鄭懷芳，張 磊，王向東，吳金才，范 慧，高麗麗， 顧銀芳，單紅波，王 璽

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076; 2.中國人民解放軍96901部隊，北京 100094)

0 前言

大功率液力變矩器是特種車輛底盤動力傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，但由于在產(chǎn)品研制初期子樣數(shù)少，臺架試驗工況與整車實際使用工況存在差異，生產(chǎn)和裝配的偏差對可靠性影響考核不充分，因此缺乏對產(chǎn)品測試性、維修性和保障性的規(guī)劃。預(yù)防性維修的檢查項目與修復(fù)性維修的備品備件，缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性的依據(jù)，只能依據(jù)設(shè)計人員或維修人員的經(jīng)驗，導(dǎo)致維護檢查不充分，備品備件無法滿足實際使用要求等問題[1-3]。

通過基于液力變矩器實際使用過程中的可靠性數(shù)據(jù)分析，能夠識別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，加強出廠試驗對不合格品的篩選，規(guī)劃維護保養(yǎng)檢查項目，進而合理的規(guī)劃備品備件[4-5]。

同時，由于可靠性數(shù)據(jù)分析是基于典型元器件開展的，因此可以依據(jù)此方法建立關(guān)鍵部件的失效模型，并在其他相似產(chǎn)品中進行應(yīng)用。

1 液力變矩器組成及功能

1.1 大功率液力變矩器的組成

大功率液力變矩器包括前端支撐總成、液力變矩器總成和液力緩速器總成三大部分。以液力變矩器的硬件FMEA為基礎(chǔ)，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，如圖1所示。

圖1 變矩器結(jié)構(gòu)樹

其中，前端支撐總成包括支撐座組件、花鍵軸和潤滑脂；變矩器包括泵渦導(dǎo)三工作輪、導(dǎo)輪座密封環(huán)、循環(huán)有本、控制閥總成、渦輪軸組件、閉鎖活塞、閉鎖離合器、扭轉(zhuǎn)減振器、導(dǎo)輪座角接觸球軸承、循環(huán)油泵、變矩器殼體、油濾、控制器和潤滑油；液力緩速器包括動輪、靜輪、前殼體、后殼體、控制器和控制閥，如圖2所示。

圖2 變矩器總成結(jié)構(gòu)

1.2 大功率液力變矩器的功能

液力變矩器有一個閉鎖離合器，它通過環(huán)形活塞進行嚙合。從液力變矩器閉鎖離合器下面可以看到單向離合器的圓柱形滾子。單向離合器位于液力變矩器三工作輪之間，用于車輛在超速反拖的狀態(tài)下使單向離合器卡住而接合，從而控制發(fā)動機制動轉(zhuǎn)矩，使車輛能夠反拖起動。液力變矩器油路中的油濾位于變矩器的下部，便于檢查和更換。

在液力變矩器與換檔離合器之間裝有一個制成一體的液力緩速器，該緩速器的制動轉(zhuǎn)矩最大為1 700 Nm，而制動器功率被限制在320 kW。液力緩速器的功用是減輕重型貨車行車制動器的壓力。齒輪泵用于為液壓控制系統(tǒng)建立壓力，鑄鐵密封環(huán)用于實現(xiàn)閉鎖工況下保持動密封閉鎖壓力。

變矩工況時，液力變矩器的3個工作輪(泵輪、渦輪、導(dǎo)輪)組成一個充滿了液力傳動油的封閉的回轉(zhuǎn)體。發(fā)動機通過主動軸、彈性盤、罩輪帶動泵輪回轉(zhuǎn)，經(jīng)泵輪葉片作用，發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫鞯膭幽芎蛪毫δ埽毫饕暂^高的速度和壓力流出泵輪后，接著流入渦輪，作用于渦輪葉片上，推動渦輪回轉(zhuǎn)，液流的動能和壓力能再轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。從渦輪流出后的液流再流入導(dǎo)輪，導(dǎo)輪固定在導(dǎo)輪座上不轉(zhuǎn)動，通過導(dǎo)輪對渦輪的反作用力矩增加渦輪輸出力矩，在導(dǎo)輪葉片的導(dǎo)向作用下，液流又重新以一定的方向流回泵輪，重復(fù)上述能量轉(zhuǎn)換、傳遞過程。在變矩工況工作過程中，渦輪輸出低速大扭矩，滿足整車起步、上坡時大扭矩需求，保證車輛低速傳動穩(wěn)定性。

閉鎖工況時，電控系統(tǒng)打開液壓閥控制閉鎖離合器閉鎖，泵輪、渦輪以相同的速度運動，液力變矩器的輸入軸和輸出軸之間便成為機械連接，能夠提高傳動效率，滿足車輛高速行駛功能要求。

減速工況時，電控系統(tǒng)打開操縱閥，使液力傳動油進入液力減速器的動輪和靜輪腔內(nèi)，動輪通過驅(qū)動液力傳動油，將機械能轉(zhuǎn)化為液體能，傳動油沖擊靜輪葉片，靜輪對液體的反作用力矩轉(zhuǎn)為動輪的制動力矩，液體能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱的液體通過冷卻器冷卻后又回到減速器中，實現(xiàn)耗能制動，為車輛提供輔助制動。

2 液力變矩器可靠性與風(fēng)險分析

2.1 液力變矩器典型部件的威布爾性能參數(shù)

典型部件的失效行為可以通過對可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，而進行精確的計算，但特種車輛產(chǎn)品具有定制性開發(fā)，產(chǎn)品子樣數(shù)少、研制周期緊、使用工況特殊等特點，產(chǎn)品往往只完成了臺架的鑒定性的通過試驗，就進入了批產(chǎn)定型，沒有足夠的可靠性數(shù)據(jù)來建立關(guān)鍵單機或典型部件的失效模型。

實際上，不僅是對于特種車輛，即使是大批量生產(chǎn)的民用產(chǎn)品，如果想對所有零部件都建立準確的失效模型，無論是在人力、物力還是在財力上的投入，都將是巨大的。而如果只建立產(chǎn)品單機級的可靠性失效模型，則一旦產(chǎn)品改型或變化，則需要重新收集數(shù)據(jù)進行評估，對相似產(chǎn)品的借鑒程度非常有限。而如果產(chǎn)品發(fā)生跨帶式的變化，則以往所有產(chǎn)品可靠性試驗和相關(guān)數(shù)據(jù)都將失效。

因此，產(chǎn)品可靠性的模型和數(shù)據(jù)分析應(yīng)該從典型元器件或部組件開始，分析失效模式、失效原因、失效影響，提取失效工作環(huán)境和工作時間，建立典型零部件的失效模型，才能真正的指導(dǎo)產(chǎn)品可靠性設(shè)計[6-10]。

對于完全沒有可靠性設(shè)計經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的產(chǎn)品，可以基于典型機械部件的威布爾性能參數(shù)表[11]，對產(chǎn)品的可靠性和薄弱環(huán)節(jié)進行分析，如表1所示。

2.2 基于典型威布爾參數(shù)變矩器可靠性預(yù)計分析

基于變矩器關(guān)鍵部件的威布爾性能參數(shù)，可以對不同里程下的可靠性進行分析，如表2所示。

表1 變矩器關(guān)鍵部件威布爾性能參數(shù)

表2 基于典型威布爾參數(shù)變矩器可靠性與風(fēng)險分析

由于產(chǎn)品的工作環(huán)境相較于通用環(huán)境使用工況有所偏差，因此當可靠度降低到約60%時，可以設(shè)置為檢查和維護保養(yǎng)環(huán)節(jié)；當可靠度低于50%時，認為存在較高的失效風(fēng)險。

如果以表2中的數(shù)據(jù)進行預(yù)防性維護和檢查依據(jù)，那么液力變矩器在5 000 km時需要檢查和更換前端支撐的潤滑脂；10 000 km時需要檢查和更換變矩器潤滑油，同時，對渦輪軸密封環(huán)和導(dǎo)輪座密封環(huán)兩處機械密封進行檢查；20 000 km時需要對潤滑油泵、扭轉(zhuǎn)減振器、油濾和控制器進行檢查。

由于變矩器內(nèi)各個部件處于一個小環(huán)境下，因此如果產(chǎn)品中的某一個部件出現(xiàn)失效時，那么其他部件都會由于故障載荷環(huán)境和潤滑油中的污染物影響，而使整體的可靠性大幅降低。

如表2所示，除潤滑脂和潤滑油等定期維護更換外，如變矩器的渦輪軸密封環(huán)和導(dǎo)輪座密封環(huán)，在閉鎖工況下，用于產(chǎn)生閉鎖壓差。當密封環(huán)失效時，首先會造成變矩器閉鎖壓力不穩(wěn)定，在大載荷條件下，容易發(fā)生異常的解閉鎖。變矩器正常工作時，在變速箱低速擋時變矩器處于液力工況，增加啟動扭矩，隨著檔位和車速的增加，變矩器實現(xiàn)閉鎖，提高燃油經(jīng)濟性，減少發(fā)熱量，但如果變矩器密封環(huán)異常，無法實現(xiàn)穩(wěn)定閉鎖，則會在變速箱的高檔位工況產(chǎn)生較大的閉鎖沖擊。

閉鎖離合器的滑磨功[12]:

其中:Te為發(fā)動機的扭矩；TC為作用在被動摩擦片上的摩擦力矩；Je為發(fā)動機軒輊不分和離合器主動部分的總的轉(zhuǎn)動慣量；ωe為主動摩擦片的角速度；Tψ為換算到被動摩擦片上的阻力矩；Ja為汽車及掛車的總平移質(zhì)量換算到離合器從動軸上的轉(zhuǎn)動慣量；ωc為被動摩擦片的角速度。

車輛慣量：

經(jīng)核算對應(yīng)變速箱最高檔位時的閉鎖離合器滑磨功為2.21×105J，滑磨功率4.66×105W，超過了閉鎖離合器許用值(滑磨功低于1×105J，功率低于2×105W)，因此閉鎖離合器會加劇磨損。

除了閉鎖離合器的使用風(fēng)險外，閉鎖產(chǎn)生的沖擊載荷還會依次傳遞到扭轉(zhuǎn)減振器和渦輪軸上。通過對各部件可靠性的對比分析，扭轉(zhuǎn)減振器和渦輪軸的可靠性風(fēng)險要高于閉鎖離合器，因此失效風(fēng)險要更高。

2.3 液力變矩器的可靠性數(shù)據(jù)分析

2.3.1 基于競爭失效數(shù)據(jù)的可靠性分析

針對液力變矩器的薄弱環(huán)節(jié)，渦輪軸密封環(huán)和導(dǎo)輪座密封環(huán)開展可靠性數(shù)據(jù)分析?；趯ψ兙仄髟?年共計30臺底盤的保修數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，其中有6臺底盤變矩器出現(xiàn)渦輪軸密封環(huán)失效問題[13-15]。由于密封環(huán)失效初期，對變矩器正常工作影響較小，偶爾的閉鎖異常駕駛員也無法覺察，因此往往只在其它故障模式出現(xiàn)時，才能被檢查到。通過數(shù)據(jù)分析，可以識別到兩類故障的發(fā)生時間和對應(yīng)里程，如表3所示。

表3 變矩器密封環(huán)故障統(tǒng)計

當一個產(chǎn)品部件或模塊由K個失效模式中任意一種引起失效時，該模型稱為競爭失效模型，可用下式確定[16-19]:

其中：Fk(t;θ)為k個子總體的分布函數(shù)；1≤k≤K。

對應(yīng)兩種故障模式下的似然函數(shù)表達式：

其中：hk(t)為固定失效模式下的風(fēng)險函數(shù)，R(t)為整體的可靠性函數(shù)。

采用競爭失效數(shù)據(jù)分析方法，對應(yīng)兩類故障模式下的混合威布爾失效模型的失效概率，如圖3所示。

圖3 密封環(huán)兩種故障模式威布爾失效概率

密封環(huán)的失效概率密度如圖4所示，失效率與時間關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 密封環(huán)兩種故障模式下的失效概率密度

圖5 密封環(huán)兩種故障模式下的失效率與時間

通過對密封環(huán)數(shù)據(jù)的威布爾分析得到失效模型，對應(yīng)的可靠性和壽命參數(shù)，如表4所示。

表4 變矩器密封環(huán)可靠性參數(shù)

通過對比發(fā)現(xiàn)，變矩器鑄鐵密封環(huán)初期威布爾參數(shù)β1=0.297與通用β1=0.8相比偏低，說明變矩器密封屬于早期失效，且生產(chǎn)質(zhì)量管控不利所導(dǎo)致的斜率與通用值相差較大，應(yīng)加強液力變矩器的出廠試驗檢驗，包括變矩器的單機及與變速箱聯(lián)調(diào)的高速大扭矩試驗，避免不合格品或不正確的裝配工藝流入到正式出廠產(chǎn)品中。對于需要外場更換的產(chǎn)品，應(yīng)對更換后500 km的跑車數(shù)據(jù)進行檢查確認，防止誘發(fā)其它故障。

2.3.2 密封環(huán)失效與截尾數(shù)據(jù)分析

如果不考慮6臺變矩器密封環(huán)的早期失效，只以其余24臺在12 000 km時未失效數(shù)據(jù)進行分析，則對應(yīng)失效率的最大似然估計值[20-22]：

威布爾分布參數(shù)的似然估計可由下式求得：

可以得到新的威布爾模型參數(shù)β1=3.37，μ1=13 062對應(yīng)失效率曲線，如圖6～8所示。

圖7 密封環(huán)概率密度

圖8 密封環(huán)可靠度與時間

2.4 基于變矩器可靠性的測試性、維修性與保障性權(quán)衡決策

2.4.1 可靠性與測試性、維修性和保障性權(quán)衡決策

大功率液力變矩器的可靠性、測試性、維修性和保障資源對裝備的戰(zhàn)備完好性都有顯著影響，為了提高戰(zhàn)備完好性，可以提高變矩器的可靠性、維修性、測試性水平，也可以增加保障資源的配置，因此需要在裝備效能和費用的約束下對此進行權(quán)衡決策。

變矩器的可靠性、測試性、維修性和保障資源之間的權(quán)衡，實際上是固有可用性和使用可用性之間的權(quán)衡?？煽啃院途S修性是變矩器固有的能力，而衡量變矩器使用能力的是使用可用度，即必須要考慮變矩器本身的保障方案，即在相同的使用可用度的前提下，提高了變矩器的可靠性維修性能力，則變矩器系統(tǒng)的保障能力可以稍微下降；同樣，降低了變矩器的可靠性維修性能力，則變矩器系統(tǒng)的保障能力必須相應(yīng)提高。

變矩器的可靠性、測試性、維修性和保障資源之間的權(quán)衡，主要考慮的因素包括變矩器本身能夠達到的可靠性、測試性、維修性、保障性水平、以及要達到該水平的技術(shù)能力和費用。一般來說，變矩器可靠性、測試性、維修性水平越高，則研制費用也就越高，但相對來講，維修人員的費用和保障備件的數(shù)量都有可能減少，保障費用則會下降，因此進行變矩器可靠性、測試性、維修性和保障資源間的權(quán)衡，其內(nèi)涵會更加復(fù)雜，因此在權(quán)衡分析過程中，必須充分考慮變矩器可靠性、測試性、維修性、保障性的技術(shù)能力和費用約束條件，才能選擇最佳維修保障方案。

2.4.2 變矩器最佳使用期限和大修期決策權(quán)衡

預(yù)防性維修時間間隔直接影響到裝備的戰(zhàn)備完好性和維修保障費用。預(yù)防性維修時間間隔過長，到后期變矩器可能故障不斷，修復(fù)性維修次數(shù)將會變多，降低了戰(zhàn)備完好性，使得修復(fù)性維修費用增加，還降低了任務(wù)成功性；預(yù)防性維修時間間隔過短，也降低了裝備的戰(zhàn)備完好性，使得預(yù)防性維修費用增加。因此，對于變矩器而言，必然存在一個變矩器的最佳使用周期。

變矩器隨著投入使用的時間越長，其出現(xiàn)故障導(dǎo)致的技術(shù)狀態(tài)損耗必然越多。當變矩器超過某個使用期后，其不斷增加的故障損耗會使變矩器技術(shù)不能繼續(xù)使用時，變矩器已達到了完全損耗的程度，這時就需要大修或更新變矩器。如果進行變矩器維修的費用超過了一定的限度，就應(yīng)該更換新的變矩器。因此，有必要在戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和維修費用的約束下進行權(quán)衡，確定一個合理的變矩器大修時間間隔，明確在未來某個決策時間點上，變矩器是要繼續(xù)使用？還是進行一次大修后繼續(xù)使用？還是更新變矩器后再用？這也就是所謂的變矩器大修與更新決策問題。

2.4.3 變矩器維修保障要求與壽命周期費用權(quán)衡

變矩器維修保障要求與壽命周期費用之間的權(quán)衡，主要是分析各備選方案變矩器維修保障對費用的影響，明確對壽命周期費用起主導(dǎo)作用的各級產(chǎn)品進行權(quán)衡，使其既要符合變矩器維修保障要求要求，又要達到壽命周期費用上的承受能力。

2.4.4 基于競爭失效數(shù)據(jù)的可靠性分析

將上述變矩器密封環(huán)失效數(shù)據(jù)代入到變矩器系統(tǒng)中，計算結(jié)果如表5所示。

表5 基于密封環(huán)可靠性數(shù)據(jù)的變矩器可靠性分析

基于現(xiàn)有變矩器可靠性數(shù)據(jù)分析，渦輪軸密封環(huán)在5 000 km時可能會誘發(fā)其他產(chǎn)品出現(xiàn)故障，因此需要設(shè)置檢查環(huán)節(jié)，一方面要排查變矩器狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一方面要檢查油液和濾網(wǎng)，當油液顆粒物較多或濾網(wǎng)阻塞時，需要立即對產(chǎn)品進行故障排查和更換。在密封環(huán)故障初期，通過拆裝更換密封環(huán)即可以保障變矩器的可靠運行，但如果出現(xiàn)其它故障，則需要對整機的全部部件逐一進行檢查和更換。

2.4.5 基于失效刪失數(shù)據(jù)的可靠性分析

如果使用不考慮早期失效的可靠性數(shù)據(jù)，采用兩段混合威布爾失效模型中的數(shù)據(jù)，再代入變矩器系統(tǒng)模型，可得到不同里程下的可靠性預(yù)計結(jié)果，如表6所示。

表6 基于失效密封環(huán)可靠性數(shù)據(jù)的變矩器可靠性分析

由于目前大里程的數(shù)據(jù)偏少，因此在10 000 km內(nèi)的可靠度與通用模型相比較為接近，但當里程增加到20 000 km時，可靠度無法準確預(yù)測，因此需要結(jié)合后續(xù)產(chǎn)品的使用逐步積累數(shù)據(jù)完善失效模型。

如果假設(shè)密封環(huán)的更換成本為1 000元，非計劃替換成本為50 000元，那么最優(yōu)的替換時間約為4 644 km，如圖9所示。

圖9 密封環(huán)替換成本核算

當特種車行駛里程達到4 600 km時，應(yīng)對鑄鐵密封環(huán)的狀態(tài)進行及時檢查，包括變矩器數(shù)據(jù)檢查(外接自動判斷程序ATE)和高怠速工況下變矩器液位檢查(人工檢查)，并結(jié)合整車10 000 km的換油，檢查油液狀態(tài)(人工檢查)。如果出現(xiàn)異常，則應(yīng)及時反饋生產(chǎn)部門，及時開展進一步檢查或更換。

3 結(jié)束語

通過基于可靠性數(shù)據(jù)的液力變矩器維修與保障方案分析，證明采用機械典型部件通用失效模型與關(guān)鍵部件可靠性數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，可以在只有少量可靠性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，有效預(yù)測產(chǎn)品在不同階段的可靠性水平，輔助問題定位，針對性地制訂單機出廠試驗與特種車跑和試驗，有效地開展測試性、維修性和保障性的方案設(shè)計。