式出现的概率为总故障概率的0．001～0．01；

E级（极不可能发生），即故障模式出现的概率小于总故障概率的0．001。

（3）填写故障模式、影响及危害度分析（FMECA）表，示例见表3－14。对表3－14所列故障模式在设计过程中要进行检查，看是否最大限度地做到了预防和改正，在试验过程中要对照进行检查，最大限度地做到预防，观察其征兆出现和防止发生。

表6故障模式、影响及危害度分析表（仅给出一个部件）

（4）危害性矩阵根据表6，绘制危害性矩阵图，见图6。

图6危害性矩阵图

①危害性矩阵是用来确定每一故障模式的危害程度并与其他故障模式相比较，为确定补偿措施的先后顺序提供依据。

②FMECA的结果可确定可靠性关键件和重要件。这些是改进产品设计的主要目标，是详细分析、增长试验、可靠性应力分析的主要对象。

③根据FMECA结果找出了薄弱环节，有助于设计人员考虑在薄弱环节上是否采用冗余技术。

④FMECA工作是设计评审必需的主要内容。

四、可靠性试验

可靠性试验是考核发动机在给定条件下，规定时间内完成规定功能的试验。通过对试验结果的统计和失效分析，对发动机进行可靠性评价，找出薄弱环节，提出改进措施。

1．可靠性试验

（1）目的为了评价发动机零件、部件和整机的可靠性，应按规定的方法进行可靠性试验，并对试验结果进行统计处理，从而获得其可靠性参数。

（2）可靠性试验与耐久性试验

①发动机传统的耐久性试验的目的只是在做产品鉴定或质量抽查时，在规定的时间内，产品发生的故障数与性能下降不超过规范要求。由于耐久试验仅是通过性试验，因此数据处理比较简单。

②发动机可靠性试验则要对某一批产品的可靠性进行推断，因此要采用严格的数理统计方法，才能得出较为可靠的结论。

③耐久性试验所用样机（样本）数量一般只用一台，而可靠性试验用样本数要求有一定的数量，才能满足置信度要求。

2．可靠性试验分类

发动机可靠性试验一般分为四类。

（1）寿命试验

寿命试验是在规定试验条件下，模拟实际使用工况而进行的试验。

①寿命试验的目的确定发动机的寿命分布；求出发动机的各项可靠性指标；研究产品的失效机理。

②寿命试验的类型

a．完全寿命试验试验进行到被试验样机完全失效为止，所得到的是完全样本。发动机整机寿命试验一般不采用完全寿命试验，因为整机是可修复产品，很难定义出“完全失效”的含义。

b．截尾试验又称不完全寿命试验，其中又分为定时截尾试验和定数截尾试验。

（2）装车使用试验。

（3）特殊试验。

（4）环境试验。

3．可靠性试验的规范（剖面）

所选择的试验规范要尽可能接近发动机实际使用时的工况。下面主要介绍几种典型的台架试验规范；装车试验的剖面因随不同的车型而异，故此处不作介绍。

（1）耐久性试验剖面

①英国雷兰德（Leyland）汽车公司柴油机试验规范试验时间为1500h，分三个阶段进行，每个阶段为500h，其试验规范列于表7。

表7英国雷兰德汽车公司柴油机试验规范

②英国里卡多（Ricado）公司对不同用途发动机采用不同循环进行试验

a．2．25h循环，运转1000h。其中，全速全负荷运转20min，最大扭矩45min，调速器超速运转5min。试验规范见表8。

表8英国里卡多公司2．25h循环试验规范

b．2h循环，运转1000h。其中，全负荷最大功率20min，全负荷最大扭矩30min。试验规范见表9。

表9英国里卡多公司2h循环试验规范

③美国康明斯公司试验规范

a．全速全负荷试验 3台柴油机通过1000h试验。

b．混合循环试验 1台柴油机作550／575h混合循环试验。

标定转速为2500r／min时，按下列循环运转550h。试验规范见表10。

表10康明斯公司550h试验规范

标定功率为2200r／min时，按下列循环运转575h。试验规范见表11。

表11康明斯公司575h试验规范

④350h台架考核试验剖面

试验的总延续时间为700h，前350h作为验收产品的依据，后350h作为产品改进性能的考核。试验由35个独立的循环组成，每个循环的试验时间为10h。试验剖面见图7。

图7350h台架考核试验剖面（T为试验时间）

剖面中每个循环的说明见表12。

表12剖面中每个循环说明（一）

前350h试验期间，不得更换零部件和没有局部拆卸（但允许更换1～2个喷油嘴，以及一般外部的螺柱、螺母及卡箍等小零件）。350h后允许功率下降4％。

上述规范为前苏联制定，当今俄罗斯已发展为500h台架考核试验规范，主要用于坦克发动机的考核试验。

⑤400h台架考核试验剖面考核试验时间分为4个阶段，每一阶段为100h，由10个循环组成，每个循环的时间为10h，试验的剖面见图8，剖面中每个循环的说明见表13。

图8400h台架考核试验剖面

表13剖面中每个循环说明（二）

在完成400h耐久考核期间，发动机出现下种情况，则试验予以终止。

a．由于零部件的损坏，导致试验无法进行或引起不可排除的功率损失，即达不到标定功率的95％。经排除后重新试验，其时间从0计算。

b．出现重要的故障，通过在规定的维修、调整之后，仍达不到标定功率的95％。

400h台架试验后，功率允许下降5％。

上述规范为北约（NATO）国家制定，主要用于坦克柴油机的耐久考核试验。

⑥NJ 289—83柴油机台架考核试验规范本标准是我国机械工业部标准，共分为四种，这里仅介绍标定功率为1h功率和15min功率的柴油机试验循环工况。

a．标定功率为1h功率的柴油机每8h为一个循环，运转40个循环后按标定工况连续运转180h，共500h为1个大循环。重复进行4个大循环，总运转时间为2000h。试验规范见表14。

表14机械部标准NJ 289—83柴油机台架试验考核方法中标定功率为1h功率柴油机的循环工况

b．标定功率为15min功率的柴油机每2h为一个循环，共运转1000h。试验规范见表15。

表15机械部标准NJ 289—83柴油机台架试验考核方法中标定功率为15min功率柴油机的循环工况

（2）装车考核试验台架考核试验只能模拟使用中的一些主要工况，与实际使用工况仍有差异，因此对新研制的机型除台架考核试验外，还要进行装车考核（使用）试验。这样获取的可靠性数据，才是评价发动机可靠性的最终数据。

对于履带装甲车辆，通常考核里程为10000～12000km，对于轮式装甲车辆为30000～50000km。

亦可采用对新研制机型所装车辆进行故障跟踪、记录使用时间、故障发生时间、失效形式、修理时间、修理费用等来获取可靠性数据。

（3）特殊试验为了确定发动机在最恶劣的极端工作条件和工况下，发动机零部件的安全裕度以及发动机在其工作范围边界状态时的寿命与可靠度，发动机还应进行几种必需的特殊试验。

特殊试验的目的是，一方面可以发现设计和制造中的薄弱环节；另一方面可以得到为保证整机可靠性寿命达到某一预定期限必须给发动机限定的极限工作条件。

在进行发动机研制和检查过程中，常用的特殊试验有六类。

①超速试验为了考核发动机超速时，配气机构、连杆螺栓等零件工作可靠性。如日本五十铃10PAI型柴油机（D×S＝115mm×120mm），设计转速为2800r／min，其超速能力要求瞬时超速50％，连续超速20％。

②超水温（耐热性）试验五十铃公司为了考核10PAI型柴油机在偶然事故短期超水温工作条件下能否可靠运转，将它的冷却系统加压，使水温升到120℃，连续运转30min，如果此时活塞外形仍与气缸套配合良好，第一道环没有结焦，顶部没有金属熔化痕迹，则说明该柴油机通过了超水温试验。

③超负荷试验非增压车用柴油机由于最大功率工况的过量空气系数很低，因此一般很难以大幅度超过15min功率的超功率进行考核，而采用超爆发压力或15min功率工况持续考核。

以五十铃10PAI为例，其设计规定超负荷能力以爆发压力12．75MPa时可连续运转2000h为标准。

Benz OM403型发动机在小批试制过程中，为了进一步考核其可靠性，加速暴露结构上薄弱环节，在一部分装车考核试验的小批样机中采用特殊的废气涡轮增压装置，将爆发压力提高到14．71MPa（正常非增压产品为6．865～7．85MPa），使零件机械负荷人为地提高1倍。

英国里卡多公司规定新产品样机需进行超负荷10％，持续运转1000h考核，这对非增压柴油机是相当严酷的。

④变负荷短循环试验这项试验的主要目的是考核高负荷零件的抗疲劳能力和气缸盖垫片的密封性。它是一项促进暴露问题的试验，一般以气缸垫片损坏前能经受的循环次数为衡量标准。如卡特彼勒3400型发动机的循环周期为4min，其中包括高转速、全负荷、最大扭矩和怠速4种工况。英国里卡多公司的变速短循环试验时：怠速2～4min、全负荷4～5min为一个循环。

⑤热箱（Hot Box）试验试验的主要目的是评定发动机在高温条件下的寿命。它采用较高的进气温度（68．5～71℃）和出水温度（99～101．7℃），大大提高了柴油机的热负荷，并使柴油机以标定工况持续运转，因而能够较快地评定活塞、活塞环和缸套拉缸的可能性。

⑥特殊的可靠性试验除了上述可靠性试验外，各种柴油机还根据各自的使用特点进行各种特殊试验。

倾斜运行试验：在专门的纵倾斜和横倾斜试验台上，模拟在陆用机械爬坡或船舶在恶劣气候和海面条件下发动机纵倾横摇的运行状态，保证发动机能可靠运行。

浸水试验：模拟坦克潜渡时，处于热的运行状态的风冷柴油机突然浸入水中，以克服气缸与气缸盖是否因热应力造成破裂；风扇等在不同密度的流体介质中能否自动脱开或能否防止损坏。

（4）环境试验试验的主要目的是评定发动机对环境的适应性，主要有海拔能力、冷启动性和储存温度等试验。