军用车辆发动机可靠性参数指标的探讨

? 32 ?内燃机与配件军用车辆发动机可靠性参数指标的探讨

曹玉东

(中国人民解放军军事交通学院学员旅，天津300161)

摘要:本文通过对军用车辆发动机发展的分析与阐述，对国内外军用车辆发动机可靠性参数体系进行了探讨，对国内发动机的使 用情况和故障进行了统计分析，借鉴国外对军用车辆发动机可靠性定量要求的经验，综合国情提出了我国军用车辆发动机可靠性参数 体系和指标的改进建议并对其应用进行了分析。在其它指标要求相同的条件下，高可靠性意味着低寿命、高成本，所以必须综合考虑 可靠性指标与飞行安全、寿命成本间的关系。

关键词：军用发动机;可靠性；参数指标

1军用车辆发动机发展概述

在军用车辆中，涡轮风扇发动机制造的主要参与者 是普惠公司，通用电气公司，劳斯莱斯公司和C F M国际 公司（Safran汽车发动机和通用电气的合资企业）。进入市 场的主要进入者在2016年发起，当中国的车辆发动机公 司成立时组织较小的公司从事设计和制造汽车发动机成 为一个新的国有企业96,000名员工。在通用车辆，涡轮 螺旋桨发动机的主要制造商是普惠公司、通用电气在 2015年宣布进入市场。车辆发动机是通过改变发动机一 些部件的几何形状、尺寸或位置来改变其热力循环的燃 气涡轮发动机。利用变循环改变发动机循环参数，如增压 比、涡轮前温度、空气流量和涵道比，可以使发动机在各 种飞行和工作状态下都具有良好的性能。在爬升、加速和 超声速飞行时，发动机涵道比减小，以接近涡喷发动机的 性能，以增大推力。在起飞和亚声速飞行时，发动机涵道 比增大，以涡扇发动机状态工作，降低耗油率和噪声。中投顾问发布的《2016-2020年中国车辆发动机产业深度调 研及投资前景预测报告》指出，变循环发动机最新一代是 自适应循环发动机，美国继续领先：根据美国空军研究实 验室的研制计划，第六代发动机共分两个阶段进行技术 研发。第一阶段开发“自适应通用发动机技术”项目。由罗 尔斯罗伊斯公司和通用电气公司承担，共耗资5.24亿美 元，目的是演示第六代战斗机的动力装置技术。第二阶段 是“自适应发动机技术发（AETD)项目，由通用电气公司 和普惠公司承担，重点是为超声速战斗机提供动力。2016 年初，美国G E公司公布了在俄亥俄州Evend ale实验室 进行的第六代机发动机A D V E N T样机演示画面。

A D V E N T的关键是自适应风扇，通过一个在正常核心空 气流和外涵道空气流之外的第3股空气流，提供一个可 变的涵道比，能够在起飞时为增加推力而关闭，在巡航时 为减少燃油消耗和阻力而打开。

2国内外军用车辆发动机的可靠性指标体系

2.1国内军用车辆发动机的可靠性指标体系

在炎热地区（干热及湿热两类地区），要求发动机冷却 好，驾驶室具有温度控制装置，防止橡胶、塑料老化，要求 油漆、镀层耐久、耐腐蚀等。在寒冷地区，要求发动机冷启

作者简介：曹玉东（1993-)男，山东龙口人，本科在读，研究方向 为车辆运用工程。动能力高、驾驶室保温，防止材料冷脆，油料、蓄电池具有 适应性等。在沙漠地区，要求克服沙漠地区的尘沙影响等。在高原地区，要求克服空气稀薄及辐射的影响等。具有反 红外和雷达等电子侦破的防护功能。可采用降低噪声技 术、热屏蔽、电磁屏蔽技术以及改变光谱的燃料添加剂等 技术。具有抗核爆和抗生物、化学武器的三防能力，保护驾 驶室人员安全。要做到在光辐射的作用下，不易起火燃烧，对生物、化学武器和放射性尘埃不易沾染且便于洗消以及 保证安全迅速撤离危险区等。具有适当的防护和自卫能 力。国内军用汽车发动机具有围绕曲轴箱的圆形，如在径 向发动机中，但是曲轴固定到机体，并且螺旋桨固定到发 动机壳体，使得曲轴箱和气缸旋转。这种布置的优点在于，即使在低空速下也保持令人满意的冷却空气流，保持常规 空气冷却发动机的重量优点和简单性而没有其主要缺点 之一。第一个实用的国内军用汽车发动机是由Seguin兄 弟设计的Gnom e欧米茄。它的相对可靠性和良好的动力 重量比改变了汽车。在大多数速度记录是使用侏儒发动机 获得的，在战争的早期，旋翼发动机在汽车类型中占主导 地位，其速度和敏捷性是至关重要的。为了增加功率，制造 具有两排气缸的发动机。然而，重型国内军用汽车发动机 的陀螺效应在汽车中产生处理问题，并且发动机也消耗大 量的油，因为它们使用全损耗润滑，油与燃料混合并与排 气一起喷射。蓖麻油用于润滑，因为其不溶于汽油，并且所 得到的烟气恶化到飞行员。发动机设计师一直意识到国内 军用汽车发动机的许多限制，所以当静态发动机变得更可 靠并且给出更好的比重和燃料消耗时，国内军用汽车发动 机的日期被编号。

2.2国外军用车辆发动机的可靠性指标体系

为了适应现代战争的战场环境，对军用汽车有以下适 应性要求：具有防水、防火、防弹、防爆的能力。具有防目视 和摄影侦破的隐蔽能力。可采用隐形设计、伪装涂料、全频 谱伪装网、迷彩玻璃以及计算机宽范围迷彩技术等。涡轮 风扇通常具有额外的涡轮级以转动风扇。涡轮风扇是第一 个使用多个轴-同心轴的发动机，它们以自己的速度自由 旋转，以使发动机更快地对变化的功率要求做出反应。涡轮风扇粗略分为低旁路和高旁路类别。旁路空气流过风 扇，但围绕喷射芯，不与燃料混合并燃烧。该空气与流过发 动机核心的空气量的比率是旁路比。低旁通发动机由于高 推力重量比而优选用于军用应用，例如战斗机，而高旁通

Internal Combustion Engine & Parts? 33 ?

发动机优选用于民用，以具有良好的燃料效率和低噪声。当汽车以每小时500至550英里（800至885公里/小时）行驶时，大多数大型客机的巡航速度，高旁路涡轮风扇通 常是最有效的。低旁通涡轮风扇可以达到超音速。今天，将 近7,300普惠的军用发动机在全球服役31支武装部队，为性能和可靠性设定了新的标准。凭借最好的发动机技 术，世界知名的制造技术和全球服务组织，我们完全专注 于满足21世纪的新需求。普惠公司目前生产用于F-35闪电I I的F135发动机。这款经过验证的第五代发动机被国 防部选定为F-35的最佳发动机，与添加不需要的替代发 动机相比更可靠，更具成本效益。普惠公司的其他军用发 动机包括F-22猛禽的F119，F-15和F-16的F100系列，C-17 Globemaster III 的F117,E A-6B Prowler 的J52,TF30 为F-111 和 TF33 供电 AW ACS，联合 ST A R S，B-52 和KC-135汽车。此外，普惠公司还提供维护，维修和检修 (M RO)和军用售后服务设施的全球网络，专注于为客户 维持发动机的准备状态。它是第一台在美国生产的涡轮喷 气发动机。它是从美国原创的喷气发动机，通用电气I-A，这是一个高度秘密的英国“Whittle”发动机的副本。贝尔 P-59由两个通用电气J31-GE-5涡轮喷气发动机（来自英 国W hittle发动机）提供2000磅的推力。发动机被包含在 混合到机身侧面的吊舱中，排气喷嘴在机翼后缘下方和后 方。未掠过的机翼安装在肩部位置，并具有14豫的恒定翼 型厚度比，其显着大于在Me 262和M eteor的机翼上使用 的翼型厚度比。虽然具有与Me262大致相同的总推力，以及推力重量比比德国军用汽车大30豫以上，P-59A减慢了 大约130英里每小时。分析显示，65豫的机翼面积和随之 而来的P-59A的更大的阻力面积是这两架军用汽车性能 差异的主要原因，但不是全部。也许P-59A的厚翼型部分 或一些其他来源的添加阻力。

3当前指标体系存在的问题及改进方案

3.1当前指标体系存在的问题

军用汽车制造是制造业中高新技术最集中的领域，属于先进制造技术。军用汽车制造同一般制造相比，共性 是主要的，但也有自己的特点：①特殊的要求—

—强调产 品的高性能、高质量。比如，军用汽车的减重都是以克来 计算的，军用汽车产品很重视比强度，即单位重量的强 度。现在采用C—C材料、高分子、聚合物材料，比强度比 钢高得多。②制造工艺的新概念、新技术。对军用汽车制 造而言，最大的问题还是技术，只有技术才是产品高性 能、高质量的根本。从热加工来看，很多发动机采用单晶 空心叶片，从多晶变成单晶，性能提高了好多倍。目前美 国爱立森公司做空心叶片（空心叶片可以耐更高温度），壁做得非常薄，有许多气冷通道，可把使用温度提高七、八百度。这种技术就是高新技术军用汽车发动机叶片的 新材料已经发展为第4代单晶。开始时用多晶的镍基高 温合金，后来制成了定向晶界的多晶叶片，结晶方向与受 力方向一致，性能提高很多。目前制作成了无晶界定向单 晶，性能更提高了，制作难度也更大了。军用汽车发动机 的军事组合包括各种应用的发动机，这将决定未来的产 品范围。这些推进系统包括传统的低旁通涡轮风扇发动机，用于为战斗军用汽车和先进的涡轮轴发动机提供动 力直升机和涡轮螺旋桨军用汽车，例如A400M军用空 运。在欧盟，无人机(U A V)的发动机目前是军事技术开发 的中心。对于远程巡航应用，他们需要燃料节约，但对于 低空作业也应该产生大量的推力。军用汽车发动机将其 在军事业务方面的综合经验带到桌面，是一个可靠的合 作伙伴，在国家和国际研究项目中发挥重要作用，如欧洲 技术采购计划（ETAP)。战斗机系统设计用于极端情况下 的最大性能。可变循环发动机概念使用所谓的主动系统 来单独地适应发动机以适应变化的操作模式。这种发动 机需要开发的是可变模块（旁通管，风扇或排气喷嘴）或可变部件（定子叶片）。这里的技术挑战是将这些系统可 靠地以机械和电子方式集成到发动机中。

3.2可靠性参数指标体系的改进方案

涡轮喷气发动机是一种燃气涡轮发动机，最初是在 第二次世界大战期间为军事战斗机开发的。涡轮喷气发 动机是所有军用汽车燃气涡轮机中最简单的。其包括：压 缩机，用于吸入空气并压缩空气；燃烧部分，其中添加和 点燃燃料；一个或多个涡轮，其从膨胀的排气中提取动力 以驱动压缩机；以及排气喷嘴，其加速排气发动机的后部 产生推力。当引入涡轮喷气发动机时，装备有它们的战斗 机的最高速度比竞争的活塞驱动军用汽车快至少100英里/小时。在战争之后的几年中，涡轮喷气发动机的缺点逐 渐变得明显。在大约2马赫以下，涡轮喷气式军用汽车非 常燃料效率低，并产生大量的噪音。早期的设计对功率变 化的响应非常缓慢，这是一个事实，当他们试图过渡到喷 气式军用汽车时，杀死了许多有经验的飞行员。这些缺点 最终导致纯涡轮喷气发动机的垮台，并且只有少数类型 仍在生产中。最后一架使用涡轮喷气发动机的客机是协 和式军用汽车，其Mach2空速允许发动机高效。大多数 军用汽车发动机使用火花点火，通常使用汽油作为燃料。从20世纪30年代开始，尝试生产用于军用汽车用途的 压缩点火柴油发动机。通常，柴油发动机更可靠，更好地 适合于在中等功率设置下长时间运行，这是为什么它们 被广泛地用于例如卡车和船舶。20世纪30年代的轻质合 金没有达到处理柴油发动机的高得多的压缩比的任务，因此它们通常具有差的功率重量比并且由于这个原因是 不常见的，尽管Clerget 14F柴油径向发动机（1939 )具有 与汽油径向相同的功率重量比。汽车柴油技术的改进（导致更好的功率重量比），柴油的更好的燃料效率和A V G A S相对于欧洲的喷气A1的高相对税收已经看到了 对使用柴油军用汽车的兴趣的复兴。Thielert军用汽车发 动机转换梅赛德斯柴油汽车发动机，认证他们为军用汽 车使用，并成为钻石军用汽车的O E M提供商为他们的光 双胞胎。财务问题困扰着Thielert，所以Diamond的子公 司-奥斯特发动机公司（Austro Engine)开发了新的A E300 涡轮柴油发动机，也是基于梅赛德斯发动机。竞争的新柴 油发动机可以为小型军用汽车带来燃油效率和无铅排 放，代表了轻型军用汽车发动机几十年来最大的变化。W ilksch汽车为实验军用汽车制造2冲程柴油发动机（与汽油发动机重量相同）。

? 34 ?内燃机与配件ZL50轮式装载机工作装置动力学特性Dynamic Simulation Analysis of Working Device for ZL50 Wheel Loader Based on ADAMS

肖才远 XIAO Cai-yuan;张桂菊 ZHANG Gui-ju;邓瑞麟 DENG Rui-lin;

陈英春 CHEN Ying-chun;王小龙 WANG Xiao-long

(邵阳学院机械与能源工程系，邵阳422000)

(Department of Mechanical and Energ^^Engineering,Shaoyang University,Shaoyang422000, China)摘要：以某型轮式装载机为研究对象，利用Solidworks三维造型设计软件对轮式装载机工作装置建立三维模型，导入动力学仿真 软件ADAMS中，添加约束、载荷建立虚拟样机系统。对工作装置进行动力学仿真分析,获得主要铰接点处的载荷受力曲线，为轮式装 载机工作装置的设计和改进提供了理论参考依据。

Abstract:Taking a certain type of wheel loader as the research object,the 3D models of its working device were established and assembled by3D design software Solidw-orks.And then the3D models were imported into dynamics simulation software ADAMS to build the virtual prototype system after adding constraints and load.Through simulation analyzing on working device,the mainly articulated point5s load stress cu r^^es were obtained for working device.Thus proved its movement characteristics in line with the actual working condition, which provides the theor^^reference of design and improvement for wheel loader working device.

关键词:轮式装载机;工作装置;ADAMS;动力学仿真

Key words:wheel loader；w-orking device；ADAMS；dynamic simulation

〇引言

轮式装载机是我国工程领域主要的施工机械，工作装

基金项目：湖南省教育厅高等学校科学研究项目（15C1240);湖 南省教育厅创新平台开放基金项目（16K080)；2016年

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目。

作者简介：肖才远（1979-)男，贵州威宁人，讲师，主要从事机械 设计方法与理论、机电一体化技术的研究；张桂菊（通

讯作者）（1979-)女，贵州贵阳人，副教授，博士研究

生，研究方向为机电一体化技术。

4总结与展望

涡轮风扇发动机与涡轮喷气发动机大致相同，但前 部具有增大的风扇，以与管道式螺旋桨大致相同的方式 提供推力，从而提高燃料效率。虽然风扇产生的推力像螺 旋桨，周围的管道释放了许多限制螺旋桨性能的限制。与简单地使用单独的喷嘴相比，这种操作是提供推力的更 有效的方式，并且涡轮风扇在飞行器速度的跨音速范围 内比螺旋桨更有效，并且可以在超音速领域中操作。GUY N O R R IS洛杉矶通用电气和普惠公司之间的战斗继续主 导美国军用发动机市场。随着新的美国军用发动机项目 变得越来越稀少，每个竞争都引起了一个或多个输家被 迫离开业务的恐惧。在最苛刻的市场终端，战斗机引擎，赌注是最高的，但在功率谱上，失去比赛的后果正在增 加。大量的军用汽车发动机动力装置目前正在服务中，在各种设备，从物流卡车到重炮。快速部署能力维持和平，干预和远征行动正在推动对更轻，更可移动的A F V的需 求，适合快速部署和全地形能力。尽管复杂的保护和增强 的火力，在现场，新一代的A F V将需要依靠速度和隐蔽，以确保生存-利用军用汽车发动机发动机提供的最新的 清洁燃烧技术。后勤支持动力关闭后勤车辆为军事行动，重要物资，燃料和人员到前线提供必要的连接。重型战斗 力自行重型火炮车如M L R S和AS90 S P H使现场指挥官置是轮式装载机的重要组成部件之一，是轮式装载机直接

工作作业的施工工具，在作业过程中运动和受力较复杂，

其稳定性和可靠性直接影响轮式装载机的工作质量和工

作效率[12]。相比国外产品，虽然我国在轮式装载机设计方

面已开展了较广泛的研究，但其工作装置的设计仍以模仿

设计为主，工作效率低。因此，对轮式装载机的工作装置和

关键的零部件的动力学特性进行系统研究，具有重要的理

论意义和工程价值。本文以轮式装载机工作装置所受阻力

特性为函数目标，工作装置部件连接点位置为变量，通过

大大增强了火力，具有以极高的精度在远距离操作的能

力。专用设备具有快速道路清理，物流搬运或机场重建能

力的军事工程设备对整个作业的速度和成功施加了重要

影响。维持和平行动现在比对设备的需求更高，完全取决

于发动机长期高峰运行的能力。增强车辆军用汽车发动

机信息产品提供了对发动机管理系统的便捷访问，用于

快速诊断和数据下载，有助于确保车辆的最长正常运行

时间。军用设备的功率军用汽车发动机电子技术的卓越

可靠性已经在超过10年的严苛工作周期下最苛刻的应

用中得到了良好的建立。

参考文献：

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