高压油泵电磁计量阀可靠性分析

王婷婷 蒋国璋 钱新博 陈慧青

摘要： 提出了一种基于Weibull分布的高压油泵电磁计量阀可靠性模型，对某批次电磁计量阀售后失效模式进行判断并完成其可靠性寿命计算与预测。通过计算结果分析：β>1.0，表明该油泵电磁计量阀的售后失效模式为耗损型失效模式;油泵电磁计量阀的B10寿命为22，306km，平均寿命为111，287km。对电磁计量阀耗损失效模式进行分析并做相应优化与整改，延长其使用寿命。

Abstract： A reliability model of high pressure pump electromagnetic metering valve based on Weibull distribution is proposed to judge the after-sales failure mode of one batch of electromagnetic metering valve and complete its reliability life calculation and prediction. The analysis results show that β is greater than 1.0， which indicates that the after-sale failure mode of the electromagnetic metering valve is consumable failure mode. The electromagnetic metering valve B10 life time is 22，306km， the average life is 111，287km. The failure mode of electromagnetic metering valve is analyzed and optimized to prolong its service life.

关键词： 电磁计量阀;失效模式;可靠性;威布尔分布

Key words： electromagnetic metering valve;failure mode;reliability;Weibull distribution

中图分类号：TH137                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0031-04

0  引言

高压共轨系统由于能够精准灵活调节喷油压力和喷射规律，成为柴油机燃油系统的发展方向[1-2]。高压油泵电磁计量阀是高压共轨系统的关键部件之一，其功能是根据共轨压力的需求控制进入油泵柱塞腔内的燃油量，使输送到油轨的燃油量与发动机需求量一致，保证轨压的稳定[3-4]。因此准确评估高压油泵电磁计量阀的健康状态和可靠性具有重要的实际意义。

“威布尔分布”[5]因瑞典教授Wallodi Weibull在进行材料强度统计时首次使用而得名，目前已广泛应用于电子元器件寿命试验和机械产品的疲劳寿命试验中，是机电设备寿命可靠性分析中应用最广泛的模型之一，也是设备故障分布中最常见的分布形式[6-8]。由于威布尔分布可以利用概率值很容易地推断出它的三个分布参数，对于各种类型的数据均有较强的拟合能力，被广泛应用于各种机电产品寿命试验的数据处理。三参数威布尔分布能够比较全面地描述浴盆曲线的各个阶段，而且对于机械设备可靠性实际情况反映的更加真实[9-10]，因此成为可靠性领域应用最为广泛的分布函数类型。因此，本文将三参数威布尔模型作为电磁计量阀可靠性建模的核心模型。

高壓油泵电磁计量阀是一个由PWM脉冲宽度调制信号驱动的开关阀，于计量进入到高压油泵柱塞油室的燃油量。根据初始状态下阀口开闭状态分为常开式和常闭式两种[11]。本文研究的是常开式燃油计量阀，即当励磁线圈不通电时，在复位弹簧的作用下，节流孔开度最大;当励磁线圈通电时，柱塞下行，低压油通过节流口，阀体被吸入柱塞腔内，柱塞上行时，进油阀在弹簧力作用下关闭，切断燃油回路，柱塞腔内的油压迅速升高，向高压油轨供油，励磁线圈不通电时供油量最大。高压油泵电磁计量阀是柴油发动机高压共轨燃油系统中的重要组成部件，控制油泵泵油的多少，使高压油泵按需供应，避免能量损失[12]，具体结构见图1。

高压油泵电磁计量阀对共轨系统的轨压调节起到重要作用，其可靠性指标和失效模式分析一直是高压共轨燃油系统生产厂家关注的重点。据售后市场反馈，油泵电磁计量阀常见故障有卡滞、泄漏、磨损、短路、断路等，某燃油系统生产厂家对售后油泵电磁计量阀的故障现象、故障可能原因及对应的故障里程虽有记录，但由于记录数据和信息的不完整性，导致无法准确评估油泵电磁计量阀的可靠性、评估电磁计量阀供应商能力、预测电磁计量阀的使用寿命。鉴于三参数威布尔分布在三个分布参数，可准确描述机电产品零部件失效数据的分布规律、并用于可靠性设计与分析、零部件寿命预测等，被许多学者和发动机厂家用于机电产品零部件故障模式分析。周福庚[13]基于威布尔分布对车速传感器失效阶段进行研究，重点分析车速传感器发生早期失效的主要原因并提出改进措施;曹祖剑[14]利用两参数威布尔分布对汽车油泵失效进行可靠性分析及寿命预测，验证了威布尔分布在油泵售后服务中可靠性分析及寿命预测的有效性;范程程等人[15]依据汽车铅酸蓄电池的三包索赔与售后数据，基于威布尔分布对铅酸蓄电池的故障模式进行分析，建立威布尔模型，完成铅酸蓄电池可靠性分析。根据蓄电池故障类型和可靠性分析结果，指导整车厂制定蓄电池维修保养计划。

基于以上研究，提出了一种基于Weibull分布的高压油泵电磁计量阀可靠性模型，对某批次电磁计量阀售后失效模式进行判断并完成其可靠性寿命计算与预测，从而找出导致高压油泵电磁计量阀发生失效的主要原因，并对其进行整改，得到滿意效果。

1  电磁计量阀可靠性模型

威布尔分布模型广泛应用于机电设备的可靠性分析，其公式见下[6]：

由式（1）—（4）可知，只要得到形状参数β和尺度参数η，就能得出其累积失效分布函数、失效概率密度函数、可靠度函数、故障率函数和平均寿命。

参数估计法主要有图形法和解析法两类[17]。图形法是在威布尔概率纸上以循环次数为横坐标，失效概率为纵坐标，通过描点、连线，得到形状参数β和尺度参数η。这种方法易于理解，但计算精度低。解析法包括最小二乘法、极大似然法、矩估计法、平均秩次法及相关系数优化法等[18]。文中所研究的参数估计方法采用最小二乘估算法。

1.1 可靠度函数公式变换

基于最小二乘估算法原理，可将复杂的威布尔可靠度函数变换成易于计算的直线型函数。

由此将威布尔可靠度函数变换为（8）式的直线型函数，X轴表示零部件的寿命，Y轴表示失效模式下的零部件失效累积概率，（10）式中的β为直线斜率，提供零部件失效阶段和原因等相关信息及最终需求值。

2  高压油泵电磁计量阀可靠性分析

2.1 威布尔模型参数计算

首先整理相同型号高压油泵电磁计量阀售后数据，将数据按照故障里程从小到大排序。虽然在发动机零部件可靠性分析中的原始数据是不规则截尾数据，但当样本量较大时，中止数据的影响不大[19]，可当作未删失数据进行简化处理。经处理后的电磁计量阀售后故障数据见表1。

依据式（11）-（13），根据计算出的相关变量数值，利用基于三参数威布尔分布和最小二乘法原理编写的MATLAB程序，得出电磁计量阀可靠性模型中的三个重要参数β=1.336，γ=798，η=120214.7。同时绘制出威布尔分布回归直线，如图2所示，绝大多数拟合点都分布在直线附近，说明三参数威布尔分布能够很好地拟合高压油泵电磁计量阀寿命周期的实际情况[20-21]。

2.2 高压油泵电磁计量阀可靠性评估

已计算出威布尔分布参数中形状参数，位置参数和尺度参数，因此根据公式（1）、（2）、（3）、（4）可依次绘制出失效概率函数曲线、累积失效概率函数曲线、可靠度曲线以及失效率函数曲线（图3）。将β和η分别代入式（14）、式（15）和式（16），可计算出其B10寿命、中位寿命t0.5和平均寿命E（t），如表2所示。由表2可知出油泵电磁计量阀的B10寿命为22，306km，中位寿命为91，372km，平均寿命为111，287.33km（对应Γ（1.749）≈0.9191），根据高压油泵电磁计量阀可靠性分析结果，可提醒燃油系统生产厂家在商用车规定行驶里程内，进行高压油泵电磁计量阀的维修保养或更换，提高油泵寿命，降低油泵的三包索赔数量和成本。

3  高压油泵电磁计量阀耗损失效模式分析及整改

依据β=1.336>1.0，可判断出该型号高压油泵电磁计量阀售后失效模式为耗损失效模式。通过图3分析可知，随着行驶里程的增加，电磁计量阀失效率逐渐增加，可靠度逐渐降低，高压油泵电磁计量阀失效概率逐步增加，失效可能性变大，由此可见，对电磁计量阀失效率进行分析的必要性。通过分析电磁计量阀故障率，降低高压油泵失效率，降低维修成本[22]，提高油泵可靠性，从而保证发动机安全稳定运行。

3.1 耗损失效模式原因分析  通过电磁计量阀可靠性模型分析计算得到电磁阀为耗损失效模式，此模式下电磁阀失效率随时间增长而快速增加。主要是因为电磁计量阀内部子零部件过度疲劳、老化以及磨损导致的。通过图1油泵电磁计量阀结构简图所示，电磁计量阀主要由电插头，电磁阀壳体，节流阀壳体，柱塞套，柱塞阀芯，励磁线圈，阀体，复位弹簧，弹簧座，密封圈等结构组成。通过对油泵电磁计量阀失效件拆解分析，发现失效的主要原因有以下三个方面：①柱塞阀芯卡滞，如图4所示。②电磁阀内部发生锈蚀，导致功能失效，如图5所示。③磁励线圈发生短路，如图6所示。

3.2 失效原因分析及整改措施  分析产生失效的原因主要以及相应的改进措施如下：①杂质卡在阀芯与柱塞套之间导致电磁计量阀卡滞，除改进子零部件清洁度要求外，还将柱塞阀芯与柱塞套的间隙公差从3～5um调整4～6um;同时优化柱塞阀芯与阀体的倒角设计;改进零件加工去毛刺工艺。②电磁计量阀锈蚀主要原因燃油中水分及酸性物质含量过高，加速内部零件的锈蚀，通过增加关键零部件的表面涂层改进抗锈蚀能力。③正负级线圈搭接导致短路主要原因是绕线脱漆过长，当工作时，电磁阀内部发热产生微小位移，使正负极导线脱漆处接触，进而产生短路故障。需改进绕线工艺，增加制造过程的绕线张力要求，检测电阻，CT扫描验证工序。此款电磁计量阀通过上述改进并投放市场使用后，售后故障反馈失效信息减少，整改的结果较为理想，改进前后可靠性指标对比见表3。

4  结论

提出一种基于三参数Weibull分布的高压油泵电磁计量阀可靠性模型，对某批次电磁计量阀售后失效模式进行判断并完成其可靠性寿命计算与预测，得出以下结论。高压油泵电磁计量阀在使用过程中，往往出现不同的故障或失效模式，使用威布尔分布模型可较容易地实现对高压油泵电磁计量阀失效模式的判断，该油泵电磁计量阀的威布尔形状参数β=1.336>1.0，表明其售后失效模式为耗损型。通过分析电磁阀失效模式和失效原因，对电磁阀做相应的技术，工艺，质量改进，改进后B10寿命为27，218km，可靠性为50%的电磁计量阀的中位寿命为116，710km。油泵电磁计量阀的平均寿命为162，731km，比改进前有明显提高。综上所述，利用三参数威布尔分布函数公式建立的电磁计量阀可靠性模型可实现对高压油泵电磁计量阀的可靠性和寿命预测分析。

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