王婷婷 蔣國璋 錢新博 陳慧青

摘要： 提出了一種基于Weibull分布的高壓油泵電磁計量閥可靠性模型，對某批次電磁計量閥售后失效模式進(jìn)行判斷并完成其可靠性壽命計算與預(yù)測。通過計算結(jié)果分析：β>1.0，表明該油泵電磁計量閥的售后失效模式為耗損型失效模式;油泵電磁計量閥的B10壽命為22，306km，平均壽命為111，287km。對電磁計量閥耗損失效模式進(jìn)行分析并做相應(yīng)優(yōu)化與整改，延長其使用壽命。

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.

關(guān)鍵詞： 電磁計量閥;失效模式;可靠性;威布爾分布

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

中圖分類號：TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0031-04

0 ?引言

高壓共軌系統(tǒng)由于能夠精準(zhǔn)靈活調(diào)節(jié)噴油壓力和噴射規(guī)律，成為柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的發(fā)展方向[1-2]。高壓油泵電磁計量閥是高壓共軌系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其功能是根據(jù)共軌壓力的需求控制進(jìn)入油泵柱塞腔內(nèi)的燃油量，使輸送到油軌的燃油量與發(fā)動機(jī)需求量一致，保證軌壓的穩(wěn)定[3-4]。因此準(zhǔn)確評估高壓油泵電磁計量閥的健康狀態(tài)和可靠性具有重要的實際意義。

“威布爾分布”[5]因瑞典教授Wallodi Weibull在進(jìn)行材料強(qiáng)度統(tǒng)計時首次使用而得名，目前已廣泛應(yīng)用于電子元器件壽命試驗和機(jī)械產(chǎn)品的疲勞壽命試驗中，是機(jī)電設(shè)備壽命可靠性分析中應(yīng)用最廣泛的模型之一，也是設(shè)備故障分布中最常見的分布形式[6-8]。由于威布爾分布可以利用概率值很容易地推斷出它的三個分布參數(shù)，對于各種類型的數(shù)據(jù)均有較強(qiáng)的擬合能力，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電產(chǎn)品壽命試驗的數(shù)據(jù)處理。三參數(shù)威布爾分布能夠比較全面地描述浴盆曲線的各個階段，而且對于機(jī)械設(shè)備可靠性實際情況反映的更加真實[9-10]，因此成為可靠性領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的分布函數(shù)類型。因此，本文將三參數(shù)威布爾模型作為電磁計量閥可靠性建模的核心模型。

高壓油泵電磁計量閥是一個由PWM脈沖寬度調(diào)制信號驅(qū)動的開關(guān)閥，于計量進(jìn)入到高壓油泵柱塞油室的燃油量。根據(jù)初始狀態(tài)下閥口開閉狀態(tài)分為常開式和常閉式兩種[11]。本文研究的是常開式燃油計量閥，即當(dāng)勵磁線圈不通電時，在復(fù)位彈簧的作用下，節(jié)流孔開度最大;當(dāng)勵磁線圈通電時，柱塞下行，低壓油通過節(jié)流口，閥體被吸入柱塞腔內(nèi)，柱塞上行時，進(jìn)油閥在彈簧力作用下關(guān)閉，切斷燃油回路，柱塞腔內(nèi)的油壓迅速升高，向高壓油軌供油，勵磁線圈不通電時供油量最大。高壓油泵電磁計量閥是柴油發(fā)動機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)中的重要組成部件，控制油泵泵油的多少，使高壓油泵按需供應(yīng)，避免能量損失[12]，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

高壓油泵電磁計量閥對共軌系統(tǒng)的軌壓調(diào)節(jié)起到重要作用，其可靠性指標(biāo)和失效模式分析一直是高壓共軌燃油系統(tǒng)生產(chǎn)廠家關(guān)注的重點(diǎn)。據(jù)售后市場反饋，油泵電磁計量閥常見故障有卡滯、泄漏、磨損、短路、斷路等，某燃油系統(tǒng)生產(chǎn)廠家對售后油泵電磁計量閥的故障現(xiàn)象、故障可能原因及對應(yīng)的故障里程雖有記錄，但由于記錄數(shù)據(jù)和信息的不完整性，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確評估油泵電磁計量閥的可靠性、評估電磁計量閥供應(yīng)商能力、預(yù)測電磁計量閥的使用壽命。鑒于三參數(shù)威布爾分布在三個分布參數(shù)，可準(zhǔn)確描述機(jī)電產(chǎn)品零部件失效數(shù)據(jù)的分布規(guī)律、并用于可靠性設(shè)計與分析、零部件壽命預(yù)測等，被許多學(xué)者和發(fā)動機(jī)廠家用于機(jī)電產(chǎn)品零部件故障模式分析。周福庚[13]基于威布爾分布對車速傳感器失效階段進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析車速傳感器發(fā)生早期失效的主要原因并提出改進(jìn)措施;曹祖劍[14]利用兩參數(shù)威布爾分布對汽車油泵失效進(jìn)行可靠性分析及壽命預(yù)測，驗證了威布爾分布在油泵售后服務(wù)中可靠性分析及壽命預(yù)測的有效性;范程程等人[15]依據(jù)汽車鉛酸蓄電池的三包索賠與售后數(shù)據(jù)，基于威布爾分布對鉛酸蓄電池的故障模式進(jìn)行分析，建立威布爾模型，完成鉛酸蓄電池可靠性分析。根據(jù)蓄電池故障類型和可靠性分析結(jié)果，指導(dǎo)整車廠制定蓄電池維修保養(yǎng)計劃。

基于以上研究，提出了一種基于Weibull分布的高壓油泵電磁計量閥可靠性模型，對某批次電磁計量閥售后失效模式進(jìn)行判斷并完成其可靠性壽命計算與預(yù)測，從而找出導(dǎo)致高壓油泵電磁計量閥發(fā)生失效的主要原因，并對其進(jìn)行整改，得到滿意效果。

1 ?電磁計量閥可靠性模型

威布爾分布模型廣泛應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備的可靠性分析，其公式見下[6]：

由式（1）—（4）可知，只要得到形狀參數(shù)β和尺度參數(shù)η，就能得出其累積失效分布函數(shù)、失效概率密度函數(shù)、可靠度函數(shù)、故障率函數(shù)和平均壽命。

參數(shù)估計法主要有圖形法和解析法兩類[17]。圖形法是在威布爾概率紙上以循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，失效概率為縱坐標(biāo)，通過描點(diǎn)、連線，得到形狀參數(shù)β和尺度參數(shù)η。這種方法易于理解，但計算精度低。解析法包括最小二乘法、極大似然法、矩估計法、平均秩次法及相關(guān)系數(shù)優(yōu)化法等[18]。文中所研究的參數(shù)估計方法采用最小二乘估算法。

1.1 可靠度函數(shù)公式變換

基于最小二乘估算法原理，可將復(fù)雜的威布爾可靠度函數(shù)變換成易于計算的直線型函數(shù)。

由此將威布爾可靠度函數(shù)變換為（8）式的直線型函數(shù)，X軸表示零部件的壽命，Y軸表示失效模式下的零部件失效累積概率，（10）式中的β為直線斜率，提供零部件失效階段和原因等相關(guān)信息及最終需求值。

2 ?高壓油泵電磁計量閥可靠性分析

2.1 威布爾模型參數(shù)計算

首先整理相同型號高壓油泵電磁計量閥售后數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照故障里程從小到大排序。雖然在發(fā)動機(jī)零部件可靠性分析中的原始數(shù)據(jù)是不規(guī)則截尾數(shù)據(jù)，但當(dāng)樣本量較大時，中止數(shù)據(jù)的影響不大[19]，可當(dāng)作未刪失數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理。經(jīng)處理后的電磁計量閥售后故障數(shù)據(jù)見表1。

依據(jù)式（11）-（13），根據(jù)計算出的相關(guān)變量數(shù)值，利用基于三參數(shù)威布爾分布和最小二乘法原理編寫的MATLAB程序，得出電磁計量閥可靠性模型中的三個重要參數(shù)β=1.336，γ=798，η=120214.7。同時繪制出威布爾分布回歸直線，如圖2所示，絕大多數(shù)擬合點(diǎn)都分布在直線附近，說明三參數(shù)威布爾分布能夠很好地擬合高壓油泵電磁計量閥壽命周期的實際情況[20-21]。

2.2 高壓油泵電磁計量閥可靠性評估

已計算出威布爾分布參數(shù)中形狀參數(shù)，位置參數(shù)和尺度參數(shù)，因此根據(jù)公式（1）、（2）、（3）、（4）可依次繪制出失效概率函數(shù)曲線、累積失效概率函數(shù)曲線、可靠度曲線以及失效率函數(shù)曲線（圖3）。將β和η分別代入式（14）、式（15）和式（16），可計算出其B10壽命、中位壽命t0.5和平均壽命E（t），如表2所示。由表2可知出油泵電磁計量閥的B10壽命為22，306km，中位壽命為91，372km，平均壽命為111，287.33km（對應(yīng)Γ（1.749）≈0.9191），根據(jù)高壓油泵電磁計量閥可靠性分析結(jié)果，可提醒燃油系統(tǒng)生產(chǎn)廠家在商用車規(guī)定行駛里程內(nèi)，進(jìn)行高壓油泵電磁計量閥的維修保養(yǎng)或更換，提高油泵壽命，降低油泵的三包索賠數(shù)量和成本。

3 ?高壓油泵電磁計量閥耗損失效模式分析及整改

依據(jù)β=1.336>1.0，可判斷出該型號高壓油泵電磁計量閥售后失效模式為耗損失效模式。通過圖3分析可知，隨著行駛里程的增加，電磁計量閥失效率逐漸增加，可靠度逐漸降低，高壓油泵電磁計量閥失效概率逐步增加，失效可能性變大，由此可見，對電磁計量閥失效率進(jìn)行分析的必要性。通過分析電磁計量閥故障率，降低高壓油泵失效率，降低維修成本[22]，提高油泵可靠性，從而保證發(fā)動機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 耗損失效模式原因分析 ?通過電磁計量閥可靠性模型分析計算得到電磁閥為耗損失效模式，此模式下電磁閥失效率隨時間增長而快速增加。主要是因為電磁計量閥內(nèi)部子零部件過度疲勞、老化以及磨損導(dǎo)致的。通過圖1油泵電磁計量閥結(jié)構(gòu)簡圖所示，電磁計量閥主要由電插頭，電磁閥殼體，節(jié)流閥殼體，柱塞套，柱塞閥芯，勵磁線圈，閥體，復(fù)位彈簧，彈簧座，密封圈等結(jié)構(gòu)組成。通過對油泵電磁計量閥失效件拆解分析，發(fā)現(xiàn)失效的主要原因有以下三個方面：①柱塞閥芯卡滯，如圖4所示。②電磁閥內(nèi)部發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致功能失效，如圖5所示。③磁勵線圈發(fā)生短路，如圖6所示。

3.2 失效原因分析及整改措施 ?分析產(chǎn)生失效的原因主要以及相應(yīng)的改進(jìn)措施如下：①雜質(zhì)卡在閥芯與柱塞套之間導(dǎo)致電磁計量閥卡滯，除改進(jìn)子零部件清潔度要求外，還將柱塞閥芯與柱塞套的間隙公差從3～5um調(diào)整4～6um;同時優(yōu)化柱塞閥芯與閥體的倒角設(shè)計;改進(jìn)零件加工去毛刺工藝。②電磁計量閥銹蝕主要原因燃油中水分及酸性物質(zhì)含量過高，加速內(nèi)部零件的銹蝕，通過增加關(guān)鍵零部件的表面涂層改進(jìn)抗銹蝕能力。③正負(fù)級線圈搭接導(dǎo)致短路主要原因是繞線脫漆過長，當(dāng)工作時，電磁閥內(nèi)部發(fā)熱產(chǎn)生微小位移，使正負(fù)極導(dǎo)線脫漆處接觸，進(jìn)而產(chǎn)生短路故障。需改進(jìn)繞線工藝，增加制造過程的繞線張力要求，檢測電阻，CT掃描驗證工序。此款電磁計量閥通過上述改進(jìn)并投放市場使用后，售后故障反饋失效信息減少，整改的結(jié)果較為理想，改進(jìn)前后可靠性指標(biāo)對比見表3。

4 ?結(jié)論

提出一種基于三參數(shù)Weibull分布的高壓油泵電磁計量閥可靠性模型，對某批次電磁計量閥售后失效模式進(jìn)行判斷并完成其可靠性壽命計算與預(yù)測，得出以下結(jié)論。高壓油泵電磁計量閥在使用過程中，往往出現(xiàn)不同的故障或失效模式，使用威布爾分布模型可較容易地實現(xiàn)對高壓油泵電磁計量閥失效模式的判斷，該油泵電磁計量閥的威布爾形狀參數(shù)β=1.336>1.0，表明其售后失效模式為耗損型。通過分析電磁閥失效模式和失效原因，對電磁閥做相應(yīng)的技術(shù)，工藝，質(zhì)量改進(jìn)，改進(jìn)后B10壽命為27，218km，可靠性為50%的電磁計量閥的中位壽命為116，710km。油泵電磁計量閥的平均壽命為162，731km，比改進(jìn)前有明顯提高。綜上所述，利用三參數(shù)威布爾分布函數(shù)公式建立的電磁計量閥可靠性模型可實現(xiàn)對高壓油泵電磁計量閥的可靠性和壽命預(yù)測分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mallamo F， Badami M， MilloF. Effect of compression ratio and injection pressure on emissions and fuel consumption of a small displacement common rail diesel engine[C]. Detroit： Society of Automotive Engineers Inc.，2005-01-0379.

[2]Hotta Y， Inayoshi M， Nakakita K. Achieving lower exhaust emissions and better performance in an HSDI diesel engine with multiple injection[C]. Detroit： Society of Automotive Engineers Inc.，2005-01-0928.

[3]王尚勇.現(xiàn)代柴油機(jī)電控噴油技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4]徐家龍.柴油機(jī)電控噴油技術(shù)[M].二版.北京：人民交通出版社，2011.

[5]姜萬民.關(guān)于Weibull分布的加速壽命試驗的統(tǒng)計分析[D].昆明：云南大學(xué)，2019.

[6]顧國梁，王景芹.失效數(shù)據(jù)的威布爾分布建模與參數(shù)估計方法[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，44（3）：7-16.

[7]劉剛，黎放.基于貝葉斯模型的裝備剩余壽命預(yù)測研究[J]. 火力與指揮控制，2016，41（5）：19-24.

[8]Almalki S J， Yuan J S.A new modified weibull distribution[J].Reliability Engineering and System Safety，2013，111（8）：164-170.

[9]朱曉燕，曹晉紅.浴盆曲線在可靠性設(shè)計和管理中的應(yīng)用[J].中國質(zhì)量，2007（7）：25，27.

[10]Emad E.Elmahdy， Abdallah W. Aboutahoum. A new approach for parameter estimation of finite Weibull mixture distributions for reliability modeling[J].Applied Mathematical Modelling，2013，37（4）：1800-1810.

[11]謝軍.共軌系統(tǒng)燃油計量閥特性及控制研究[D].北京理工大學(xué)，2018.

[12]倪洪飛，周杰敏，于俊鵬，雷曉亮.高壓共軌燃油系統(tǒng)軌壓控制研究[J].中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會2015年聯(lián)合學(xué)術(shù)年會論文集，2015.

[13]周福庚.基于威布爾分布對車速傳感器失效階段分析[J]. 專用汽車，2012，11：94-97.

[14]曹祖建.兩參數(shù)威布爾分布在汽車油泵失效預(yù)測中的應(yīng)用[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報，2011，13（4）：23-24.

[15]范程程，涂斌，郭亞強(qiáng)，柴浩，謝璞光，范宇希.基于威布爾分布的免維護(hù)鉛酸蓄電池售后失效模式分析[J].蓄電池，2017，6：278-283.

[16]陳魁.應(yīng)用概率統(tǒng)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[17]徐巖，白靜，戴志輝.一種基于威布爾分布的繼電保護(hù)裝置可靠性分析的新方法[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2012，39（4）：15-19.

[18]龔偉俊，李為相，張廣明.基于威布爾分布的風(fēng)速概率分布參數(shù)估計方法[J].可再生能源，2011，29（6）：20-23.

[19]何明鑒.航空發(fā)動機(jī)可靠性、維修性、故障診斷[M].北京：航空工業(yè)出版社，1998：45-62.

[20]趙冰鋒，吳素君.三參數(shù)威布爾分布參數(shù)估計方法[J].金屬熱處理，2007，32（z1）：443-446.

[21]R.S.Gurbanov，O.M.Kerimov.Reduction of abrasive wear of plunger pairs in sucker -rod oil pumps [J].Chemical and Petroleum Engineering，1988，24（2）：77-78.

[22]Caballe N C，Castro I T.Analysis of the Reliability and the Maintenance Cost for Finite Life Cycle Systems Subject to Degradation and Shocks[J].Applied Mathematical Modelling，2017（52）：731-746.