影響缸體試漏的變差研究

郭榮輝，張慶，夏常亮

（臺州濱海吉利發(fā)動機有限公司，浙江 臺州 318000）

引言

汽車發(fā)動機作為汽車的三大核心部件之一，其穩(wěn)定的零件可靠性和超長的耐久性是對發(fā)動機性能和質(zhì)量考核的重要指標(biāo)。在發(fā)動機各大系統(tǒng)中，泄漏（漏油、漏水、漏氣）一直是消費者和制造商備受關(guān)注的問題。為了保證發(fā)動機零件的可靠性，在零部件的制造過程中，必須進(jìn)行油道和水道檢漏作業(yè)。以氣缸體試漏為例，選擇更加科學(xué)的試漏原理和高精密的試漏儀器，用來提升試漏準(zhǔn)確率十分必要，也就是說，硬件是試漏系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的必要保障。本文重點介紹了以空氣為試漏測試介質(zhì)[1]的質(zhì)量流量法試漏原理和試漏機結(jié)構(gòu)，明確了試漏機調(diào)試關(guān)鍵點，進(jìn)而解決了缸體試漏工件誤判的問題。

1 測試件說明

缸體作為發(fā)動機的主體部位，負(fù)責(zé)支承發(fā)動機主要運動部件，比如曲軸和凸輪。基于潤滑的需要，其油路復(fù)雜，相互貫通，支承這些運動部件的大孔內(nèi)，必有油道孔與主油道相通。油道試漏檢測過程中，首先需要對這些大孔內(nèi)壁上的油道孔進(jìn)行密封，其次高低壓主油道和水套試漏檢測時，必須對相關(guān)部位進(jìn)行有效密封。

2 試漏原理分析[2]

泄漏測試從原理上可分為壓力法和質(zhì)量流量法。質(zhì)量流量法具有兩大基本優(yōu)勢：

（1）充氣和測量時間短；

（2）直接測量流量，測量精度高，分辨率不受工件容積影響。

因此，在生產(chǎn)節(jié)拍較短的情況下，質(zhì)量流量法是進(jìn)行諸如發(fā)動機總成等大容積工件泄漏測試更適合的選擇。

用壓力法進(jìn)行泄漏測試時，測量的基本量是壓力降，其泄漏率通過以下公式計算：

式中：

VL——允許泄漏率，單位cm3/min；

ΔP——壓力降廢品點，單位Pa；

VP——測試容積，單位cm3；

tM——測量時間，單位s。

質(zhì)量流量法是直接測量系統(tǒng)內(nèi)部由于泄漏造成的氣體流量。不需要進(jìn)行壓力-流量換算，因此分辨率不受試件容積大小的影響。其測量時間一般最長需要5 秒。

質(zhì)量流量法泄漏測試原理如下圖1 所示。

圖1 質(zhì)量流量法泄漏測試原理

特點：顯著縮短測試時間；直接測量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量scc/min。

應(yīng)用范圍：大容積工件，要求較短的測試時間。整個測試過程分四個階段：

（1）儲氣缸充氣階段：這個階段打開Y1 閥，按調(diào)壓器設(shè)定的壓力向儲氣缸充氣。

（2）工件充氣階段：這時關(guān)閉調(diào)壓器，Y1 閥，打開Y2閥，將壓縮空氣從儲氣缸放到工件中，并達(dá)到壓力平衡。

（3）測量階段：關(guān)閉其他閥，只打開Y3 閥，如果工件有泄漏，儲氣缸中的壓縮空氣會經(jīng)過傳感器補充到工件中，最終流向環(huán)境。質(zhì)量流量傳感器就可以直接測出這個泄漏量。

（4）排氣階段：測量結(jié)束后，將工件中的氣體排出。

采用JWF 質(zhì)量流量系統(tǒng)，測試缸體泄漏情況，質(zhì)量流量法與壓差法優(yōu)勢分析，典型的例子是質(zhì)量流量法可縮短測試時間。

JWF 無阻尼質(zhì)量流量傳感器測試如圖2 所示。

圖2 JWF 無阻尼質(zhì)量流量傳感器測試原理

相比傳統(tǒng)壓力降測試原理的結(jié)構(gòu)如下圖3。

圖3 壓力降測試原理

對發(fā)動機油道進(jìn)行測試（假設(shè)測試容積是25.0L），對比測試時間如下圖4。

圖4 測試時間圖

由此可見，測量時間的長短與測量與容積和泄漏率有關(guān)，測量時間可按照下面公式計算：

采用JWF 無阻尼質(zhì)量流量傳感器可實現(xiàn)時間點測量，如下圖5。

圖5 JWF 無阻尼質(zhì)量流量傳感器測量時間

最先進(jìn)的JWF-S400 系列無阻尼試漏儀如下圖6 所示。

圖6 JWF-S400 系列無阻尼試漏儀

3 影響缸體試漏的變差研究

想要準(zhǔn)確測量缸體油道及水套，首先確保測試過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，下面從影響缸體試漏的Master 樣件驗證、封堵及管路密封、溫度波動及試漏過程穩(wěn)定性4 個主要方面一一分析（分析樹圖），提升缸體試漏判斷的準(zhǔn)確性，避免工件誤判。如圖7。

圖7 分析樹圖

3.1 Master 樣件驗證

Master 樣件又稱作標(biāo)準(zhǔn)件，試漏設(shè)備每個測試程序須配備一個合格標(biāo)準(zhǔn)件和一個不合格標(biāo)準(zhǔn)件[3]。合格標(biāo)準(zhǔn)件制作時，在30～50 個工件中挑選泄漏率最小的作為合格標(biāo)準(zhǔn)件，某些合格標(biāo)準(zhǔn)件需經(jīng)過浸滲（如鋁的氣缸體）、涂膠等處理。不合格標(biāo)準(zhǔn)件制作時，推薦參考合格標(biāo)準(zhǔn)件制作方法；標(biāo)準(zhǔn)件制作建議選用標(biāo)準(zhǔn)漏口，如此工件泄漏穩(wěn)定且可調(diào)整。

每班生產(chǎn)前需要用合格標(biāo)準(zhǔn)件和不合格標(biāo)準(zhǔn)件檢查試漏系統(tǒng)，用以判斷試漏系統(tǒng)有無異常并記錄測試數(shù)據(jù)，最好的方法是將數(shù)據(jù)形成趨勢圖，可以直觀地反映出試漏機的波動趨勢，供維修人員實施提前檢查、調(diào)整。

當(dāng)然，試漏儀需要定期標(biāo)定，不同試漏儀按各廠商技術(shù)文件要求標(biāo)定即可，標(biāo)準(zhǔn)周期不大于1 年；設(shè)備更換管路部件、封堵件結(jié)構(gòu)、尺寸變化后也需要標(biāo)準(zhǔn)；每次標(biāo)定后需對標(biāo)準(zhǔn)件重新采樣、確定樣件范圍值。

3.2 封堵及管路密封

封堵作為工件的直接接觸者及密封載體，需要確保各密封區(qū)域的密封性。針對高精度試漏檢測，即使輕微的管路及密封泄漏均會導(dǎo)致試漏結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。因此，封堵及管路良好密封是準(zhǔn)確試漏工件的先決條件。

下面針對日常封堵及管路的泄漏查找進(jìn)行分析，如圖8。

圖8 泄漏點分析

由于試漏系統(tǒng)本身導(dǎo)致工件出現(xiàn)誤判時，要對試漏系統(tǒng)進(jìn)行分析，首先使用試漏儀自檢功能驗證試漏儀是否出現(xiàn)了故障，若是則對試漏儀進(jìn)行維修（如更換電子閥、線路板等）。

若檢測試漏儀本身無故障，則需要對試漏機密封管路及封堵進(jìn)行查漏，一般的封堵破損故障不在這里贅述，下面針對一些常用到的解決方法進(jìn)行研究。

（1）可以使用強力型檢漏劑或肥皂水對管路及封堵位置驗證，發(fā)現(xiàn)氣泡存在漏氣情況。

（2）針對高精度的測量，需要使用氫氣檢測儀類似的設(shè)備進(jìn)行檢測，通過向被測腔體注入一定壓力的氮氫混合氣，氫氣檢測儀通過檢測管路及封堵周圍氫氣的含量，可以準(zhǔn)確地判斷漏氣位置，并判斷漏氣量的大小。

氫氣檢測儀測試如下圖9 所示。

（3）針對頻繁泄漏的封堵位置，需要考慮兩個方面因素，一是封堵的密封會隨著時間的推移出現(xiàn)偏移或傾斜情況，可以使用印泥對密封情況驗證，確保封堵與密封位置處于通心且垂直狀態(tài)，印泥驗證情況如下圖10 所示。

圖10 印泥驗證密封性

二是需要考慮封堵的受力是否出現(xiàn)下降情況，可更換新氣缸驗證；若在調(diào)試初期可將面密封更改為線密封提升單位面積受力[4]。

三是考慮密封圈的材料及壽命，聚氨酯橡膠和丁腈橡膠具有良好的耐壓性能，密封次數(shù)較多，可以有效提高生產(chǎn)效率[5]。

3.3 溫度影響

測量期間溫度變化會導(dǎo)致被測腔體內(nèi)壓力變化及腔體內(nèi)空氣分子流動的加劇，從而影響工件測試結(jié)果[6]。

典型的缸體溫度變化來源：

（1）工件清洗后未降溫直接試漏；

（2）試漏機在通風(fēng)設(shè)施下或門口附近；

（3）陽光直射工件或試漏設(shè)備。

工件是否熱隔離及設(shè)備是否開啟溫度補償，對試漏結(jié)果影響巨大，以水套為例，在熱隔離和溫度補償不同狀態(tài)下進(jìn)行測試，結(jié)果呈現(xiàn)很大的差異，如下圖11。

圖11 溫度補償測試對比

圖中綠色代表無熱隔離，無溫度補償；紅色代表有熱隔離，無溫度補償；黑色代表有熱隔離，有溫度補償。

不同試漏，溫度補償會采取不同的方式，下面重點對質(zhì)量流量法的溫度補償進(jìn)行研究。

想要獲得準(zhǔn)確的溫度補償數(shù)據(jù)，需要制作日常工件所能達(dá)到最高溫度的工件，在試漏機連續(xù)測試，直至工件溫度降低至室溫，采樣越多計算結(jié)果越準(zhǔn)確，統(tǒng)計各溫度下工件的泄漏率，同時結(jié)合日常工件的測試結(jié)果計算溫補數(shù)據(jù)，各試漏儀制作商均有不同計算方法。

工件溫度和環(huán)境溫度對測試結(jié)果的影響，遵循函數(shù)關(guān)系，一般是溫差越大測試結(jié)果偏差越大，環(huán)境溫度與工件溫度差的理論函數(shù)關(guān)系如圖12。

圖12 環(huán)境溫度與工件溫度差的理論函數(shù)關(guān)系

溫度補償也可以通過自己計算來確定補償量，首先進(jìn)行高溫工件的連續(xù)測試并統(tǒng)計數(shù)據(jù)，記錄工件溫度、環(huán)境溫度及各溫度下的泄漏率，測試數(shù)據(jù)如下圖13。

圖13 測試數(shù)據(jù)

利用MINITAB 將數(shù)據(jù)源進(jìn)行回歸分析，計算泄漏率與溫度差的回歸方程，如圖14。

圖14 回歸方程

通過泄漏率與溫度差的回歸方程：泄漏率=20.56+2.976×溫度差，可以設(shè)置試漏儀的溫補參數(shù)。

增加溫度補償只是人為調(diào)整試漏的準(zhǔn)確性，針對最典型的缸體經(jīng)清洗后高溫問題，可在工件進(jìn)入試漏工位前增加緩沖區(qū)，盡可能將工件溫度與環(huán)境溫度保持一致，如圖15。

圖15 緩沖區(qū)示意圖

3.4 試漏過程穩(wěn)定性

在質(zhì)量流量法的測量階段如果測試曲線呈現(xiàn)鋸齒狀波動（如圖16），就需要查找氣壓或氣流波動的來源。

圖16 鋸齒狀測試曲線

這種現(xiàn)象的主要是在測試階段氣源出現(xiàn)驟變或試漏儀抖動導(dǎo)致，通過緊固測試管路、固定試漏儀及儲氣罐實現(xiàn)測試管路的穩(wěn)定。

測試階段的設(shè)定也會直接影響測試結(jié)果，如雙工位試漏機在測試階段如果另一工位突然釋放或增加壓力會影響測試的準(zhǔn)確性，如圖17。

圖17 雙工位測試設(shè)備

同一試漏儀測試兩個通道時，測試需要同步進(jìn)行并保持相同測試時長，避免一個通道的突然釋壓影響另一通道的測試，如圖18。

圖18 雙通道測試

穩(wěn)定的測試階段泄漏率曲線應(yīng)保持平滑過渡，如下圖19所示。

圖19 穩(wěn)定的測試曲線

4 結(jié)束語

綜上所述，為了能夠采用正確的方法進(jìn)行試漏誤判的解決，就必須熟悉試漏機工作原理、結(jié)構(gòu)特點及常見的試漏測試失真的原因，才能夠快速解決，節(jié)省時間，從而保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。