發(fā)動機可靠性設計分析

王德芬 楊賀緒

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

關鍵詞：發(fā)動機;可靠性;設計分析

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

0 ?引言

在當前社會經(jīng)濟的發(fā)展過程中，發(fā)動機已經(jīng)成為了影響國民經(jīng)濟的非常重要的因素，隨著當前科學技術的不斷發(fā)展，工業(yè)化產(chǎn)品的競爭越來越復雜，設備的運行可靠性成為了產(chǎn)品的競爭過程中關鍵因素。發(fā)動機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)維持預期的功能的能力。現(xiàn)代機械正朝著精密化、高效化、信息化以及智能化的方向發(fā)展，為了提高發(fā)動機的運行可靠性，不斷完善發(fā)動機的功能，越來越多的高精尖技術被應用到發(fā)動機的可靠性設計中。當前對于在發(fā)動機的可靠性設計方面受到了越來越多的關注。徐凱等[1]對發(fā)動機可靠性技術的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，從發(fā)動機零部件的可靠性設計方法、發(fā)動機系統(tǒng)的可靠性評估及發(fā)動機的可靠性試驗方法對發(fā)動機的可靠性技術上進行了研究，并對發(fā)動機可靠性技術的發(fā)展進行了展望。王建平等[2]對發(fā)動機的可靠性設計面臨的問題及解決方法進行了探討，確定了一種可靠性試驗方案，為發(fā)動機的可靠性設計提供了一種全新的設計思路。劉海年等[3]對航空發(fā)動機的可靠性設計方法進行了研究，對可靠性設計與驗證工作流程、可靠性設計方法、可靠性試驗方案設計方法、成品可靠性試驗方法及成品可靠性評估方法進行概述。

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

1 ?發(fā)動機可靠性設計思路

發(fā)動機械可靠性設計工作需要以大量的物理學理論研究和可靠性試驗為基礎，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)動機的可靠性設計過程中，對可靠性試驗中相關數(shù)據(jù)的分析尤為重要，這些試驗數(shù)據(jù)是確定發(fā)動機設計參數(shù)的重要基礎。從本質(zhì)上來說，發(fā)動機的可靠性設計原理就是通過對發(fā)動機的可靠性指標的控制來提高發(fā)動機的性能與長期運行穩(wěn)定性。發(fā)動機的可靠性設計，不僅僅是對發(fā)動機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，還需要保證發(fā)動機產(chǎn)品具有較長的使用壽命以及良好的工作性能。

從物理指標角度來說，發(fā)動機的可靠性設計主要包括定性設計與定量設計兩個方面的內(nèi)容。定性設計主要是指在發(fā)動機的設計階段，通過以其中某些相關的成功設計經(jīng)驗為參考，或者就以往的某些失敗案例進行進一步的研究與思考，以獲得優(yōu)化性的解決方案，通過取長補短的方式減少設計缺陷，提高發(fā)動機的綜合設計水平。發(fā)動機的定性設計還包括可能對發(fā)動機的整體質(zhì)量造成影響的各種外界因素分析以及各個發(fā)動機結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的故障預測與風險評估，針對這些可能發(fā)生的故障與評估得到的風險制定相應的改善方案，將對發(fā)動機的質(zhì)量造成不利影響的各種因素逐一消除。發(fā)動機可靠性的定量設計主要包括應力計算、強度計算以及對模型的干涉分析等，并以此為基礎進行其機械性能失效的狀態(tài)函數(shù)演算推演。在發(fā)動機可靠性設計的定量設計中，可以將發(fā)動機的強度參數(shù)，受到的應力參數(shù)當成隨機變量，通過特定的推演計算，結(jié)合隨機變量估算發(fā)動機功能的失效概率與可靠度評估，確定機械設計方案的可行性。

2 ?發(fā)動機可靠性設計方法

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

2.1 發(fā)動機的可靠性優(yōu)化設計

隨著近年來科技的進步，新材料、新技術以及新的加工工藝等不斷出現(xiàn)并在發(fā)動機的設計加工中得到廣泛的應用，極大的提高了現(xiàn)代發(fā)動機的設計質(zhì)量，也縮短了從發(fā)動機設計到其產(chǎn)品實現(xiàn)的周期。另一方面，社會的發(fā)展，使得人們對發(fā)動機的性能、安全性以及可靠性等方面有了更高的要求，也加速了發(fā)動機的更新?lián)Q代，為了更好推動發(fā)動機可靠性設計的發(fā)展，需要從設計理論與設計技術等方面進行深入的研究。在此背景下，發(fā)動機優(yōu)化設計的概念逐漸形成，它較好的實現(xiàn)了數(shù)學規(guī)劃與計算機技術的融合，對一些現(xiàn)代化大型、復雜、精密儀器設計質(zhì)量的提高大有裨益。發(fā)動機可靠性設計的內(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)動機可靠性優(yōu)化設計是提高其綜合指標的必要手段，它能夠保證相關企業(yè)在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)較高質(zhì)量的發(fā)動機設計制造。

2.2 發(fā)動機的可靠性靈敏度分析

近年來隨著人們對發(fā)動機綜合性能要求的不斷提高，發(fā)動機可靠性的靈敏度分析設計也得到了更多的關注。通常情況下，在進行新的發(fā)動機產(chǎn)品設計時需要針對各個設計方案進行試驗驗證，以確定設計方案的可行性與預期效果，當發(fā)生設計變更時需要再次進行試驗。因此，發(fā)動機的可靠性靈敏度設計是一項需要大量時間資源的工作。此外，現(xiàn)代機械復雜程度越來越高，其中需要考慮的數(shù)學參數(shù)與物理參數(shù)不斷增多，而發(fā)動機可靠性靈敏度設計正是要通過相關的研究與規(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)動機可靠性靈敏度設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)動機可靠性靈敏度設計其實就是在其可靠性設計的基礎上融入靈敏度設計的內(nèi)容，發(fā)動機可靠性靈敏度設計能夠得到所需的產(chǎn)品參數(shù)，有助于針對性的進行優(yōu)化設計，從而提高發(fā)動機產(chǎn)品的綜合性能。

2.3 發(fā)動機的可靠性穩(wěn)健設計

發(fā)動機的總體質(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)動機的設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)動機的內(nèi)部質(zhì)量，就需要設計方法與設計理念上進行綜合層次的保障，進而提高發(fā)動機的整體質(zhì)量。

現(xiàn)階段，發(fā)動機的可靠性穩(wěn)健設計的常用模式主要包括以經(jīng)驗為主的設計模式或者半經(jīng)驗半理論的設計模式以及在工程模型的基礎上進行針對性優(yōu)化等幾種模式。具體而言，傳統(tǒng)的發(fā)動機穩(wěn)健性設計方法主要包括田口方法、響應面分析法和廣義模型法等;在工程模型的基礎上進行優(yōu)化設計的機械穩(wěn)健性設計方法主要包括隨機模型法與變差傳遞法。近年來，在計算機技術快速發(fā)展的推動下，CAD建模技術極大的促進了以工程模型為基礎的發(fā)動機穩(wěn)健性設計水平的提高。從某種程度上來說，發(fā)動機可靠性穩(wěn)健設計與發(fā)動機可靠性靈敏度設計是相輔相成的，通過發(fā)動機可靠性靈敏度設計可以找出影響產(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，也為發(fā)動機可靠性穩(wěn)健設計創(chuàng)造了條件。

3 ?發(fā)動機可靠性設計技術與應用

3.1 技術原理

發(fā)動機的可靠性設計技術主要包括其零部件的可靠性設計方法、發(fā)動機系統(tǒng)的可靠性設計評估及發(fā)動機可靠性試驗方法等方面的內(nèi)容。對于發(fā)動機零部件的可靠性設計方法，在傳統(tǒng)的設計過程中為了保證發(fā)動機的安全系數(shù)，通常發(fā)動機設計人員按照經(jīng)驗進行發(fā)動機安全系數(shù)的設定，這種設計過程中一般比較保守，所以發(fā)動機整體設計出來之后會顯得非常笨重。

對于發(fā)動機零部件的可靠性設計而言，是將發(fā)動機的載荷、發(fā)動機的材料性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)用一函數(shù)來進行表示，通常會建立一種應力-強度的干涉模型。通常在發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設計中已經(jīng)將發(fā)動機的優(yōu)化設計技術、有限元設計技術及可靠性設計技術結(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用。

對于發(fā)動機系統(tǒng)的可靠性評估分析技術，主要的方法包括數(shù)學模型評估法、上下限評估法、相似設備評估法、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。故障樹的分析技術通常是指在其系統(tǒng)設計過程中對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素進行分析確認，從而對系統(tǒng)的故障原因進行確認。

3.2 技術應用

隨著現(xiàn)代社會機械化程度的提高，各種自動化設備得到快速普及，發(fā)動機可靠性設計的實踐應用也越來越成熟?，F(xiàn)階段，發(fā)動機可靠性設計多集中在大功率產(chǎn)品設計、發(fā)動機結(jié)構(gòu)易損件壽命的提高和保持發(fā)動機結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)參數(shù)穩(wěn)定等方面，而發(fā)動機的整體可靠性保證是通過加強各個主要零部件的可靠性設計來實現(xiàn)的。一般情況下，發(fā)動機的主要承載部件在日常工作狀態(tài)中會受到相關的應力影響，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，進而影響到發(fā)動機的正常使用，導致發(fā)動機出現(xiàn)可靠性不良的問題。

因此，發(fā)動機可靠性設計在現(xiàn)實中的應用就是將發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)中的應力分析，發(fā)動機各部件的強度分析以及發(fā)動機的長期運轉(zhuǎn)性能與可靠性進行有機融合，結(jié)合概率運算，為發(fā)動機的整體可靠性設計奠定基礎。通過相關的耦合方程的計算，結(jié)合對發(fā)動機零部件組合方式與復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)動機的可靠性指標，并在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)加強對這些發(fā)動機可靠性指標的控制。

4 ?結(jié)語

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

參考文獻：

[1]徐凱，朱梅林.發(fā)動機可靠性技術的應用及展望[J].小型內(nèi)燃機，1998（02）：11-15，32.

[2]王建平，賈東明.固體發(fā)動機可靠性設計面臨的問題及其解決方法[J].固體火箭技術，2012，35（03）：339-343.

[3]劉海年，王志會，吳新，欒旭，李昌紅，張生.航空發(fā)動機成品可靠性設計與驗證方法研究及應用[J].航空科學技術，2017，28（07）：45-51.

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