某型柴油机高压油泵疲劳剩余寿命可靠度预测方法探析黄郁健

某型柴油机高压油泵疲劳剩余寿命可靠度预测方法探析黄郁健

黄郁健

中国卫星海上测控部江苏江阴214431

摘要：某型柴油机高压油泵都是柱塞泵，运行期间受变应力作用，零件局部磨损严重，易导致卡死。通过使用威布尔分布对该类工件进行疲劳剩余寿命预测，可在一定程度上求解出高压油泵易损部件更换和保养周期，在保证设备正常运行的基础上，也不影响工件的使用度，为进一步做好设备保障具有很现实的参考意义。

关键词：高压油泵；威布尔分布；疲劳剩余寿命

1引言

某船主机的高压油泵都是柱塞泵，高压油泵是回油孔调节式。长时间运行会导致高压油泵柱塞、吸油阀疲劳失效，从而导致高压油泵卡死，无法正常运行。

疲劳失效是机械零件在变应力作用下的主要失效形式，在零件局部高应力区出现初始裂纹或变形，并在循环应力下扩展，导致最终某些零部件变形，设备无法运行。为了防止机械零件未达到一定的使用寿命而过早地发生疲劳破坏，需要对机械零件进行疲劳分析，收集有关零件的几何形状、材料和载荷的信息，通过计算和工程判断，获得零件工作寿命的一个估算值，疲劳寿命的评估与预测是研究疲劳强度问题的一个重要分支。

在船舶上，针对零件进行估算寿命，对于估算值对零件进行提前的更换，以避免零件损坏后，对设备造成更大的损坏。

2高压油泵简介

主机的高压油泵都是柱塞泵，高压油泵是回油孔调节式。

2.1燃油高压油泵的工作原理与结构特点

回油孔式喷油泵也称布许油泵。主要零件为油泵柱塞套筒与止推块组成。止推块里面包括进油孔和出油口，称作吸油阀。吸油阀由滑块，进油孔，弹簧等组成。当柱塞向下运动时，柱塞套筒上部空间变大，压力变小，由输送泵送来的燃油的压力大于弹簧的应力，燃油顶开滑块向上运动，打开进油孔，燃油进入柱塞与柱塞套筒的上部空间。当柱塞向上运动时，柱塞套筒上部空间变小，压力变大，弹簧的应力也会变大，迫使滑块向下运动，关闭进油孔。燃油开始被压缩，当压缩压力达到喷油器的启阀压力时，针阀开始打开，燃油喷入气缸中燃烧。柱塞继续上行，当柱塞斜槽打开回油孔时，柱塞上部的高压燃油就会经柱塞头部的直槽和环形槽与回油孔联通而流回进油空间。

在油泵套筒底部贴着柱塞装有两道刮油环以防止燃油向下流入凸轮轴箱，这两道刮油环连带间隔圈一起用一只环形螺母固定。刮油环之间的空间与油泵套筒外圆上两根O型密封圈之间的空间相连通，然后通过一个钻孔及在泵体外圆上的泄油管就能检查刮油环和密封环的工作情况。如果泄油管漏油说明上面一级O型密封圈失效。

在止推块上有一个O型密封圈，如果高压油管顶部的泄放管有大量油漏出，说明止推块与油泵上端面密封不好引起漏油，需要研磨端面。

2.3燃油高压油泵的常见故障

由于吸油阀以及柱塞的长时间动作，长期受应力作用，导致高压油泵易发生以下三类故障：

一、吸油阀故障

吸油阀故障主要原因有三个：

吸油阀弹簧断裂：吸油阀弹簧断裂会导致低压燃油无法进入高压油泵，这样就无法产生高压燃油，导致燃油压力过低喷射异常甚至无法喷射。

吸油阀阀芯过度磨损：吸油阀阀芯过度磨损会导致高压油泵排出的高压燃油倒流至高压油泵的吸油管，造成喷射异常、喷油量不足甚至无法喷射。

二、吸油阀阀芯卡死：

吸油阀阀芯卡死会导致低压燃油无法进入高压油泵或者高压油泵排出的高压燃油无法进入高压油管，造成喷射异常，喷油量不足甚至无法喷射。

三、油泵柱塞故障

如果柱塞卡死在关闭位置或者柱塞过度磨损会导致柱塞与套筒间的间隙过大，则高压油泵的排压就偏低，喷入气缸的燃油就会不足，导致排温过低。

由上述分析可知，高压油泵发生故障的主要原因是因为长期受疲劳应力所致，因此引入威布尔分布，利用该分布对应力导致的工件损坏进行预测分析，从而达到科学开展维护保养的目的。

3威布尔分布简介

威布尔分布，又称韦伯分布或韦氏分布，由瑞典物理学家WaloddiWeibull于1939年引进，是可靠性分析及寿命检验的理论基础。

瑞典工程师威布尔从30年代开始研究轴承寿命，主要研究结构强度和疲劳等问题。他采用了“链式”模型来解释结构强度和寿命问题。这个模型假设一个结构是由若干小元件（设为n个）串联而成，于是可以形象地将结构看成是由n个环节构成的一条链条，其强度（或寿命）取决于最薄弱环节的强度（或寿命）。单个链的强度（或寿命）为一随机变量，设各环节强度（或寿命）相互独立，分布相同，则求链强度（或寿命）的概率分布就变成求极小值分布问题，由此给出威布尔分布函数。由于零件或结构的疲劳强度（或寿命）也应取决于其最弱环的强度（或寿命），也应能用威布尔分布描述。

由于威布尔分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具有递增的失效率，所以，将它作为材料或零件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强度模型是合适的。

目前，二参数的威布尔分布主要用于滚动轴承的寿命试验以及高应力水平下的材料疲劳试验，三参数的威布尔分布用于低应力水平的材料及某些零件的寿命试验。一方面，它能合理建模许多元件的寿命，如真空管、球轴承、复合材料等。另一方面，这个模型由于其形状参数，使得它在数据拟合上极富于弹性。最后，它的所有可靠性基本函数都有封闭形式的解析表达式，使得数学处理十分便利，尤其是经过双对数变换后它能被线性化，从而使计算机图形处理及线性回归等技术能被方便地得到运用，一般而言，它具有比其他分布更大的适用性。但是，威布尔分布参数的分析法估计较复杂，区间估计值过长，实践中常采用概率值估计法，从而降低了参数的估计精度这是威布尔分布目前存在的主要缺点，也限制了它的应用.

3.1威布尔分布模型

若高压油泵的疲劳寿命服从威布尔分布，则其概率密度函数为：

4结束语

通过本文的计算分析，可以比较直观地了解到高压油泵工作过程中整个部件的疲劳剩余寿命分布以及可靠性变化情况，这对于后续设备的维护保养检修有比较大的指导意义。

由于威布尔分布是根据最弱环节模型或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具有递增的失效率，所以，将它作为高压油泵寿命的寿命分布模型或给定条件下的疲劳强度模型是合适的。

在船舶上，利用该函数进行科学预测，从而制定更科学地维护保养方案或者对部分重要零部件进行提前更换，可以避免因突发故障导致的更严重后果。

参考文献

[1]高镇同.疲劳应用统计学[M].北京：国防工业出版社，1986.