[科普中国]-发动机可靠性试验

基本概念

发动机是国民经济中应用广泛的主要动力机械之一。其可靠性是指发动机在规定的使用条件下，在规定的时间间隔内，完成规定功能的能力。发动机可靠性是发动机的重要质量指标， 它不仅是产品设计者、制造者所应考虑的问题，也是使用者最为关切的事情。可靠性对发动机运行的经济性和安全性具有头等重要意义。1

合理安排可靠性试验是在有限时间内提高发动机整机及成附件可靠性的有效手段；同时，只有系统安排可靠性试验验证，在有限时间内充分暴露故障并进行改进设计，才能提高发动机安全性和可靠性，并按适航要求在定型前初步给出合理的额定值和使用限制，比如允许的超温、转子瞬时超转、喘振次数等。从而满足航空发动机研制不断向高可靠性、长寿命方向发展的要求。2

发动机可靠性试验方法发动机可靠性试验的目的是为了让产品在投产前把所有可能出现的问题都暴露出来，加以解决。因此制订试验规范主要是为了让产品更快、更明显地暴露问题。目前国内应用较多的是GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》国家标准中的交变负荷循环试验规范和冷热冲击试验规范。1

交变负荷循环试验规范交变负荷试验方法一般采用“矩形”或“锯齿形”循环试验方法， 这两种试验方法兼顾模拟实际使用工况和模拟零件故障形式， 能达到加速强化试验的目的，而且可以根据不同发动机的不同要求，或按照特殊考核的要求，灵活设计不同的具体试验规范。其主要特点是所需的试验时间长，采用中高转速，增加了负荷产生的应力交变频率及温度，提高了质量惯性所产生的应力及频率，主要考核发动机在大扭矩和高转速条件下工作的情况，如曲柄连杆机构、挺杆、摇臂等运动件抗疲劳强度的能力，同时也考核了发动机各个零部件的可靠性，如活塞、水泵等。在油门全闭状态到105%油门状态之间的变化，主要用于考核加速变速频率， 考核曲轴由零负荷加载至全负荷的承受能力，在试验中，发动机始终处于非稳定工况。零件受到额外的冲击力，润滑表面油膜容易破裂。对零件的强度和耐磨性是严峻的考验。1

冷热冲击试验规范冷热冲击试验冷却液温度变化范围为34～110 ℃。由于在冷热冲击工况下，发动机各种零部件受热状态突变，按照热胀冷缩的规律，会降低连接件所形成的压强，破坏密封件（如气缸垫被打穿），压紧件之间相对滑移，扯破密封垫（如排气歧管垫片）。零件内部受热不均匀，热应力交变而开裂（如活塞，缸套等）。改变了运动件间的间隙，可能产生擦伤、刮伤。改变了压配件之间过盈的状态，可能产生松脱等。因此，该试验方法被广泛地用于考核设计过程中的发动机。1

深度冷热冲击试验规范深度冷热冲击试验方法是对发动机进行极热极冷条件下的深度冷热冲击试验考核和研究。其冷却液温度控制范围为-30～120℃， 响应时间为120s；润滑油温度控制范围为-20～140℃，响应时间为600s。主要考核和研究发动机各种密封垫片尤其是气缸垫片在极度的条件下的密封和可靠性，也可以考核和研究发动机各个主要零部件在极度冷热变化情况下的机械强度和可靠性。该试验方法也常用于设计过程中发动机结构和强度的验证。如果这些运动件的设计尺寸过大，就容易出现擦伤、拉缸等现象，导致发动机功率下降，甚至发动机活塞爆裂等现象。如若设计尺寸过小，就会出现漏气量过大，严重时出现烧机油等现象。因此，冷热冲击试验方法，也是检验发动机零部件设计是否合理的一种有效手段。1

其它可靠性试验方法为了对发动机进行针对性的考核， 现在的可靠性试验方法也有较多的专项考核，举例如下：

a. 超速试验。该试验方法主要是为了考核汽车不慎在高速比档位下坡超速滑行时， 配气机构、连杆、螺栓等工作的可靠性。同时也考核发动机整机的振动疲劳。一般超速试验的转速范围在额定转速的120%～130%左右。

b. 超负荷试验。为了评价发动机磨损率，检查零部件在最大循环温度变化条件下发动机的机械完整性，一般采用超负荷试验方法。试验过程中，零部件受到最大的热输出， 最大的机械负荷和最大的动载荷的冲击。温度的变化是由高速高负荷快速向低速低负荷转换引起的。

c. 启动-怠速-停止试验。该试验方法主要考核曲柄、曲轴减振器、曲轴皮带轮、飞轮和启动电机等的可靠性。

d. 排气歧管及密封垫急热和热疲劳试验。该试验方法主要考核发动机排气歧管总成和相关垫片在深度热循环和机械循环试验条件下的可靠性。

e. 增压器专项考核试验。由于增压器的工作转速远远高于发动机转速，一旦有故障，其危险性也相当巨大。为充分暴露增压器的问题，增压器主要工作在高温高转速的恶劣条件下， 这对增压器的考核相当苛刻。1

发动机可靠性增长试验可靠性增长试验是有计划地激发、分析失效原因和改进设计， 并证明改进措施的有效性而进行的试验。对可靠性增长试验进行投资，可以大大节省产品在整个寿命周期内的维护费用。可靠性增长试验是一个逐步改正设计和制造中的缺陷， 不断提高装备的可靠性， 从而逐步达到规定的可靠性要求的过程。为了更有效地提高发动机的工程机械平均故障间隔时间（MTBF），保证发动机的高可靠性，可靠性增长试验越来越多地被应用到设计过程中对发动机结构和强度的考核， 也有一些应用在发动机国产化过程中。可靠性增长试验的试验方法视每个阶段所要考核的零部件来确定， 是根据比发动机实际使用工况更为恶劣的情况决定的， 以保障发动机实际工作时、在正常使用和维护保养的条件下，关键性零部件损坏少，不正常的停修时间短。一般情况下，由上述可靠性试验方法组成。1