高壓油泵電磁計量閥可靠性分析

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行判斷并完成其可靠性壽命計算與預測。通過計算結果分析：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行分析并做相應優化與整改，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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0031-04

0 ?引言

高壓共軌系統由于能夠精準靈活調節噴油壓力和噴射規律，成為柴油機燃油系統的發展方向[1-2]。高壓油泵電磁計量閥是高壓共軌系統的關鍵部件之一，其功能是根據共軌壓力的需求控制進入油泵柱塞腔內的燃油量，使輸送到油軌的燃油量與發動機需求量一致，保證軌壓的穩定[3-4]。因此準確評估高壓油泵電磁計量閥的健康狀態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在進行材料強度統計時首次使用而得名，目前已廣泛應用于電子元器件壽命試驗和機械產品的疲勞壽命試驗中，是機電設備壽命可靠性分析中應用最廣泛的模型之一，也是設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，對于各種類型的數據均有較強的擬合能力，被廣泛應用于各種機電產品壽命試驗的數據處理。三參數威布爾分布能夠比較全面地描述浴盆曲線的各個階段，而且對于機械設備可靠性實際情況反映的更加真實[9-10]，因此成為可靠性領域應用最為廣泛的分布函數類型。因此，本文將三參數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脈沖寬度調制信號驅動的開關閥，于計量進入到高壓油泵柱塞油室的燃油量。根據初始狀態下閥口開閉狀態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，即當勵磁線圈不通電時，在復位彈簧的作用下，節流孔開度最大;當勵磁線圈通電時，柱塞下行，低壓油通過節流口，閥體被吸入柱塞腔內，柱塞上行時，進油閥在彈簧力作用下關閉，切斷燃油回路，柱塞腔內的油壓迅速升高，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動機高壓共軌燃油系統中的重要組成部件，控制油泵泵油的多少，使高壓油泵按需供應，避免能量損失[12]，具體結構見圖1。

高壓油泵電磁計量閥對共軌系統的軌壓調節起到重要作用，其可靠性指標和失效模式分析一直是高壓共軌燃油系統生產廠家關注的重點。據售后市場反饋，油泵電磁計量閥常見故障有卡滯、泄漏、磨損、短路、斷路等，某燃油系統生產廠家對售后油泵電磁計量閥的故障現象、故障可能原因及對應的故障里程雖有記錄，但由于記錄數據和信息的不完整性，導致無法準確評估油泵電磁計量閥的可靠性、評估電磁計量閥供應商能力、預測電磁計量閥的使用壽命。鑒于三參數威布爾分布在三個分布參數，可準確描述機電產品零部件失效數據的分布規律、并用于可靠性設計與分析、零部件壽命預測等，被許多學者和發動機廠家用于機電產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行研究，重點分析車速傳感器發生早期失效的主要原因并提出改進措施;曹祖劍[14]利用兩參數威布爾分布對汽車油泵失效進行可靠性分析及壽命預測，驗證了威布爾分布在油泵售后服務中可靠性分析及壽命預測的有效性;范程程等人[15]依據汽車鉛酸蓄電池的三包索賠與售后數據，基于威布爾分布對鉛酸蓄電池的故障模式進行分析，建立威布爾模型，完成鉛酸蓄電池可靠性分析。根據蓄電池故障類型和可靠性分析結果，指導整車廠制定蓄電池維修保養計劃。

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行判斷并完成其可靠性壽命計算與預測，從而找出導致高壓油泵電磁計量閥發生失效的主要原因，并對其進行整改，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用于機電設備的可靠性分析，其公式見下[6]：

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

參數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次數為橫坐標，失效概率為縱坐標，通過描點、連線，得到形狀參數β和尺度參數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、平均秩次法及相關系數優化法等[18]。文中所研究的參數估計方法采用最小二乘估算法。

1.1 可靠度函數公式變換

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

由此將威布爾可靠度函數變換為（8）式的直線型函數，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 威布爾模型參數計算

首先整理相同型號高壓油泵電磁計量閥售后數據，將數據按照故障里程從小到大排序。雖然在發動機零部件可靠性分析中的原始數據是不規則截尾數據，但當樣本量較大時，中止數據的影響不大[19]，可當作未刪失數據進行簡化處理。經處理后的電磁計量閥售后故障數據見表1。

依據式（11）-（13），根據計算出的相關變量數值，利用基于三參數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，絕大多數擬合點都分布在直線附近，說明三參數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中形狀參數，位置參數和尺度參數，因此根據公式（1）、（2）、（3）、（4）可依次繪制出失效概率函數曲線、累積失效概率函數曲線、可靠度曲線以及失效率函數曲線（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Γ（1.749）≈0.9191），根據高壓油泵電磁計量閥可靠性分析結果，可提醒燃油系統生產廠家在商用車規定行駛里程內，進行高壓油泵電磁計量閥的維修保養或更換，提高油泵壽命，降低油泵的三包索賠數量和成本。

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，從而保證發動機安全穩定運行。

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部子零部件過度疲勞、老化以及磨損導致的。通過圖1油泵電磁計量閥結構簡圖所示，電磁計量閥主要由電插頭，電磁閥殼體，節流閥殼體，柱塞套，柱塞閥芯，勵磁線圈，閥體，復位彈簧，彈簧座，密封圈等結構組成。通過對油泵電磁計量閥失效件拆解分析，發現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電磁閥內部發生銹蝕，導致功能失效，如圖5所示。③磁勵線圈發生短路，如圖6所示。

3.2 失效原因分析及整改措施 ?分析產生失效的原因主要以及相應的改進措施如下：①雜質卡在閥芯與柱塞套之間導致電磁計量閥卡滯，除改進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調整4～6um;同時優化柱塞閥芯與閥體的倒角設計;改進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含量過高，加速內部零件的銹蝕，通過增加關鍵零部件的表面涂層改進抗銹蝕能力。③正負級線圈搭接導致短路主要原因是繞線脫漆過長，當工作時，電磁閥內部發熱產生微小位移，使正負極導線脫漆處接觸，進而產生短路故障。需改進繞線工藝，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并投放市場使用后，售后故障反饋失效信息減少，整改的結果較為理想，改進前后可靠性指標對比見表3。

4 ?結論

提出一種基于三參數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行判斷并完成其可靠性壽命計算與預測，得出以下結論。高壓油泵電磁計量閥在使用過程中，往往出現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，對電磁閥做相應的技術，工藝，質量改進，改進后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，比改進前有明顯提高。綜上所述，利用三參數威布爾分布函數公式建立的電磁計量閥可靠性模型可實現對高壓油泵電磁計量閥的可靠性和壽命預測分析。

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