影響缸體試漏的變差研究

郭榮輝，張慶，夏常亮

（臺州濱海吉利發動機有限公司，浙江 臺州 318000）

引言

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

1 測試件說明

缸體作為發動機的主體部位，負責支承發動機主要運動部件，比如曲軸和凸輪。基于潤滑的需要，其油路復雜，相互貫通，支承這些運動部件的大孔內，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壁上的油道孔進行密封，其次高低壓主油道和水套試漏檢測時，必須對相關部位進行有效密封。

2 試漏原理分析[2]

泄漏測試從原理上可分為壓力法和質量流量法。質量流量法具有兩大基本優勢：

（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，在生產節拍較短的情況下，質量流量法是進行諸如發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。

質量流量法是直接測量系統內部由于泄漏造成的氣體流量。不需要進行壓力-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。

質量流量法泄漏測試原理如下圖1 所示。

圖1 質量流量法泄漏測試原理

特點：顯著縮短測試時間；直接測量標準狀態下的流量scc/min。

應用范圍：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，按調壓器設定的壓力向儲氣缸充氣。

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

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

（4）排氣階段：測量結束后，將工件中的氣體排出。

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

JWF 無阻尼質量流量傳感器測試如圖2 所示。

圖2 JWF 無阻尼質量流量傳感器測試原理

相比傳統壓力降測試原理的結構如下圖3。

圖3 壓力降測試原理

對發動機油道進行測試（假設測試容積是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，測量時間可按照下面公式計算：

采用JWF 無阻尼質量流量傳感器可實現時間點測量，如下圖5。

圖5 JWF 無阻尼質量流量傳感器測量時間

最先進的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

想要準確測量缸體油道及水套，首先確保測試過程處于穩定狀態，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 樣件又稱作標準件，試漏設備每個測試程序須配備一個合格標準件和一個不合格標準件[3]。合格標準件制作時，在30～50 個工件中挑選泄漏率最小的作為合格標準件，某些合格標準件需經過浸滲（如鋁的氣缸體）、涂膠等處理。不合格標準件制作時，推薦參考合格標準件制作方法；標準件制作建議選用標準漏口，如此工件泄漏穩定且可調整。

每班生產前需要用合格標準件和不合格標準件檢查試漏系統，用以判斷試漏系統有無異常并記錄測試數據，最好的方法是將數據形成趨勢圖，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、調整。

當然，試漏儀需要定期標定，不同試漏儀按各廠商技術文件要求標定即可，標準周期不大于1 年；設備更換管路部件、封堵件結構、尺寸變化后也需要標準；每次標定后需對標準件重新采樣、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致試漏結果出現較大的偏差。因此，封堵及管路良好密封是準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行分析，如圖8。

圖8 泄漏點分析

由于試漏系統本身導致工件出現誤判時，要對試漏系統進行分析，首先使用試漏儀自檢功能驗證試漏儀是否出現了故障，若是則對試漏儀進行維修（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，發現氣泡存在漏氣情況。

（2）針對高精度的測量，需要使用氫氣檢測儀類似的設備進行檢測，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，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下降情況，可更換新氣缸驗證；若在調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，密封次數較多，可以有效提高生產效率[5]。

3.3 溫度影響

測量期間溫度變化會導致被測腔體內壓力變化及腔體內空氣分子流動的加劇，從而影響工件測試結果[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）試漏機在通風設施下或門口附近；

（3）陽光直射工件或試漏設備。

工件是否熱隔離及設備是否開啟溫度補償，對試漏結果影響巨大，以水套為例，在熱隔離和溫度補償不同狀態下進行測試，結果呈現很大的差異，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，下面重點對質量流量法的溫度補償進行研究。

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

工件溫度和環境溫度對測試結果的影響，遵循函數關系，一般是溫差越大測試結果偏差越大，環境溫度與工件溫度差的理論函數關系如圖12。

圖12 環境溫度與工件溫度差的理論函數關系

溫度補償也可以通過自己計算來確定補償量，首先進行高溫工件的連續測試并統計數據，記錄工件溫度、環境溫度及各溫度下的泄漏率，測試數據如下圖13。

圖13 測試數據

利用MINITAB 將數據源進行回歸分析，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，可以設置試漏儀的溫補參數。

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

圖15 緩沖區示意圖

3.4 試漏過程穩定性

在質量流量法的測量階段如果測試曲線呈現鋸齒狀波動（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

這種現象的主要是在測試階段氣源出現驟變或試漏儀抖動導致，通過緊固測試管路、固定試漏儀及儲氣罐實現測試管路的穩定。

測試階段的設定也會直接影響測試結果，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確性，如圖17。

圖17 雙工位測試設備

同一試漏儀測試兩個通道時，測試需要同步進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

穩定的測試階段泄漏率曲線應保持平滑過渡，如下圖19所示。

圖19 穩定的測試曲線

4 結束語

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