发动机可靠性设计分析

王德芬 杨贺绪

摘要：为了提高发动机的运行可靠性，不断完善发动机的功能，越来越多的高精尖技术被应用到发动机的可靠性设计中，当前对于在发动机的可靠性设计方面受到了越来越多的关注。本文对发动机可靠性设计分析的研究现状及其可靠性设计分析的思路进行了概括。从发动机可靠性的优化设计、发动机的可靠性灵敏度分析及发动机可靠性的稳健设计等三个方面对发动机可靠性的设计方法进行了研究，并对发动机可靠性的设计技术进行了总结，研究内容对于提高发动机的利用效率及研究其运行可靠性方面具有一定的借鉴意义。

关键词：发动机;可靠性;设计分析

中图分类号：TK421.4                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0037-02

0  引言

在当前社会经济的发展过程中，发动机已经成为了影响国民经济的非常重要的因素，随着当前科学技术的不断发展，工业化产品的竞争越来越复杂，设备的运行可靠性成为了产品的竞争过程中关键因素。发动机的可靠性指的是特定的内部结构在一定的环境条件下与时间跨度内维持预期的功能的能力。现代机械正朝着精密化、高效化、信息化以及智能化的方向发展，为了提高发动机的运行可靠性，不断完善发动机的功能，越来越多的高精尖技术被应用到发动机的可靠性设计中。当前对于在发动机的可靠性设计方面受到了越来越多的关注。徐凯等[1]对发动机可靠性技术的研究现状进行了总结，从发动机零部件的可靠性设计方法、发动机系统的可靠性评估及发动机的可靠性试验方法对发动机的可靠性技术上进行了研究，并对发动机可靠性技術的发展进行了展望。王建平等[2]对发动机的可靠性设计面临的问题及解决方法进行了探讨，确定了一种可靠性试验方案，为发动机的可靠性设计提供了一种全新的设计思路。刘海年等[3]对航空发动机的可靠性设计方法进行了研究，对可靠性设计与验证工作流程、可靠性设计方法、可靠性试验方案设计方法、成品可靠性试验方法及成品可靠性评估方法进行概述。

对发动机的可靠性进行设计分析的意义在于可以提高发动机的运行可靠性，改善发动机的工作效率，减少发动机的使用费用以及可以避免由于发动机的可靠性差的原因造成其他方面的经济损失。本文通过对发动机的可靠性设计的方法、原理及发展现状进行了总结和归纳，对发动机可靠性设计技术具体内涵进行了研究，研究内容对于推动发动机的可靠性分析工作具有一定的借鉴意义。

1  发动机可靠性设计思路

发动机械可靠性设计工作需要以大量的物理学理论研究和可靠性试验为基础，仿真工作是一种主要的理论分析方式，其工作流程如图1所示。在发动机的可靠性设计过程中，对可靠性试验中相关数据的分析尤为重要，这些试验数据是确定发动机设计参数的重要基础。从本质上来说，发动机的可靠性设计原理就是通过对发动机的可靠性指标的控制来提高发动机的性能与长期运行稳定性。发动机的可靠性设计，不仅仅是对发动机结构的优化设计，还需要保证发动机产品具有较长的使用寿命以及良好的工作性能。

从物理指标角度来说，发动机的可靠性设计主要包括定性设计与定量设计两个方面的内容。定性设计主要是指在发动机的设计阶段，通过以其中某些相关的成功设计经验为参考，或者就以往的某些失败案例进行进一步的研究与思考，以获得优化性的解决方案，通过取长补短的方式减少设计缺陷，提高发动机的综合设计水平。发动机的定性设计还包括可能对发动机的整体质量造成影响的各种外界因素分析以及各个发动机结构可能发生的故障预测与风险评估，针对这些可能发生的故障与评估得到的风险制定相应的改善方案，将对发动机的质量造成不利影响的各种因素逐一消除。发动机可靠性的定量设计主要包括应力计算、强度计算以及对模型的干涉分析等，并以此为基础进行其机械性能失效的状态函数演算推演。在发动机可靠性设计的定量设计中，可以将发动机的强度参数，受到的应力参数当成随机变量，通过特定的推演计算，结合随机变量估算发动机功能的失效概率与可靠度评估，确定机械设计方案的可行性。

2  发动机可靠性设计方法

当前在发动机的可靠性设计过程中，为了保证发动机具有更高的工作效率和工作性能，通常需要从发动机的可靠性的优化设计、可靠性的灵敏度设计及可靠性的稳健性设计等几个方面考虑。

2.1 发动机的可靠性优化设计

随着近年来科技的进步，新材料、新技术以及新的加工工艺等不断出现并在发动机的设计加工中得到广泛的应用，极大的提高了现代发动机的设计质量，也缩短了从发动机设计到其产品实现的周期。另一方面，社会的发展，使得人们对发动机的性能、安全性以及可靠性等方面有了更高的要求，也加速了发动机的更新换代，为了更好推动发动机可靠性设计的发展，需要从设计理论与设计技术等方面进行深入的研究。在此背景下，发动机优化设计的概念逐渐形成，它较好的实现了数学规划与计算机技术的融合，对一些现代化大型、复杂、精密仪器设计质量的提高大有裨益。发动机可靠性设计的内涵逐渐丰富，其主要包括质量优化、成本优化以及可靠度优化三个层次的内容;具体来说就是，发动机可靠性优化设计是提高其综合指标的必要手段，它能够保证相关企业在尽可能短的时间内实现较高质量的发动机设计制造。

2.2 发动机的可靠性灵敏度分析

近年来随着人们对发动机综合性能要求的不断提高，发动机可靠性的灵敏度分析设计也得到了更多的关注。通常情况下，在进行新的发动机产品设计时需要针对各个设计方案进行试验验证，以确定设计方案的可行性与预期效果，当发生设计变更时需要再次进行试验。因此，发动机的可靠性灵敏度设计是一项需要大量时间资源的工作。此外，现代机械复杂程度越来越高，其中需要考虑的数学参数与物理参数不断增多，而发动机可靠性灵敏度设计正是要通过相关的研究与规划来保证这些参数在允许的范围内。较为常见的一些发动机可靠性灵敏度设计方法主要有直接分析法、伴随变量法和Green函数法等。

发动机可靠性灵敏度设计其实就是在其可靠性设计的基础上融入灵敏度设计的内容，发动机可靠性灵敏度设计能够得到所需的产品参数，有助于针对性的进行优化设计，从而提高发动机产品的综合性能。

2.3 发动机的可靠性稳健设计

发动机的总体质量可以分为内部质量与外部质量，因此从质量控制的角度来说，在发动机的设计制造过程中需要同时保证内部质量与外部质量两个方面。具体来说，内部质量指的是发动机的综合性能与稳健性;外部质量通常是用户可以通过观感直接掌握的一些质量特征。为了保证发动机的内部质量，就需要设计方法与设计理念上进行综合层次的保障，进而提高发动机的整体质量。

现阶段，发动机的可靠性稳健设计的常用模式主要包括以经验为主的设计模式或者半经验半理论的设计模式以及在工程模型的基础上进行针对性优化等几种模式。具体而言，传统的发动机稳健性设计方法主要包括田口方法、响应面分析法和广义模型法等;在工程模型的基础上进行优化设计的机械稳健性设计方法主要包括随机模型法与变差传递法。近年来，在计算机技术快速发展的推动下，CAD建模技术极大的促进了以工程模型为基础的发动机稳健性设计水平的提高。从某种程度上来说，发动机可靠性稳健设计与发动机可靠性灵敏度设计是相辅相成的，通过发动机可靠性灵敏度设计可以找出影响产品综合质量的各种因素，从而为针对性的优化方案的制定奠定了基础，也为发动机可靠性稳健设计创造了条件。

3  发动机可靠性设计技术与应用

3.1 技术原理

发动机的可靠性设计技术主要包括其零部件的可靠性设计方法、发动机系统的可靠性设计评估及发动机可靠性试验方法等方面的内容。对于发动机零部件的可靠性设计方法，在传统的设计过程中为了保证发动机的安全系数，通常发动机设计人员按照经验进行发动机安全系数的设定，这种设计过程中一般比较保守，所以发动机整体设计出来之后会显得非常笨重。

对于发动机零部件的可靠性设计而言，是将发动机的载荷、发动机的材料性能及结构参数用一函数来进行表示，通常会建立一种应力-强度的干涉模型。通常在发动机的结构设计中已经将发动机的优化设计技术、有限元设计技术及可靠性设计技术结合起来，这已经成为一种发展趋势，未来会取得越来越广泛的应用。

对于发动机系统的可靠性评估分析技术，主要的方法包括数学模型评估法、上下限评估法、相似设备评估法、蒙特卡洛评估法、故障分析评估法。其中故障分析评估法主要包括故障模式及影响分析、故障树分析法。故障树的分析技术通常是指在其系统设计过程中对可能造成系统故障的各种因素进行分析确认，从而对系统的故障原因进行确认。

3.2 技术应用

随着现代社会机械化程度的提高，各种自动化设备得到快速普及，发动机可靠性设计的实践应用也越来越成熟。现阶段，发动机可靠性设计多集中在大功率产品设计、发动机结构易损件寿命的提高和保持发动机结构运转参数稳定等方面，而发动机的整体可靠性保证是通过加强各个主要零部件的可靠性设计来实现的。一般情况下，发动机的主要承载部件在日常工作状态中会受到相关的应力影响，在长时间的动载荷作用下经常出现疲劳断裂、磨损以及锈蚀等失效问题，进而影响到发动机的正常使用，导致发动机出现可靠性不良的问题。

因此，发动机可靠性设计在现实中的应用就是将发动机的主要结构在工作状态中的应力分析，发动机各部件的强度分析以及发动机的长期运转性能与可靠性进行有机融合，结合概率运算，为发动机的整体可靠性设计奠定基礎。通过相关的耦合方程的计算，结合对发动机零部件组合方式与复杂程度的分析以及在各种使用工况下结构或零部件失效的统计研究，从而最终确定发动机的可靠性指标，并在生产制造环节加强对这些发动机可靠性指标的控制。

4  结语

总而言之，发动机的可靠性设计既是一项基础性的技术工程，又是发动机综合性能以及长期运转可靠性的根本保证。本文对发动机可靠性设计分析的研究现状及其可靠性设计分析的思路进行了概括。从发动机可靠性的优化设计、发动机的可靠性灵敏度分析及发动机可靠性的稳健设计等三个方面对发动机可靠性的设计方法进行了研究，并对发动机可靠性的设计技术机器具体应用进行了总结，研究内容对于提高发动机的利用效率及研究其运行可靠性方面具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]徐凯，朱梅林.发动机可靠性技术的应用及展望[J].小型内燃机，1998（02）：11-15，32.

[2]王建平，贾东明.固体发动机可靠性设计面临的问题及其解决方法[J].固体火箭技术，2012，35（03）：339-343.

[3]刘海年，王志会，吴新，栾旭，李昌红，张生.航空发动机成品可靠性设计与验证方法研究及应用[J].航空科学技术，2017，28（07）：45-51.

作者简介：王德芬（1986-），男，江苏徐州人，硕士在读，讲师，研究方向为机械工程;杨贺绪（1982-），男，宁夏固原人，博士在读，副教授，研究方向为机械振动/动力学。