坦克發(fā)動機(jī)使用壽命的計算模型構(gòu)建及應(yīng)用

郭一鳴 陳春良 張仕新 徐玉國 周薔

摘要：為了科學(xué)評估確定新型坦克發(fā)動機(jī)的使用壽命，并充分發(fā)揮其應(yīng)有效能，避免維修不足或維修過剩造成的經(jīng)濟(jì)損失，本文以某新型坦克發(fā)動機(jī)為研究對象，在研究影響發(fā)動機(jī)使用壽命的因素及其已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立發(fā)動機(jī)使用壽命計算模型并求解該型發(fā)動機(jī)使用壽命，探討延長發(fā)動機(jī)使用壽命的可能性，對充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的固有可靠性，提高經(jīng)濟(jì)效益具有現(xiàn)實(shí)意義。

Abstract： In order to scientifically assessment to determine the service life of the tank engine and give full play to its effective energy and avoid the economic losses caused by insufficient maintenance or over-repair， this article takes the new type tank engine as the object of research ，and studies the factors affecting the service life of the engine and the relevant data. On the basis of the establishment of the engine life calculation model and the solution result of a new type engine life， to explore the possibility of extending the engine overhaul interval， it is of practical significance to give full play to the inherent reliability of the engine and improve economic efficiency.

關(guān)鍵詞：坦克發(fā)動機(jī);使用壽命;計算模型;新型

Key words： tank engine;service life;calculation model;new type

中圖分類號：TJ01? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0273-04

0? 引言

目前，我軍主戰(zhàn)坦克發(fā)動機(jī)在維修方式上仍以傳統(tǒng)的“定時維修”為主[1]，通常以某舊式坦克發(fā)動機(jī)大修期作為參考，對于新型主戰(zhàn)坦克的發(fā)動機(jī)進(jìn)行大修，這樣的做法是否科學(xué)合理值得商榷和探討。

本文以某新型主戰(zhàn)坦克發(fā)動機(jī)為研究對象，根據(jù)發(fā)動機(jī)的耗損故障規(guī)律，找出影響發(fā)動機(jī)壽命的關(guān)鍵因素，建立使用壽命的計算模型，通過發(fā)動機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)計算其使用壽命，為是否能夠延長坦克發(fā)動機(jī)使用壽命提供理論依據(jù)。

大量使用和試驗(yàn)表明，機(jī)械設(shè)備或零部件如坦克發(fā)動機(jī)的故障規(guī)律符合圖1所示。該曲線劃分成早期故障期，隨機(jī)故障期和耗損故障期三個階段。因此，計算出坦克發(fā)動機(jī)固有的使用壽命，并在坦克發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)入耗損期時進(jìn)行大修，既能夠防止大量故障出現(xiàn)，又能減少維修工作量。

1? 坦克發(fā)動機(jī)使用壽命影響因素分析

坦克發(fā)動機(jī)隨著使用時間的增加，在各種應(yīng)力的作用下，造成零件的磨損、疲勞、變形、斷裂、腐蝕、老化，其技術(shù)狀態(tài)會逐漸劣化，導(dǎo)致其動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能下降或發(fā)生故障。當(dāng)發(fā)動機(jī)的技術(shù)狀況到達(dá)極限狀態(tài)時，即認(rèn)為發(fā)動機(jī)達(dá)到了使用壽命。此時應(yīng)決定柴油機(jī)進(jìn)行大修或“退役”。因此，科學(xué)地評估柴油機(jī)的技術(shù)狀況、合理確定柴油機(jī)的使用壽命是進(jìn)行維修決策的基礎(chǔ)。坦克發(fā)動機(jī)的技術(shù)狀況，是指發(fā)動機(jī)的工作能力、技術(shù)完好狀態(tài)以及符合技術(shù)文件規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的程度。目前對坦克發(fā)動機(jī)技術(shù)狀況的評估主要是依據(jù)車輛履歷簿記載的摩托小時數(shù)。當(dāng)發(fā)動機(jī)使用摩托小時達(dá)到規(guī)定的維修間隔期時，即進(jìn)行相應(yīng)級別的維修。但是，不同的裝備柴油機(jī)使用環(huán)境及工況是不同的，如：有的在熱帶地區(qū)使用，有的在寒冷地區(qū)使用，有的經(jīng)常處于多灰塵下工作，有的在高原上工作;有的使用環(huán)境雖然相同，但具體使用工況不同。這些因素導(dǎo)致了在相同的摩托小時下，不同發(fā)動機(jī)的實(shí)際技術(shù)狀況是不一樣的，因此，坦克發(fā)動機(jī)履歷簿上記錄的摩托小時，不一定真實(shí)反映發(fā)動機(jī)機(jī)的技術(shù)狀況，單純以摩托小時來確定柴油機(jī)的使用壽命是不準(zhǔn)確的，因此，要重點(diǎn)考慮影響坦克發(fā)動機(jī)使用壽命的因素進(jìn)而進(jìn)行壽命評估計算。其中，零部件的磨損量是決定發(fā)動機(jī)使用壽命的最主要因素，是評價發(fā)動機(jī)使用時間的直接參數(shù)[2-3]，如曲軸連桿的疲勞裂紋，主要耐磨件的磨損等。

根據(jù)坦克發(fā)動機(jī)使用過程中零部件磨損的特點(diǎn)，利用發(fā)動機(jī)主要耐磨件的磨損量以及關(guān)鍵零部件的最大允許耐磨量等數(shù)據(jù)，建立坦克發(fā)動機(jī)使用壽命計算模型，從而得出坦克發(fā)動機(jī)的使用壽命。

采取發(fā)動機(jī)主要耐磨件的耐磨壽命，預(yù)計發(fā)動機(jī)使用壽命，基于以下兩點(diǎn)考慮。

一是從發(fā)動機(jī)的設(shè)計原理出發(fā)，坦克發(fā)動機(jī)是漸變式劣化產(chǎn)品，除難以預(yù)防的隨機(jī)故障外，發(fā)動機(jī)的故障過程一般服從于浴盆曲線。隨著發(fā)動機(jī)使用時間增加，一些工作時間較長的零部件如缸套、活塞、曲軸軸徑[4-5]等磨損嚴(yán)重，造成發(fā)動機(jī)工況迅速下降，并且這些零部件造價昂貴，不易修理更換，若這些部件磨損報廢，則可以認(rèn)為該發(fā)動機(jī)已到達(dá)極限技術(shù)狀況，從而進(jìn)行大修或者報廢。

二是坦克發(fā)動機(jī)的工作性能與發(fā)動機(jī)缸套-活塞、曲軸主軸頸-軸承等之間的間隙密切相關(guān)。隨著發(fā)動機(jī)的不斷使用，這些主要運(yùn)動副間隙逐漸變大，造成漏氣、耗油量增加，功率下降、噪聲、振動等不良后果[6-7]，從而使發(fā)動機(jī)技術(shù)狀況下降，甚至導(dǎo)致整機(jī)報廢。

由以上兩點(diǎn)可以看出，主要耐磨件的磨損程度加大會對發(fā)動機(jī)的動力性、密封性等技術(shù)狀況產(chǎn)生不良影響，幾乎決定著坦克發(fā)動機(jī)的使用壽命，因此，通過計算發(fā)動機(jī)幾類主要耐磨件的耐磨壽命，即可預(yù)計出發(fā)動機(jī)在正常使用工況條件下的使用壽命。

2? 坦克發(fā)動機(jī)使用壽命計算模型的建立

2.1 傳統(tǒng)耐磨件壽命計算方法

在計算柴油機(jī)等大型機(jī)械產(chǎn)品的主要耐磨件壽命時，可以采用傳統(tǒng)的計算方法，即將耐磨件的磨損速率和最大允許磨損量當(dāng)作定值進(jìn)行處理，設(shè)耐磨件的壽命為

其中，w為耐磨件的最大允許磨損量，其大小由磨損件表面的允許磨損深度和形狀偏差;？滋為耐磨件的平均磨損速率。

2.2 以可靠性為中心的計算方法

坦克發(fā)動機(jī)耐磨件的可靠度是指其在規(guī)定時間t內(nèi)和規(guī)定條件下，完成規(guī)定功能的概率，是可靠性的概率度量[8]。

為了知曉耐磨件在最大允許磨損量的條件下能夠使用多長時間，把耐磨件在某一時刻的可靠度定義為最大允許磨損量大于實(shí)際磨損量的概率。

設(shè)在一定時間t內(nèi)，耐磨件的實(shí)際磨損量為H=W（t），最大允許磨損量設(shè)X。由坦克發(fā)動機(jī)生產(chǎn)部門可知，由于在生產(chǎn)過程中，耐磨件的工藝、加工處理等方面的差異，使每批次耐磨件的最大允許磨損量在一定的范圍內(nèi)服從某種分布。坦克發(fā)動機(jī)在使用過程中，在一定時間內(nèi)其耐磨件的實(shí)際磨損量也各不相同，可能服從某種分布[9-10]。

可以依據(jù)發(fā)動機(jī)耐磨件實(shí)際磨損量的隨機(jī)分布函數(shù)和最大允許磨損量的隨機(jī)分布函數(shù)，以及上述規(guī)定的可靠度要求，可得出耐磨件的可靠度函數(shù)，即

通過調(diào)研統(tǒng)計，對一批次的該新型坦克發(fā)動機(jī)缸套實(shí)際磨損量均值統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1。

以坦克發(fā)動機(jī)摩托小時數(shù)為變量，缸套磨損量為因變量，利用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行多種函數(shù)擬合處理，得到三種擬合程度較高的函數(shù)關(guān)系，分別如圖2、圖3、圖4所示。

對三種函數(shù)關(guān)系進(jìn)行誤差比較，計算得出它們的殘差分別為3.95，3.45，3.15。為驗(yàn)證模型的可行性以及盡可能地減小誤差，選擇后兩種磨損量與摩托小時數(shù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計算。

若要求耐磨件的工作可靠度為R，那么

當(dāng)耐磨件的實(shí)際可靠度R（ti）接近要求的工作可靠度R時，可以求出耐磨件的可靠壽命，即ti。一般取R=0.99[10-11]。

在坦克發(fā)動機(jī)工作環(huán)境中，大多數(shù)磨損件的實(shí)際磨損量服從正態(tài)分布[10-11]，因此，可以進(jìn)一步推導(dǎo)磨損件的可靠度函數(shù)。

設(shè)實(shí)際磨損量 的概率密度函數(shù)為：

由工廠生產(chǎn)發(fā)動機(jī)統(tǒng)計數(shù)據(jù)規(guī)律知，發(fā)動機(jī)耐磨件的最大允許耐磨量也服從正態(tài)分布，設(shè)最大允許耐磨量X的概率密度函數(shù)為：

其中，？滋t、？滋x和？滓t、？滓x分別是相應(yīng)的實(shí)際磨損量與最大允許磨損量的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差。

設(shè)磨損件出廠時允許磨損量在一定范圍內(nèi)，為X±？駐X，由于滿足正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)差為：

對于給定的耐磨件可靠度R，即可通過聯(lián)立上述公式計算得出耐磨件的可靠壽命tR。

3? 某新型坦克發(fā)動機(jī)使用壽命計算

經(jīng)咨詢專家，該新型坦克發(fā)動機(jī)缸套最大允許磨損深度為130+5？滋m，則允許磨損量的均值為?通過計算缸套在最大允許磨損深度條件下的使用壽命，可以初步預(yù)計坦克發(fā)動機(jī)的使用壽命。

從計算結(jié)果來看，在坦克發(fā)動機(jī)正常工況下，采用不同的缸套磨損量與摩托小時數(shù)的函數(shù)關(guān)系，坦克發(fā)動機(jī)的使用壽命均長于發(fā)動機(jī)大修時間，在不考慮其他人為、工作環(huán)境等因素的情況下是有可能的，說明該模型是可行的，同時也為坦克發(fā)動機(jī)延長使用壽命提供了理論支持。

4? 結(jié)論

坦克發(fā)動機(jī)的使用壽命不僅僅與發(fā)動機(jī)自身耐磨件的磨損情況有關(guān)，還與其工作的環(huán)境，主要部件的故障模式息息相關(guān)。因此，坦克發(fā)動機(jī)的使用壽命最好是通過多種因素進(jìn)行分析確定。本文依據(jù)發(fā)動機(jī)耗損故障規(guī)律，結(jié)合某新型坦克發(fā)動機(jī)具體規(guī)程要求，通過構(gòu)建的坦克發(fā)動機(jī)使用壽命計算模型，得出某新型坦克發(fā)動機(jī)的固有使用壽命。從計算結(jié)果上看，該型坦克發(fā)動機(jī)的使用壽命比規(guī)定的傳統(tǒng)大修期約長200～220摩托小時，因此，目前是否仍延續(xù)某舊型坦克發(fā)動機(jī)的大修期進(jìn)行定時維修值得商榷和討論。一般來說，坦克發(fā)動機(jī)耐磨件的磨損程度基本決定了其使用壽命，因此，本文構(gòu)建的計算壽命模型具有可行性，對發(fā)動機(jī)延長使用壽命也可能夠提供較好的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳春良，張仕新，等.裝備維修保障概論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016.

[2]靳瑩，喬新勇，顧程.坦克發(fā)動機(jī)技術(shù)狀況檢測與評價方法研究[J].中國測試，2016，42（9）：6-10.

[3]劉建敏，喬新勇，等.裝甲車輛柴油機(jī)技術(shù)狀態(tài)評價與預(yù)測方法研究[M].北京：裝甲兵工程學(xué)院，2015.

[4] 廖俊雄，陳振雷，等.某發(fā)動機(jī)活塞強(qiáng)度與疲勞分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2019，41（1）：163-168.

[5]張利敏，王根全，等.某型柴油機(jī)活塞銷軸承磨損分析及表面型線設(shè)計[J].兵工學(xué)報，2018，39（10）：1892-1890.

[6]曹艷華，陳春良，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)趨勢預(yù)測的裝甲車輛柴油機(jī)壽命預(yù)測[J].北京：裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2014，28（5）：29-33.

[7]曹艷華，陳春良，等.基于PCA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝甲車輛柴油機(jī)狀態(tài)評估[J].計算機(jī)測量與技術(shù)，2012，20（7）：1892-1894.

[8]張耀輝，張仕新，李勇，等.裝備維修工程[M].裝甲兵工程學(xué)院，2014.

[9]林瑞霖，張志明，吳家明，等.柴油機(jī)自然壽命分析[J].海軍工程大學(xué)，2004，16（4）：43-47.

[10]林瑞霖.船用柴油機(jī)使用壽命確定方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2011，23（6）：66-71.