自然環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測影響研究

陸子 謝鑫鵬

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力是影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的關(guān)鍵因素，但當(dāng)車輛運(yùn)行在不同的地域、氣候、工況等環(huán)境條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命也會(huì)有很大差別。分別介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)測試時(shí)的各種使用條件，然后定義了使用條件綜合修正系數(shù)K，最后通過實(shí)車試驗(yàn)確定了不同地域的使用條件綜合修正系數(shù)欠，以供廣大讀者參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) 壽命預(yù)測 使用條件 修正系數(shù)

中圖分類號(hào)：U469.2.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-0226（2018）02-0096-05

第一作者：陸子，男，1995年生，本科，研究方向?yàn)檐囕v運(yùn)用工程。

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命是指發(fā)動(dòng)機(jī)從開始正常工作到動(dòng)力下降至某一數(shù)值（國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值）時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間或里程，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命一般以千米為單位。

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命取決于其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、制造質(zhì)量和修理質(zhì)量。換言之，發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平一定時(shí)，同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命將主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的使用條件。同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同條件下使用時(shí)，即使嚴(yán)格遵循發(fā)動(dòng)機(jī)使用說明書的規(guī)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(fā)動(dòng)機(jī)壽命的重要因素。

2 研究背景

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測研究離不開對(duì)氣缸套進(jìn)行磨損分析[1]。國外采用的方法大都是進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油中鐵元素的含量，進(jìn)而預(yù)測柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命[2，3]。在此基礎(chǔ)上，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)立約束法來實(shí)現(xiàn)缸套摩擦學(xué)系統(tǒng)各元件的動(dòng)力學(xué)性能仿真[4，5]。

國內(nèi)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的預(yù)測研究，大都是基于對(duì)車輛的零部件進(jìn)行壽命預(yù)測研究[6]，如北京清華大學(xué)的摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和西安交通大學(xué)等重點(diǎn)院校。2002年軍事交通學(xué)院以軍用車輛機(jī)械系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，研究了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系中齒輪、軸和軸承穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)的特征提取，研制了“車輛檢測診斷和壽命預(yù)測系統(tǒng)”[7]。并以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金活塞彈塑性有限元計(jì)算為基礎(chǔ)，將計(jì)算結(jié)果與活塞臺(tái)架試驗(yàn)及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而證明預(yù)測公式及預(yù)測方法可靠性[8，9]。

本文將從發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的磨損量入手，考慮不同地域環(huán)境下自然條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的影響，定義使用條件綜合修正系數(shù)（最后通過實(shí)車試驗(yàn)確定了不同地域的火值，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命進(jìn)行預(yù)測。

3 各種使用條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(huán)境。車輛是在氣候、道路和運(yùn)輸?shù)雀鞣N組合條件下完成運(yùn)輸任務(wù)的?。本文將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用因素分為3類：第一類是與車輛使用者無關(guān)的因素——道路、氣候條件和貨物種類、批量、運(yùn)距等；第二類是與車輛使用者有部分關(guān)系的因素——使用制度和運(yùn)行材料的質(zhì)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(shù)水平、保養(yǎng)修理水平等，所有這些因素都是互相關(guān)聯(lián)的。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)在給定條件下的壽命是所有使用條件綜合作用的結(jié)果。表1為發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測各種使用條件影響系數(shù)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測模型的建立

由摩擦學(xué)相關(guān)理論及參考文獻(xiàn)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸漏氣量Q與發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命L的關(guān)系如圖1所示。該圖稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)壽命曲線?！?/p>

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在西藏試驗(yàn)點(diǎn)（拉薩）和廣州試驗(yàn)點(diǎn)分別進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力數(shù)據(jù)的采集，其中CDS代表西藏試驗(yàn)點(diǎn)，001代表1號(hào)試驗(yàn)車、002代表2號(hào)試驗(yàn)車、003代表3號(hào)試驗(yàn)車；GZS代表原廣州試驗(yàn)點(diǎn)，001代表1號(hào)試驗(yàn)車、002代表2號(hào)試驗(yàn)車、003代表3號(hào)試驗(yàn)車。下表2中所列數(shù)據(jù)為六輛測試車的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

6 數(shù)據(jù)分析

選取其中一輛試驗(yàn)車（CDS001）測得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其他車輛類似。把每次測得的10個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，得到5個(gè)氣缸壓力平均值，再將所對(duì)應(yīng)的行使里程列出即得表3。

圖2為西藏試驗(yàn)點(diǎn)1號(hào)試驗(yàn)車實(shí)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(guān)系是離散的，而通過上面的理論分析已經(jīng)得出了行使里程與氣缸壓力的關(guān)系式，下面需要找出實(shí)際使用環(huán)境條件下車輛發(fā)動(dòng)機(jī)壽命隨氣缸壓力的函數(shù)關(guān)系式（即使用環(huán)境綜合修正系數(shù)欠的具體數(shù)值）。

將CDS001實(shí)際測得的5組數(shù)據(jù)的平均值和對(duì)應(yīng)的行使里程數(shù)值輸入MATLAB軟件，通過采用最小二乘的：次曲線擬合，得出實(shí)際條件下發(fā)動(dòng)機(jī)壽命與氣缸壓力的關(guān)系曲線圖3。圖3中所標(biāo)示的5個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)壽命隨氣缸壓力的變化曲線。從圖中可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力值的逐漸減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命也將減少。

本文將在西藏試驗(yàn)點(diǎn)測得的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力數(shù)值與在內(nèi)地平原地區(qū)（天津）測得的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力數(shù)值進(jìn)行對(duì)比（量缸表測量數(shù)據(jù)見表4所示），就可以得出該地區(qū)（西藏）相對(duì)于內(nèi)地平原地區(qū)（天津）的使用條件綜合修正系數(shù)欠。通過比較，本文分別得出了5次測量數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的使用條件綜合修正系數(shù)K，經(jīng)取平均，得出CDSO01綜合修正系數(shù)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(shù)尤的數(shù)值在2.51?2.53之間，取平均值后可以得出該地區(qū)（西藏）的使用條件綜合修正系數(shù)A：值為2.5202。

在實(shí)際工作中，K值的確定比較困難，筆者通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出K值，具體方法是：每間隔4000?5000km對(duì)被測車輛（西藏試驗(yàn)點(diǎn)3輛車）的氣缸壓力進(jìn)行測量，并取其平均值，以得到15個(gè)氣缸壓力值，同時(shí)記錄每次車輛的行駛里程，數(shù)據(jù)如表5所示，接著計(jì)算兩次測量間的氣缸壓力差和里程差，在式（3）的基礎(chǔ)上求解方程即可得到試驗(yàn)車當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的K值，這樣可以得到15個(gè)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(qū)的樣本K值，如表6所示。

將綜合環(huán)境修正系數(shù)尤固定儲(chǔ)存于國內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)庫中，可作為某些地區(qū)內(nèi)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測的綜合修正因素；同時(shí)也可作為預(yù)測其他地區(qū)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的參考因素。

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

進(jìn)一步選取全國典型11個(gè)地區(qū)的環(huán)境系數(shù)進(jìn)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(fēng)速和海拔高度等因素作為環(huán)境相似因子，具體樣本數(shù)據(jù)如表7所示。

對(duì)上述環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后可以看出：貴港與南寧的自然環(huán)境特征最為相似，呼市與其相似程度最低。這也就是說，當(dāng)車輛行駛在貴港地區(qū)時(shí)，自然環(huán)境系數(shù)尤可參考南寧地區(qū)使用，就不需要在貴港地區(qū)實(shí)際測量了，節(jié)省了大量的人力物力，同時(shí)預(yù)測結(jié)果也符合實(shí)際情況。

7 結(jié)語

綜上可以看出，在同一地區(qū)、不同車輛的環(huán)境修正系數(shù)變化不大，已行駛里程數(shù)較大的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命平均預(yù)測提前量也較大；然而，不同地區(qū)、相近車況的環(huán)境修正系數(shù)明顯不同，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測提前量也不同，西藏地區(qū)的預(yù)測提前量均大于天津地區(qū)的預(yù)測提前量。西藏地區(qū)車輛應(yīng)更加注重保養(yǎng)和維修，以延長高原環(huán)境下車輛的使用壽命。

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