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发动机台架试验 -可靠性试验


学生实验报告
实验课程名称: 开课实验室: 年级、 专业、 班级 实验项目 名称 发动机试验技术 内燃机实验室 学 号 内燃机可靠性试验研究 姓 名 指导教师 2013 年 5月 成 绩 29 日

教师评语 教师签名: 年 目 1.实验目的 2.实验内容 3.实验进度安排 4.结论 录 月 日

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目录
一、 试验目的 二、 试验内容 1. 试验依据 2. 试验条件 3. 试验仪器设备 4. 试验样机 5. 试验内容与方案 (1)交变负荷试验 (2)混合负荷试验 (3)全速负荷试验 (4)冷热冲击试验 (5)活塞机械疲劳试验 (6)活塞热疲劳试验 三、 试验进度安排 四、 试验结果的提供

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摘要
国外在可靠性试验方面己做了许多有益的研究工作, 但到目前为止尚未形成 统一的试验方法, 而且考虑到该试验的非普遍性及技术保密性,将来也不可能形 成统一的试验规范。 相对于热疲劳研究状况来讲,国内对机械疲劳的研究还比较 少。 为适应发动机比功率和排放法规日益提高的苛刻要求,发动机面临着更高 机械负荷和热负荷的严峻考验。国内高强化发动机最大爆发压力已超过22 Mpa。 活塞的机械疲劳损伤主要体现在销孔、环岸等部位。活塞环岸、销座及燃烧室等 部位由于在较高的工作温度下承受着高频冲击作用的爆发压力,润滑状况较差, 摩擦磨损,其他破坏可靠性的腐蚀磨损(缸套一环换向区、排气门/排气门座锥面 等)、疲劳磨损(挺杆、轴瓦、齿轮表面等)、微动磨蚀(轴瓦钢背、飞轮压紧处、 飞轮壳压紧处、湿缸套止口处等)、电蚀(火花塞电极等)和穴蚀(水泵叶轮等)这些 都是可靠性试验的主要目标,也是实施可靠性设计、试验研究的重点部位。 众所周知, 在内燃机整机上进行零部件可靠性试验成本昂贵。本文将参照原 有的可靠性试验方法, 通过看一些关于可靠性的零部件加速寿命实验技术制定一 种评价内燃机可靠性的考核规范,包括活塞机械疲劳试验和活塞热疲劳试验,可 迅速做出其可靠性恰当的评价,可以降低研发成本、缩短研发时间。

一、试验目的
1 通过理解内燃机可靠性评估,评定发动机的可靠性。 1.1了解评估的多种理论方法,如数学模型法、上下限法、相似设备法、蒙特卡 洛法、 故障分析( 包括故障模式影响分析和故障树分析) 等。 并掌握故障分析法。 1.2学会可靠性试验评估,为进行可靠性设计奠定基础理论,为发动机及相关零 部件提供测试、验证以及改进的技术支持。 2 掌握可靠性试验方法 2.1掌握内燃机可靠性综合性试验及专项试验。综合性试验的考核对象是零件的可靠
性、零件表面性状的变化和发动机性能的保持性;专项试验是超水温( 耐热性) 、超负荷、 混合负荷、交变负荷循环、超爆发压力、超速等试验。

二、试验内容 1 试验依据
参考的试验标准: GB /T 19055-2003 汽车发动机可靠性试验方法 GB /T 18297-2001 汽车发动机性能试验方法 JB/T 5112-1999 中小功率柴油机产品可靠性考核

2 试验条件 一般试验条件:
2.1 燃料及机油:采用制造厂所规定的牌号,柴油中不得有消烟添加剂。
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2.2 磨合:按制造厂规定的磨合规范进行。 2.3 冷却系温度:水冷机的冷却液的出口温度控制在 361 K±5K,必要时可减少温 度允差。 2.4 机油温度:按制造厂的规定或控制在 368 K±5K,必要时可减少温度允差。 2.5 燃料温度:柴油温度控制在 311 K±5K;汽油温度控制在 298 K±5K。 2.6 排气背压:按制造厂的规定或低于 6.7 k Pa。 2.7 发动机标准进气状态

应按本标准进气状态, 校正点燃机及压燃机油门全开时的实测有效功率、扭矩和 压燃机实测燃料消耗率等。

试验对仪表精度及测量部位的要求:
2.8 扭矩误差 不超过所测发动机最大扭矩值的±1%。 2.9 转速误差 不超过所测值的±0.5%。 2.10 燃料消耗量 误差不超过所测值的±1%。 2.11 温度 a) 冷却液温度:在靠近发动机冷却液出口及人口两处测量;误差不超过±2K。 b) 机油温度:在主油道、主油道的入口或有代表性部位测量;误差不超过±2K 。 c) 排气温度:传感器端头离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口 50m m 处测 量,并位于排气连接管的中心,传感器逆气流方向插人;误差不超过±15 K。 d) 燃油温度:柴油温度在燃油喷射泵进口处测量;汽油温度在靠近化油器或喷油 器的人口处测量。 若有困难, 可按制造厂推荐有代表性的部位。 误差不超过±2K。 2.12 压力 a) 进气管真空度及绝对压力:真空度在进气歧管进口(即化油器下法兰)的下游 30mm 左右处测量,测压头与管内壁齐平;进气管绝对压力按制造厂规定的位置测 量,误差不超过±0.15 kPa 。 b) 进 气 连接管压降:在发动机进气口(即进气连接管、化油器、节气门体或空 气滤清器的进气口)上游 150mm 左右处测量, 测压头与管内壁齐平;误差不超过± 0. 05 kPa。 c) 涡轮增压器的压气机进、 出口压力:在压气机进、出口的管壁上有代表性的部 位测量,测压头与管内壁齐平。进口压力测量误差不超过±0. 1 kPa;出口压力 测量误差不超过±1 kPa。 d) 排气背压:离发动机排气歧管出口或涡轮增压器出口下游 75m m 处,在排气连 接管里测量,测压头与管内壁齐平;误差不超过±0.2kPa。
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e) 机油压力:在润滑系的主油道上或按制造厂推荐有代表性的部位测量;压力表 精度 1.5 级。 f) 气缸压缩压力:在火花塞孔或喷油器孔处测量,除测量的气缸外,其他各缸的 火花塞或喷油器等均装好;压力表精度 1.5 级。 g) 曲轴箱压力:在有代表性的部位测量,如加机油口、油标尺插人口等,误差不 超过±0.02 kPa。 2.13 点火、喷油及供油提前角:误差不超过士 1°曲轴转角。 2.14 进气温度 沿发动机进气口(即进气连接管、化油器、节气门体或空气滤清器的进气口) 的轴线,在进气口上游 30~60 mm 处测量,若空气滤清器系周边进气结构,可在 空气滤清器里面的中间位置测量;传感器不得受到热辐射,应采取措施进行热屏 蔽;误差不超过士 2K。 2.15 进气压力 在试验室内不受阳光和热辐射的部位测量;误差不超过±0.1 k Pa。 2.16 进气湿度 在试验室内不受阳光和热辐射的部位测量, 采用抽风式干湿球温度计;温度误 差不超过±0.5 K 。 2.17 发动机空气消耗量 误差不超过所测值的±3%。 2.18活塞漏气量 误差不超过所测值的±5%。 2.19测量数据的条件 测量数据时的发动机运行转速与选定转速相差应不超过1%或±10r /min,待转 速 、扭矩及排气温度稳定1min后,方可进行测量。转速、扭矩、燃料消耗量及 进气温度尽量同时测量。测量燃料耗时间应不少于20 s, 取连续测量两次测量的 平均值,前后两次的扭矩及燃料消耗值相差应小于2%。两次测量的时间间隔约1 min。 2.20异常燃烧的避免 点燃机在台架可靠性试验全过程中,不应发生爆震、早嫩及过高燃烧室温度, 可按发动机制造厂的规定对火花塞热值、燃料辛烷值、点火提前角及混合气浓度 进行适当调整,并在试验报告中注明。

3 试验仪器设备
试验仪器设备除了一些发动机试验台架普片具有的设备外还有 AVL 冷热冲击试 验装置、活塞液力疲劳试验装置(型号:SHE-A5)、高频感应加速热疲劳试验 台、数字超声探伤仪(型号:CTS-4020) 。

4 试验样机
试验发动机2台(A发动机及B发动机)应符合发动机制造厂的技术条件,所有紧固 件应拧紧至规定值, 气门间隙调整至规定值, 采用制造厂规定的润滑脂及密封胶。 4100QBZL 技术参数
汽缸数 排量 最大扭矩 4 3.298L 285N.m 气缸排列形式 最大输出功率 最大扭矩转速 直立 81KW 2000~2200

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压缩比 气缸行程

17:1 105cm

额定转速 气缸缸径

3200r/min 100cm

5 试验内容与方案 (1) 交变负荷试验
油门全开,从最大净扭矩的转速( n M )均匀地升至最大净功率的转速( np ),历 时1.5 min;在 np 稳定运行3.5min;随后均匀地降至 n M , 历时1.5 min;在 n M 稳定运行 3.5 min,重复上述交变工况,运行到25 min。 油 门 关 闭.转速下降至怠速( ni )运行到29.5 min;油门开大,无负荷,使转 速均匀上升到105 额定转速(105% nr )或上升到发动机制造厂规定的最高转速, 历 时0.25 min±0. 1 min;随即均匀地关小油门,使转速降至 n M ,历时0.25 min±0.1 min,至此完成了一个循环,历时30min。运行800个循环,运行持续时间400h 。

(2)混合负荷试验
混合负荷试验规范见图2及表,不同工况间转换在1min内完成,均匀地改变 转速及负荷。每循环历时60 min,共1 000个循环,运行持续时间1 000 h。

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工况序号 1 2 3 4

发动机转速 怠速 ni 最大净扭矩的转速 n M 最大净功率的转速 np 额定转速 nr

负荷 0 油门全开 油门全开 油门全开

工况时间(min) 5 10 40 5

(3)全速负荷试验
转速:额定转速 nr 负荷:油门全开 运行持续时间:1000h。

(4)冷热冲击试验
冷热冲击试验规范见图3及下表,表中工况1到2,2到3的转换在5s以内完成; 工况3到4,4到1的转换在15 s以内完成,均匀地改变转速及负荷。每循环历时6 min。不同最大总质量汽车用发动机运行持续时间(h),汽车总质量不大于3500 kg 的运行200(h);汽车总质量大于3500 kg到12000 kg的为300h;汽车总质量大于12 000kg的运行500h.

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工况顺序 1(热)

转速 最大净功率的转速

负荷

冷却水出口温度K 升至378土2°或385 士2°

工况时间s

np

油门全开

tp
15

2 怠速 3 4(冷) 0

ni

0

自然上升

0 0

自然上升 降至311° 360-

15

最高怠速

tp

-15-15

a散热器盖在绝对压力150 kPa放气时,冷却水温升至378K 士2K,或按发动机制造厂的规定. b散热器盖在绝对压力190 kP。放气时,冷却水温升至385 K士2 K>或按发动机制造厂的规定。 C

tp

系 发 动机自行加热至规定出水温度所需的时间。

(5)内燃机活塞机械疲劳试验
活塞是可靠性实验研究的重点,它也是发动机最重要的部件之一。内燃机活 塞的失效形式有高周疲劳失效、 热负荷及机械负荷作用下的耦合应力超过材料的 强度极限,使零件产生破坏、材料特性变化诱使部件失效、高温燃气的腐蚀作用 促使活塞失效、高温蠕变影响活塞失效等。 下图为活塞机械疲劳寿命评价流程图

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1.判断故障样件是否属于机械疲劳为 主的破坏,确定主要影响因素

*判断依据:a)经验:b)金相分析;c)计 算模拟;d)同等载荷条件下试验,由 试验损伤与实际损伤对比判断。

2.测量发动机爆发压力,测量并计 算活塞温度场、热机械应力

3.根据活塞承受的负荷,设计并加 工试验装置

*等效试验:保证台架瞬态应力场与实 际情况的同比性

4.根据样件实际使用情况, 制定疲劳 试验规范 *加载频率、载荷波形及幅值等 *原则:考核压力波动及减小情况。 检查部件 5.液压疲劳试验或发动机耐久试验 出现肉眼可见裂纹或出现贯穿性裂纹或着 色裂纹

6.对试验结果进行统计分析并修正

*修正因素有:温度、材料裂纹扩展速度等

7.利用试验寿命与实际寿命之间的关 系及模拟计算,预测样件实际寿命

*综合评价的资料来源:疲劳台架试验、 计 算仿真、实机测量试验、结构分析及实 机故障分析等

8.对该样件可靠性状况进行综合分析 评价,并提出可行的改进措施

9.尽可能进行样件实机使用跟踪

10.机械疲劳可靠性问题总结

(1)控制液压油温在330k左右,活塞试验温度333k, 提高试验的可比性和准确 度。 (2)试验频率按照测量的转速换算,加载波形参照发动机爆发压力变化规律, 通常取30Hz,循环次数为1× 107 ,但在实验中为了减少循环次数可采取了一定的 换算即将最大爆发压力乘以一定的倍数(1~10倍)作为施加的载荷峰值,试验时 间为100小时。
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(3)本实验有很多属于前期工作,可根据上述流程做性能试验,最后把此实验的
活塞与台架试验的活塞进行比对分析。

(6)内燃机活塞热疲劳试验
加速寿命试验的定义:在不改变失效机理的情况下,用加大试验应力,使试 件加速达到其本身寿命(即失效)的加速寿命试验。 最高温度为原机实测温度十高频温度波动修正,最低温度为试件热应力为 零, 加热速度应尽可能模拟实际工况的加载过程,同时还要考虑其对试件温度场 的影响。 设置保温时间是为了使加热后试件的温度场有一个稳定的时间。冷却速 度及冷却方式以能保证温度场的模拟精度及适当考虑试验时间而定。 (超负荷%) Y ×(被模拟循环数)=要求的超负荷循环数 此实验Y取-11. 一个循环加热时间去50s,保温时间取60s,冷却时间取100s.进行10000次循环。

(7)进行整机试验过程中的检查与维护
1.随时的检查 1.1采用故障诊断器、仪表和计算机等随时检查运行数据,若超过限值范围,根 据故障严重程度,发出警报或紧急停车,进行处理和维护。若属于发动机故障, 则计为故障停车。记录停车的运行时间、原因及处理情况。 1.2判断有无异常燃烧,如爆震及早嫩等,若有应立即消除。 1.3监听发动机运动件(如曲柄连杆机构和配气机构等)的运行异响, 必要时采取措 施。 2每1h的检查 2.1 在1h内适时地记录校正最大净扭矩、校正最大净功率、额定净功率、点火提 前角、燃料消耗量、机油压力及温度、进气管内压力及温度、排气温度、燃料温
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度、运行工况下全负荷活塞最大漏气量及运行持续时间(h),并画在以运行持续 时间为横坐标的监督曲线上。还需适时记录发动机相应转速及进气状态等。 3每24 h的检查及维护 3. 1停机静置16 min后,用量杯加机油准确地至油标尺上限,所加机油的重量用 来计算该24 h平均机油/燃料消耗比, 并画在监督曲线上。 机油消耗量的测定还可 用其他方法。 3. 2检查发动机向内向外漏油、漏水和漏气情况。如排气管开裂、法兰连接处漏 气、气缸垫密封失效引起的机油乳化、缸筒内进水和气体窜人冷却系内等。保持 发动机及其周围的清洁,以便及时发现泄露。 3.3检查火花塞电极及瓷体,若有严重烧蚀及裂纹,换用冷一级的火花塞。 3. 4巡视发动机及试验设备,并检查紧固件、连接件及管路,尤其是软管。检查 皮带张紧情况,必要时张紧。 3.5检查所有液面高度。 4每96 h的检查及维护 4. 1使发动机怠速运行,从主油道取机油样,第一次放出的机油还回油底壳,再 取一定数量的机油油样(不计人发动机机油消耗量)。油样取出后,关紧阀门。对 油样进行分析,测定勃度、不溶解物百分数、总酸度、总碱度及金属元素含量、 磨屑形貌等。 4.2更换机油及机油滤芯。 5每192 h的检查及维护 5.1测量气门间隙及气门下沉量(B发动机不测气门下沉量),并将其间隙调整至规 定值。 5.2测量起动机拖动时气缸压缩压力,找出缸压远低于各缸平均值的个别气缸。 测量时置节气门于全开位置,并拆去所有气缸的火花塞或喷油器。 5.3检查喷油器开启压力、喷雾及滴漏等情况。 6 504 h的检查及维护 6.1更换空气滤清器及燃油滤清器的滤芯。 7可靠性试验终了检测 7.1 取机油油样,测量机油消耗量、气缸压缩压力、气门间隙及气门下沉量(例行 检查与终了检测时间靠近时,可一并进行)。

(8)零部件试验的维护与检查
1在耐久试验前后,对活塞头部进行外观检查和超声波探伤。 2随时都应有摄像头监视,保证温度场和应力场合理性,每十小时都要检查活塞 试验后活塞头部不发生裂纹或断裂为试验通过。

三、试验进度安排
由于可靠性试验的每个试验都需要几天甚至几十天,经计算此六项试验用 150 天来进行。 1 在实验之前应先做发动机的性能试验,也应该确保发动机已经磨合正常, 在性能试验所测数据包括机械疲劳试验和热疲劳实验所需的示功图、 最高爆发压 力、转速、扭矩、功率、速度特性曲线、负荷特性曲线等等。 2 整机试验按照交变负荷(400h)、混合负荷(1000h)、全速负荷(1000h)、冷 热冲击负荷(500h)的顺序做完。并逐一记录试验过程的情况及数据。
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3 最后进行零部件试验,机械疲劳试验(100h)、热疲劳试验(278h)。 4 试验后把进行整机实验的活塞与零部件试验的活塞进行比较分析。

四、试验结果的提供
1依据发动机实际运行持续时间(h),运行过程中所更换的零部件及其时间(h),按附录进行 评定。 2绘制可靠性试验过程中,记录校正最大净扭矩、校正最大净功率、额定净功率、运行工况 下全负荷最大活塞漏气量,24 h平均机油/燃料消耗比与运行持续时间((h)的关系曲线,分 析可靠性试验性能变化趋势。按照以下限值进行评定。 2.1在运行过程中,校正最大净扭矩、校正最大净功率及额定净功率下降不应超过初始值的 5%。 2.2额定转速、全负荷时机油/燃料消耗比不得超过0.3%。 2.3四冲程发动机在全负荷时最大活塞漏气量(Bmsx)不得超过限值(BL)。

BL ? CVt ? 0.6%VH (nr / 2)rr (298 / Tm )
式中: C—系数(选定为0. 6%);

Vt —四冲程发动机在标准状态下额定转速时的理论吸气量,单位为升每小时(L/min),即充
气系数? v =1;

VH —发动机排量,单位为升(L); nr —额定转速,单位为转每分钟(r/min) ;
rr —额定转速、全负荷时增压机的压比,即压气机出口的绝对压力P。与压气机进口绝对压
力,非增压机令 rr =1;

Tm —进气歧管内进气温度单位为开〔尔文〕(K),非增压机令 Tm =298 K。
3 记录故障停车、紧固件松动、密封失效、橡胶件老化、堵塞、变形、裂纹、断裂、零部件 损坏发生的运行时间((h)及维护作业情况;提供损坏部位、裂纹、断口和窜漏印迹等照片; 用精密测量数据分析变形量。按以下整理评定结果。 3.1发动机可靠性试验故障用首次故障时间、故障停车次数及故障平均间隔时间〔即运行持 续时间(h)与故障次数之比〕来评定。 3.2根据紧固件的拧紧力矩松动量,分析松动原因及对发动机可靠性和密封性的影响。 3.3发动机不得向内、 向外漏油或漏水;空气不得渗人发动机负压系统。 发动机内不得有燃气 窜人油道或水道、油水混合等。主要评定缸垫、进排气管垫、排气管、油封等零部件的密封 性。 3.4零部件裂纹或断裂的严重程度按下表评定

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3.5分析零部件裂纹或断裂的原因 由机械交变应力引起的疲劳裂纹或断裂,主要发生在连杆、曲轴、缸体、油底壳、齿轮、 支架及高压油管等零部件上;由燃烧或摩擦产生的热疲劳裂纹或断裂,主要发生在缸盖、活 塞、喷嘴、排气歧管及增压器等零部件上。 4 零部件磨损 4.1依据机油油样分析结果,判断零部件磨损情况及机油品质。 4.2整理精密测量数据,确定主要摩擦副的磨损量。 4.3区分零部件磨损的形式,判定磨损的严重程度,提供磨损的照片,按表进行评定。

4.4描述摩擦副表面接触情况并提供照片。 5 零部件表面沉积物 5.1描述零部件表面沉积物的状态并提供照片,按下表进行评定。

6 机械疲劳试验完成后按3.4零部件裂纹或断裂程度评定, 并用超声波探伤, 提供高清照片。 6.1简述寿命分布、疲劳强度及工作应力分布规律 7 活塞热疲劳试验的结果整理 7.1评价加速寿命的合理性,提出改进措施。 7.2 建立了疲劳试验循环次数与活塞热疲劳寿命之间的关系。

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