退化試驗技術在內燃機壽命分析中的應用

羅松燦(1982—)，男，漢，工程師，本科，主要從事內燃機試驗技術管理工作。

0 前言

有些產品的磨損或性能的退化是可以測量出隨著時間變化而變化的相關參數，當產品的磨損或性能參數超過某個臨界值時，我們就認為其失效(Soft Failure-軟失效)

。退化試驗技術主要通過產品某些性能參數的退化值或某一失效表征值進行分析，從而得到產品的失效時間計算出B10壽命。內燃機系統零部件測試十分復雜，如果需要計算某零部件的B10壽命，就需要先知道其試驗失效時間。對于失效時間的確認,一般需要選取小樣本取樣測試，持續跟蹤

。由于內燃機可靠性試驗進行的都是截止試驗，有些零部件需要整機加速壽命試驗考核確認，可能在試驗過程沒有任何失效，無法對零部件失效行為作出評價

。如果繼續做到零部件的真正失效時間，需要投入大量的試驗資源。對于內燃機零部件的B10壽命計算而言十分困難。本文通過分析內燃機氣門間隙的磨損過程，并找到磨損可以被度量的參數，測量該參數隨時間的變化規律，應用退化試驗技術，通過統計方法分析并在威布爾坐標里表示出B10壽命。

1 基礎分析

1.1 磨損等性能參數隨著時間(里程)的變化規律可以被直接或間接的測量，有時候，參數可以直接測量得到，例如產品的退化磨損和金屬裂紋的長度等。

另外一些情況是，產品的退化情況不能直接測出，需要借助一些專業的設備或儀器進行測量，例如內燃機的功率、扭矩、尾氣排放、潤滑油的雜質含量等。

1.2 測量可以是實時測量或自定義測量時間；

1.3 各系統零部件磨損失效的極限程度有明確的定義；

1.4 當采用加速試驗驗證時，可以得到加速試驗和實際使用之間的加速因子；

1.5 測試在零部件正常運轉下進行，各系統零部件也處于正常狀態；

1.6 參數表達了產品的劣化強度，但是難以依據這些參數判斷產品的壽命，由于時間或資源的限制不可能做到所有產品的失效；

1.7 必修有足夠的樣本數量；

為了得到準確的實際運行時間，就需要計算出加速因子。我們在實際車速工況上采集發動機運行參數，再對應到加速壽命試驗工況中。將測試結果代入公式(1)計算加速因子為3:1。實際車速為100km/h，那么加速壽命試驗相當于300km/h，即臺架每運行1小時相當于車輛行駛300km。

2 課題簡介

2.1 背景

某內燃機采用雙頂置凸輪軸配氣機構(圖1)，氣門間隙由不同厚度的杯型挺柱調節，整個機構為氣門、氣門座圈、杯型挺住、凸輪軸等系統零部件組成。其中任何一零部件的磨損都會對氣門間隙造成直接的影響。該發動機進氣門間隙設計調整值要求在0.2±0.02mm范圍內，工作過程失效限值為0.2±0.07mm。如果氣門間隙變化超出范圍值會引起內燃機怠速不穩抖動，油耗增加排放惡化，甚至造成內燃機無法正常啟動等故障，嚴重影響客戶感知。在后工程，如若在客戶使用過程短里程出現氣門間隙超差故障，會引起顧客抱怨，所以保證氣門間隙的高可靠性很重要。

教學課堂效率的高低對于學生的學習質量有著很大的影響，要提高教學質量，可以從課堂學習效率著手，教師和學生必須要重視課堂教學這一環節，為提高課堂教學效率，一是教師要提高自身的職業素養，加強自身對于數學知識的提高和職業道德的培養，以德育人，以德服人，以知識去改變人；其次，教師要幫助學生養成課前預習的習慣，讓學生培養自主學習的能力，并且讓他們帶著目的去學習，去努力；再者，教師要和學生共同努力，去創造一個良好的數學教學氛圍，讓學生在輕松愉快的學習氛圍中，去不斷地突破自我，開發出他們對于數學學習的最大限度.

該產品在第一輪產品設計驗證過程中氣門間隙在短里程內就出現了失效故障，未通過加速壽命試驗考核。研發測試工程師希望采用短周期開發驗證方案，準確預測產品壽命，快速推進質量問題解決。

2.2 目標與現狀

該內燃機氣門間隙的B10壽命設計值為15萬km。產品設計驗證階段要求加速壽命試驗過程中每50h對氣門間隙變化情況進行持續監控測量，在加速壽命驗證初期探測到進氣門間隙隨著試驗進展呈現逐漸變小的趨勢，其中3、4號進氣門間隙運行到150h已磨損到了失效限值，當量里程大約4.5萬公里，進氣門間隙壽命未達到設計使用壽命要求。為此產品研發部門制定三套氣門間隙系統零部件的整改方案，需要快速驗證新方案的磨損失效時間和B10壽命，以此為依據確定最終的系統零部件的設計方案。

2.3 驗證方案制定

按照常規試驗需要運行600h以上才能確認改進效果，如果每一種設計方案一直做到產品磨損失效可能需要投入大量的試驗資源和時間。為了快速得到產品磨損失效時間和B10壽命，我們采用了退化試驗技術。根據氣門間隙磨損隨試驗時間的變化規律，制定退化試驗方案。因臺架試驗資源限制，三套設計方案只能依次開展，計劃每種設計方案進行200h的加速壽命試驗，快速預測改進后系統零部件的磨損失效時間。再根據失效時間利用統計學工具計算出系統零部件的B10壽命。本文以其中一種設計方案的驗證過程為案例，具體展開驗證分析過程。

3 試驗準備

3.1 試驗內燃機

3.1.1 試驗使用全新的發動機，試驗前確認發動機各項性能已經符合技術條件要求，裝配新方案系統零部件并按技術要求調整好氣門間隙，記錄氣門間隙初始數據，記錄各氣門杯型挺柱的尺寸編號；

當時北京大學副校長、平民學校校長岳素蘭等校領導在畢業典禮上為我們頒發榮譽證書，教導我們要好好珍惜在北大的學習機會，努力提高自己的工作能力，為今后的人生發展奠定基礎。

3.1.2 被測發動機各系統各部件的性能和尺寸應符合圖紙要求；

3.1.3 使用工裝節溫器，節溫器固定在全開位置；

3.1.4 使用車用空氣濾清器，性能應符合圖紙要求；

c．內燃機機油溫度壓力的測量：測量主要道處機油溫度壓力。機油溫度控制在120℃以下。

3.1.5 裝配車用后處理系統。

目前，對紫花苜蓿內生細菌(來自根瘤、種子、根、莖、葉和花等)和非內生細菌(來自土壤)種群的遺傳多樣性進行綜合研究較少。通過分離和鑒定甘肅省3個不同栽培區域5個紫花苜蓿品種的內生和非內生細菌，并對其遺傳多樣性和促生能力進行研究，旨在從整體水平上闡明內生和非內生細菌種群之間的聯系和多樣性差異。

3.2 試驗設備、儀器及測量位置

3.2.1 試驗設備

式中：

為實際運行時間；

為加速壽命試驗時間。

5.2.3 應用R語言工具計算出樣品磨損失效壽命；

3.2.2 測量位置及控制規定

a．內燃機冷卻液進出口溫度：距內燃機進出口總管50mm處。冷卻液出口溫度控制在93±2℃。

b．內燃機進氣溫度和進氣濕度：在距空氣濾清器的進氣口上游30mm處。進氣濕度控制在45%±10%，溫度控制在25±10℃。

之所以要對外來醫療器械進行重復使用,并且重視對其的處理工作,很大程度上是基于這一類型器械所凸顯的高成本、低消耗特性。如果醫院消毒供應中心可以對其進行統一處理,那么將極大地促進外來醫療機械在不同醫院中的流動使用與合理配置,這不僅可以降低醫院前期的資金投入,同時也有利于緩解患者的經濟壓力,對于整個社會資源的科學配置與合理利用大有助益,是助推我國醫療領域可持續發展的重要舉措之一。

d. 燃油溫度控制在25±5℃。

3.3 試驗方法

采用國標GB/T 19055-2003《內燃機可靠性試驗方法》中交變負荷的要求進行加速壽命試驗。加速因子計算如下：

a．測功裝置采用電力測功機系統信號采集頻率為10Hz。

1.8 基于指數分布、威布爾分布求解。

4 工作步驟

4.1 內燃機按要求完成臺架準備；

4.2 內燃機按要求完成磨合和性能檢測；

4.3 試驗前發動機處于停機狀態，開啟水恒溫單元水泵，調節發動機冷卻液出口溫度到30±2℃循環浸車30min后測量各缸進氣門間隙，并做好記錄；

隨著職業教育的發展，中職學校英語學科成為一門必修學科，英語口語表達成為一項必備的語言技能。然而，英語又是中職學生學習最為吃力的學科之一，大多數學生為此備受打擊，已不再奢望能學好英語，處在進退維谷的尷尬境地。由此，要重點樹立學生學習英語的信心和勇氣，培養學生學習英語的興趣，在教學中注入情感，用發展的眼光看待學生。同時借鑒專業教學的理念，任務引領、驅動，明確學習目標，搭建師生互動學習的平臺和學生展示的舞臺。再者，要尊重學生、愛護學生，建立和諧的師生關系，采用靈活的教學方法，定制學生的學習任務，讓每個學生學有所獲。

然而更難能可貴的是，如今的蠻牛簡直就像經過基因編輯的高科技產物，不僅超級兇猛，還超級體貼。特別是在賽道上，驅使蘭博基尼盡情飛馳早已不是駕駛高手的專利，而是更多普通駕駛者經過基本培訓之后能夠輕易享受并樂在其中的事情。這一點在蘭博基尼Esperienza駕駛體驗活動中體現得尤為明顯。

4.4 在主體試驗過程每50h按4.3要求測量氣門間隙；

4.5 試驗完成200h后整理數據，采用退化試驗技術分析預測氣門間隙的失效時間和B10壽命。

5 試驗結果及分析

5.1 試驗結果

表1為在新樣件在200h加速壽命試驗過程中每50h氣門間隙變化情況的測量結果。我們觀察到試驗到200h時改進后的氣門間隙磨損值還在正常范圍內，說明設計對策有效。其中4號6號7號氣門磨損值相對較少，說明系統處在較健康的階段。同時我們也觀察到整體氣門間隙因磨損都在逐漸變小，這說明磨損持續擴展，氣門間隙磨損至失效值只是時間的問題。

5.2 結果分析步驟

5.2.1 選取分析模型；

5.2.2 整理表1試驗測量數據，保存為datta.csv文件；

b．設備測量精度滿足GB/T 18297相關要求。

專業教育干預促進了社區藥師的道德推理能力的發展；評估加利福尼亞州藥學和醫學生的飲食和生活習慣；藥學生領導行為激勵因素的定性研究；提高藥學生健康素養和自信心的互動式多元化途徑；學生焦慮程度與考試合格率負相關；藥學前工作經驗對學生藥師職業認同的影響；學術道德，對于藥學生的誠信教育；改善藥學生的睡眠質量；職業機密性要求；健康知識與學習成績的關系；學生對溝通技巧的自我評估與教師對他們溝通技巧評估結果的比較。主要關注的是藥學生的身體和心理健康、學術道德、同情心、領導力的發展以及職業認同感。

發動機的可靠性始于劣化、失效研究，對于穩定生產工藝的一批發動機，其劣化、失效的時間具有統計規律性，即發動機發生劣化、失效的時間 (t) 是服從某一分布函數f (t)的隨機變量。用物理方法和數理統計方法對發動機的劣化、失效模式、影響因素及其規律進行分析，得出其故障分布規律。常見發動機零部件的劣化、失效(或壽命)分布規律有線性關系模型、指數關系模型和冪關系模型三種，針對氣門間隙的磨損劣化屬于熱疲勞沖擊產生的可維修劣化，發動機可維修的劣化，熱疲勞沖擊產生的劣化(如超載下工作或過熱造成的劣化)、正常使用下突發劣化(包括人為失誤造成的劣化和偶然性操作不當引起的劣化)，等均適用于指數分布的故障分布規律

。在此我們采用指數關系模型。

談到少數政府機關工作的弊病，我們最常聽到的一句話就是形式主義。所謂形式主義，就是只講形式，不求實效。一些老百姓內心想脫貧，但與少數干部接觸一段時間之后又煩扶貧，煩的也是形式主義。形式主義對發號施令的人沒什么，他反正是坐在空調房里、電腦桌旁，事情再多，也不要他去做。但群眾就不一樣了。你隨便做個決定很容易，群眾要實施這個決定，也許就忙得不可開交。正因為如此，任何時代，群眾都是最反感形式主義的，只是有時他們表現了出來，有時他們放在心里。

5.3 分析模型選取

5.2.4 應用Minitab軟件導入零部件磨損失效壽命數據生成Weibull曲線得出零部件的B10壽命。

指數分布密度函數為

f (t) = λ ·e-λ·t

(2)

可靠度函數為

2.5.2.5 生物防治將列當花莖切斷，切成1cm～3cm小段，再用刀劈傷斷茬，把碎花莖放于口上，用濕土覆蓋2cm～8cm，可誘集土壤中列當枯萎菌和軟腐等弱寄生菌，以誘殺消滅列當。

R(t) = e-λ·t

(3)

式中：λ為故障率。

中度水分虧缺對棉花果枝數影響較大。由圖2 d可以看出，整個生育期M3W1處理棉花果枝數顯著低于其他處理，果枝數從8月5日后趨于穩定。6月26日之前，除M3W1處理外，各處理間果枝數無顯著差異，6月26日之后，不同處理棉花果枝數表現為：M3W3>M3W2>M3W4>M3W1。

5.4 整理試驗數據

整理表1試驗測量數據，保存為datta.csv文件，操作步驟如下：首先用Excel打開datta.csv文件，將把表1氣門的退化數據填入該表，另存為“氣門. Csv”文件。

5.5 計算磨損壽命

打開R語言工具分析軟件，點擊菜單欄打開程序腳本，選取保存的datta.csv文件位置選取“計算器”打開生成R-R編輯器文件，修改為Data=read.Csv("D:退化試驗\氣門.csv",header=TRUE) 更改失效限定值cr=0.12 #(見圖2)。

選擇項目中的計算器，運行根目錄中“氣門. Csv”文件分析出氣門R console(控制臺)和退化VS時間的指數模型。在氣門Rconsole(控制臺)中計算出每個氣門間隙的磨損失效時間(圖3)，從圖3中我們看到最先失效的是1號氣門，失效時間為557h。7號氣門間隙壽命最長，失效時間為1615h。從計算結果可以看到如果我們要做到每個氣門間隙的磨損失效時間點，最長需要1615h，這樣需要投入巨大的試驗成本。

5.6 B10壽命分析

5.6.1 威布爾分布

威布爾分布是失效分布中常見的一類分布，它的應用最為廣泛

。威布爾分布密度函數為：

盡管大多數地球科學家贊賞地殼均衡在保持高地形的重要性，但許多人忘記了現今的巖石隆起大部分（85%）都歸功于已經被侵蝕或運移出該地形之外的物質均衡補償，而并非活動構造。

(4)

可靠度函數

(5)

式中：

為形狀參數；

為位置參數；

為尺度參數。

在加速壽命試驗中發動機的下列零部件劣化過程符合威布爾分布：串聯結構在較強外應力隨機作用下所發生的劣化，如油水系統和齒輪傳動系統的劣化；非串聯系統，零件劣化間相互關系密切，由傳播蔓延而導致的劣化，如滾珠軸承的劣化；磨損積累、疲勞積累和損耗積累逐漸產生的劣化

。氣門間隙屬于串聯結構磨損積累形式，因此也符合威布爾分布。

王飛：深圳市龍崗區實施政府資助學校這一新的辦學體制，的確是一個很好的探索。它不同于公辦學校，也不同于民辦學校，校長可以按照自己的想法辦學校。在這種頂層設計下，校長辦學有很大的權力，特別是用人機制比較靈活，可以提高教師隊伍的質量。

5.6.2 B10壽命分析

B10壽命是產品的工作時間點，產品工作到這個時間點后，預期有10%的產品將會發生故障。B10壽命的數學描述，假設某產品的故障累積函數(也可以稱為不可靠度函數，失效率)為F(t)，根據B10壽命的定義

：

F(B10)=10%

B(10)=F-1(0.1)

假設F(t)的概率密度函數為

(

)，則有：

(6)

假如我們通過試驗或實際使用獲取了某產品的壽命和使用數據，當數據量充分時，我們就可以利用這些數據對該產品的B10壽命進行評估，所采用的評估方法稱為B10壽命的評估方法。通常的做法是制作Weibull 分布的概率紙或用專門的軟件進行數據分析和處理。但是概率紙法過于繁瑣，下面介紹一種計算B10數值方法的軟件。使用Minitab軟件，選取R語言分析的失效時間數據，復制填入Minitab工作表，打開統計-可靠性/生存-分布分析(右刪失)-參數分布分析表生成Weibull分析曲線(圖4)。在Minitab軟件Weibull分析概率圖上單擊右鍵-添加-百分位數線-在Y軸填入10，求出改進后氣門間隙的B10壽命，由圖4我們看到改進后的氣門間隙B10壽命為513h，根據加速因子計算當量里程為15.4萬km，滿足15萬km的設計要求。

（2）分布式電源接入具有高度的靈活性，用戶可結合具體需要來采用這種模式，從而滿足自身的電力負荷需求。這種做法的弊端是，將會給規劃區整體負荷增長模型增加一些不確定因素，如此一來，電網工作人員一方面很難對電力負荷的實際增長予以精準預測，另一方面也很難對電力負荷的實際空間負荷分布情況進行摸底。由此可見，該模式的應用在一定程度上給電力負荷的相關預測工作制造了麻煩。

5.7 試驗驗證結果

為了驗證退化試驗結果的準確性我們對這臺內燃機繼續進行加速壽命試驗。通過驗證發動機運行到550h時1號氣門間隙為0.12mm已經超出允許值(表2)，試驗結果550h與退化試驗分析結果556h基本一致。

6 結束語

通過氣門間隙退化試驗案例證明試驗結果和退化試驗分析結果基本一致。在以上驗證過程，我們看到退化試驗技術是基于零部件正常運轉下進行的，零部件也處于正常狀態，結合加速壽命試驗，可以在較短的試驗周期內分析出零部件正常狀態下的失效行為和B10壽命。產品的質量取決于零部件的整體質量，如在產品設計驗證初期就能預測各系統零部件的B10壽命對產品質量保證十分重要。因為零部件處于正常運轉下進行所以整個過程減少50%以上試驗時間。我們還可以從分析結果中預防零部件的過剩設計，通過平衡各系統零部件的B10壽命找到最佳設計優化方案。而類似氣門間隙磨損退化的零部件在內燃機中還有很多，只要深入挖掘相信退化試驗技術在內燃機的精益研發領域一定會有杰出貢獻。

[1]派切特(Michael Pecht)著,王軍峰(譯者),陳云斌(譯者),周憲(譯者),等(譯者).產品可靠性、維修性及保障性手冊(原書第2版)[M].北京：機械工業出版社，2011.8.

[2]蔣文虎,李偉,趙健等.發動機可靠性工程技術研究[C].上海: 中國汽車工程學會年會論文集.2014.

[3][德]貝爾恩德.貝爾舍(BerndBertsche)著,藍曉理(譯者),金春華(譯者),汪邦軍(譯者).汽車與機械工程中的可靠性[M].北京：機械工業出版社，2014.4.

[4]方達淳，吳新潮等人.汽車發動機可靠性試驗方法[S].中國：中華人民共和國國家標準，2003.4.

[5]趙秀榮, 謝里陽, 李成華.發動機可靠性及其評價技術分析[J].黑龍江：農機化研究，2006.3.

[6]周福庚，趙林峰. 基于B10壽命對某汽車發動機后支承膠墊可靠性的評價[J].合肥：合肥工業大學學報，2014.11.

[7]姚遠. B10 方法在分析傳動軸可靠性上的應用[J].湖北：汽車科技，2010.3.