三、可靠性设计

产品的可靠性分为狭义的可靠性和广义的可靠性两类。狭义可靠性是指产品的固有可靠性，它是在设计和制造阶段就确定下来的；广义可靠性是指产品的工作可靠性，它包括固有可靠性和使用可靠性两个方面。它们之间的关系可用下式表示：

工作可靠度＝固有可靠度×使用可靠度

产品的固有可靠性是设计出来的，因此在设计中引入可靠性设计并在制造中对产品进行可靠性控制，对提高产品固有可靠性是十分有效的。

高机动性车辆发动机是一个综合、复杂的系统。随着技术发展，作战使用要求的不断提高，发动机应具有更高的功能，并在限定时间内实现产品具体化。

要求产品的性能提高、功能完善，必然导致产品零、部件数目增多。以坦克柴油机为例，见表3。面对日趋复杂且技术难度大的产品，如果仍使用以往的零部件，仍采用传统的设计方法和制造过程，产品发生故障的机会将随其零部件数目的增多而成比例增加。从而，不得不发展新技术或进行系统设计来解决这个矛盾。

表3 部分发动机的部件总数

可靠性设计是系统设计中的重要组成部分，是保证产品的可靠性更符合实际、更有效的设计方法。目前机械产品可靠性设计方法可归为三种，根据具体情况选用。

（一）借鉴于电子产品的可靠性设计和分析方法

1．降额设计和安全裕度设计

发动机零部件的工作应力低于设计值，从而降低零部件的故障率，保证整机目标实现，称降额设计。对机械零件则是加大安全系数，提高承载能力，保证零件的可靠性，以适应整机目标要求。对于重要的涉及安全性的零件，则可采用极限设计方法，保证在最恶劣的极限状态下使用也不发生故障和损坏。

（1）对曲轴、连杆、活塞等运动件必须降额；

（2）对机体、缸盖、缸套和气门导管等承力件应进行降额；

（3）轴承应对其负载和温升进行降额；

（4）对机体丝对、各种高强度螺栓等则应加大安全系数；

（5）对增压器叶轮，则应采用极限设计方法，以保证在规定的恶劣的极限状态下使用。

2．简单化和标准化

发动机属串联系统，提高整机可靠性的最基本原则是从选用可靠的零部件、材料和减少零部件数及简化结构做起。尽量采用功能简单的零部件，尽量减少零件数目，尽量采用已经成熟或标准化的零件和技术，以减少零件故障率，保证整机系统可靠性目标实现。

3．冗余设计

为完成规定的功能，增加多余的零部件或设备数，即使其中一部分发生故障，也不会引起整机或系统故障的设计称作冗余设计。如发动机的电启动和压缩空气启动系统，机油滤清器的旁通活门等。

4．耐环境设计

通过对产品所处工作环境类型、严酷程度以及对产品影响的预测和评估，进行产品强度和寿命的设计。通过耐久性试验、寿命试验、环境试验等各种可靠性试验手段，对产品的耐环境性进行数据统计，分析产品的故障、疲劳和磨损现象，进一步参照各种规范、技术标准进行设计，这是可靠性设计中最基本的方法。

强化耐环境性，自然会受到经济性的限制，协调的方法是可以考虑对产品的极端环境下采取保护措施。例如使用中遇到的高温、振动、冲击等情况时，装备调节器、缓冲器等保护装置，比强化产品本身的耐环境性更为经济。

对于新研制的发动机所进行的台架考核，热冲击，热箱，超速超负荷，纵、侧倾等试验；装车运行于高原、沙漠、海滨、严寒等地区的试验；发动机排气管的隔热，涡轮增压器隔热挡板，采用弹性支承、弹性联轴器和减振器等，均属于耐环境设计。

（二）机械产品设计的概率设计法

关于概率设计法，美国亚利桑那大学教授Kececioglu D将其划分为15个步骤。在这里仅结合其中某些步骤，对发动机的概率设计进行介绍。

1．使用剖面

车辆发动机的工作剖面，由台架试验剖面和所装车辆的使用剖面所构成。对于军用车辆则含寿命剖面和任务剖面。

2．发动机可靠性模型

（1）往复活塞式发动机　通常由增压器、中冷器、输油泵、燃油滤、喷油泵、喷油器、水泵、机油泵、机油滤、曲轴、连杆、活塞组、机体、汽缸盖、配气机构、传动机构等单元组成的系统。涡轮增压柴油机可靠性模型见图1。

图1涡轮增压柴油机可靠性模型

（2）燃气涡轮轴发动机　通常由启动电机、高压压气机涡轮、回热器、输油泵、燃油滤、燃油定量泵、喷油嘴、燃烧室、机油泵、机油滤、低压压气机涡轮、动力涡轮、减速机构等单元组成的系统。燃气涡轮轴发动机可靠性模型见图2。

图2　燃气涡轮轴发动机可靠性模型

3．发动机可靠性数学模型

根据试验结果，发动机经全部使用期，其系统故障率近于指数分布，故其可靠度函数为

R（t）＝e－λt

式中　λ——故障率；

t——时间。

4．可靠性分配

（1）可靠性分配的约束条件　将发动机整机可靠性指标分配到各分系统一级，并按下列约束条件进行

①整机系统故障率必须等于各分系统和零部件故障率之和，即

②所有系统和零部件的可靠度都必须分别大于整机系统的可靠度，即

R（t）＝P（t1＞t）P（t2＞t）…P（ti＞t）

（2）可靠性分配方法

①根据上述约束条件，将新研制机型的分系统和零部件，参照同类机型或原准机的故障率统计值 （如12V150L柴油机分系统和零部件故障率，见表4），并结合新研制机型的性能、强化程度和结构特点进行分配。

表4　12V150L柴油机分系统和零部件故障率

②采用专家评分法进行可靠性预计或分配。

（3）示例　现以增压柴油机的几个部件为例。

①故障率分配

a．曲柄连杆机构　曲柄连杆机构由固定件和运动件组成。固定件由上箱和下箱（即机体）以及缸盖组成；运动件由活塞、连杆、曲轴（含减振器）等组成。可靠性框图如图3所示。

图3　曲柄连杆机构可靠性框图

所以曲柄连杆机构故障率λa

b．润滑系　润滑系主要由机油泵和机油滤组成，可靠性框图如图4所示。

图4　润滑系可靠性框图

所以润滑系统故障率λb

λb＝0．0003＋0．000025＝0．000325

c．供油系　供油系主要由输油泵、柴油泵、喷油泵（含喷油泵安装和管路系统）、喷油器（含喷油器安装和管路系统）等组成，可靠性框图如图5所示。

图5　供油系可靠性框图

供油系统故障率λc