坦克發動機使用壽命的計算模型構建及應用

郭一鳴 陳春良 張仕新 徐玉國 周薔

摘要：為了科學評估確定新型坦克發動機的使用壽命，并充分發揮其應有效能，避免維修不足或維修過剩造成的經濟損失，本文以某新型坦克發動機為研究對象，在研究影響發動機使用壽命的因素及其已有數據的基礎上，建立發動機使用壽命計算模型并求解該型發動機使用壽命，探討延長發動機使用壽命的可能性，對充分發揮發動機的固有可靠性，提高經濟效益具有現實意義。

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.

關鍵詞：坦克發動機;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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0273-04

0? 引言

目前，我軍主戰坦克發動機在維修方式上仍以傳統的“定時維修”為主[1]，通常以某舊式坦克發動機大修期作為參考，對于新型主戰坦克的發動機進行大修，這樣的做法是否科學合理值得商榷和探討。

本文以某新型主戰坦克發動機為研究對象，根據發動機的耗損故障規律，找出影響發動機壽命的關鍵因素，建立使用壽命的計算模型，通過發動機的相關數據計算其使用壽命，為是否能夠延長坦克發動機使用壽命提供理論依據。

大量使用和試驗表明，機械設備或零部件如坦克發動機的故障規律符合圖1所示。該曲線劃分成早期故障期，隨機故障期和耗損故障期三個階段。因此，計算出坦克發動機固有的使用壽命，并在坦克發動機關鍵零部件進入耗損期時進行大修，既能夠防止大量故障出現，又能減少維修工作量。

1? 坦克發動機使用壽命影響因素分析

坦克發動機隨著使用時間的增加，在各種應力的作用下，造成零件的磨損、疲勞、變形、斷裂、腐蝕、老化，其技術狀態會逐漸劣化，導致其動力性能和燃油經濟性能下降或發生故障。當發動機的技術狀況到達極限狀態時，即認為發動機達到了使用壽命。此時應決定柴油機進行大修或“退役”。因此，科學地評估柴油機的技術狀況、合理確定柴油機的使用壽命是進行維修決策的基礎。坦克發動機的技術狀況，是指發動機的工作能力、技術完好狀態以及符合技術文件規定的各項技術指標的程度。目前對坦克發動機技術狀況的評估主要是依據車輛履歷簿記載的摩托小時數。當發動機使用摩托小時達到規定的維修間隔期時，即進行相應級別的維修。但是，不同的裝備柴油機使用環境及工況是不同的，如：有的在熱帶地區使用，有的在寒冷地區使用，有的經常處于多灰塵下工作，有的在高原上工作;有的使用環境雖然相同，但具體使用工況不同。這些因素導致了在相同的摩托小時下，不同發動機的實際技術狀況是不一樣的，因此，坦克發動機履歷簿上記錄的摩托小時，不一定真實反映發動機機的技術狀況，單純以摩托小時來確定柴油機的使用壽命是不準確的，因此，要重點考慮影響坦克發動機使用壽命的因素進而進行壽命評估計算。其中，零部件的磨損量是決定發動機使用壽命的最主要因素，是評價發動機使用時間的直接參數[2-3]，如曲軸連桿的疲勞裂紋，主要耐磨件的磨損等。

根據坦克發動機使用過程中零部件磨損的特點，利用發動機主要耐磨件的磨損量以及關鍵零部件的最大允許耐磨量等數據，建立坦克發動機使用壽命計算模型，從而得出坦克發動機的使用壽命。

采取發動機主要耐磨件的耐磨壽命，預計發動機使用壽命，基于以下兩點考慮。

一是從發動機的設計原理出發，坦克發動機是漸變式劣化產品，除難以預防的隨機故障外，發動機的故障過程一般服從于浴盆曲線。隨著發動機使用時間增加，一些工作時間較長的零部件如缸套、活塞、曲軸軸徑[4-5]等磨損嚴重，造成發動機工況迅速下降，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，則可以認為該發動機已到達極限技術狀況，從而進行大修或者報廢。

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

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

2? 坦克發動機使用壽命計算模型的建立

2.1 傳統耐磨件壽命計算方法

在計算柴油機等大型機械產品的主要耐磨件壽命時，可以采用傳統的計算方法，即將耐磨件的磨損速率和最大允許磨損量當作定值進行處理，設耐磨件的壽命為

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

坦克發動機耐磨件的可靠度是指其在規定時間t內和規定條件下，完成規定功能的概率，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際磨損量的概率。

設在一定時間t內，耐磨件的實際磨損量為H=W（t），最大允許磨損量設X。由坦克發動機生產部門可知，由于在生產過程中，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服從某種分布。坦克發動機在使用過程中，在一定時間內其耐磨件的實際磨損量也各不相同，可能服從某種分布[9-10]。

可以依據發動機耐磨件實際磨損量的隨機分布函數和最大允許磨損量的隨機分布函數，以及上述規定的可靠度要求，可得出耐磨件的可靠度函數，即

通過調研統計，對一批次的該新型坦克發動機缸套實際磨損量均值統計數據如表1。

以坦克發動機摩托小時數為變量，缸套磨損量為因變量，利用MATLAB軟件對數據進行多種函數擬合處理，得到三種擬合程度較高的函數關系，分別如圖2、圖3、圖4所示。

對三種函數關系進行誤差比較，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函數關系進行計算。

若要求耐磨件的工作可靠度為R，那么

當耐磨件的實際可靠度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]。

在坦克發動機工作環境中，大多數磨損件的實際磨損量服從正態分布[10-11]，因此，可以進一步推導磨損件的可靠度函數。

設實際磨損量 的概率密度函數為：

由工廠生產發動機統計數據規律知，發動機耐磨件的最大允許耐磨量也服從正態分布，設最大允許耐磨量X的概率密度函數為：

其中，？滋t、？滋x和？滓t、？滓x分別是相應的實際磨損量與最大允許磨損量的數學期望和標準差。

設磨損件出廠時允許磨損量在一定范圍內，為X±？駐X，由于滿足正態分布，其標準差為：

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

3? 某新型坦克發動機使用壽命計算

經咨詢專家，該新型坦克發動機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，可以初步預計坦克發動機的使用壽命。

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

4? 結論

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

參考文獻：

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