內燃機零部件的疲勞試驗方法

2023-12-02 10:04:21

內燃機零部件的疲勞試驗方法
【專利摘要】本發明公開一種內燃機零部件的疲勞試驗方法，包括以下步驟：獲得多個試樣的載荷-壽命樣本數據並繪製在載荷-壽命雙對數座標系中；利用最小二乘法對樣本數據進行線性擬合，獲得高/低周疲勞分界點BLCF；利用高/低周疲勞分界點BLCF和每一個試樣的失效點Bi獲得其耐久疲勞極限估計值FSi；獲得所有試樣的中位秩以及標準正態偏量Di，並利用最小二乘法進行線性擬合，得到疲勞試驗極限載荷的均值與標準差的線性關係。與現有技術相比，本發明，以中位秩替代平均值，以累積失效概率、平均序號以及標準正態偏量與疲勞極限估計值的線性關係獲得疲勞極限載荷的統計試驗結果，由此得出相對精準的疲勞極限載荷的統計特徵，樣本量可明顯減少，且縮短了試驗周期。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及內燃機可靠性試驗方法，具體涉及內燃機零部件的疲勞試驗方法。 內燃機零部件的疲勞試驗方法

【背景技術】
[0002] 可靠性是衡量內燃機質量的重要指標，也是未來市場競爭的焦點之一。目前，中國 的內燃機產量約佔世界產量的1/4,內燃機產業是我國國民經濟的基礎性產業。作為動力核 心，內燃機在國民經濟各個領域發揮著重要作用。然而，在產量快速增長的同時，內燃機產 品的可靠性成為不容忽視的問題。因為內燃機的可靠性直接影響著配套機械的可靠性，也 影響著我國內燃機工業的可持續發展。
[0003] 眾所周知，疲勞試驗是內燃機零部件可靠性的評價方法之一。如今，內燃機零部件 的疲勞試驗常採用的方法有三種：
[0004] 其一是通過法，即在規定的載荷下達到試驗壽命（次數）即為通過。這種方法僅 用於新產品試製，無法對批量生產產品的疲勞強度進行評估；
[0005] 其二是單點試驗法，即設定一系列試驗載荷，對在這組載荷作用下發生疲勞失效 的試驗點採用最小二乘擬合法。該方法中，首先根據內燃機零部件的疲勞試驗結果建立載 荷-壽命雙對數坐標系，然後將有限壽命區的試驗點擬合為最小二乘直線，再將該最小二 乘直線延長並與低周疲勞循環臨界線（垂線N= 10000次）相交，從而得到內燃機零部件 的疲勞極限載荷。這種方法雖然是目前最廣泛採用的方法，但是該方法只能夠得到內燃機 零部件的疲勞極限載荷的均值而不能得到標準差，無法給出內燃機零部件的疲勞極限載荷 的統計特徵，因此，試驗結果較為粗糙；
[0006] 其三為升降法，該方法在材料疲勞試驗中廣泛採用，試驗結果也具有較高的精準 性，但是在零部件疲勞試驗中則由於需要大量的試驗樣本與較為長久的試驗時間，這對於 價格昂貴的試件以及緊迫的時間周期來說，不太適合。
[0007] 有鑑於此，亟待針對現有的內燃機零部件疲勞試驗的方法進行改進，以期利用較 少的樣本量得出相對精準的疲勞極限載荷的統計特徵，並縮短試驗周期。


【發明內容】

[0008] 針對上述缺陷，本發明解決的技術問題在於提供一種內燃機零部件的疲勞試驗方 法，以有效利用較少的內燃機零部件樣本數據得出相對精準的疲勞極限載荷的統計特徵， 並且該試驗方法的試驗周期較短。
[0009] 本發明提供的內燃機零部件的疲勞試驗方法，包括以下步驟：
[0010] 對多個內燃機零部件的試樣進行疲勞試驗獲得多個試樣的載荷-壽命樣本數據， 並繪製在載荷-壽命雙對數座標系中，其中，所有試樣的疲勞試驗在高周疲勞壽命區域內 進行；
[0011] 利用最小二乘法對所述載荷-壽命樣本數據進行線性擬合，並利用擬合線進行回 歸分析獲得內燃機零部件的高/低周疲勞分界點;
[0012] 利用內燃機零部件的高/低周疲勞分界點和每一個試樣的失效點Bi獲得每一 個試樣的耐久疲勞極限估計值FSi ;
[0013] 對每一個試樣的耐久疲勞極限估計值FSi進行排序，然後求得所有試樣的中位秩 以及標準正態偏量Di ;
[0014] 利用最小二乘法對每一個試樣的標準正態偏量Di和疲勞極限估計值FSi進行線性 擬合，並利用擬合線進行回歸分析得到內燃機零部件的疲勞試驗極限載荷的均值與標準差 的線性關係。
[0015] 優選地，所有試樣的疲勞試驗樣本數據的1/3應該在高壽命區內失效。
[0016] 優選地，所述內燃機零部件的高/低周疲勞分界點通過以下方法獲得：
[0017] 將載荷-壽命樣本數據的擬合線延長至lgNra得到lgBra，然後求得Bra，&為設 定的內燃機零部件的試驗壽命。
[0018] 優選地，在進行載荷-壽命樣本數據線性擬合時，如果不能夠達到設定的顯著度， 則需要補充增加樣本數據，直至滿足設定的顯著度為止。
[0019] 優選地，所述試樣的耐久疲勞極限估計值FSi採用以下方法獲得：
[0020] 在疲勞極限統計中，將低周疲勞臨界循環點與失效點&相連構成一條射線，該 射線與基本試驗壽命的交點則為該試樣耐久疲勞極限強度的試驗估計值FS it)
[0021] 優選地，在求得所述中位秩的過程中，如果某一個中位秩包含了一個試驗中止 點，則需根據公式G = L + n 求出平均序號ik，並以ik代替公式p(i) = (i-0.3)/ n + 2- j (n+0. 4)中的i計算中位秩P(i)，式中：j為總序號，k為失效序號，n為樣本數量。
[0022] 優選地，利用最小二乘法對標準正態偏量與疲勞極限的估計值進行線性擬合時， 顯著度應小於或等於0.05。
[0023] 優選地，所述內燃機零部件具體為曲軸、連杆或缸體。
[0024] 與現有技術相比，本發明提供的內燃機零部件的疲勞試驗方法，將數理統計知識 應用於小樣本的內燃機零部件的疲勞試驗數據處理，以中位秩替代平均值，以累積失效概 率、平均序號以及標準正態偏量與疲勞極限估計值的線性關係獲得疲勞極限載荷的統計試 驗結果，由此得出相對精準的疲勞極限載荷的統計特徵（疲勞極限載荷的均值與標準差）。 因此，內燃機零部件的疲勞試驗樣本量可以明顯減少，並且縮短了試驗周期。
[0025] 在本發明的優選方案中，所有試樣的疲勞試驗樣本數據的1/3應該在高壽命區失 效，以確保分散度較大的樣本數據的相關性得到保證。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為【具體實施方式】所述內燃機零部件的疲勞試驗方法的流程圖；
[0027] 圖2為【具體實施方式】所述內燃機零部件的疲勞試驗方法中繪製的載荷-壽命雙對 數數坐標系示意圖；
[0028] 圖3為【具體實施方式】所述內燃機零部件的疲勞試驗方法中內燃機零部件的疲勞 極限統計示意圖；
[0029] 圖4為【具體實施方式】所述內燃機零部件的疲勞試驗方法中標準正態偏量與疲勞 極限估計值的線性回歸分析示意圖。

【具體實施方式】
[0030] 本發明的核心是提供一種內燃機零部件的疲勞試驗方法，可以使用較少的樣本數 據得出相對精準的疲勞極限載荷的統計特徵，並且試驗周期較短。下面針對本實施方式進 行詳細說明。
[0031] 為了便於本領域技術人員理解，首先對本發明中所涉及到的一些技術術語解釋如 下：
[0032] (1)小樣本：樣本數量小於20的樣本。
[0033] (2)高/低周疲勞分界點：根據金屬疲勞的特性，在低載荷高壽命區的樣本數據的 分散度較大，而在高載荷低壽命區的樣本數據的分散度逐漸減小，考慮極端情況：高/低周 疲勞分界點（本實施方式中設定為10000次循環，可根據實際需要改變）處的（壽命，載 荷）點分散性非常低，因而可以假定為集中到唯一的一個點，因此，該點作為試驗中若干條 載荷-壽命估計曲線必定通過的點而稱為高/低周疲勞分界點。
[0034] (3)疲勞極限載荷估計值：在壽命-載荷雙對數坐標系下，將高/低周疲勞分界點 與樣本數據（試驗點）連接成一條直線，並將該直線延長至基本循環壽命（N =隊，隊根據 實際需要設定）處的載荷值即為疲勞極限載荷估計值。
[0035] (4)中位秩：將疲勞極限載荷估計值由小到大按升序排列，之後利用公式P(i)= (i-0. 3V(n+0. 4)計算得到每一個樣本數據的中位秩P(i)，公式中：n為樣本數，i為序號。
[0036] (5)累積失效概率：載荷區間內所有可能取值的概率和，近似等於中位秩。 ,. /7 + 1-/ ,,
[0037] (6)平均序號：!+ n + 2_ j·用於計算中位秩，式中：
[0038] j-總序號，
[0039] k-失效序號，
[0040] η-樣本數量。
[0041] (7)標準正態偏量：均值為0,方差為1的正態分布的概率分位點。
[0042] 下面結合說明書附圖具體說明本實施方式。
[0043] 請參見圖1，該圖為本實施方式所述內燃機零部件的疲勞試驗方法的流程圖。
[0044] 如圖1所示，本發明提供的內燃機零部件的疲勞試驗方法，包括以下步驟：
[0045] 步驟1 :對多個內燃機零部件的試樣進行疲勞試驗獲得多個試樣的載荷-壽命樣 本數據，並繪製在載荷-壽命雙對數座標系中，其中，所有試樣的疲勞試驗應在高周疲勞壽 命區域內進行。
[0046] 內燃機零部件的疲勞試驗採用的是常規試驗設備及試驗方法，試驗應在內燃機零 部件的高周疲勞壽命區域內進行，並且要求所有試樣的疲勞試驗樣本數據的1/3應該在高 壽命區域內失效，以確保分散度較大的樣本數據的相關性得到保證。
[0047] 假設試樣的試驗壽命Ν (循環次數）滿足2Χ 105〈Ν〈5Χ 106,在此試驗壽命內，如試 樣發生失效破壞，則稱該樣本數據（試驗點）為失效樣本點；如果試件的壽命大於循環次數 上限（基本試驗壽命Ν。）而未發生失效破壞，則稱該樣本數據（試驗點）為中止樣本點。
[0048] 所有試樣的疲勞試驗完成後，分別將其載荷-壽命樣本數據繪製在載荷-壽命雙 對數座標系中，具體請一併參見圖2。圖2為【具體實施方式】所述內燃機零部件的疲勞試驗方 法中繪製的載荷-壽命雙對數數坐標系示意圖，圖2中，橫座標為試樣壽命的對數值IgN，縱 座標為載荷的對數值lgS。
[0049] 步驟2 :利用最小二乘法對所述載荷-壽命樣本數據進行線性擬合，並利用擬合線 進行回歸分析獲得內燃機零部件的高/低周疲勞分界點B ra。
[0050] 根據內燃機零部件的疲勞試驗結果的總結可知，低載荷/高壽命區域的樣本數據 的分散性較大，而高載荷低壽命區的樣本數據的分散性較小、數據分布相對集中，故可認為 在低周疲勞臨界循環壽命(本實施例中約定= 10000)點處，載荷沒有分散性而只有 唯一的數值。為敘述方便，將該點記為（Nap, B^)。
[0051] 再請參見圖2,首先通過最小二乘法對所有試樣的載荷-壽命樣本數據進行線性 擬合形成一條直線，然後將載荷-壽命樣本數據的擬合線延長至lgN ra得到lgBra(線性回 歸），進而求得Bra。
[0052] 在上述線性回歸分析過程中，必須保證樣本數據的相關性，若不能達到設定的顯 著度（業內一般要求顯著度α小於等於0.05)則需要補充增加樣本數據，直至顯著度滿足 要求為止。例如原樣本數據為5個，顯著度為0. 08,不滿足要求，則需要繼續增加1-2個樣 本做試驗，直到達到顯著度小於或等於〇. 05為止。
[0053] 步驟3 :利用內燃機零部件的高/低周疲勞分界點和每一個試樣的失效點& 獲得每一個試樣的耐久疲勞極限估計值FSit)
[0054] 請一併參見圖3所示，圖3為【具體實施方式】所述內燃機零部件的疲勞試驗方法中 內燃機零部件的疲勞極限統計示意圖。
[0055] 如圖3所示，將高/低周疲勞分界點與某一個試樣的失效點&相連構成一條 射線，該射線與基本試驗壽命（循環基數線隊）的交點就是該試樣的耐久疲勞極限估計值 FSp
[0056] 步驟4 :對每一個試樣的耐久疲勞極限估計值FSi進行排序，然後求得所有試樣的 中位秩以及標準正態偏量Dp
[0057] 如果某一個中位秩包含了一個試驗中止點，則需要根據公式# ? + ? ;A--?求 n + 2-j 出平均序號ik，以ik代替公式P(i) = (i_〇.3V(n+0.4)中的i計算得到中位秩P(i)，式 中：j為總序號，k為失效序號，η為樣本數量。
[0058] 步驟5 :利用最小二乘法對每一個試樣的標準正態偏量Di和疲勞極限估計值FSi 進行線性擬合，並通過線性回歸分析得到內燃機零部件的疲勞試驗極限載荷的均值與標準 差的線性關係，進而可以利用均值與標準差的線性關係進行可靠性分析。
[0059] 請一併參見圖4,圖4為【具體實施方式】所述內燃機零部件的疲勞試驗方法中標準 正態偏量與疲勞極限估計值的線性回歸分析示意圖。
[0060] 如圖4所示，首先根據公式P(i) = (i-0.3V(n+0.4)計算得到每一個樣本數據的 累積失效概率（中位秩），並求出標準正態偏量以，然後利用最小二乘法對每一個試樣的標 準正態偏量Di和疲勞極限估計值FSi進行線性擬合，在滿足顯著度的要求下，利用線性回 歸分析得到疲勞試驗極限載荷的均值與標準差的線性關係。圖4中，擬合線（直線）的截 距為疲勞試驗極限載荷的均值，斜率為疲勞試驗極限載荷的標準差。
[0061] 與現有技術相比，本發明提供的內燃機零部件的疲勞試驗方法，可應用於曲軸、連 杆或缸體等內燃機零部件的疲勞試驗，該方法具有以下顯著的優點：
[0062] (1)基於可靠性技術與數理統計方法，充分利用了數理統計方法的手段和知識，能 夠有效地實施小樣本試驗，並且其結果的精確程度為相對最大；同時，在滿足置信度、相對 誤差限制的條件下，試驗的樣本數也能夠達到相對最小。
[0063] (2)以中位秩替代平均值，以累積失效概率、平均序號以及標準正態偏量與疲勞極 限估計值的線性關係獲得疲勞極限載荷的統計結果，由此得出相對精準的疲勞極限載荷的 統計特徵（疲勞極限載荷的均值與標準差），樣本量可以明顯減少。
[0064] (3)由於在有限壽命區內進行試驗，因此縮短了試驗周期。
[0065] (4)根據金屬疲勞的S-N(載荷-壽命）規律，採用加速試驗方法，在有限壽命區獲 得大部分樣本數據，進一步縮短了試驗周期。
[〇〇66] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 內燃機零部件的疲勞試驗方法，其特徵在於，包括以下步驟： 對多個內燃機零部件的試樣進行疲勞試驗獲得多個試樣的載荷-壽命樣本數據，並繪 制在載荷-壽命雙對數座標系中，其中，所有試樣的疲勞試驗在高周疲勞壽命區域內進行； 利用最小二乘法對所述載荷-壽命樣本數據進行線性擬合，並利用擬合線進行回歸分 析獲得內燃機零部件的高/低周疲勞分界點; 利用內燃機零部件的高/低周疲勞分界點和每一個試樣的失效點&獲得每一個試 樣的耐久疲勞極限估計值FSi ; 對每一個試樣的耐久疲勞極限估計值FSi進行排序，然後求得所有試樣的中位秩以及 標準正態偏量Di ; 利用最小二乘法對每一個試樣的標準正態偏量Di和疲勞極限估計值FSi進行線性擬 合，並利用擬合線進行回歸分析得到內燃機零部件的疲勞試驗極限載荷的均值與標準差的 線性關係。
2. 根據權利要求1所述的內燃機零部件的疲勞試驗方法，其特徵在於，所有試樣的疲 勞試驗樣本數據的1/3應該在高壽命區內失效。
3. 根據權利要求1所述的內燃機零部件的疲勞試驗方法，其特徵在於，所述內燃機零 部件的高/低周疲勞分界點通過以下方法獲得： 將載荷-壽命樣本數據的擬合線延長至lgNra得到lgBra，然後求得為設定的 內燃機零部件的試驗壽命。
4. 根據權利要求3所述的內燃機零部件的疲勞試驗方法，其特徵在於，在進行載荷-壽 命樣本數據線性擬合時，如果不能夠達到設定的顯著度，則需要補充增加樣本數據，直至滿 足設定的顯著度為止。
5. 根據權利要求1所述的內燃機零部件的疲勞試驗方法，其特徵在於，所述試樣的耐 久疲勞極限估計值F&採用以下方法獲得： 在疲勞極限統計中，將低周疲勞臨界循環點與失效點&相連構成一條射線，該射線 與基本試驗壽命的交點則為該試樣耐久疲勞極限強度的試驗估計值FSit)
6. 根據權利要求1所述的內燃機零部件的疲勞試驗方法，其特徵在於，在求 得所述中位秩的過程中，如果某一個中位秩包含了一個試驗中止點，則需根據公式 1. m + 2 求出平均序號ik，並以ik代替公式P(i) = (i-0. 3)/(n+0. 4)中的i計 算中位秩P(i)，式中：j為總序號，k為失效序號，η為樣本數量。
7. 根據權利要求1所述的內燃機零部件的疲勞試驗方法，其特徵在於，利用最小二乘 法對標準正態偏量與疲勞極限的估計值進行線性擬合時，顯著度應小於或等於0. 05。
8. 根據權利要求1所述的內燃機零部件的疲勞試驗方法，其特徵在於，所述內燃機零 部件具體為曲軸、連杆或缸體。
【文檔編號】G01M13/00GK104089760SQ201410273023
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2014年6月18日
【發明者】李京魯, 季炳偉, 張鵬偉, 汪景峰, 陳佔善, 李建峰 申請人:濰柴動力股份有限公司