發動機可靠性設計分析

王德芬 楊賀緒

摘要：為了提高發動機的運行可靠性，不斷完善發動機的功能，越來越多的高精尖技術被應用到發動機的可靠性設計中，當前對于在發動機的可靠性設計方面受到了越來越多的關注。本文對發動機可靠性設計分析的研究現狀及其可靠性設計分析的思路進行了概括。從發動機可靠性的優化設計、發動機的可靠性靈敏度分析及發動機可靠性的穩健設計等三個方面對發動機可靠性的設計方法進行了研究，并對發動機可靠性的設計技術進行了總結，研究內容對于提高發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

在當前社會經濟的發展過程中，發動機已經成為了影響國民經濟的非常重要的因素，隨著當前科學技術的不斷發展，工業化產品的競爭越來越復雜，設備的運行可靠性成為了產品的競爭過程中關鍵因素。發動機的可靠性指的是特定的內部結構在一定的環境條件下與時間跨度內維持預期的功能的能力?，F代機械正朝著精密化、高效化、信息化以及智能化的方向發展，為了提高發動機的運行可靠性，不斷完善發動機的功能，越來越多的高精尖技術被應用到發動機的可靠性設計中。當前對于在發動機的可靠性設計方面受到了越來越多的關注。徐凱等[1]對發動機可靠性技術的研究現狀進行了總結，從發動機零部件的可靠性設計方法、發動機系統的可靠性評估及發動機的可靠性試驗方法對發動機的可靠性技術上進行了研究，并對發動機可靠性技術的發展進行了展望。王建平等[2]對發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。

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

1 ?發動機可靠性設計思路

發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。在發動機的可靠性設計過程中，對可靠性試驗中相關數據的分析尤為重要，這些試驗數據是確定發動機設計參數的重要基礎。從本質上來說，發動機的可靠性設計原理就是通過對發動機的可靠性指標的控制來提高發動機的性能與長期運行穩定性。發動機的可靠性設計，不僅僅是對發動機結構的優化設計，還需要保證發動機產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容。定性設計主要是指在發動機的設計階段，通過以其中某些相關的成功設計經驗為參考，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，提高發動機的綜合設計水平。發動機的定性設計還包括可能對發動機的整體質量造成影響的各種外界因素分析以及各個發動機結構可能發生的故障預測與風險評估，針對這些可能發生的故障與評估得到的風險制定相應的改善方案，將對發動機的質量造成不利影響的各種因素逐一消除。發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函數演算推演。在發動機可靠性設計的定量設計中，可以將發動機的強度參數，受到的應力參數當成隨機變量，通過特定的推演計算，結合隨機變量估算發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 ?發動機可靠性設計方法

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

2.1 發動機的可靠性優化設計

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并在發動機的設計加工中得到廣泛的應用，極大的提高了現代發動機的設計質量，也縮短了從發動機設計到其產品實現的周期。另一方面，社會的發展，使得人們對發動機的性能、安全性以及可靠性等方面有了更高的要求，也加速了發動機的更新換代，為了更好推動發動機可靠性設計的發展，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，發動機優化設計的概念逐漸形成，它較好的實現了數學規劃與計算機技術的融合，對一些現代化大型、復雜、精密儀器設計質量的提高大有裨益。發動機可靠性設計的內涵逐漸豐富，其主要包括質量優化、成本優化以及可靠度優化三個層次的內容;具體來說就是，發動機可靠性優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在盡可能短的時間內實現較高質量的發動機設計制造。

2.2 發動機的可靠性靈敏度分析

近年來隨著人們對發動機綜合性能要求的不斷提高，發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，在進行新的發動機產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，當發生設計變更時需要再次進行試驗。因此，發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，現代機械復雜程度越來越高，其中需要考慮的數學參數與物理參數不斷增多，而發動機可靠性靈敏度設計正是要通過相關的研究與規劃來保證這些參數在允許的范圍內。較為常見的一些發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函數法等。

發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容，發動機可靠性靈敏度設計能夠得到所需的產品參數，有助于針對性的進行優化設計，從而提高發動機產品的綜合性能。

2.3 發動機的可靠性穩健設計

發動機的總體質量可以分為內部質量與外部質量，因此從質量控制的角度來說，在發動機的設計制造過程中需要同時保證內部質量與外部質量兩個方面。具體來說，內部質量指的是發動機的綜合性能與穩健性;外部質量通常是用戶可以通過觀感直接掌握的一些質量特征。為了保證發動機的內部質量，就需要設計方法與設計理念上進行綜合層次的保障，進而提高發動機的整體質量。

現階段，發動機的可靠性穩健設計的常用模式主要包括以經驗為主的設計模式或者半經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化等幾種模式。具體而言，傳統的發動機穩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化設計的機械穩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動機穩健性設計水平的提高。從某種程度上來說，發動機可靠性穩健設計與發動機可靠性靈敏度設計是相輔相成的，通過發動機可靠性靈敏度設計可以找出影響產品綜合質量的各種因素，從而為針對性的優化方案的制定奠定了基礎，也為發動機可靠性穩健設計創造了條件。

3 ?發動機可靠性設計技術與應用

3.1 技術原理

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

對于發動機零部件的可靠性設計而言，是將發動機的載荷、發動機的材料性能及結構參數用一函數來進行表示，通常會建立一種應力-強度的干涉模型。通常在發動機的結構設計中已經將發動機的優化設計技術、有限元設計技術及可靠性設計技術結合起來，這已經成為一種發展趨勢，未來會取得越來越廣泛的應用。

對于發動機系統的可靠性評估分析技術，主要的方法包括數學模型評估法、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設計過程中對可能造成系統故障的各種因素進行分析確認，從而對系統的故障原因進行確認。

3.2 技術應用

隨著現代社會機械化程度的提高，各種自動化設備得到快速普及，發動機可靠性設計的實踐應用也越來越成熟?，F階段，發動機可靠性設計多集中在大功率產品設計、發動機結構易損件壽命的提高和保持發動機結構運轉參數穩定等方面，而發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的。一般情況下，發動機的主要承載部件在日常工作狀態中會受到相關的應力影響，在長時間的動載荷作用下經常出現疲勞斷裂、磨損以及銹蝕等失效問題，進而影響到發動機的正常使用，導致發動機出現可靠性不良的問題。

因此，發動機可靠性設計在現實中的應用就是將發動機的主要結構在工作狀態中的應力分析，發動機各部件的強度分析以及發動機的長期運轉性能與可靠性進行有機融合，結合概率運算，為發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，結合對發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構或零部件失效的統計研究，從而最終確定發動機的可靠性指標，并在生產制造環節加強對這些發動機可靠性指標的控制。

4 ?結語

總而言之，發動機的可靠性設計既是一項基礎性的技術工程，又是發動機綜合性能以及長期運轉可靠性的根本保證。本文對發動機可靠性設計分析的研究現狀及其可靠性設計分析的思路進行了概括。從發動機可靠性的優化設計、發動機的可靠性靈敏度分析及發動機可靠性的穩健設計等三個方面對發動機可靠性的設計方法進行了研究，并對發動機可靠性的設計技術機器具體應用進行了總結，研究內容對于提高發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.發動機可靠性技術的應用及展望[J].小型內燃機，1998（02）：11-15，32.

[2]王建平，賈東明.固體發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。