退化试验技术在内燃机寿命分析中的应用

罗松灿(1982—)，男，汉，工程师，本科，主要从事内燃机试验技术管理工作。

0 前言

有些产品的磨损或性能的退化是可以测量出随着时间变化而变化的相关参数，当产品的磨损或性能参数超过某个临界值时，我们就认为其失效(Soft Failure-软失效)

。退化试验技术主要通过产品某些性能参数的退化值或某一失效表征值进行分析，从而得到产品的失效时间计算出B10寿命。内燃机系统零部件测试十分复杂，如果需要计算某零部件的B10寿命，就需要先知道其试验失效时间。对于失效时间的确认,一般需要选取小样本取样测试，持续跟踪

。由于内燃机可靠性试验进行的都是截止试验，有些零部件需要整机加速寿命试验考核确认，可能在试验过程没有任何失效，无法对零部件失效行为作出评价

。如果继续做到零部件的真正失效时间，需要投入大量的试验资源。对于内燃机零部件的B10寿命计算而言十分困难。本文通过分析内燃机气门间隙的磨损过程，并找到磨损可以被度量的参数，测量该参数随时间的变化规律，应用退化试验技术，通过统计方法分析并在威布尔坐标里表示出B10寿命。

1 基础分析

1.1 磨损等性能参数随着时间(里程)的变化规律可以被直接或间接的测量，有时候，参数可以直接测量得到，例如产品的退化磨损和金属裂纹的长度等。

另外一些情况是，产品的退化情况不能直接测出，需要借助一些专业的设备或仪器进行测量，例如内燃机的功率、扭矩、尾气排放、润滑油的杂质含量等。

1.2 测量可以是实时测量或自定义测量时间；

1.3 各系统零部件磨损失效的极限程度有明确的定义；

1.4 当采用加速试验验证时，可以得到加速试验和实际使用之间的加速因子；

1.5 测试在零部件正常运转下进行，各系统零部件也处于正常状态；

1.6 参数表达了产品的劣化强度，但是难以依据这些参数判断产品的寿命，由于时间或资源的限制不可能做到所有产品的失效；

1.7 必修有足够的样本数量；

为了得到准确的实际运行时间，就需要计算出加速因子。我们在实际车速工况上采集发动机运行参数，再对应到加速寿命试验工况中。将测试结果代入公式(1)计算加速因子为3:1。实际车速为100km/h，那么加速寿命试验相当于300km/h，即台架每运行1小时相当于车辆行驶300km。

2 课题简介

2.1 背景

某内燃机采用双顶置凸轮轴配气机构(图1)，气门间隙由不同厚度的杯型挺柱调节，整个机构为气门、气门座圈、杯型挺住、凸轮轴等系统零部件组成。其中任何一零部件的磨损都会对气门间隙造成直接的影响。该发动机进气门间隙设计调整值要求在0.2±0.02mm范围内，工作过程失效限值为0.2±0.07mm。如果气门间隙变化超出范围值会引起内燃机怠速不稳抖动，油耗增加排放恶化，甚至造成内燃机无法正常启动等故障，严重影响客户感知。在后工程，如若在客户使用过程短里程出现气门间隙超差故障，会引起顾客抱怨，所以保证气门间隙的高可靠性很重要。

教学课堂效率的高低对于学生的学习质量有着很大的影响，要提高教学质量，可以从课堂学习效率着手，教师和学生必须要重视课堂教学这一环节，为提高课堂教学效率，一是教师要提高自身的职业素养，加强自身对于数学知识的提高和职业道德的培养，以德育人，以德服人，以知识去改变人；其次，教师要帮助学生养成课前预习的习惯，让学生培养自主学习的能力，并且让他们带着目的去学习，去努力；再者，教师要和学生共同努力，去创造一个良好的数学教学氛围，让学生在轻松愉快的学习氛围中，去不断地突破自我，开发出他们对于数学学习的最大限度.

该产品在第一轮产品设计验证过程中气门间隙在短里程内就出现了失效故障，未通过加速寿命试验考核。研发测试工程师希望采用短周期开发验证方案，准确预测产品寿命，快速推进质量问题解决。

2.2 目标与现状

该内燃机气门间隙的B10寿命设计值为15万km。产品设计验证阶段要求加速寿命试验过程中每50h对气门间隙变化情况进行持续监控测量，在加速寿命验证初期探测到进气门间隙随着试验进展呈现逐渐变小的趋势，其中3、4号进气门间隙运行到150h已磨损到了失效限值，当量里程大约4.5万公里，进气门间隙寿命未达到设计使用寿命要求。为此产品研发部门制定三套气门间隙系统零部件的整改方案，需要快速验证新方案的磨损失效时间和B10寿命，以此为依据确定最终的系统零部件的设计方案。

2.3 验证方案制定

按照常规试验需要运行600h以上才能确认改进效果，如果每一种设计方案一直做到产品磨损失效可能需要投入大量的试验资源和时间。为了快速得到产品磨损失效时间和B10寿命，我们采用了退化试验技术。根据气门间隙磨损随试验时间的变化规律，制定退化试验方案。因台架试验资源限制，三套设计方案只能依次开展，计划每种设计方案进行200h的加速寿命试验，快速预测改进后系统零部件的磨损失效时间。再根据失效时间利用统计学工具计算出系统零部件的B10寿命。本文以其中一种设计方案的验证过程为案例，具体展开验证分析过程。

3 试验准备

3.1 试验内燃机

3.1.1 试验使用全新的发动机，试验前确认发动机各项性能已经符合技术条件要求，装配新方案系统零部件并按技术要求调整好气门间隙，记录气门间隙初始数据，记录各气门杯型挺柱的尺寸编号；

当时北京大学副校长、平民学校校长岳素兰等校领导在毕业典礼上为我们颁发荣誉证书，教导我们要好好珍惜在北大的学习机会，努力提高自己的工作能力，为今后的人生发展奠定基础。

3.1.2 被测发动机各系统各部件的性能和尺寸应符合图纸要求；

3.1.3 使用工装节温器，节温器固定在全开位置；

3.1.4 使用车用空气滤清器，性能应符合图纸要求；

c．内燃机机油温度压力的测量：测量主要道处机油温度压力。机油温度控制在120℃以下。

3.1.5 装配车用后处理系统。

目前，对紫花苜蓿内生细菌(来自根瘤、种子、根、茎、叶和花等)和非内生细菌(来自土壤)种群的遗传多样性进行综合研究较少。通过分离和鉴定甘肃省3个不同栽培区域5个紫花苜蓿品种的内生和非内生细菌，并对其遗传多样性和促生能力进行研究，旨在从整体水平上阐明内生和非内生细菌种群之间的联系和多样性差异。

3.2 试验设备、仪器及测量位置

3.2.1 试验设备

式中：

为实际运行时间；

为加速寿命试验时间。

5.2.3 应用R语言工具计算出样品磨损失效寿命；

3.2.2 测量位置及控制规定

a．内燃机冷却液进出口温度：距内燃机进出口总管50mm处。冷却液出口温度控制在93±2℃。

b．内燃机进气温度和进气湿度：在距空气滤清器的进气口上游30mm处。进气湿度控制在45%±10%，温度控制在25±10℃。

之所以要对外来医疗器械进行重复使用,并且重视对其的处理工作,很大程度上是基于这一类型器械所凸显的高成本、低消耗特性。如果医院消毒供应中心可以对其进行统一处理,那么将极大地促进外来医疗机械在不同医院中的流动使用与合理配置,这不仅可以降低医院前期的资金投入,同时也有利于缓解患者的经济压力,对于整个社会资源的科学配置与合理利用大有助益,是助推我国医疗领域可持续发展的重要举措之一。

d. 燃油温度控制在25±5℃。

3.3 试验方法

采用国标GB/T 19055-2003《内燃机可靠性试验方法》中交变负荷的要求进行加速寿命试验。加速因子计算如下：

a．测功装置采用电力测功机系统信号采集频率为10Hz。

1.8 基于指数分布、威布尔分布求解。

4 工作步骤

4.1 内燃机按要求完成台架准备；

4.2 内燃机按要求完成磨合和性能检测；

4.3 试验前发动机处于停机状态，开启水恒温单元水泵，调节发动机冷却液出口温度到30±2℃循环浸车30min后测量各缸进气门间隙，并做好记录；

随着职业教育的发展，中职学校英语学科成为一门必修学科，英语口语表达成为一项必备的语言技能。然而，英语又是中职学生学习最为吃力的学科之一，大多数学生为此备受打击，已不再奢望能学好英语，处在进退维谷的尴尬境地。由此，要重点树立学生学习英语的信心和勇气，培养学生学习英语的兴趣，在教学中注入情感，用发展的眼光看待学生。同时借鉴专业教学的理念，任务引领、驱动，明确学习目标，搭建师生互动学习的平台和学生展示的舞台。再者，要尊重学生、爱护学生，建立和谐的师生关系，采用灵活的教学方法，定制学生的学习任务，让每个学生学有所获。

然而更难能可贵的是，如今的蛮牛简直就像经过基因编辑的高科技产物，不仅超级凶猛，还超级体贴。特别是在赛道上，驱使兰博基尼尽情飞驰早已不是驾驶高手的专利，而是更多普通驾驶者经过基本培训之后能够轻易享受并乐在其中的事情。这一点在兰博基尼Esperienza驾驶体验活动中体现得尤为明显。

4.4 在主体试验过程每50h按4.3要求测量气门间隙；

4.5 试验完成200h后整理数据，采用退化试验技术分析预测气门间隙的失效时间和B10寿命。

5 试验结果及分析

5.1 试验结果

表1为在新样件在200h加速寿命试验过程中每50h气门间隙变化情况的测量结果。我们观察到试验到200h时改进后的气门间隙磨损值还在正常范围内，说明设计对策有效。其中4号6号7号气门磨损值相对较少，说明系统处在较健康的阶段。同时我们也观察到整体气门间隙因磨损都在逐渐变小，这说明磨损持续扩展，气门间隙磨损至失效值只是时间的问题。

5.2 结果分析步骤

5.2.1 选取分析模型；

5.2.2 整理表1试验测量数据，保存为datta.csv文件；

b．设备测量精度满足GB/T 18297相关要求。

专业教育干预促进了社区药师的道德推理能力的发展；评估加利福尼亚州药学和医学生的饮食和生活习惯；药学生领导行为激励因素的定性研究；提高药学生健康素养和自信心的互动式多元化途径；学生焦虑程度与考试合格率负相关；药学前工作经验对学生药师职业认同的影响；学术道德，对于药学生的诚信教育；改善药学生的睡眠质量；职业机密性要求；健康知识与学习成绩的关系；学生对沟通技巧的自我评估与教师对他们沟通技巧评估结果的比较。主要关注的是药学生的身体和心理健康、学术道德、同情心、领导力的发展以及职业认同感。

发动机的可靠性始于劣化、失效研究，对于稳定生产工艺的一批发动机，其劣化、失效的时间具有统计规律性，即发动机发生劣化、失效的时间 (t) 是服从某一分布函数f (t)的随机变量。用物理方法和数理统计方法对发动机的劣化、失效模式、影响因素及其规律进行分析，得出其故障分布规律。常见发动机零部件的劣化、失效(或寿命)分布规律有线性关系模型、指数关系模型和幂关系模型三种，针对气门间隙的磨损劣化属于热疲劳冲击产生的可维修劣化，发动机可维修的劣化，热疲劳冲击产生的劣化(如超载下工作或过热造成的劣化)、正常使用下突发劣化(包括人为失误造成的劣化和偶然性操作不当引起的劣化)，等均适用于指数分布的故障分布规律

。在此我们采用指数关系模型。

谈到少数政府机关工作的弊病，我们最常听到的一句话就是形式主义。所谓形式主义，就是只讲形式，不求实效。一些老百姓内心想脱贫，但与少数干部接触一段时间之后又烦扶贫，烦的也是形式主义。形式主义对发号施令的人没什么，他反正是坐在空调房里、电脑桌旁，事情再多，也不要他去做。但群众就不一样了。你随便做个决定很容易，群众要实施这个决定，也许就忙得不可开交。正因为如此，任何时代，群众都是最反感形式主义的，只是有时他们表现了出来，有时他们放在心里。

5.3 分析模型选取

5.2.4 应用Minitab软件导入零部件磨损失效寿命数据生成Weibull曲线得出零部件的B10寿命。

指数分布密度函数为

f (t) = λ ·e-λ·t

(2)

可靠度函数为

2.5.2.5 生物防治将列当花茎切断，切成1cm～3cm小段，再用刀劈伤断茬，把碎花茎放于口上，用湿土覆盖2cm～8cm，可诱集土壤中列当枯萎菌和软腐等弱寄生菌，以诱杀消灭列当。

R(t) = e-λ·t

(3)

式中：λ为故障率。

中度水分亏缺对棉花果枝数影响较大。由图2 d可以看出，整个生育期M3W1处理棉花果枝数显著低于其他处理，果枝数从8月5日后趋于稳定。6月26日之前，除M3W1处理外，各处理间果枝数无显著差异，6月26日之后，不同处理棉花果枝数表现为：M3W3>M3W2>M3W4>M3W1。

5.4 整理试验数据

整理表1试验测量数据，保存为datta.csv文件，操作步骤如下：首先用Excel打开datta.csv文件，将把表1气门的退化数据填入该表，另存为“气门. Csv”文件。

5.5 计算磨损寿命

打开R语言工具分析软件，点击菜单栏打开程序脚本，选取保存的datta.csv文件位置选取“计算器”打开生成R-R编辑器文件，修改为Data=read.Csv("D:退化试验\气门.csv",header=TRUE) 更改失效限定值cr=0.12 #(见图2)。

选择项目中的计算器，运行根目录中“气门. Csv”文件分析出气门R console(控制台)和退化VS时间的指数模型。在气门Rconsole(控制台)中计算出每个气门间隙的磨损失效时间(图3)，从图3中我们看到最先失效的是1号气门，失效时间为557h。7号气门间隙寿命最长，失效时间为1615h。从计算结果可以看到如果我们要做到每个气门间隙的磨损失效时间点，最长需要1615h，这样需要投入巨大的试验成本。

5.6 B10寿命分析

5.6.1 威布尔分布

威布尔分布是失效分布中常见的一类分布，它的应用最为广泛

。威布尔分布密度函数为：

尽管大多数地球科学家赞赏地壳均衡在保持高地形的重要性，但许多人忘记了现今的岩石隆起大部分（85%）都归功于已经被侵蚀或运移出该地形之外的物质均衡补偿，而并非活动构造。

(4)

可靠度函数

(5)

式中：

为形状参数；

为位置参数；

为尺度参数。

在加速寿命试验中发动机的下列零部件劣化过程符合威布尔分布：串联结构在较强外应力随机作用下所发生的劣化，如油水系统和齿轮传动系统的劣化；非串联系统，零件劣化间相互关系密切，由传播蔓延而导致的劣化，如滚珠轴承的劣化；磨损积累、疲劳积累和损耗积累逐渐产生的劣化

。气门间隙属于串联结构磨损积累形式，因此也符合威布尔分布。

王飞：深圳市龙岗区实施政府资助学校这一新的办学体制，的确是一个很好的探索。它不同于公办学校，也不同于民办学校，校长可以按照自己的想法办学校。在这种顶层设计下，校长办学有很大的权力，特别是用人机制比较灵活，可以提高教师队伍的质量。

5.6.2 B10寿命分析

B10寿命是产品的工作时间点，产品工作到这个时间点后，预期有10%的产品将会发生故障。B10寿命的数学描述，假设某产品的故障累积函数(也可以称为不可靠度函数，失效率)为F(t)，根据B10寿命的定义

：

F(B10)=10%

B(10)=F-1(0.1)

假设F(t)的概率密度函数为

(

)，则有：

(6)

假如我们通过试验或实际使用获取了某产品的寿命和使用数据，当数据量充分时，我们就可以利用这些数据对该产品的B10寿命进行评估，所采用的评估方法称为B10寿命的评估方法。通常的做法是制作Weibull 分布的概率纸或用专门的软件进行数据分析和处理。但是概率纸法过于繁琐，下面介绍一种计算B10数值方法的软件。使用Minitab软件，选取R语言分析的失效时间数据，复制填入Minitab工作表，打开统计-可靠性/生存-分布分析(右删失)-参数分布分析表生成Weibull分析曲线(图4)。在Minitab软件Weibull分析概率图上单击右键-添加-百分位数线-在Y轴填入10，求出改进后气门间隙的B10寿命，由图4我们看到改进后的气门间隙B10寿命为513h，根据加速因子计算当量里程为15.4万km，满足15万km的设计要求。

（2）分布式电源接入具有高度的灵活性，用户可结合具体需要来采用这种模式，从而满足自身的电力负荷需求。这种做法的弊端是，将会给规划区整体负荷增长模型增加一些不确定因素，如此一来，电网工作人员一方面很难对电力负荷的实际增长予以精准预测，另一方面也很难对电力负荷的实际空间负荷分布情况进行摸底。由此可见，该模式的应用在一定程度上给电力负荷的相关预测工作制造了麻烦。

5.7 试验验证结果

为了验证退化试验结果的准确性我们对这台内燃机继续进行加速寿命试验。通过验证发动机运行到550h时1号气门间隙为0.12mm已经超出允许值(表2)，试验结果550h与退化试验分析结果556h基本一致。

6 结束语

通过气门间隙退化试验案例证明试验结果和退化试验分析结果基本一致。在以上验证过程，我们看到退化试验技术是基于零部件正常运转下进行的，零部件也处于正常状态，结合加速寿命试验，可以在较短的试验周期内分析出零部件正常状态下的失效行为和B10寿命。产品的质量取决于零部件的整体质量，如在产品设计验证初期就能预测各系统零部件的B10寿命对产品质量保证十分重要。因为零部件处于正常运转下进行所以整个过程减少50%以上试验时间。我们还可以从分析结果中预防零部件的过剩设计，通过平衡各系统零部件的B10寿命找到最佳设计优化方案。而类似气门间隙磨损退化的零部件在内燃机中还有很多，只要深入挖掘相信退化试验技术在内燃机的精益研发领域一定会有杰出贡献。

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