內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種內(nèi)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(shù)據(jù)并繪制在載荷-壽命雙對數(shù)座標系中；利用最小二乘法對樣本數(shù)據(jù)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(tài)偏量Di，并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系。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)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(tài)偏量與疲勞極限估計值的線性關系獲得疲勞極限載荷的統(tǒng)計試驗結果，由此得出相對精準的疲勞極限載荷的統(tǒng)計特征，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(fā)明涉及內(nèi)燃機可靠性試驗方法，具體涉及內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法。 內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法

【背景技術】
[0002] 可靠性是衡量內(nèi)燃機質(zhì)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(nèi)燃機產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的1/4,內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎性產(chǎn)業(yè)。作為動力核 心，內(nèi)燃機在國民經(jīng)濟各個領域發(fā)揮著重要作用。然而，在產(chǎn)量快速增長的同時，內(nèi)燃機產(chǎn) 品的可靠性成為不容忽視的問題。因為內(nèi)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(nèi)燃機工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
[0003] 眾所周知，疲勞試驗是內(nèi)燃機零部件可靠性的評價方法之一。如今，內(nèi)燃機零部件 的疲勞試驗常采用的方法有三種：
[0004] 其一是通過法，即在規(guī)定的載荷下達到試驗壽命（次數(shù)）即為通過。這種方法僅 用于新產(chǎn)品試制，無法對批量生產(chǎn)產(chǎn)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(fā)生疲勞失效 的試驗點采用最小二乘擬合法。該方法中，首先根據(jù)內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗結果建立載 荷-壽命雙對數(shù)坐標系，然后將有限壽命區(qū)的試驗點擬合為最小二乘直線，再將該最小二 乘直線延長并與低周疲勞循環(huán)臨界線（垂線N= 10000次）相交，從而得到內(nèi)燃機零部件 的疲勞極限載荷。這種方法雖然是目前最廣泛采用的方法，但是該方法只能夠得到內(nèi)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(nèi)燃機零部件的疲勞極限載荷 的統(tǒng)計特征，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采用，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于需要大量的試驗樣本與較為長久的試驗時間，這對于 價格昂貴的試件以及緊迫的時間周期來說，不太適合。
[0007] 有鑒于此，亟待針對現(xiàn)有的內(nèi)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(tǒng)計特征，并縮短試驗周期。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對上述缺陷，本發(fā)明解決的技術問題在于提供一種內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方 法，以有效利用較少的內(nèi)燃機零部件樣本數(shù)據(jù)得出相對精準的疲勞極限載荷的統(tǒng)計特征， 并且該試驗方法的試驗周期較短。
[0009] 本發(fā)明提供的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，包括以下步驟：
[0010] 對多個內(nèi)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(shù)據(jù)， 并繪制在載荷-壽命雙對數(shù)座標系中，其中，所有試樣的疲勞試驗在高周疲勞壽命區(qū)域內(nèi) 進行；
[0011] 利用最小二乘法對所述載荷-壽命樣本數(shù)據(jù)進行線性擬合，并利用擬合線進行回 歸分析獲得內(nèi)燃機零部件的高/低周疲勞分界點;
[0012] 利用內(nèi)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，然后求得所有試樣的中位秩 以及標準正態(tài)偏量Di ;
[0014] 利用最小二乘法對每一個試樣的標準正態(tài)偏量Di和疲勞極限估計值FSi進行線性 擬合，并利用擬合線進行回歸分析得到內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗極限載荷的均值與標準差 的線性關系。
[0015] 優(yōu)選地，所有試樣的疲勞試驗樣本數(shù)據(jù)的1/3應該在高壽命區(qū)內(nèi)失效。
[0016] 優(yōu)選地，所述內(nèi)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(shù)據(jù)的擬合線延長至lgNra得到lgBra，然后求得Bra，&為設 定的內(nèi)燃機零部件的試驗壽命。
[0018] 優(yōu)選地，在進行載荷-壽命樣本數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，直至滿足設定的顯著度為止。
[0019] 優(yōu)選地，所述試樣的耐久疲勞極限估計值FSi采用以下方法獲得：
[0020] 在疲勞極限統(tǒng)計中，將低周疲勞臨界循環(huán)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(yōu)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(jù)公式G = L + n 求出平均序號ik，并以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(shù)量。
[0022] 優(yōu)選地，利用最小二乘法對標準正態(tài)偏量與疲勞極限的估計值進行線性擬合時， 顯著度應小于或等于0.05。
[0023] 優(yōu)選地，所述內(nèi)燃機零部件具體為曲軸、連桿或缸體。
[0024] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，將數(shù)理統(tǒng)計知識 應用于小樣本的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗數(shù)據(jù)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(tài)偏量與疲勞極限估計值的線性關系獲得疲勞極限載荷的統(tǒng)計試 驗結果，由此得出相對精準的疲勞極限載荷的統(tǒng)計特征（疲勞極限載荷的均值與標準差）。 因此，內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗樣本量可以明顯減少，并且縮短了試驗周期。
[0025] 在本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所有試樣的疲勞試驗樣本數(shù)據(jù)的1/3應該在高壽命區(qū)失 效，以確保分散度較大的樣本數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法中繪制的載荷-壽命雙對 數(shù)數(shù)坐標系示意圖；
[0028] 圖3為【具體實施方式】所述內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法中內(nèi)燃機零部件的疲勞 極限統(tǒng)計示意圖；
[0029] 圖4為【具體實施方式】所述內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法中標準正態(tài)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(fā)明的核心是提供一種內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，可以使用較少的樣本數(shù) 據(jù)得出相對精準的疲勞極限載荷的統(tǒng)計特征，并且試驗周期較短。下面針對本實施方式進 行詳細說明。
[0031] 為了便于本領域技術人員理解，首先對本發(fā)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(shù)量小于20的樣本。
[0033] (2)高/低周疲勞分界點：根據(jù)金屬疲勞的特性，在低載荷高壽命區(qū)的樣本數(shù)據(jù)的 分散度較大，而在高載荷低壽命區(qū)的樣本數(shù)據(jù)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(huán)，可根據(jù)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(shù)坐標系下，將高/低周疲勞分界點 與樣本數(shù)據(jù)（試驗點）連接成一條直線，并將該直線延長至基本循環(huán)壽命（N =隊，隊根據(jù) 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，之后利用公式P(i)= (i-0. 3V(n+0. 4)計算得到每一個樣本數(shù)據(jù)的中位秩P(i)，公式中：n為樣本數(shù)，i為序號。
[0036] (5)累積失效概率：載荷區(qū)間內(nèi)所有可能取值的概率和，近似等于中位秩。 ,. /7 + 1-/ ,,
[0037] (6)平均序號：!+ n + 2_ j·用于計算中位秩，式中：
[0038] j-總序號，
[0039] k-失效序號，
[0040] η-樣本數(shù)量。
[0041] (7)標準正態(tài)偏量：均值為0,方差為1的正態(tài)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(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法的流程圖。
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明提供的內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)，并繪制在載荷-壽命雙對數(shù)座標系中，其中，所有試樣的疲勞試驗應在高周疲勞壽 命區(qū)域內(nèi)進行。
[0046] 內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗采用的是常規(guī)試驗設備及試驗方法，試驗應在內(nèi)燃機零 部件的高周疲勞壽命區(qū)域內(nèi)進行，并且要求所有試樣的疲勞試驗樣本數(shù)據(jù)的1/3應該在高 壽命區(qū)域內(nèi)失效，以確保分散度較大的樣本數(shù)據(jù)的相關性得到保證。
[0047] 假設試樣的試驗壽命Ν (循環(huán)次數(shù)）滿足2Χ 105〈Ν〈5Χ 106,在此試驗壽命內(nèi)，如試 樣發(fā)生失效破壞，則稱該樣本數(shù)據(jù)（試驗點）為失效樣本點；如果試件的壽命大于循環(huán)次數(shù) 上限（基本試驗壽命Ν。）而未發(fā)生失效破壞，則稱該樣本數(shù)據(jù)（試驗點）為中止樣本點。
[0048] 所有試樣的疲勞試驗完成后，分別將其載荷-壽命樣本數(shù)據(jù)繪制在載荷-壽命雙 對數(shù)座標系中，具體請一并參見圖2。圖2為【具體實施方式】所述內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方 法中繪制的載荷-壽命雙對數(shù)數(shù)坐標系示意圖，圖2中，橫座標為試樣壽命的對數(shù)值IgN，縱 座標為載荷的對數(shù)值lgS。
[0049] 步驟2 :利用最小二乘法對所述載荷-壽命樣本數(shù)據(jù)進行線性擬合，并利用擬合線 進行回歸分析獲得內(nèi)燃機零部件的高/低周疲勞分界點B ra。
[0050] 根據(jù)內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗結果的總結可知，低載荷/高壽命區(qū)域的樣本數(shù)據(jù) 的分散性較大，而高載荷低壽命區(qū)的樣本數(shù)據(jù)的分散性較小、數(shù)據(jù)分布相對集中，故可認為 在低周疲勞臨界循環(huán)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(shù)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(shù)據(jù)進行線性 擬合形成一條直線，然后將載荷-壽命樣本數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的相關性，若不能達到設定的顯 著度（業(yè)內(nèi)一般要求顯著度α小于等于0.05)則需要補充增加樣本數(shù)據(jù)，直至顯著度滿足 要求為止。例如原樣本數(shù)據(jù)為5個，顯著度為0. 08,不滿足要求，則需要繼續(xù)增加1-2個樣 本做試驗，直到達到顯著度小于或等于〇. 05為止。
[0053] 步驟3 :利用內(nèi)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] 請一并參見圖3所示，圖3為【具體實施方式】所述內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法中 內(nèi)燃機零部件的疲勞極限統(tǒng)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(huán)基數(shù)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，然后求得所有試樣的 中位秩以及標準正態(tài)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(jù)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(shù)量。
[0058] 步驟5 :利用最小二乘法對每一個試樣的標準正態(tài)偏量Di和疲勞極限估計值FSi 進行線性擬合，并通過線性回歸分析得到內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗極限載荷的均值與標準 差的線性關系，進而可以利用均值與標準差的線性關系進行可靠性分析。
[0059] 請一并參見圖4,圖4為【具體實施方式】所述內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法中標準 正態(tài)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(jù)公式P(i) = (i-0.3V(n+0.4)計算得到每一個樣本數(shù)據(jù)的 累積失效概率（中位秩），并求出標準正態(tài)偏量以，然后利用最小二乘法對每一個試樣的標 準正態(tài)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系。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(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，可應用于曲軸、連 桿或缸體等內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗，該方法具有以下顯著的優(yōu)點：
[0062] (1)基于可靠性技術與數(shù)理統(tǒng)計方法，充分利用了數(shù)理統(tǒng)計方法的手段和知識，能 夠有效地實施小樣本試驗，并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(shù)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(tài)偏量與疲勞極 限估計值的線性關系獲得疲勞極限載荷的統(tǒng)計結果，由此得出相對精準的疲勞極限載荷的 統(tǒng)計特征（疲勞極限載荷的均值與標準差），樣本量可以明顯減少。
[0064] (3)由于在有限壽命區(qū)內(nèi)進行試驗，因此縮短了試驗周期。
[0065] (4)根據(jù)金屬疲勞的S-N(載荷-壽命）規(guī)律，采用加速試驗方法，在有限壽命區(qū)獲 得大部分樣本數(shù)據(jù)，進一步縮短了試驗周期。
[〇〇66] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)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(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，其特征在于，包括以下步驟： 對多個內(nèi)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(shù)據(jù)，并繪 制在載荷-壽命雙對數(shù)座標系中，其中，所有試樣的疲勞試驗在高周疲勞壽命區(qū)域內(nèi)進行； 利用最小二乘法對所述載荷-壽命樣本數(shù)據(jù)進行線性擬合，并利用擬合線進行回歸分 析獲得內(nèi)燃機零部件的高/低周疲勞分界點; 利用內(nèi)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，然后求得所有試樣的中位秩以及 標準正態(tài)偏量Di ; 利用最小二乘法對每一個試樣的標準正態(tài)偏量Di和疲勞極限估計值FSi進行線性擬 合，并利用擬合線進行回歸分析得到內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗極限載荷的均值與標準差的 線性關系。
2. 根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，其特征在于，所有試樣的疲 勞試驗樣本數(shù)據(jù)的1/3應該在高壽命區(qū)內(nèi)失效。
3. 根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，其特征在于，所述內(nèi)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(shù)據(jù)的擬合線延長至lgNra得到lgBra，然后求得為設定的 內(nèi)燃機零部件的試驗壽命。
4. 根據(jù)權利要求3所述的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，其特征在于，在進行載荷-壽 命樣本數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，直至滿 足設定的顯著度為止。
5. 根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，其特征在于，所述試樣的耐 久疲勞極限估計值F&采用以下方法獲得： 在疲勞極限統(tǒng)計中，將低周疲勞臨界循環(huán)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(jù)權利要求1所述的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，其特征在于，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(jù)公式 1. m + 2 求出平均序號ik，并以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(shù)量。
7. 根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，其特征在于，利用最小二乘 法對標準正態(tài)偏量與疲勞極限的估計值進行線性擬合時，顯著度應小于或等于0. 05。
8. 根據(jù)權利要求1所述的內(nèi)燃機零部件的疲勞試驗方法，其特征在于，所述內(nèi)燃機零 部件具體為曲軸、連桿或缸體。
【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(yōu)先權日:2014年6月18日
【發(fā)明者】李京魯, 季炳偉, 張鵬偉, 汪景峰, 陳占善, 李建峰 申請人:濰柴動力股份有限公司