发动机可靠性及其评价技术分析
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f (t ) = 1
发动机的下列故障属于威布尔分布：串联结构 在较强外应力随机作用下所发生的故障，如油水系 统和齿轮传动系统的故障；非串联系统，零件故障 间相互关系密切，由传播蔓延而导致的故障，如滚 珠轴承的故障；磨损积累、疲劳积累和损耗积累逐 渐产生的故障。 参考文献：
σ 2π
1
∞
exp[−
(t − µ ) ] 2σ 2
f (t ) 的 随 机 变 量 。 用 物 理 方 法 和 数 理 统 计 方 法 对 发
- 207 -
2006 年 3 月
农 机 化 研 究
分布。 3.3 威布尔分布 威布尔分布密度函数为
f (t ) = (t − r ) m m (t − r ) m−1 exp[− ] t0 t0 (t − r ) 2 ] t0
收 稿 日 期 ： 2005-05-16 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 50275025 ） 作 者 简 介 ： 赵 秀 荣 （ 1966- ） , 女 ， 辽 宁 辽 中 人 ， 副 教 授 ， 东 北 大 学 在 读 博 士 ， (E-mail)zhaoxiurongxr@163.com 。 通 讯 作 者 ： 谢 里 阳 （ 1962- ） ，男，黑龙江林口人，教授，博士生 导 师 ， (E-mail)xieliyang@sina.com 。
机可靠性的相关指标时，以美国为代表给出了先进国家发动机可靠性的指标数据，指出了我国发动机可靠 性方面存在的问题。同时，论述了发动机常见故障的分布形式以及故障归属的类型，对发动机可靠性的研 究具有一定的指导意义；最后，分析了近年我国发动机可靠性下降的主要原因并提出了开展发动机可靠性 研究的必要性。 关键词：能源与动力工程；可靠性；分析；发动机；评价技术 中 图 分 类 号 ：TK401 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1003─ 188X(2006)03─ 0206─ 03
第 3 期
动机的故障、失效模式、影响因素及其规律进行分 析，得出其故障分布规律，是发动机可靠性研究的 主 要 内 容 之 一 。常 见 发 动 机 零 部 件 的 故 障（ 或 寿 命 ） 分布规律有指数分布、正态分布、对数正态分布和 威布尔分布 3.1
[2]
。
指数分布 指数分布密度函数为
f (t ) = λ ⋅ e − λ ⋅t
现场使用跟踪试验 MTB F/h 450 ～ 650 300 ～ 800 800 ～ 900 1500 MTTFF /h 400 ～ 600 300 ～ 950 900 ～ 1000 --
部分国产中小功率柴油机可靠性水平
在引进国外先进技术的基础上，我国大功率柴 油机产品的性能和可靠性达到了一定的水平，但与 国外先进水平相比还存在着较大的差距。随着高性 能机械工程材料的应用和机械加工工艺水平的提 高，发动机各摩擦副的配合更趋合理，加之冷却和 润滑方式的改善，使新一代单缸柴油机的首次故障 时 间 延 长 至 2500 ～ 3000h ， 使 用 寿 命 可 望 延 长 至 8000h 。目 前 ，国 外 柴 油 机 在 正 常 工 况 下 的 平 均 寿
0
引言
发动机是汽车、农业机械、工程机械、船舶、
维持其规定功能的概率。其表示为
A= MTBF MTBF + MTTR
内燃机车、地质和石油勘探、军用、通用机械、移 动及备用电站装备的主要动力装备，市场需求量巨 大 。 据 不 完 全 统 计 ， 我 国 发 动 机 生 产 企 业 844 家 ， 年 生 产 发 动 机 达 1820 万 台 。 其中， 柴 油 发 动 机 881.9 万 台 ， 汽 油 发 动 机 938.5 万 台 ； 全 年 工 业 总 产 值 达 775 亿 元 ， 销 售 收 入 761 亿 元 ， 出 口 创 汇 27 亿 元 。 2005 年 ， 我 国 发 动 机 工 业 的 总 目 标 ： 工 业 总 产 值 1000 亿 元 ， 内 燃 机 配 附 件 240 亿 元 ， 出 口 创 汇 29 亿 ～ 33 亿 元 , 年 增 长 率 在 8.5% 左 右
严 重 故 障 在 80% 可 靠 度 时 的 使 用 时 间 /h 农用 1500 工业用 大 修 故 障 在 50% 可 靠 度 时 的 使 用 时 间 /h 农用 2000 3000 4500 6500 4000 6500 10000 4000 6500 10000 工业用
约翰迪尔公司发动机可靠性指标的目标值
。面临如此巨
大的生产与销售市场以及受国际原油价格波动的影 响，研究发动机的高度可靠性再次成为发动机生产 行业的关键性技术。
2
发动机可靠性国内外研究现状
可 靠 性 技 术 的 研 究 与 发 展 起 源 于 20 世 纪 40 年
代 ， 但 真 正 用 于 发 动 机 行 业 是 在 20 世 纪 60 ～ 70 年 代 [ 1 ] 。 由 于 20 世 纪 70 年 代 的 石 油 危 机 ， 降 低 燃 油 消耗是各国发动机厂家的主要研究目标，从而使同 功率档次的发动机燃油经济性差距缩小；但是发动 机之间的可靠性水平却相差很大，用户在选购发动 机时，往往把可靠性指标看得比燃油经济性和价格 更为重要。因此，提高发动机的可靠性成为当时内 燃 机 行 业 主 要 研 究 的 课 题 。例 如 ，1964 年 美 国 约 翰 迪尔公司成立了可靠性研究部门，并提出了 4 项可 靠 性 指 标 [3]， 如表 1 所示。 此外， 该 公 司 还 采 用 500h 、 1000h 、1500h 的 累 积 故 障 率 来 控 制 发 动 机 零 部 件 的 可靠性，如表 2 所示。 以可靠性好、寿命长著称的美国卡特彼勒公司 的 3500 系 列 发 动 机 ， 在 配 套 工 程 机 械 中 MTBF 值 可 达 2000 ～ 4000h ； 德 国 Deutz— MWM 公 司 生 产 的 226B 水冷柴油机，主要配套使用在拖拉机上。该机在可
保 修 费 占 出 厂 成 本 百 分 比 /% 农用 2.0 1.5 2.0 2.5 表 2 1.5 2.0 2.5 工业用
3000 4500 6500
约翰迪尔公司不同时间的累积故障率 500h 累积故障率 0.1 0.05 0.5 （ 0.25 ） 0.05 0.05 0.25 （ 0.15 ） 0.05 0.75 （ 0.5 ） 1000 h 累积故障率 0.2 0.1 1.0 （ 0.5 ） 0.1 0.1 0.5 （ 0.3 ） 0.1 1.5 （ 1.0 ） 1500 h 累积故障率 0.30 0.15 1.50 （ 0.75 ） 0.15 0.15 0.75 （ 0.45 ） 0.15 2.00 （ 1.5 ）
[1]
式中
MTBF — 发 动 机 平 均 无 故 障 工 作 时 间 ； MTTR — 发 动 机 的 平 均 修 复 时 间 。
(4) 寿 命 指 发 动 机 的 工 作 时 间 。 常 见 发 动 机 寿 命 指 标 ：一 是 平 均 寿 命 t MTBF ，发 动 机 平 均 无 故 障 工 作 时 间 （ MTBF ） ；二 是 可 靠 性 寿 命 t R ， 发 动 机 的 可 靠度下降到某一数值时发动机已工作的时间；三是 大 修 寿 命 B50 ，发 动 机 大 修 或 换 机 概 率 达 到 50% 的 累 积使用时间。
表 1 发动机负荷 或寿命分类 农用 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 850 1700 1700 1700 2500 2500 2500 MTBF /h 工业用
12000h ，持 续 功 率 使 用 时 大 修 期 达 36000h [ 4 ] ；瑞 士 公 司 的 RTA 柴 油 机 和 日 本 三 菱 重 工 的 UEC85LS 系 列 柴油机等可靠性指标都达到了较高的水平。
可靠度函数为
R (t ) = exp[−
可靠度函数为
R (t ) = e − λ ⋅t
式中
m —形状参数； r —位置参数；
t0 — 尺 度 参 数 。
式中
λ —故障率。
发动机随机性冲击产生的故障（如超载下工作 或过热造成的故障） 、正 常 使 用 下 突 发 故 障（ 包 括 人 为失误造成的故障和偶然性操作不当引起的故障） ， 可维修的故障等均适用于指数分布的故障分布规 律。 3.2 正态分布 正态分布密度函数为
表 3 柴油机型号 MTBF /h 170F S195 295 和 495 6135 750 ～ 1500 800 ～ 1500 1500 1500 台架试验 MTTFF /h 550 ～ 1500 800 ～ 1500 1300 ～ 1500 750
水平，我国内燃机标准中制定了一套可靠性评定指 标 ， 包 括 首 次 故 障 前 工 作 时 间 （ MTTFF ） 、平均故 障 间 隔 时 间 ( MTBF ) 、 无 故 障 性 综 合 评 分 值 （ Q ） 、 、有 效 度（ A ）以 及 B50 大 修 平 均 修 复 时 间（ MTTR ） 寿命。表 3 列举了部分国产中小型功率柴油机的可 靠 性 水 平 [3]。
- 206 -
1
发动机可靠性的评定指标
发动机可靠性是指发动机在规定的使用条件
下，在规定的时间内完成规定功能的能力。发动机 的 可 靠 性 通 常 用 下 述 指 标 进 行 评 定 [2]。 (1) 可 靠 度（ R ）指 发 动 机 在 规 定 使 用 条 件 下 ， 在规定时间内完成规定功能的概率； (2) 维 修 度 （M） 指发动机在规定使用条件下， 在规定时间内完成维修的概率； (3) 有 效 度 （ A ） 指 发 动 机 在 某 一 时 刻 具 有 或
2006 年 3 月
农 机 化 研 究
第 3 期
发动机可靠性及其Leabharlann Baidu价技术分析
赵秀荣
（ 1. 沈 阳 农 业 大 学 工 程 学 院 ， 沈 阳 摘
1， 2
，谢里阳 2 ，李成华
1
110161 ； 2. 东 北 大 学 机 械 工 程 与 自 动 化 学 院 ， 沈 阳
110004 ）
要：从发动机在我国机械工业中的地位出发，分析了发动机可靠性研究的重要意义；在阐述评价发动
发动机零部件名称 1. 全 部 故 障 2. 断 裂 1. 全 部 故 障 2. 活 塞 裂 纹 或 断 裂 3. 汽 缸 裂 纹 或 断 裂 1. 全 部 故 障 2. 裂 纹 或 断 裂
曲轴 活塞、 活塞环、 汽缸套组件 汽缸盖 喷油泵
20 世 纪 60 年 代 ， 我 国 开 始 对 可 靠 性 进 行 了 研 究 。 在 20 世 纪 80 年 代 ， 可 靠 性 工 程 技 术 先 后 应 用 在汽车、农业机械和工程机械行业上，从而推动了 我 国 内 燃 机 可 靠 性 工 程 研 究 的 开 展 。 从 1987 年 起 ， 机电部先后颁布了 6 批限期达到可靠性指标的柴油 机及其零部件。为了正确全面反映发动机的可靠性
[4]
命 在 8000h 以 上 ， 从 国 内 柴 油 机 的 使 用 情 况 看 ， 真 正地达到上述指标仍有相当大的距离。
3
发动机常见的故障模式
发动机的可靠性始于故障研究，对于稳定生产
的一批发动机，发生故障的时间具有统计规律性， 即 发 动 机 发 生 故 障 的 时 间 (t ) 是 服 从 某 一 分 布 函 数
2
[1] [2]
姚 福 新 .辽 宁 省 农 用 柴 油 机 市 场 分 析 与 预 测 研 究 [D]. 沈 阳 : 沈 阳 农 业 大 学 ,2003. 刘 惟 信 . 机 械 可 靠 性 设 计 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,1996. 李 兵 ,朱 梅 林 ,郝 强 .发 动 机 可 靠 性 研 究 述 评
2006 年 3 月
[2]
农 机 化 研 究
第 3 期
靠 度 50% 时 ， 中 等 严 重 故 障 平 均 间 隔 时 间 为 3000h ， 严 重 故 障 平 均 间 隔 时 间 为 5000h ； 德 国 MTU 公 司 的 595 系 列 发 动 机 ， 其 高 功 率 使 用 时 大 修 期 达
发动机的下列故障属于威布尔分布：串联结构 在较强外应力随机作用下所发生的故障，如油水系 统和齿轮传动系统的故障；非串联系统，零件故障 间相互关系密切，由传播蔓延而导致的故障，如滚 珠轴承的故障；磨损积累、疲劳积累和损耗积累逐 渐产生的故障。 参考文献：
σ 2π
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exp[−
(t − µ ) ] 2σ 2
f (t ) 的 随 机 变 量 。 用 物 理 方 法 和 数 理 统 计 方 法 对 发
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农 机 化 研 究
分布。 3.3 威布尔分布 威布尔分布密度函数为
f (t ) = (t − r ) m m (t − r ) m−1 exp[− ] t0 t0 (t − r ) 2 ] t0
收 稿 日 期 ： 2005-05-16 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 50275025 ） 作 者 简 介 ： 赵 秀 荣 （ 1966- ） , 女 ， 辽 宁 辽 中 人 ， 副 教 授 ， 东 北 大 学 在 读 博 士 ， (E-mail)zhaoxiurongxr@163.com 。 通 讯 作 者 ： 谢 里 阳 （ 1962- ） ，男，黑龙江林口人，教授，博士生 导 师 ， (E-mail)xieliyang@sina.com 。
机可靠性的相关指标时，以美国为代表给出了先进国家发动机可靠性的指标数据，指出了我国发动机可靠 性方面存在的问题。同时，论述了发动机常见故障的分布形式以及故障归属的类型，对发动机可靠性的研 究具有一定的指导意义；最后，分析了近年我国发动机可靠性下降的主要原因并提出了开展发动机可靠性 研究的必要性。 关键词：能源与动力工程；可靠性；分析；发动机；评价技术 中 图 分 类 号 ：TK401 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1003─ 188X(2006)03─ 0206─ 03
第 3 期
动机的故障、失效模式、影响因素及其规律进行分 析，得出其故障分布规律，是发动机可靠性研究的 主 要 内 容 之 一 。常 见 发 动 机 零 部 件 的 故 障（ 或 寿 命 ） 分布规律有指数分布、正态分布、对数正态分布和 威布尔分布 3.1
[2]
。
指数分布 指数分布密度函数为
f (t ) = λ ⋅ e − λ ⋅t
现场使用跟踪试验 MTB F/h 450 ～ 650 300 ～ 800 800 ～ 900 1500 MTTFF /h 400 ～ 600 300 ～ 950 900 ～ 1000 --
部分国产中小功率柴油机可靠性水平
在引进国外先进技术的基础上，我国大功率柴 油机产品的性能和可靠性达到了一定的水平，但与 国外先进水平相比还存在着较大的差距。随着高性 能机械工程材料的应用和机械加工工艺水平的提 高，发动机各摩擦副的配合更趋合理，加之冷却和 润滑方式的改善，使新一代单缸柴油机的首次故障 时 间 延 长 至 2500 ～ 3000h ， 使 用 寿 命 可 望 延 长 至 8000h 。目 前 ，国 外 柴 油 机 在 正 常 工 况 下 的 平 均 寿
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引言
发动机是汽车、农业机械、工程机械、船舶、
维持其规定功能的概率。其表示为
A= MTBF MTBF + MTTR
内燃机车、地质和石油勘探、军用、通用机械、移 动及备用电站装备的主要动力装备，市场需求量巨 大 。 据 不 完 全 统 计 ， 我 国 发 动 机 生 产 企 业 844 家 ， 年 生 产 发 动 机 达 1820 万 台 。 其中， 柴 油 发 动 机 881.9 万 台 ， 汽 油 发 动 机 938.5 万 台 ； 全 年 工 业 总 产 值 达 775 亿 元 ， 销 售 收 入 761 亿 元 ， 出 口 创 汇 27 亿 元 。 2005 年 ， 我 国 发 动 机 工 业 的 总 目 标 ： 工 业 总 产 值 1000 亿 元 ， 内 燃 机 配 附 件 240 亿 元 ， 出 口 创 汇 29 亿 ～ 33 亿 元 , 年 增 长 率 在 8.5% 左 右
严 重 故 障 在 80% 可 靠 度 时 的 使 用 时 间 /h 农用 1500 工业用 大 修 故 障 在 50% 可 靠 度 时 的 使 用 时 间 /h 农用 2000 3000 4500 6500 4000 6500 10000 4000 6500 10000 工业用
约翰迪尔公司发动机可靠性指标的目标值
。面临如此巨
大的生产与销售市场以及受国际原油价格波动的影 响，研究发动机的高度可靠性再次成为发动机生产 行业的关键性技术。
2
发动机可靠性国内外研究现状
可 靠 性 技 术 的 研 究 与 发 展 起 源 于 20 世 纪 40 年
代 ， 但 真 正 用 于 发 动 机 行 业 是 在 20 世 纪 60 ～ 70 年 代 [ 1 ] 。 由 于 20 世 纪 70 年 代 的 石 油 危 机 ， 降 低 燃 油 消耗是各国发动机厂家的主要研究目标，从而使同 功率档次的发动机燃油经济性差距缩小；但是发动 机之间的可靠性水平却相差很大，用户在选购发动 机时，往往把可靠性指标看得比燃油经济性和价格 更为重要。因此，提高发动机的可靠性成为当时内 燃 机 行 业 主 要 研 究 的 课 题 。例 如 ，1964 年 美 国 约 翰 迪尔公司成立了可靠性研究部门，并提出了 4 项可 靠 性 指 标 [3]， 如表 1 所示。 此外， 该 公 司 还 采 用 500h 、 1000h 、1500h 的 累 积 故 障 率 来 控 制 发 动 机 零 部 件 的 可靠性，如表 2 所示。 以可靠性好、寿命长著称的美国卡特彼勒公司 的 3500 系 列 发 动 机 ， 在 配 套 工 程 机 械 中 MTBF 值 可 达 2000 ～ 4000h ； 德 国 Deutz— MWM 公 司 生 产 的 226B 水冷柴油机，主要配套使用在拖拉机上。该机在可
保 修 费 占 出 厂 成 本 百 分 比 /% 农用 2.0 1.5 2.0 2.5 表 2 1.5 2.0 2.5 工业用
3000 4500 6500
约翰迪尔公司不同时间的累积故障率 500h 累积故障率 0.1 0.05 0.5 （ 0.25 ） 0.05 0.05 0.25 （ 0.15 ） 0.05 0.75 （ 0.5 ） 1000 h 累积故障率 0.2 0.1 1.0 （ 0.5 ） 0.1 0.1 0.5 （ 0.3 ） 0.1 1.5 （ 1.0 ） 1500 h 累积故障率 0.30 0.15 1.50 （ 0.75 ） 0.15 0.15 0.75 （ 0.45 ） 0.15 2.00 （ 1.5 ）
[1]
式中
MTBF — 发 动 机 平 均 无 故 障 工 作 时 间 ； MTTR — 发 动 机 的 平 均 修 复 时 间 。
(4) 寿 命 指 发 动 机 的 工 作 时 间 。 常 见 发 动 机 寿 命 指 标 ：一 是 平 均 寿 命 t MTBF ，发 动 机 平 均 无 故 障 工 作 时 间 （ MTBF ） ；二 是 可 靠 性 寿 命 t R ， 发 动 机 的 可 靠度下降到某一数值时发动机已工作的时间；三是 大 修 寿 命 B50 ，发 动 机 大 修 或 换 机 概 率 达 到 50% 的 累 积使用时间。
表 1 发动机负荷 或寿命分类 农用 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 850 1700 1700 1700 2500 2500 2500 MTBF /h 工业用
12000h ，持 续 功 率 使 用 时 大 修 期 达 36000h [ 4 ] ；瑞 士 公 司 的 RTA 柴 油 机 和 日 本 三 菱 重 工 的 UEC85LS 系 列 柴油机等可靠性指标都达到了较高的水平。
可靠度函数为
R (t ) = exp[−
可靠度函数为
R (t ) = e − λ ⋅t
式中
m —形状参数； r —位置参数；
t0 — 尺 度 参 数 。
式中
λ —故障率。
发动机随机性冲击产生的故障（如超载下工作 或过热造成的故障） 、正 常 使 用 下 突 发 故 障（ 包 括 人 为失误造成的故障和偶然性操作不当引起的故障） ， 可维修的故障等均适用于指数分布的故障分布规 律。 3.2 正态分布 正态分布密度函数为
表 3 柴油机型号 MTBF /h 170F S195 295 和 495 6135 750 ～ 1500 800 ～ 1500 1500 1500 台架试验 MTTFF /h 550 ～ 1500 800 ～ 1500 1300 ～ 1500 750
水平，我国内燃机标准中制定了一套可靠性评定指 标 ， 包 括 首 次 故 障 前 工 作 时 间 （ MTTFF ） 、平均故 障 间 隔 时 间 ( MTBF ) 、 无 故 障 性 综 合 评 分 值 （ Q ） 、 、有 效 度（ A ）以 及 B50 大 修 平 均 修 复 时 间（ MTTR ） 寿命。表 3 列举了部分国产中小型功率柴油机的可 靠 性 水 平 [3]。
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发动机可靠性的评定指标
发动机可靠性是指发动机在规定的使用条件
下，在规定的时间内完成规定功能的能力。发动机 的 可 靠 性 通 常 用 下 述 指 标 进 行 评 定 [2]。 (1) 可 靠 度（ R ）指 发 动 机 在 规 定 使 用 条 件 下 ， 在规定时间内完成规定功能的概率； (2) 维 修 度 （M） 指发动机在规定使用条件下， 在规定时间内完成维修的概率； (3) 有 效 度 （ A ） 指 发 动 机 在 某 一 时 刻 具 有 或
2006 年 3 月
农 机 化 研 究
第 3 期
发动机可靠性及其Leabharlann Baidu价技术分析
赵秀荣
（ 1. 沈 阳 农 业 大 学 工 程 学 院 ， 沈 阳 摘
1， 2
，谢里阳 2 ，李成华
1
110161 ； 2. 东 北 大 学 机 械 工 程 与 自 动 化 学 院 ， 沈 阳
110004 ）
要：从发动机在我国机械工业中的地位出发，分析了发动机可靠性研究的重要意义；在阐述评价发动
发动机零部件名称 1. 全 部 故 障 2. 断 裂 1. 全 部 故 障 2. 活 塞 裂 纹 或 断 裂 3. 汽 缸 裂 纹 或 断 裂 1. 全 部 故 障 2. 裂 纹 或 断 裂
曲轴 活塞、 活塞环、 汽缸套组件 汽缸盖 喷油泵
20 世 纪 60 年 代 ， 我 国 开 始 对 可 靠 性 进 行 了 研 究 。 在 20 世 纪 80 年 代 ， 可 靠 性 工 程 技 术 先 后 应 用 在汽车、农业机械和工程机械行业上，从而推动了 我 国 内 燃 机 可 靠 性 工 程 研 究 的 开 展 。 从 1987 年 起 ， 机电部先后颁布了 6 批限期达到可靠性指标的柴油 机及其零部件。为了正确全面反映发动机的可靠性
[4]
命 在 8000h 以 上 ， 从 国 内 柴 油 机 的 使 用 情 况 看 ， 真 正地达到上述指标仍有相当大的距离。
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发动机常见的故障模式
发动机的可靠性始于故障研究，对于稳定生产
的一批发动机，发生故障的时间具有统计规律性， 即 发 动 机 发 生 故 障 的 时 间 (t ) 是 服 从 某 一 分 布 函 数
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姚 福 新 .辽 宁 省 农 用 柴 油 机 市 场 分 析 与 预 测 研 究 [D]. 沈 阳 : 沈 阳 农 业 大 学 ,2003. 刘 惟 信 . 机 械 可 靠 性 设 计 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,1996. 李 兵 ,朱 梅 林 ,郝 强 .发 动 机 可 靠 性 研 究 述 评
2006 年 3 月
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农 机 化 研 究
第 3 期
靠 度 50% 时 ， 中 等 严 重 故 障 平 均 间 隔 时 间 为 3000h ， 严 重 故 障 平 均 间 隔 时 间 为 5000h ； 德 国 MTU 公 司 的 595 系 列 发 动 机 ， 其 高 功 率 使 用 时 大 修 期 达