摘要：现代新型发动机广泛地应用于运偷、载重卡车、工程机械等领域，其关键零部件之一—活塞面临着日益提高的热负荷与机械负荷的共同作用。从静强度和刚度准则出发，计算发动机活塞的可靠度，以及在满足要求的可靠度基础之上对关键尺寸或者薄弱环节进行可靠性分析。通过运用串联结构建立活塞的可靠性模型，计算活塞可靠度，并在此基础之上把活塞的要求可靠度分配给活塞头部、活塞裙部和活塞销孔，对关键尺寸做可靠性分析，建立发动机活塞的可靠性模型。
关键词：发动机活塞；可靠性分析；数据分析
随着我国现代化建设的不断前行，发动机作为一种常用动力源，其广泛应用于我们的日常生活中。其在我国国民经济及人们生活中所起的作用越来越重要。但是随着社会的高速发展，环境污染日益严重，石油能源日益紧缺，人们的节能减排意识不断提高，以及油耗法规的进一步严格限制和生产商节约材料成本的需要，都促使着发动机越来越向着高强化、轻量化和自动化方向发展。一方面发动机的工作性能不断提高，自动化程度不断提高，油耗不断降低。另一方面发动机的工作状况更加恶劣，加之发动机轻量化的需要使得保证发动机的强度和刚度变得更加的困难。由于发动机在使用过程中一个部件的损坏往往会导致整个发动机的失效，而可靠性技术作为一种重要的保障技术，发动机的高可靠性可以保证发动机更加长久有效地运行。因此其可靠性成为了业界所关注的重点。对于发动机而言，可靠性的评估是其可靠性工程的一个重要环节，也是其可靠性设计和可靠性增长的一个重要组成部分，只有对发动机进行可靠性评估，才能了解其真实的可靠性水平，找出其可靠性的薄弱环节及影响问题之所在，从而改进设计，提发动机产品的可靠性。
1 发动机可靠性研究的发展状况及现状
可靠性间题最早是由美国军用航空部提出来的，第二次世界大战期间，美国空军由于飞行故障事故而损失的的飞机高达21000架，比被击落的数字多1.5倍，这些事实引起美国军方对可靠性间题的高度重视，。1950年，日本从美国引进先进可靠性技术，将美国在航空航天及军事工业的可靠性研究成果应用于民用工业，使其民用电子工业产品质量大幅度提高。60年代开始，苏联从技术水平和组织上采取措施，提高产品可靠性，促进了可靠性技术的发展。我国可靠性研究始于60年代中期，首先在航空、电子和通讯等领域应用，80年代初，可靠性工程技术先后在我国汽车和工程机械行业上应用。近些年，发动机的设计、试验、制造、使用、维修等各个技术环节都应用了可靠性技术。
2 基于数据分析的发动机活塞可靠性研究
2.1 基于仿真数据的发动机活塞可靠性研究
对于活塞而言，其加速寿命试验中试验变量的选择应当充分考虑相关因素对它的可靠性的影响程度。影响活塞可靠性的因素往往是多个因素共同作用的结果，其并不是单一的，根据前面有限元分析可知活塞寿命的影响因素包括热应力、气体爆发压力、活塞往复运动的惯性力以及侧向力等。因此，活塞恒定应力加速寿命试验应当分为单项应力加速寿命试验和综合应力加速寿命试验。单项应力加速寿命试验是指在试验过程中对活塞仅施加一种性质的应力，综合应力试验是指在试验过程中对活塞施加两种或两种以上的应力。对于活塞而言，其失效形式包括了活塞疲劳破坏和活塞磨损，为了考察活塞随发动机工况的磨损，本文以活塞和缸套的变形量为基础，结合发动机在不同工况下的耐久性试验考察其磨损量和爆压的关系。
（1）热应力条件下活塞加速寿命分析
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图1
图1所示为不同热工况下活塞寿命曲线。从图中可见，活塞的疲劳寿命随着缸内燃气平均温度的增加而不断减小，在温度大约为1000K以下时，活塞寿命随着温度的增加而迅速下降，1000K以后，其寿命随着温度的增加下降趋势减缓。从图中点的分布情况来看，曲线拟合较好，说明了利用阿伦尼斯模型可以较好的拟合活塞在加速热应力条件下的活塞疲劳寿命。
（2）机械应力条件下活塞加速寿命分析
在发动机的工作过程中，活塞受到一定的机械负荷，包括活塞顶面受到燃气燃烧的爆发压力，活塞裙部受到缸套对它的反作用力，由于往复运动所受到的惯性力以及连杆对销座的作用力等。
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图2
从图3中可见该曲线拟合效果较好，在应力较小时拟合值和计算值之间存在着一定的误差，随着应力的增加二者之间的误差逐渐减小，直至可以忽略不计。该曲线说明在活塞只受加速机械应力条件下利用逆幂律模型来描述活塞寿命方法可行。利用上式即可快速计算在一定的应力条件下活塞的疲劳寿命。
（3）在热机招合条件下活塞加速寿命分析
活塞在工作过程中不是单纯地受到热应力或者是机械应力，而是受到热应力和机械应力地共同作用。由第四章热机耦合应力分析可知，活塞所受到的不同应力的综合作用并不能简单的看作是在不同单应力作用条件下的叠加。因此，为了更加确切地反映该活塞的可靠性设计水平，有必要对其在热应力和机械应力共同作用条件下的寿命可靠性进行分析。
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图3
从上述公式中可见，活塞在热机耦合工况下其寿命主要与所受燃气爆发压力以及燃气爆发压力和温度之间的相互作用有关。且燃气爆发压力和温度之间的相互作用对活塞寿命的影响更加显著。活塞在热机耦合工况下的寿命拟合曲线如下图3-4所示，图中，横坐标以最大爆发压力来表示活塞的工作状况。从下图中可以看出利用广义艾林模型来拟合该活塞在热机耦合条件下的活塞疲劳寿命，其拟合效果良好。说明利用广义艾林模型来拟合活塞在热机耦合条件下的疲劳寿命是可行的。
2.2 基于现场数据的活塞可靠性分析
随着科学技术的发展，发动机产品及其零部件的可靠性越来越高，对于这些长寿命、高可靠性的产品对其进行可靠性试验时，由于费用和成本的限制，不能采用传统的大样本试验方法。而贝叶斯小子样评估方法是指采用试验样本数量少而评估精度高的一种试验评估方法。
在市场竞争日益激烈的今天，产品质量是企业的生命线，可靠性数据则是产品质量的观测点。产品的可靠性数据不仅是进行产品可靠性评估的重要条件，也是进行可靠性管理，可靠性设计的重要依据。可靠性数据主要分为试验数据和现场数据两大类。所谓试验数据就是在一定的条件下通过试验得到的。现场数据是指产品在实际使用中得到的数据，对于产品而言，可以说现场数据是最为客观的评价标准。
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图4
从图4可以看出，活塞的概率密度在开始时为零，在0到100000公里内活塞的概率密度迅速增加，当运行里程为100000公里左右时，概率密度达到最大值。其达到最大值之后，首先是较大幅度降低然后趋于平缓。从图中可知，活塞概率密度的最大值出现在行程为100000公里左右，表明活塞在0-100000公里这一趋于发生故障的次数明显多于其他区域，降低该区域的失效数可显著降低活塞的失效数。
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图5
从图5可以看出，活塞在刚投入使用，即t=0时，是没有故障出现的，此
时F（t）=0，K（t）=1。随着运行里程的增加，发生故障的活塞不断累加。在这个过程中，活塞的可靠度R（t）不断下降，反之，活塞的不可靠度F（t）则是不断的增加。随着运行里程的不断增加，最后，活塞的可靠度R（t）降为0，而活塞的累计失效率则为1，表明活塞全部失效。
3 结语
发动机作为现代社会最主要的动力机械之一，其重要性不言而喻。发动机的
可靠性在一定程度上决定了我们社会建设的进程。活塞作为发动机最关键和工作情况最恶劣的零部件之一，其可靠性甚至能够决定发动机的可靠性。而对于活塞而言，最能表现活塞可靠性的数据便是现场数据，同时，通过分析可以看出利用贝叶斯小子样技术可以比较好的求解活塞的可靠性特征量。
参考文献：
[1]于彦良.铝硅合金活塞的机械疲劳可靠性对发动机使用寿命的影响[J].价值工程，2017，36（34）：118-120.
[2]姚云伟，刘杰，李捷.车用柴油发动机活塞漏气量的变化分析及快速处理[J].内燃机与配件，2018，（12）：54-55.
论文作者:孟俊尧,黄志艳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/13
标签：活塞论文; 可靠性论文; 发动机论文; 应力论文; 寿命论文; 条件下论文; 数据论文; 《基层建设》2019年第31期论文;