一、簡(jiǎn)介

美國(guó)于1965年開(kāi)始研制AGT1500坦克燃?xì)廨啓C(jī)的同時(shí)開(kāi)展了可靠性設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)工作。設(shè)計(jì)中要求：①發(fā)動(dòng)機(jī)在全速全負(fù)荷工況下，渦輪葉片的壽命為10^3h；②軸承壽命為10^4h；③采用模塊設(shè)計(jì)和全部附件易接近的布局原則。

燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)臺(tái)架和裝車(chē)試驗(yàn)，累計(jì)時(shí)間分別為5488h和15200h（行駛里程約3.04×10^5km）后完成設(shè)計(jì)定型。生產(chǎn)和裝備部隊(duì)使用，至1983年生產(chǎn)3000臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，美軍按照技術(shù)條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、功能、可靠性、耐久性和品質(zhì)等又進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證、試驗(yàn)和全面考核；累計(jì)臺(tái)架考核約1800h（三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)）；裝車(chē)可靠性試驗(yàn)里程為46864km（7臺(tái)M1坦克），獲得的AGT1500燃?xì)廨啓C(jī)的無(wú)故障概率為0.87。

前蘇聯(lián)于1932年開(kāi)始B2坦克柴油機(jī)的研制，至1939年定型時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的保險(xiǎn)期為100h；50年代達(dá)250h，60年代為350h，至70年代提高至500h。

我國(guó)于1958年開(kāi)始坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和研究工作，基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平和掌握的信息所限，未能全面地開(kāi)展系統(tǒng)的可靠性理論研究、分析和試驗(yàn)工作。但對(duì)在制造、使用和研究中出現(xiàn)的故障和失效，如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵傳動(dòng)軸斷、齒輪磨損、曲軸斷裂、機(jī)體及缸蓋裂紋等，都從結(jié)構(gòu)、材料和工藝各方面進(jìn)行認(rèn)真分析，找出解決的措施直至問(wèn)題得以解決。另一方面，把發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架和裝車(chē)考核試驗(yàn)，作為產(chǎn)品定型、生產(chǎn)中抽檢的必經(jīng)環(huán)節(jié)。20世紀(jì)50～60年代，坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架保險(xiǎn)期試驗(yàn)為250h，70年代后提高至350～500h。

隨著時(shí)間的推移，技術(shù)進(jìn)步和設(shè)施的建立，從70年代中期開(kāi)始，在新產(chǎn)品的研制過(guò)程中，相繼開(kāi)展了可靠性的研究和試驗(yàn)，如強(qiáng)度、疲勞、結(jié)構(gòu)的三維光彈、電測(cè)應(yīng)力、有限元分析和臺(tái)架的振動(dòng)、超載等試驗(yàn)。在引進(jìn)計(jì)算程序基礎(chǔ)上開(kāi)展了計(jì)算與實(shí)測(cè)的對(duì)比分析。至80年代，系統(tǒng)地進(jìn)行了可靠性研究和試驗(yàn)；在新研制的高功率密度柴油機(jī)的同時(shí)，編制了《可靠性維修性保證大綱》、《故障模式、影響及危害度分析》；并對(duì)可靠性指標(biāo)、試驗(yàn)剖面等進(jìn)行了研究和分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)是車(chē)輛的心臟，推進(jìn)系統(tǒng)的重要部件和動(dòng)力源。發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)直接影響著車(chē)輛的總體性能及使用任務(wù)的完成。

發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)是其能滿(mǎn)足給定要求的全部特性和特征，包括性能、可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性等。而發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，其經(jīng)濟(jì)性又與可靠性緊密相關(guān)。

坦克發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是主戰(zhàn)坦克用發(fā)動(dòng)機(jī)，由于要求它具有高的功率密度、瞬態(tài)響應(yīng)性、可靠性，低散熱及良好的經(jīng)濟(jì)性；因此涉及許多高新技術(shù)領(lǐng)域，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般研制周期長(zhǎng)達(dá)10～15年且耗資巨大。為此在新機(jī)型的研究和發(fā)展的全部過(guò)程中，必須同時(shí)開(kāi)展可靠性研究，貫徹可靠性要求并實(shí)施系統(tǒng)的管理；這是保證獲得高性能機(jī)型，按期裝備，保障資金合理使用并減少或避免浪費(fèi)的關(guān)鍵性工作。

發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性是其本身的先天屬性，是通過(guò)論證、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造和管理等一系列工程活動(dòng)所獲得，并在使用過(guò)程中顯示出來(lái)的一種特性。因此，可靠性工作亦是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。

二、可靠性指標(biāo)

1.發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性指標(biāo)體系

發(fā)動(dòng)機(jī)由許多不同的零件組成，它們的失效機(jī)理及壽命分布各不相同，因而它是一個(gè)由許多零件組成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。根據(jù)可靠性函數(shù)的分布制定原則和試驗(yàn)表明，其壽命基本上符合指數(shù)分布。

發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性是由一系列評(píng)定指標(biāo)來(lái)衡量，主要包括下述幾大類(lèi)。

（1）狹義的可靠性特征量指標(biāo)　即可靠度特征量指標(biāo)，如失效概率密度函數(shù)f（t）、累計(jì)失效概率密度函數(shù)F（t）、可靠度函數(shù)R（t）、失效率函數(shù)λ（t）等。

（2）壽命特征量指標(biāo)　發(fā)動(dòng)機(jī)常用的壽命評(píng)定主要指標(biāo)如下。

①平均故障間隔時(shí)間（MTBF）發(fā)動(dòng)機(jī)相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間。

②平均首次故障時(shí)間（MTTFF）對(duì)于不可維修的產(chǎn)品，發(fā)生失效就意味著壽命終止，其平均壽命可用平均首次故障時(shí)間來(lái)度量。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞環(huán)、氣門(mén)和氣門(mén)彈簧等零件，一旦發(fā)生失效就要報(bào)廢，因此它們可以用MTTFF來(lái)衡量其平均壽命。

③額定壽命　發(fā)動(dòng)機(jī)的額定壽命是指發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠度為90%（即累計(jì)失效率為10%）時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的小時(shí)數(shù)。

④中位壽命　發(fā)動(dòng)機(jī)的中位壽命是指發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠度為50%（即累計(jì)失效率為50%）時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的小時(shí)數(shù)。

⑤大修壽命　新發(fā)動(dòng)機(jī)從開(kāi)始使用直到需要鏜缸（或更換缸套）和磨曲軸等修理的期限稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的第一次大修期。發(fā)動(dòng)機(jī)廠一般要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行B10大修壽命（即10%的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到大修水平時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)）和B50大修壽命（即50%的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到大修水平時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)）試驗(yàn)。

（3）維修性特征量指標(biāo)　如平均維修時(shí)間（MTTR）。

（4）有效性特征量指標(biāo)　如可用性A等。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)采用的可靠性指標(biāo)

若將前述指標(biāo)均用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性進(jìn)行考核，可得到一個(gè)較為完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。但其工作十分復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集和完整均困難，可操作性差，難以全面實(shí)施。因此，研制部門(mén)均根據(jù)其自身特點(diǎn)和實(shí)際狀況，對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行選擇，現(xiàn)將部分國(guó)家發(fā)動(dòng)機(jī)采用的可靠性指標(biāo)介紹于表1。

表1　部分國(guó)家發(fā)動(dòng)機(jī)采用的可靠性、耐久性主要指標(biāo)

表1中所列可靠性、耐久性指標(biāo)定義差別，由表3-9予以說(shuō)明。

表2　柴油機(jī)可靠性、耐久性指標(biāo)定義差別

通常，用MTBF控制所有保修故障出現(xiàn)的頻率；用T0.8控制致命故障、嚴(yán)重故障出現(xiàn)的頻率；用B10、B50控制發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性。

軍用車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是坦克發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)可靠性有更加嚴(yán)格的要求。對(duì)于一臺(tái)新研制的坦克發(fā)動(dòng)機(jī)，通常可從以下幾方面提出其可靠性指標(biāo)。

①整車(chē)可靠度的分配進(jìn)行估算；

②從所給定的任務(wù)時(shí)間或?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)零件總數(shù)量及受高的機(jī)械、熱應(yīng)力零件所占百分比；

③降額設(shè)計(jì)、集成和兼容的設(shè)計(jì)；

④采用的新材料、新工藝等。

將上述這些影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的基本因素分析，以及過(guò)去的使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)加以估計(jì)。

軍用車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性指標(biāo)，從使用要求和評(píng)價(jià)角度，可采用平均故障間隔時(shí)間和首次大修時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)故障分類(lèi)

凡由發(fā)動(dòng)機(jī)以外因素造成的故障，為非關(guān)聯(lián)故障，它不應(yīng)計(jì)入可靠性指標(biāo)計(jì)算之內(nèi)，但仍應(yīng)如實(shí)記錄，留作分析參考。常見(jiàn)的非關(guān)聯(lián)故障包括：由于違反操作規(guī)程或維修失誤造成的故障；由于超越使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定條件下使用而產(chǎn)生的故障，以及由于其他故障先發(fā)生而導(dǎo)致發(fā)生的故障（從屬故障）。

凡全部或部分與發(fā)動(dòng)機(jī)自身缺陷有關(guān)的故障都為關(guān)聯(lián)故障。關(guān)聯(lián)故障有性能下降、零件損壞、緊固失效、“三漏”和堵塞、調(diào)整失效、腐蝕或老化等方面。

故障按其危害程度分為四類(lèi)。

①致命故障（Ⅳ類(lèi)）可能導(dǎo)致人身傷亡或重要零部件報(bào)廢，或造成重大經(jīng)濟(jì)損失的故障。如連桿、連桿螺釘斷裂、飛輪碎裂及機(jī)體和曲軸報(bào)廢等；

②嚴(yán)重故障（Ⅲ類(lèi)）可能導(dǎo)致主要零部件損壞或不能用隨機(jī)工具和易損備件在較短時(shí)間內(nèi)排除的故障，或發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能超出規(guī)定范圍等；

③一般故障（Ⅱ類(lèi)）必須停機(jī)檢修的可在較短時(shí)間內(nèi)排除的一般零件（不包括非重要標(biāo)準(zhǔn)件和修理費(fèi)用較低的零件）的故障；

④輕度故障（Ⅰ類(lèi)）輕于上述三種故障的統(tǒng)歸于此列。

三、可靠性設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的可靠性分為狹義的可靠性和廣義的可靠性?xún)深?lèi)。狹義可靠性是指產(chǎn)品的固有可靠性，它是在設(shè)計(jì)和制造階段就確定下來(lái)的；廣義可靠性是指產(chǎn)品的工作可靠性，它包括固有可靠性和使用可靠性?xún)蓚€(gè)方面。它們之間的關(guān)系可用下式表示：

工作可靠度=固有可靠度×使用可靠度

產(chǎn)品的固有可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，因此在設(shè)計(jì)中引入可靠性設(shè)計(jì)并在制造中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性控制，對(duì)提高產(chǎn)品固有可靠性是十分有效的。

高機(jī)動(dòng)性車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)綜合、復(fù)雜的系統(tǒng)。隨著技術(shù)發(fā)展，作戰(zhàn)使用要求的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有更高的功能，并在限定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品具體化。

要求產(chǎn)品的性能提高、功能完善，必然導(dǎo)致產(chǎn)品零、部件數(shù)目增多。以坦克柴油機(jī)為例，見(jiàn)表3。面對(duì)日趨復(fù)雜且技術(shù)難度大的產(chǎn)品，如果仍使用以往的零部件，仍采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和制造過(guò)程，產(chǎn)品發(fā)生故障的機(jī)會(huì)將隨其零部件數(shù)目的增多而成比例增加。從而，不得不發(fā)展新技術(shù)或進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)解決這個(gè)矛盾。

表3 部分發(fā)動(dòng)機(jī)的部件總數(shù)

可靠性設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，是保證產(chǎn)品的可靠性更符合實(shí)際、更有效的設(shè)計(jì)方法。目前機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法可歸為三種，根據(jù)具體情況選用。

（一）借鑒于電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)和分析方法

1.降額設(shè)計(jì)和安全裕度設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的工作應(yīng)力低于設(shè)計(jì)值，從而降低零部件的故障率，保證整機(jī)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)降額設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)械零件則是加大安全系數(shù)，提高承載能力，保證零件的可靠性，以適應(yīng)整機(jī)目標(biāo)要求。對(duì)于重要的涉及安全性的零件，則可采用極限設(shè)計(jì)方法，保證在最?lèi)毫拥臉O限狀態(tài)下使用也不發(fā)生故障和損壞。

（1）對(duì)曲軸、連桿、活塞等運(yùn)動(dòng)件必須降額；

（2）對(duì)機(jī)體、缸蓋、缸套和氣門(mén)導(dǎo)管等承力件應(yīng)進(jìn)行降額；

（3）軸承應(yīng)對(duì)其負(fù)載和溫升進(jìn)行降額；

（4）對(duì)機(jī)體絲對(duì)、各種高強(qiáng)度螺栓等則應(yīng)加大安全系數(shù)；

（5）對(duì)增壓器葉輪，則應(yīng)采用極限設(shè)計(jì)方法，以保證在規(guī)定的惡劣的極限狀態(tài)下使用。

2.簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化

發(fā)動(dòng)機(jī)屬串聯(lián)系統(tǒng)，提高整機(jī)可靠性的最基本原則是從選用可靠的零部件、材料和減少零部件數(shù)及簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)做起。盡量采用功能簡(jiǎn)單的零部件，盡量減少零件數(shù)目，盡量采用已經(jīng)成熟或標(biāo)準(zhǔn)化的零件和技術(shù)，以減少零件故障率，保證整機(jī)系統(tǒng)可靠性目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

3.冗余設(shè)計(jì)

為完成規(guī)定的功能，增加多余的零部件或設(shè)備數(shù)，即使其中一部分發(fā)生故障，也不會(huì)引起整機(jī)或系統(tǒng)故障的設(shè)計(jì)稱(chēng)作冗余設(shè)計(jì)。如發(fā)動(dòng)機(jī)的電啟動(dòng)和壓縮空氣啟動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)油濾清器的旁通活門(mén)等。

4.耐環(huán)境設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品所處工作環(huán)境類(lèi)型、嚴(yán)酷程度以及對(duì)產(chǎn)品影響的預(yù)測(cè)和評(píng)估，進(jìn)行產(chǎn)品強(qiáng)度和壽命的設(shè)計(jì)。通過(guò)耐久性試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)等各種可靠性試驗(yàn)手段，對(duì)產(chǎn)品的耐環(huán)境性進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析產(chǎn)品的故障、疲勞和磨損現(xiàn)象，進(jìn)一步參照各種規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是可靠性設(shè)計(jì)中最基本的方法。

強(qiáng)化耐環(huán)境性，自然會(huì)受到經(jīng)濟(jì)性的限制，協(xié)調(diào)的方法是可以考慮對(duì)產(chǎn)品的極端環(huán)境下采取保護(hù)措施。例如使用中遇到的高溫、振動(dòng)、沖擊等情況時(shí)，裝備調(diào)節(jié)器、緩沖器等保護(hù)裝置，比強(qiáng)化產(chǎn)品本身的耐環(huán)境性更為經(jīng)濟(jì)。

對(duì)于新研制的發(fā)動(dòng)機(jī)所進(jìn)行的臺(tái)架考核，熱沖擊，熱箱，超速超負(fù)荷，縱、側(cè)傾等試驗(yàn)；裝車(chē)運(yùn)行于高原、沙漠、海濱、嚴(yán)寒等地區(qū)的試驗(yàn)；發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的隔熱，渦輪增壓器隔熱擋板，采用彈性支承、彈性聯(lián)軸器和減振器等，均屬于耐環(huán)境設(shè)計(jì)。

（二）機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概率設(shè)計(jì)法

關(guān)于概率設(shè)計(jì)法，美國(guó)亞利桑那大學(xué)教授Kececioglu D將其劃分為15個(gè)步驟。在這里僅結(jié)合其中某些步驟，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的概率設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1.使用剖面

車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的工作剖面，由臺(tái)架試驗(yàn)剖面和所裝車(chē)輛的使用剖面所構(gòu)成。對(duì)于軍用車(chē)輛則含壽命剖面和任務(wù)剖面。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性模型

（1）往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)　通常由增壓器、中冷器、輸油泵、燃油濾、噴油泵、噴油器、水泵、機(jī)油泵、機(jī)油濾、曲軸、連桿、活塞組、機(jī)體、汽缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等單元組成的系統(tǒng)。渦輪增壓柴油機(jī)可靠性模型見(jiàn)圖1。

圖1渦輪增壓柴油機(jī)可靠性模型

（2）燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)　通常由啟動(dòng)電機(jī)、高壓壓氣機(jī)渦輪、回?zé)崞?、輸油泵、燃油濾、燃油定量泵、噴油嘴、燃燒室、機(jī)油泵、機(jī)油濾、低壓壓氣機(jī)渦輪、動(dòng)力渦輪、減速機(jī)構(gòu)等單元組成的系統(tǒng)。燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性模型見(jiàn)圖2。

圖2　燃?xì)鉁u輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性模型

3.發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性數(shù)學(xué)模型

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)全部使用期，其系統(tǒng)故障率近于指數(shù)分布，故其可靠度函數(shù)為

R（t）=e-λt

式中　λ——故障率；

t——時(shí)間。

4.可靠性分配

（1）可靠性分配的約束條件　將發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)可靠性指標(biāo)分配到各分系統(tǒng)一級(jí)，并按下列約束條件進(jìn)行

①整機(jī)系統(tǒng)故障率必須等于各分系統(tǒng)和零部件故障率之和，即

②所有系統(tǒng)和零部件的可靠度都必須分別大于整機(jī)系統(tǒng)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根據(jù)上述約束條件，將新研制機(jī)型的分系統(tǒng)和零部件，參照同類(lèi)機(jī)型或原準(zhǔn)機(jī)的故障率統(tǒng)計(jì)值 （如12V150L柴油機(jī)分系統(tǒng)和零部件故障率，見(jiàn)表4），并結(jié)合新研制機(jī)型的性能、強(qiáng)化程度和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分配。

表4　12V150L柴油機(jī)分系統(tǒng)和零部件故障率

②采用專(zhuān)家評(píng)分法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)或分配。

（3）示例　現(xiàn)以增壓柴油機(jī)的幾個(gè)部件為例。

①故障率分配

a.曲柄連桿機(jī)構(gòu)　曲柄連桿機(jī)構(gòu)由固定件和運(yùn)動(dòng)件組成。固定件由上箱和下箱（即機(jī)體）以及缸蓋組成；運(yùn)動(dòng)件由活塞、連桿、曲軸（含減振器）等組成?？煽啃钥驁D如圖3所示。

圖3　曲柄連桿機(jī)構(gòu)可靠性框圖

所以曲柄連桿機(jī)構(gòu)故障率λa

b.潤(rùn)滑系　潤(rùn)滑系主要由機(jī)油泵和機(jī)油濾組成，可靠性框圖如圖4所示。

圖4　潤(rùn)滑系可靠性框圖

所以潤(rùn)滑系統(tǒng)故障率λb

λb=0.0003+0.000025=0.000325

c.供油系　供油系主要由輸油泵、柴油泵、噴油泵（含噴油泵安裝和管路系統(tǒng)）、噴油器（含噴油器安裝和管路系統(tǒng)）等組成，可靠性框圖如圖5所示。

圖5　供油系可靠性框圖

供油系統(tǒng)故障率λc

②研制機(jī)型與相似機(jī)型故障率列表比較。以新機(jī)型與12V150L故障率比較為例，見(jiàn)表5。

表5　新機(jī)型與12V150L故障率對(duì)比

由表5可見(jiàn)：新機(jī)型分系統(tǒng)的故障率已經(jīng)接近，以致低于原準(zhǔn)機(jī)型的故障率，這是由于研制機(jī)型結(jié)構(gòu)改進(jìn)所致；由于原準(zhǔn)機(jī)型的故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不全，加之無(wú)其他同類(lèi)機(jī)型的故障率參考，因此，可靠性分配和預(yù)計(jì)必然存在一定的不確定性?？煽啃苑峙溥^(guò)程本身也必然是：預(yù)計(jì)—分配—再預(yù)計(jì)—再分配的過(guò)程。根據(jù)分配的故障率和任務(wù)時(shí)間，則可計(jì)算出各分系統(tǒng)的可靠度。

5.故障模式、影響及危害度分析（FMECA）

（1）已給出故障分類(lèi)，并將發(fā)動(dòng)機(jī)故障按其危害度分為四類(lèi)，即對(duì)各種故障危害的嚴(yán)酷程度進(jìn)行了確定。

（2）確定各種故障模式的故障概率等級(jí)，對(duì)裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)分成以下等級(jí)：

A級(jí)（經(jīng)常發(fā)生），即故障模式出現(xiàn)的概率大于總故障概率的0.2；

B級(jí)（很可能發(fā)生），即故障出現(xiàn)的概率為總故障概率的0.1～0.2；

C級(jí)（偶然發(fā)生），即故障模式出現(xiàn)的概率為總故障概率的0.01～0.1；

D級(jí)（很少發(fā)生），即故障模式出現(xiàn)的概率為總故障概率的0.001～0.01；

E級(jí)（極不可能發(fā)生），即故障模式出現(xiàn)的概率小于總故障概率的0.001。

（3）填寫(xiě)故障模式、影響及危害度分析（FMECA）表，示例見(jiàn)表3-14。對(duì)表3-14所列故障模式在設(shè)計(jì)過(guò)程中要進(jìn)行檢查，看是否最大限度地做到了預(yù)防和改正，在試驗(yàn)過(guò)程中要對(duì)照進(jìn)行檢查，最大限度地做到預(yù)防，觀察其征兆出現(xiàn)和防止發(fā)生。

表6　故障模式、影響及危害度分析表（僅給出一個(gè)部件）

（4）危害性矩陣　根據(jù)表6，繪制危害性矩陣圖，見(jiàn)圖6。

圖6　危害性矩陣圖

①危害性矩陣是用來(lái)確定每一故障模式的危害程度并與其他故障模式相比較，為確定補(bǔ)償措施的先后順序提供依據(jù)。

②FMECA的結(jié)果可確定可靠性關(guān)鍵件和重要件。這些是改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，是詳細(xì)分析、增長(zhǎng)試驗(yàn)、可靠性應(yīng)力分析的主要對(duì)象。

③根據(jù)FMECA結(jié)果找出了薄弱環(huán)節(jié)，有助于設(shè)計(jì)人員考慮在薄弱環(huán)節(jié)上是否采用冗余技術(shù)。

④FMECA工作是設(shè)計(jì)評(píng)審必需的主要內(nèi)容。

四、可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)是考核發(fā)動(dòng)機(jī)在給定條件下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和失效分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，找出薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施。

1.可靠性試驗(yàn)

（1）目的　為了評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)零件、部件和整機(jī)的可靠性，應(yīng)按規(guī)定的方法進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，從而獲得其可靠性參數(shù)。

（2）可靠性試驗(yàn)與耐久性試驗(yàn)

①發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)的目的只是在做產(chǎn)品鑒定或質(zhì)量抽查時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品發(fā)生的故障數(shù)與性能下降不超過(guò)規(guī)范要求。由于耐久試驗(yàn)僅是通過(guò)性試驗(yàn)，因此數(shù)據(jù)處理比較簡(jiǎn)單。

②發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)則要對(duì)某一批產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行推斷，因此要采用嚴(yán)格的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，才能得出較為可靠的結(jié)論。

③耐久性試驗(yàn)所用樣機(jī)（樣本）數(shù)量一般只用一臺(tái)，而可靠性試驗(yàn)用樣本數(shù)要求有一定的數(shù)量，才能滿(mǎn)足置信度要求。

2.可靠性試驗(yàn)分類(lèi)

發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)一般分為四類(lèi)。

（1）壽命試驗(yàn)

壽命試驗(yàn)是在規(guī)定試驗(yàn)條件下，模擬實(shí)際使用工況而進(jìn)行的試驗(yàn)。

①壽命試驗(yàn)的目的　確定發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命分布；求出發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)；研究產(chǎn)品的失效機(jī)理。

②壽命試驗(yàn)的類(lèi)型

a.完全壽命試驗(yàn)　試驗(yàn)進(jìn)行到被試驗(yàn)樣機(jī)完全失效為止，所得到的是完全樣本。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)壽命試驗(yàn)一般不采用完全壽命試驗(yàn)，因?yàn)檎麢C(jī)是可修復(fù)產(chǎn)品，很難定義出“完全失效”的含義。

b.截尾試驗(yàn)　又稱(chēng)不完全壽命試驗(yàn)，其中又分為定時(shí)截尾試驗(yàn)和定數(shù)截尾試驗(yàn)。

（2）裝車(chē)使用試驗(yàn)。

（3）特殊試驗(yàn)。

（4）環(huán)境試驗(yàn)。

3.可靠性試驗(yàn)的規(guī)范（剖面）

所選擇的試驗(yàn)規(guī)范要盡可能接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用時(shí)的工況。下面主要介紹幾種典型的臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范；裝車(chē)試驗(yàn)的剖面因隨不同的車(chē)型而異，故此處不作介紹。

（1）耐久性試驗(yàn)剖面

①英國(guó)雷蘭德（Leyland）汽車(chē)公司柴油機(jī)試驗(yàn)規(guī)范　試驗(yàn)時(shí)間為1500h，分三個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段為500h，其試驗(yàn)規(guī)范列于表7。

表7　英國(guó)雷蘭德汽車(chē)公司柴油機(jī)試驗(yàn)規(guī)范

②英國(guó)里卡多（Ricado）公司對(duì)不同用途發(fā)動(dòng)機(jī)采用不同循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)

a.2.25h循環(huán)，運(yùn)轉(zhuǎn)1000h。其中，全速全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)20min，最大扭矩45min，調(diào)速器超速運(yùn)轉(zhuǎn)5min。試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表8。

表8　英國(guó)里卡多公司2.25h循環(huán)試驗(yàn)規(guī)范

b.2h循環(huán)，運(yùn)轉(zhuǎn)1000h。其中，全負(fù)荷最大功率20min，全負(fù)荷最大扭矩30min。試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表9。

表9　英國(guó)里卡多公司2h循環(huán)試驗(yàn)規(guī)范

③美國(guó)康明斯公司試驗(yàn)規(guī)范

a.全速全負(fù)荷試驗(yàn) 3臺(tái)柴油機(jī)通過(guò)1000h試驗(yàn)。

b.混合循環(huán)試驗(yàn) 1臺(tái)柴油機(jī)作550/575h混合循環(huán)試驗(yàn)。

標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)，按下列循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)550h。試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表10。

表10　康明斯公司550h試驗(yàn)規(guī)范

標(biāo)定功率為2200r/min時(shí)，按下列循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)575h。試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表11。

表11　康明斯公司575h試驗(yàn)規(guī)范

④350h臺(tái)架考核試驗(yàn)剖面　

試驗(yàn)的總延續(xù)時(shí)間為700h，前350h作為驗(yàn)收產(chǎn)品的依據(jù)，后350h作為產(chǎn)品改進(jìn)性能的考核。試驗(yàn)由35個(gè)獨(dú)立的循環(huán)組成，每個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)時(shí)間為10h。試驗(yàn)剖面見(jiàn)圖7。

圖7　350h臺(tái)架考核試驗(yàn)剖面（T為試驗(yàn)時(shí)間）

剖面中每個(gè)循環(huán)的說(shuō)明見(jiàn)表12。

表12　剖面中每個(gè)循環(huán)說(shuō)明（一）

前350h試驗(yàn)期間，不得更換零部件和沒(méi)有局部拆卸（但允許更換1～2個(gè)噴油嘴，以及一般外部的螺柱、螺母及卡箍等小零件）。350h后允許功率下降4%。

上述規(guī)范為前蘇聯(lián)制定，當(dāng)今俄羅斯已發(fā)展為500h臺(tái)架考核試驗(yàn)規(guī)范，主要用于坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的考核試驗(yàn)。

⑤400h臺(tái)架考核試驗(yàn)剖面　考核試驗(yàn)時(shí)間分為4個(gè)階段，每一階段為100h，由10個(gè)循環(huán)組成，每個(gè)循環(huán)的時(shí)間為10h，試驗(yàn)的剖面見(jiàn)圖8，剖面中每個(gè)循環(huán)的說(shuō)明見(jiàn)表13。

圖8　400h臺(tái)架考核試驗(yàn)剖面

表13　剖面中每個(gè)循環(huán)說(shuō)明（二）

在完成400h耐久考核期間，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)下種情況，則試驗(yàn)予以終止。

a.由于零部件的損壞，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行或引起不可排除的功率損失，即達(dá)不到標(biāo)定功率的95%。經(jīng)排除后重新試驗(yàn)，其時(shí)間從0計(jì)算。

b.出現(xiàn)重要的故障，通過(guò)在規(guī)定的維修、調(diào)整之后，仍達(dá)不到標(biāo)定功率的95%。

400h臺(tái)架試驗(yàn)后，功率允許下降5%。

上述規(guī)范為北約（NATO）國(guó)家制定，主要用于坦克柴油機(jī)的耐久考核試驗(yàn)。

⑥NJ 289—83柴油機(jī)臺(tái)架考核試驗(yàn)規(guī)范　本標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)，共分為四種，這里僅介紹標(biāo)定功率為1h功率和15min功率的柴油機(jī)試驗(yàn)循環(huán)工況。

a.標(biāo)定功率為1h功率的柴油機(jī)　每8h為一個(gè)循環(huán)，運(yùn)轉(zhuǎn)40個(gè)循環(huán)后按標(biāo)定工況連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)180h，共500h為1個(gè)大循環(huán)。重復(fù)進(jìn)行4個(gè)大循環(huán)，總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為2000h。試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表14。

表14　機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)NJ 289—83柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)考核方法中標(biāo)定功率為1h功率柴油機(jī)的循環(huán)工況

b.標(biāo)定功率為15min功率的柴油機(jī)　每2h為一個(gè)循環(huán)，共運(yùn)轉(zhuǎn)1000h。試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表15。

表15　機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)NJ 289—83柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)考核方法中標(biāo)定功率為15min功率柴油機(jī)的循環(huán)工況

 

（2）裝車(chē)考核試驗(yàn)　臺(tái)架考核試驗(yàn)只能模擬使用中的一些主要工況，與實(shí)際使用工況仍有差異，因此對(duì)新研制的機(jī)型除臺(tái)架考核試驗(yàn)外，還要進(jìn)行裝車(chē)考核（使用）試驗(yàn)。這樣獲取的可靠性數(shù)據(jù)，才是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的最終數(shù)據(jù)。

對(duì)于履帶裝甲車(chē)輛，通?？己死锍虨?0000～12000km，對(duì)于輪式裝甲車(chē)輛為30000～50000km。

亦可采用對(duì)新研制機(jī)型所裝車(chē)輛進(jìn)行故障跟蹤、記錄使用時(shí)間、故障發(fā)生時(shí)間、失效形式、修理時(shí)間、修理費(fèi)用等來(lái)獲取可靠性數(shù)據(jù)。

（3）特殊試驗(yàn)　為了確定發(fā)動(dòng)機(jī)在最?lèi)毫拥臉O端工作條件和工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的安全裕度以及發(fā)動(dòng)機(jī)在其工作范圍邊界狀態(tài)時(shí)的壽命與可靠度，發(fā)動(dòng)機(jī)還應(yīng)進(jìn)行幾種必需的特殊試驗(yàn)。

特殊試驗(yàn)的目的是，一方面可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造中的薄弱環(huán)節(jié)；另一方面可以得到為保證整機(jī)可靠性壽命達(dá)到某一預(yù)定期限必須給發(fā)動(dòng)機(jī)限定的極限工作條件。

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)研制和檢查過(guò)程中，常用的特殊試驗(yàn)有六類(lèi)。

①超速試驗(yàn)　為了考核發(fā)動(dòng)機(jī)超速時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)、連桿螺栓等零件工作可靠性。如日本五十鈴10PAI型柴油機(jī)（D×S=115mm×120mm），設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2800r/min，其超速能力要求瞬時(shí)超速50%，連續(xù)超速20%。

②超水溫（耐熱性）試驗(yàn)　五十鈴公司為了考核10PAI型柴油機(jī)在偶然事故短期超水溫工作條件下能否可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，將它的冷卻系統(tǒng)加壓，使水溫升到120℃，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)30min，如果此時(shí)活塞外形仍與氣缸套配合良好，第一道環(huán)沒(méi)有結(jié)焦，頂部沒(méi)有金屬熔化痕跡，則說(shuō)明該柴油機(jī)通過(guò)了超水溫試驗(yàn)。

③超負(fù)荷試驗(yàn)　非增壓車(chē)用柴油機(jī)由于最大功率工況的過(guò)量空氣系數(shù)很低，因此一般很難以大幅度超過(guò)15min功率的超功率進(jìn)行考核，而采用超爆發(fā)壓力或15min功率工況持續(xù)考核。

以五十鈴10PAI為例，其設(shè)計(jì)規(guī)定超負(fù)荷能力以爆發(fā)壓力12.75MPa時(shí)可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2000h為標(biāo)準(zhǔn)。

Benz OM403型發(fā)動(dòng)機(jī)在小批試制過(guò)程中，為了進(jìn)一步考核其可靠性，加速暴露結(jié)構(gòu)上薄弱環(huán)節(jié)，在一部分裝車(chē)考核試驗(yàn)的小批樣機(jī)中采用特殊的廢氣渦輪增壓裝置，將爆發(fā)壓力提高到14.71MPa（正常非增壓產(chǎn)品為6.865～7.85MPa），使零件機(jī)械負(fù)荷人為地提高1倍。

英國(guó)里卡多公司規(guī)定新產(chǎn)品樣機(jī)需進(jìn)行超負(fù)荷10%，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1000h考核，這對(duì)非增壓柴油機(jī)是相當(dāng)嚴(yán)酷的。

④變負(fù)荷短循環(huán)試驗(yàn)　這項(xiàng)試驗(yàn)的主要目的是考核高負(fù)荷零件的抗疲勞能力和氣缸蓋墊片的密封性。它是一項(xiàng)促進(jìn)暴露問(wèn)題的試驗(yàn)，一般以氣缸墊片損壞前能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)。如卡特彼勒3400型發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)周期為4min，其中包括高轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷、最大扭矩和怠速4種工況。英國(guó)里卡多公司的變速短循環(huán)試驗(yàn)時(shí)：怠速2～4min、全負(fù)荷4～5min為一個(gè)循環(huán)。

⑤熱箱（Hot Box）試驗(yàn)　試驗(yàn)的主要目的是評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫條件下的壽命。它采用較高的進(jìn)氣溫度（68.5～71℃）和出水溫度（99～101.7℃），大大提高了柴油機(jī)的熱負(fù)荷，并使柴油機(jī)以標(biāo)定工況持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因而能夠較快地評(píng)定活塞、活塞環(huán)和缸套拉缸的可能性。

⑥特殊的可靠性試驗(yàn)　除了上述可靠性試驗(yàn)外，各種柴油機(jī)還根據(jù)各自的使用特點(diǎn)進(jìn)行各種特殊試驗(yàn)。

傾斜運(yùn)行試驗(yàn)：在專(zhuān)門(mén)的縱傾斜和橫傾斜試驗(yàn)臺(tái)上，模擬在陸用機(jī)械爬坡或船舶在惡劣氣候和海面條件下發(fā)動(dòng)機(jī)縱傾橫搖的運(yùn)行狀態(tài)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)能可靠運(yùn)行。

浸水試驗(yàn)：模擬坦克潛渡時(shí)，處于熱的運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)冷柴油機(jī)突然浸入水中，以克服氣缸與氣缸蓋是否因熱應(yīng)力造成破裂；風(fēng)扇等在不同密度的流體介質(zhì)中能否自動(dòng)脫開(kāi)或能否防止損壞。

（4）環(huán)境試驗(yàn)　試驗(yàn)的主要目的是評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，主要有海拔能力、冷啟動(dòng)性和儲(chǔ)存溫度等試驗(yàn)。

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