坦克发动机使用寿命的计算模型构建及应用

郭一鸣 陈春良 张仕新 徐玉国 周蔷

摘要：为了科学评估确定新型坦克发动机的使用寿命，并充分发挥其应有效能，避免维修不足或维修过剩造成的经济损失，本文以某新型坦克发动机为研究对象，在研究影响发动机使用寿命的因素及其已有数据的基础上，建立发动机使用寿命计算模型并求解该型发动机使用寿命，探讨延长发动机使用寿命的可能性，对充分发挥发动机的固有可靠性，提高经济效益具有现实意义。

Abstract： In order to scientifically assessment to determine the service life of the tank engine and give full play to its effective energy and avoid the economic losses caused by insufficient maintenance or over-repair， this article takes the new type tank engine as the object of research ，and studies the factors affecting the service life of the engine and the relevant data. On the basis of the establishment of the engine life calculation model and the solution result of a new type engine life， to explore the possibility of extending the engine overhaul interval， it is of practical significance to give full play to the inherent reliability of the engine and improve economic efficiency.

关键词：坦克发动机;使用寿命;计算模型;新型

Key words： tank engine;service life;calculation model;new type

中图分类号：TJ01                                           文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）21-0273-04

0  引言

目前，我军主战坦克发动机在维修方式上仍以传统的“定时维修”为主[1]，通常以某旧式坦克发动机大修期作为参考，对于新型主战坦克的发动机进行大修，这样的做法是否科学合理值得商榷和探讨。

本文以某新型主战坦克发动机为研究对象，根据发动机的耗损故障规律，找出影响发动机寿命的关键因素，建立使用寿命的计算模型，通过发动机的相关数据计算其使用寿命，为是否能够延长坦克发动机使用寿命提供理论依据。

大量使用和试验表明，机械设备或零部件如坦克发动机的故障规律符合图1所示。该曲线划分成早期故障期，随机故障期和耗损故障期三个阶段。因此，计算出坦克发动机固有的使用寿命，并在坦克发动机关键零部件进入耗损期时进行大修，既能够防止大量故障出现，又能减少维修工作量。

1  坦克发动机使用寿命影响因素分析

坦克发动机随着使用时间的增加，在各种应力的作用下，造成零件的磨损、疲劳、变形、断裂、腐蚀、老化，其技术状态会逐渐劣化，导致其动力性能和燃油经济性能下降或发生故障。当发动机的技术状况到达极限状态时，即认为发动机达到了使用寿命。此时应决定柴油机进行大修或“退役”。因此，科学地评估柴油机的技术状况、合理确定柴油机的使用寿命是进行维修决策的基础。坦克发动机的技术状况，是指发动机的工作能力、技术完好状态以及符合技术文件规定的各项技术指标的程度。目前对坦克发动机技术状况的评估主要是依据车辆履历簿记载的摩托小时数。当发动机使用摩托小时达到规定的维修间隔期时，即进行相应级别的维修。但是，不同的装备柴油机使用环境及工况是不同的，如：有的在热带地区使用，有的在寒冷地区使用，有的经常处于多灰尘下工作，有的在高原上工作;有的使用环境虽然相同，但具体使用工况不同。这些因素导致了在相同的摩托小时下，不同发动机的实际技术状况是不一样的，因此，坦克发动机履历簿上记录的摩托小时，不一定真实反映发动机机的技术状况，单纯以摩托小时来确定柴油机的使用寿命是不准确的，因此，要重点考虑影响坦克发动机使用寿命的因素进而进行寿命评估计算。其中，零部件的磨损量是决定发动机使用寿命的最主要因素，是评价发动机使用时间的直接参数[2-3]，如曲轴连杆的疲劳裂纹，主要耐磨件的磨损等。

根据坦克发动机使用过程中零部件磨损的特点，利用发动机主要耐磨件的磨损量以及关键零部件的最大允许耐磨量等数据，建立坦克发动机使用寿命计算模型，从而得出坦克发动机的使用寿命。

采取发动机主要耐磨件的耐磨寿命，预计发动机使用寿命，基于以下两点考虑。

一是从发动机的设计原理出发，坦克发动机是渐变式劣化产品，除难以预防的随机故障外，发动机的故障过程一般服从于浴盆曲线。随着发动机使用时间增加，一些工作时间较长的零部件如缸套、活塞、曲轴轴径[4-5]等磨损严重，造成发动机工况迅速下降，并且这些零部件造价昂贵，不易修理更换，若这些部件磨损报废，则可以认为该发动机已到达极限技术状况，从而进行大修或者报废。

二是坦克发动机的工作性能与发动机缸套-活塞、曲轴主轴颈-轴承等之间的间隙密切相关。随着发动机的不断使用，这些主要运动副间隙逐渐变大，造成漏气、耗油量增加，功率下降、噪声、振动等不良后果[6-7]，从而使发动机技术状况下降，甚至导致整机报废。

由以上两点可以看出，主要耐磨件的磨损程度加大会对发动机的动力性、密封性等技术状况产生不良影响，几乎决定着坦克发动机的使用寿命，因此，通过计算发动机几类主要耐磨件的耐磨寿命，即可预计出发动机在正常使用工况条件下的使用寿命。

2  坦克发动机使用寿命计算模型的建立

2.1 传统耐磨件寿命计算方法

在计算柴油机等大型机械产品的主要耐磨件寿命时，可以采用传统的计算方法，即将耐磨件的磨损速率和最大允许磨损量当作定值进行处理，设耐磨件的寿命为

其中，w为耐磨件的最大允许磨损量，其大小由磨损件表面的允许磨损深度和形状偏差;？滋为耐磨件的平均磨损速率。

2.2 以可靠性为中心的计算方法

坦克发动机耐磨件的可靠度是指其在规定时间t内和规定条件下，完成规定功能的概率，是可靠性的概率度量[8]。

为了知晓耐磨件在最大允许磨损量的条件下能够使用多长时间，把耐磨件在某一时刻的可靠度定义为最大允许磨损量大于实际磨损量的概率。

设在一定时间t内，耐磨件的实际磨损量为H=W（t），最大允许磨损量设X。由坦克发动机生产部门可知，由于在生产过程中，耐磨件的工艺、加工处理等方面的差异，使每批次耐磨件的最大允许磨损量在一定的范围内服从某种分布。坦克发动机在使用过程中，在一定时间内其耐磨件的实际磨损量也各不相同，可能服从某种分布[9-10]。

可以依据发动机耐磨件实际磨损量的随机分布函数和最大允许磨损量的随机分布函数，以及上述规定的可靠度要求，可得出耐磨件的可靠度函数，即

通过调研统计，对一批次的该新型坦克发动机缸套实际磨损量均值统计数据如表1。

以坦克发动机摩托小时数为变量，缸套磨损量为因变量，利用MATLAB软件对数据进行多种函数拟合处理，得到三种拟合程度较高的函数关系，分别如图2、图3、图4所示。

对三种函数关系进行误差比较，计算得出它们的残差分别为3.95，3.45，3.15。为验证模型的可行性以及尽可能地减小误差，选择后两种磨损量与摩托小时数函数关系进行计算。

若要求耐磨件的工作可靠度为R，那么

当耐磨件的实际可靠度R（ti）接近要求的工作可靠度R时，可以求出耐磨件的可靠寿命，即ti。一般取R=0.99[10-11]。

在坦克发动机工作环境中，大多数磨损件的实际磨损量服从正态分布[10-11]，因此，可以进一步推导磨损件的可靠度函数。

设实际磨损量 的概率密度函数为：

由工厂生产发动机统计数据规律知，发动机耐磨件的最大允许耐磨量也服从正态分布，设最大允许耐磨量X的概率密度函数为：

其中，？滋t、？滋x和？滓t、？滓x分别是相应的实际磨损量与最大允许磨损量的数学期望和标准差。

设磨损件出厂时允许磨损量在一定范围内，为X±？驻X，由于满足正态分布，其标准差为：

对于给定的耐磨件可靠度R，即可通过联立上述公式计算得出耐磨件的可靠寿命tR。

3  某新型坦克发动机使用寿命计算

经咨询专家，该新型坦克发动机缸套最大允许磨损深度为130+5？滋m，则允许磨损量的均值为 通过计算缸套在最大允许磨损深度条件下的使用寿命，可以初步预计坦克发动机的使用寿命。

从计算结果来看，在坦克发动机正常工况下，采用不同的缸套磨损量与摩托小时数的函数关系，坦克发动机的使用寿命均长于发动机大修时间，在不考虑其他人为、工作环境等因素的情况下是有可能的，说明该模型是可行的，同时也为坦克发动机延长使用寿命提供了理论支持。

4  结论

坦克发动机的使用寿命不仅仅与发动机自身耐磨件的磨损情况有关，还与其工作的环境，主要部件的故障模式息息相关。因此，坦克发动机的使用寿命最好是通过多种因素进行分析确定。本文依据发动机耗损故障规律，结合某新型坦克发动机具体规程要求，通过构建的坦克发动机使用寿命计算模型，得出某新型坦克发动机的固有使用寿命。从计算结果上看，该型坦克发动机的使用寿命比规定的传统大修期约长200～220摩托小时，因此，目前是否仍延续某旧型坦克发动机的大修期进行定时维修值得商榷和讨论。一般来说，坦克发动机耐磨件的磨损程度基本决定了其使用寿命，因此，本文构建的计算寿命模型具有可行性，对发动机延长使用寿命也可能够提供较好的理论依据。

参考文献：

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[4] 廖俊雄，陈振雷，等.某发动机活塞强度与疲劳分析[J].机械强度，2019，41（1）：163-168.

[5]张利敏，王根全，等.某型柴油机活塞销轴承磨损分析及表面型线设计[J].兵工学报，2018，39（10）：1892-1890.

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[8]张耀辉，张仕新，李勇，等.装备维修工程[M].装甲兵工程学院，2014.

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