包絡線測量技術在檢測發動機軸瓦和連桿瓦故障上的應用

李松，李崇劍，黎宏塊，薛志光

（中廣核研究院有限公司，北京 100086）

1 引言

發動機上的軸瓦分兩種，一種是連桿軸瓦，安裝在連桿大頭與曲軸連桿頸處；另一種是主軸瓦，安裝在缸體曲軸孔與曲軸主軸頸處。軸瓦起軸承作用，防止曲軸直接與機體摩擦[1]。新型的汽車發動機大都采用輕量化設計，有些汽車生產廠用鋁合金代替鋼制的發動機殼體，由于鋁合金的材質比較軟，在發動機裝配過程中，難免會有鋁屑產生，如果這些鋁屑落在曲軸里，在曲軸旋轉的過程中會對軸瓦造成劃傷，將對發動機的性能和使用壽命產生重大影響。本文設計的包絡線檢測系統，能夠精準地測量出軸瓦和連桿瓦安裝狀態,實現了軸瓦故障在回轉力矩測量中的全過程監測。

2 曲軸回轉力矩檢測的目的

劃傷是發動機常見的失效模式之一，它直接影響發動機的功能性和耐久性[2]。在發動機零件加工、組裝過程中，經常出現清潔度差、切屑、焊渣、型砂等積存與主油道及鉆孔中的死角處未清理干凈，配件毛刺未清除，在裝配中脫落而混入潤滑油，操作工漏裝主軸瓦片或連桿瓦片。為了防止上述裝配事故發生，需要一套靈敏且準確的設備進行檢測，經過多年的技術創新和實踐經驗積累，很多發動機廠商都采用在安裝主軸瓦后進行漏裝檢測，活塞連桿裝配結束后，進行活塞連桿總成回轉力矩檢測。通過回轉力矩檢測能在一定程度上降低發動機的廢品廢件率。

圖1 瓦片劃傷與磨損圖

3 曲軸回轉力矩檢測現狀

現在曲軸回轉力矩檢測的內容包括：曲軸和活塞連桿總成啟動力矩，曲軸活塞連桿最大回轉力矩，曲軸活塞連桿平均回轉力矩。采用聯軸器將扭矩傳感器和伺服電機連接在一起，設置適當的采樣頻率和通訊協議，伺服電機帶動曲軸旋轉的同時測量扭矩值,并將數據傳輸到PLC或工控機進行數據分析處理。在傳統的鑄鐵發動機殼體裝配線上，這種測量方法能夠在一定程度上檢測出裝配質量情況，但是在某發動機廠采用新型的鋁合金發動機殼體的試驗中，我們經過對比測試后發現，當軸瓦上的鋁屑直徑小于2000μm時，測量啟動力矩、最大回轉力矩和平均回轉力矩的測量方法都不能檢測出鋁屑的劃傷故障。

4 包絡線檢測技術在檢測發動機軸瓦故障方面的應用

4.1 包絡線原理

包絡線是與該曲線族的每條線都有至少一點相切的一條曲線，公式為(A-s)x+sy=(A-s)(s)。包絡線可以全程記錄發動機曲軸旋轉的力矩時間曲線，通過模擬故障試驗和運行數據分析，可以設置合理的安全閾值，保障發動機軸瓦故障的成功檢測。

4.2 驅動裝置

驅動裝置由升降裝置和旋轉電機組成，升降裝置主要采用伺服電機帶動測試平臺，當發動機托盤到位后，二次定位升起，升降裝置下落，將發動機固定后，回轉力矩測試裝置伸出，封堵到位，旋轉電機此時帶動回轉力矩按設置的角度旋轉。

4.3 回轉力矩測試與顯示裝置

圖2 包絡線回轉力矩測量裝置

包絡線回轉力矩測量裝置由扭矩傳感器以及扭矩—時間曲線顯示器組成。扭矩傳感器將實時扭矩數據發送給顯示器，通過自身算法，在屏幕上顯示出活塞由上止點到下止點反復6次的包絡線。根據大量樣本，可以設置不同機型的包絡線合格范圍，如果檢測時發動機上、下止點的運動軌跡超過的預設的合格范圍，設備會自動報警，升降裝置退回到原位后，放行到返修段。

圖3 包絡線顯示界面

從圖3可以看出包絡線分成四個部分，包絡線的設置范圍是根據上千臺發動機的實際測試數據后得到的，與傳統的最大值、最小值和平均值的測量方法好的地方就是，包絡線的檢測更細化，瓦片微小的損傷都可以通過此套系統檢測出來。

4.4 包絡線檢測的特點和優勢

由于軸瓦和連桿瓦上的鋁屑過小，傳統的檢測方法包括啟動力矩，最大回轉力矩，平均回轉力矩只能檢測出較大的異物劃傷，對細小的扭矩變化檢測不夠。新型的包絡線檢測技術可以根據上千臺合格發動機的實際測試數據進行學習，得到一個合格判定曲線（如圖3所示），不僅包含了傳統的三種測量方法，而且將全過程監控劃分成四個區域，能夠在扭矩和時間曲線里全過程監測曲軸力矩變化，當檢測的發動機活塞由上止點到下止點的力矩時間曲線超過設定的曲線范圍時，可以判定軸瓦或連桿瓦安裝故障，需要進行返修處理。

5 結語

隨著汽車技術的不斷發展以及新型材料的不斷應用，裝配檢測技術也要不斷地進行更新，本文所設計的新型的發動機包絡線回轉力矩檢測技術能夠識別出細小的軸瓦或連桿瓦故障，很好地解決了發動機軸瓦和連桿瓦劃傷和磨損的檢測問題,并且在某發動機廠裝配線上進行了成功驗證，有效地提高了發動機裝配線的質量控制水平。