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坦克动力系统可靠性设计

2020-06-11 10:41
可靠性杂坛
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一、简介

美国于1965年开始研制AGT1500坦克燃气轮机的同时开展了可靠性设计、分析和试验工作。设计中要求:①发动机在全速全负荷工况下,涡轮叶片的寿命为10^3h;②轴承寿命为10^4h;③采用模块设计和全部附件易接近的布局原则。

燃气轮机经台架和装车试验,累计时间分别为5488h和15200h(行驶里程约3.04×10^5km)后完成设计定型。生产和装备部队使用,至1983年生产3000台发动机时,美军按照技术条件对发动机的设计、功能、可靠性、耐久性和品质等又进行了一系列的验证、试验和全面考核;累计台架考核约1800h(三台发动机);装车可靠性试验里程为46864km(7台M1坦克),获得的AGT1500燃气轮机的无故障概率为0.87。

前苏联于1932年开始B2坦克柴油机的研制,至1939年定型时,发动机的保险期为100h;50年代达250h,60年代为350h,至70年代提高至500h。

我国于1958年开始坦克发动机的生产和研究工作,基于当时的技术水平和掌握的信息所限,未能全面地开展系统的可靠性理论研究、分析和试验工作。但对在制造、使用和研究中出现的故障和失效,如发动机机油泵传动轴断、齿轮磨损、曲轴断裂、机体及缸盖裂纹等,都从结构、材料和工艺各方面进行认真分析,找出解决的措施直至问题得以解决。另一方面,把发动机的台架和装车考核试验,作为产品定型、生产中抽检的必经环节。20世纪50~60年代,坦克发动机的台架保险期试验为250h,70年代后提高至350~500h。

随着时间的推移,技术进步和设施的建立,从70年代中期开始,在新产品的研制过程中,相继开展了可靠性的研究和试验,如强度、疲劳、结构的三维光弹、电测应力、有限元分析和台架的振动、超载等试验。在引进计算程序基础上开展了计算与实测的对比分析。至80年代,系统地进行了可靠性研究和试验;在新研制的高功率密度柴油机的同时,编制了《可靠性维修性保证大纲》、《故障模式、影响及危害度分析》;并对可靠性指标、试验剖面等进行了研究和分析。

发动机是车辆的心脏,推进系统的重要部件和动力源。发动机的品质直接影响着车辆的总体性能及使用任务的完成。

发动机的品质是其能满足给定要求的全部特性和特征,包括性能、可靠性、维修性、经济性等。而发动机在使用过程中,其经济性又与可靠性紧密相关。

坦克发动机,特别是主战坦克用发动机,由于要求它具有高的功率密度、瞬态响应性、可靠性,低散热及良好的经济性;因此涉及许多高新技术领域,并且结构复杂。一般研制周期长达10~15年且耗资巨大。为此在新机型的研究和发展的全部过程中,必须同时开展可靠性研究,贯彻可靠性要求并实施系统的管理;这是保证获得高性能机型,按期装备,保障资金合理使用并减少或避免浪费的关键性工作。

发动机的可靠性是其本身的先天属性,是通过论证、设计、试验、制造和管理等一系列工程活动所获得,并在使用过程中显示出来的一种特性。因此,可靠性工作亦是一项系统工程。

二、可靠性指标

1.发动机可靠性指标体系

发动机由许多不同的零件组成,它们的失效机理及寿命分布各不相同,因而它是一个由许多零件组成的复杂机械系统。根据可靠性函数的分布制定原则和试验表明,其寿命基本上符合指数分布。

发动机的可靠性是由一系列评定指标来衡量,主要包括下述几大类。

(1)狭义的可靠性特征量指标 即可靠度特征量指标,如失效概率密度函数f(t)、累计失效概率密度函数F(t)、可靠度函数R(t)、失效率函数λ(t)等。

(2)寿命特征量指标 发动机常用的寿命评定主要指标如下。

①平均故障间隔时间(MTBF)发动机相邻两次故障之间的平均工作时间。

②平均首次故障时间(MTTFF)对于不可维修的产品,发生失效就意味着寿命终止,其平均寿命可用平均首次故障时间来度量。在发动机中,活塞环、气门和气门弹簧等零件,一旦发生失效就要报废,因此它们可以用MTTFF来衡量其平均寿命。

③额定寿命 发动机的额定寿命是指发动机的可靠度为90%(即累计失效率为10%)时发动机运转的小时数。

④中位寿命 发动机的中位寿命是指发动机的可靠度为50%(即累计失效率为50%)时发动机运转的小时数。

⑤大修寿命 新发动机从开始使用直到需要镗缸(或更换缸套)和磨曲轴等修理的期限称为发动机的第一次大修期。发动机厂一般要对发动机产品进行B10大修寿命(即10%的发动机达到大修水平时的运转小时数)和B50大修寿命(即50%的发动机达到大修水平时的运转小时数)试验。

(3)维修性特征量指标 如平均维修时间(MTTR)。

(4)有效性特征量指标 如可用性A等。

2.发动机采用的可靠性指标

若将前述指标均用于对发动机的可靠性进行考核,可得到一个较为完整的评价指标体系。但其工作十分复杂,数据采集和完整均困难,可操作性差,难以全面实施。因此,研制部门均根据其自身特点和实际状况,对上述指标进行选择,现将部分国家发动机采用的可靠性指标介绍于表1。

表1 部分国家发动机采用的可靠性、耐久性主要指标

表1中所列可靠性、耐久性指标定义差别,由表3-9予以说明。

表2 柴油机可靠性、耐久性指标定义差别

通常,用MTBF控制所有保修故障出现的频率;用T0.8控制致命故障、严重故障出现的频率;用B10、B50控制发动机的耐久性。

军用车辆发动机,特别是坦克发动机,对可靠性有更加严格的要求。对于一台新研制的坦克发动机,通常可从以下几方面提出其可靠性指标。

①整车可靠度的分配进行估算;

②从所给定的任务时间或对发动机零件总数量及受高的机械、热应力零件所占百分比;

③降额设计、集成和兼容的设计;

④采用的新材料、新工艺等。

将上述这些影响发动机可靠性的基本因素分析,以及过去的使用统计数据加以估计。

军用车辆发动机的可靠性指标,从使用要求和评价角度,可采用平均故障间隔时间和首次大修时间两项指标。

3.发动机故障分类

凡由发动机以外因素造成的故障,为非关联故障,它不应计入可靠性指标计算之内,但仍应如实记录,留作分析参考。常见的非关联故障包括:由于违反操作规程或维修失误造成的故障;由于超越使用说明书规定条件下使用而产生的故障,以及由于其他故障先发生而导致发生的故障(从属故障)。

凡全部或部分与发动机自身缺陷有关的故障都为关联故障。关联故障有性能下降、零件损坏、紧固失效、“三漏”和堵塞、调整失效、腐蚀或老化等方面。

故障按其危害程度分为四类。

①致命故障(Ⅳ类)可能导致人身伤亡或重要零部件报废,或造成重大经济损失的故障。如连杆、连杆螺钉断裂、飞轮碎裂及机体和曲轴报废等;

②严重故障(Ⅲ类)可能导致主要零部件损坏或不能用随机工具和易损备件在较短时间内排除的故障,或发动机主要性能超出规定范围等;

③一般故障(Ⅱ类)必须停机检修的可在较短时间内排除的一般零件(不包括非重要标准件和修理费用较低的零件)的故障;

④轻度故障(Ⅰ类)轻于上述三种故障的统归于此列。

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