壓降法及質(zhì)量流量法在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)缸試漏測(cè)試中的應(yīng)用研究

陳鵬　顏燦寶　張嬌

摘 要：長(zhǎng)缸試漏測(cè)試是發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域常用的成品出廠質(zhì)量檢測(cè)手段，用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總成水通道及油通道進(jìn)行試漏檢測(cè)，以評(píng)估其密封性能。壓降法及質(zhì)量流量法是氣密性檢測(cè)的兩種常用方式，被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)缸試漏測(cè)試領(lǐng)域，本文探索兩種方式的測(cè)試原理，并研究其在長(zhǎng)缸試漏中的優(yōu)劣及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) 長(zhǎng)缸 試漏 壓降 質(zhì)量流量 測(cè)試

Principle of manual tappet selected system and error analysis in engine assembly line

Chen Peng Yan Canbao Zhang Jiao

Abstract：Long-block leakage test is a common method to detect engine function before unloading， test include water system and oil system hermetic detection. Pressure drop and mass flow are primary methods in this field. Thesis apply itself to explore principle of them， and research merit and demerit in Long-block leakage test station.

Key words：Engine Long-block Leakage test Pressure drop Mass flow Test

1 長(zhǎng)缸試漏檢測(cè)介紹

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)減少磨損、清潔零件以及降溫的目的。冷卻水受水泵、大小循環(huán)系統(tǒng)、散熱器的組合控制，調(diào)節(jié)其在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的流向及流速，使發(fā)動(dòng)機(jī)體始終處于最優(yōu)的工作溫度。機(jī)油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)通道稱為油通道（如圖1）、冷卻水的流動(dòng)通道則稱為水通道（如圖2）。

為保證機(jī)油、冷卻水正常工作，發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中需保證油通道（以下稱油道）、水通道（以下稱水道）的密封性，發(fā)動(dòng)機(jī)制造產(chǎn)線通常在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)缸狀態(tài)（各工廠定義有差異，通常為未裝進(jìn)/排氣歧管）時(shí)，對(duì)其進(jìn)行總成試漏測(cè)試，通過氣密性檢測(cè)，檢測(cè)密封效果。

長(zhǎng)缸試漏測(cè)試時(shí)，封堵對(duì)水道、油道泄漏位置進(jìn)行加壓密封，并往相應(yīng)通道中充入對(duì)應(yīng)壓力的氣體，測(cè)量各通道的氣密性參數(shù)，以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的泄漏情況。

根據(jù)不同的測(cè)試場(chǎng)景，氣密性檢測(cè)有沉水法、壓降法、質(zhì)量流量法、體積流量法及示蹤氣體法等多種方式。對(duì)于長(zhǎng)缸試漏測(cè)試，行業(yè)內(nèi)普遍采用壓降法或質(zhì)量流量法進(jìn)行檢測(cè)，本文將對(duì)該兩種方式展開討論。

2 壓降法及質(zhì)量流量法介紹

由于測(cè)試介質(zhì)（加壓空氣）與實(shí)際工作介質(zhì)（油、水）的差異大，空氣有可壓縮性，且粘度較低，這意味著空氣通過漏點(diǎn)的速度比液體快得多，且空氣本質(zhì)上沒有表面張力，這個(gè)特點(diǎn)使它更容易通過小的漏點(diǎn)[1]，所以在以空氣為測(cè)試介質(zhì)時(shí)，無論是壓降法和還是質(zhì)量流量法，均應(yīng)為其設(shè)置一個(gè)允許空氣泄漏量范圍。

2.1 壓降法

2.1.1 壓降法工作原理

壓降法是根據(jù)加壓氣體在測(cè)試循環(huán)內(nèi)的壓降，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為泄漏率，以作為泄漏評(píng)價(jià)指標(biāo)的一種試漏測(cè)試方式，泄漏率公式如下：

式中，Q為泄漏率，V為被測(cè)腔室體積，ΔP為壓降，t為測(cè)試時(shí)間。

在實(shí)際測(cè)試中，在不同時(shí)間點(diǎn)，不同測(cè)試場(chǎng)地內(nèi)，環(huán)境大氣壓力存在差異。此外，測(cè)試氣體壓力隨環(huán)境溫度升高而升高，隨著環(huán)境溫度降低而減小，實(shí)際壓降與場(chǎng)所溫度和大氣壓的波動(dòng)存在關(guān)聯(lián)，壓降計(jì)算公式如下：

式中，ΔP為壓降，P1為保壓前的氣壓，P2為保壓后的氣壓，p為保壓前的大氣壓力，P'為保壓后的大氣壓力，T1為保壓前溫度，T2為保壓后溫度。

將式（2）帶入式（1）中可得，泄漏率公式為：

由以上可知，泄漏率測(cè)量變量眾多，試漏設(shè)備不僅對(duì)保壓前后的大氣壓力p、P'，保壓前后的溫度T1、T2無法有效測(cè)得，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)水道、油道來說，其腔室不規(guī)則，通道復(fù)雜，也無法準(zhǔn)確測(cè)量其有效容積V，通過測(cè)量變量獲得準(zhǔn)確泄漏率的方式是很難實(shí)現(xiàn)的。

為此，壓降法測(cè)試過程中，引入了相對(duì)測(cè)量的概念。保壓前后大氣壓力、氣體溫度、腔室體積的組合影響用補(bǔ)償值m代替，可按需通過標(biāo)定進(jìn)行修正。此時(shí)，泄漏率公式簡(jiǎn)化為式（4），泄漏率與測(cè)試壓降呈線性關(guān)系

這時(shí)候可以通過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)參考件，使用固定泄漏率漏口對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，建立泄漏率Q與壓降ΔP的線性（如圖3 ）方程如下：

式中，k為漏口的固定泄漏率，ΔP為該漏口的標(biāo)定壓降，ΔP'為參考件零位補(bǔ)償壓降，X為被測(cè)工件實(shí)際測(cè)量時(shí)的壓降。

2.1.2 壓降法測(cè)試過程

常用的壓降法泄漏測(cè)試分為充氣-保壓-測(cè)試-排氣四個(gè)階段（如圖4），第一步為充氣階段，充氣閥v1打開，通過調(diào)壓閥將穩(wěn)定的、滿足壓力的氣體充入被測(cè)腔室（如圖5）。第二步為穩(wěn)壓階段，充氣閥v1關(guān)閉，測(cè)量氣體經(jīng)過靜置，氣壓在被測(cè)腔室內(nèi)穩(wěn)定下來，為測(cè)試做準(zhǔn)備。第三步為測(cè)試階段，壓力傳感器記錄過程的壓力變化，并計(jì)算出起止階段壓降。第四步為排氣階段，將被測(cè)腔室內(nèi)的氣體排出[2]。

由于水道、油道的測(cè)試壓力通常不同，壓降法長(zhǎng)缸試漏測(cè)試時(shí)，兩個(gè)測(cè)試通道互相獨(dú)立，有單獨(dú)的測(cè)試氣路控制，互不干擾，兩個(gè)通道可同時(shí)測(cè)試。

2.2 質(zhì)量流量法

2.2.1 質(zhì)量流量法工作原理

質(zhì)量流量法是通過測(cè)試過程持續(xù)向被測(cè)腔室內(nèi)部充氣，維持測(cè)試系統(tǒng)氣壓恒定，并監(jiān)控氣體流量指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)的目的。

所謂質(zhì)量流量是指流體數(shù)量用質(zhì)量來表示的流量，公式如下：

式中，qs為氣體質(zhì)量流量，ρ為氣體密度，v為平均流速，A為管道截面積。

質(zhì)量流量法在測(cè)試過程中外部氣源與被測(cè)腔室始終貫通，將部件加壓至設(shè)定壓力并持續(xù)充氣，確保被測(cè)工件的壓力不因泄漏而下降。如工件存在泄漏，外部氣源將向腔室內(nèi)補(bǔ)充測(cè)試氣體，此時(shí)流量傳感器可記錄通過的流量，獲得真實(shí)的泄漏情況，因此，質(zhì)量流量法獲得的值是實(shí)時(shí)的絕對(duì)值。

對(duì)于流量傳感器，其管道截面積是固定的，而空氣的密度恒定，通過測(cè)量其流速便可獲得質(zhì)量流量值。

由于該方法通過流量傳感器的真實(shí)讀值，判斷腔室密閉性，因此區(qū)別于壓降法的相對(duì)值判定，質(zhì)量流量法測(cè)量的是絕對(duì)值。質(zhì)量流量法測(cè)試的關(guān)鍵因素是保持穩(wěn)定的壓力以產(chǎn)生可靠的結(jié)果。為了準(zhǔn)確測(cè)試，需要設(shè)置測(cè)試周期時(shí)間（例如充氣時(shí)間和測(cè)試時(shí)間）以適應(yīng)最大被測(cè)體積的零件，只有這樣，才能在零件中建立穩(wěn)定的壓力并獲得可重復(fù)性的測(cè)試結(jié)果

與壓降法通過被測(cè)工件與標(biāo)準(zhǔn)參考件的壓降情況對(duì)比，得出相對(duì)泄漏率的方式不同，質(zhì)量流量法測(cè)量的是氣體流量的絕對(duì)值，因此該方法不需要參考件，也無需對(duì)設(shè)備進(jìn)行頻繁標(biāo)定修正補(bǔ)償值。

2.2.2 質(zhì)量流量法測(cè)試過程

質(zhì)量流量法分為充氣-測(cè)試-排氣三個(gè)步驟（如圖6），第一步為充氣階段，充氣閥V1，旁路閥V2開啟，向腔室內(nèi)充入測(cè)試氣體（如圖7）。第二步為測(cè)試階段，此時(shí)v2閥關(guān)閉，v3閥打開，氣源始終對(duì)工件進(jìn)行充氣，保證被測(cè)件的壓力不因泄漏而下降，取測(cè)試階段結(jié)束的瞬間，流量傳感器的瞬時(shí)值作為最終測(cè)試結(jié)果。第三步為排氣階段，將測(cè)試氣體排出腔室。

考慮到流量傳感器獲取的是測(cè)量階段結(jié)束時(shí)的瞬時(shí)值，所以測(cè)試階段的氣壓穩(wěn)定性非常重要，如氣壓波動(dòng)大，將導(dǎo)致取值的偶然性增加，無法表征最準(zhǔn)確的泄漏情況。為最大限度避免該情況發(fā)生，許多主機(jī)廠在充氣閥前增加一個(gè)穩(wěn)壓儲(chǔ)氣缸，以確保測(cè)試壓力恒定。

與壓降法相比，由于取消了保壓步驟，且僅取測(cè)試階段終結(jié)時(shí)的瞬時(shí)值，所以測(cè)試時(shí)間也大幅降低，質(zhì)量流量法的整體測(cè)試時(shí)間可大幅縮短。

3 壓降法及質(zhì)量流量法在長(zhǎng)缸試漏測(cè)試中的對(duì)比

兩種試漏測(cè)試方式的差異，決定了其不同的使用場(chǎng)景。針對(duì)長(zhǎng)缸試漏測(cè)試，兩者的差異對(duì)比如下：

3.1 參考件

對(duì)于壓降法來說，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果是被測(cè)件與參考件比較得出的相對(duì)值，所以需要為測(cè)試設(shè)置專用的參考件。通常情況下，參考件選用與被測(cè)工件同款的、相同裝配狀態(tài)的正常發(fā)動(dòng)機(jī)制成，要求參考件與被測(cè)工件的腔室構(gòu)造、體積具備高度一致性。一旦被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)任一指標(biāo)與參考件存在差異，由式（1）可知，將影響泄漏率測(cè)試結(jié)果。這就決定了生產(chǎn)線參考件數(shù)量與被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型數(shù)量一致，這就為多機(jī)型共線生產(chǎn)時(shí)的線旁管理帶來挑戰(zhàn)。

而質(zhì)量流量法，在測(cè)試過程中持續(xù)往腔室內(nèi)充氣，測(cè)量值為測(cè)試階段結(jié)束時(shí)的瞬時(shí)值，因?yàn)闇y(cè)量的是絕對(duì)值，所以不需要制作參考件。

3.2 對(duì)被測(cè)工件個(gè)體差異的兼容性

如上所述，壓降法測(cè)量相對(duì)值，所以要求被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)體的腔室狀態(tài)一致性高，這就對(duì)各零件狀態(tài)提出高要求，來料及裝配時(shí)需確保其形狀、材質(zhì)及內(nèi)腔容積一致，否則會(huì)顯著影響測(cè)試結(jié)果。此外，壓降法對(duì)于加壓過程容積存在變化的工件兼容性較差，如腔室內(nèi)有機(jī)油、冷卻液，或橡膠材質(zhì)的零件等，在加壓過程中被測(cè)腔體容積無法保證統(tǒng)一，必然影響壓降取值，這種情況無法通過選用合適參考件克服。

由式（6）可知，質(zhì)量流量法測(cè)試結(jié)果與被測(cè)腔室體積無關(guān)。在確保充氣目標(biāo)壓力達(dá)標(biāo)的前提下，理論上設(shè)備能夠兼容被測(cè)工件任意的腔室構(gòu)造、體積。這就為多款機(jī)型共線生產(chǎn)提供了可能性，例如：一條生產(chǎn)線可能同時(shí)生產(chǎn)三缸、四缸或者六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，即使每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的腔室體積可能因進(jìn)氣、燃油系統(tǒng)和油底殼設(shè)計(jì)而異，也能有效兼容。這時(shí)候，質(zhì)量流量測(cè)試是完美的選擇。同理，由于摒棄了壓降變量，加壓時(shí)，腔室的容積變化不會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)體內(nèi)存在機(jī)油、冷卻液等可壓縮介質(zhì)也不影響試漏測(cè)試結(jié)果。

3.3 測(cè)量精度

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水道油道密封要求極高，或判定限制苛刻時(shí)，壓降法具備較高的可靠性。壓降法測(cè)試時(shí)，被測(cè)腔室與外部氣源完全隔離，不受外部氣壓波動(dòng)影響，氣壓傳感器對(duì)測(cè)試步驟的過程氣壓持續(xù)監(jiān)控，并計(jì)算壓降，取值的準(zhǔn)確性及代表性有保障。加之參考件補(bǔ)償、標(biāo)定階段為測(cè)量系統(tǒng)建立了準(zhǔn)確的補(bǔ)償和線性關(guān)系，確保泄漏測(cè)試值真實(shí)體現(xiàn)被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)泄漏情況，可靠性高。

質(zhì)量流量法測(cè)試過程中對(duì)被測(cè)工件不實(shí)行隔離處理，所以外部氣源的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大，加之取值為測(cè)試結(jié)束的瞬時(shí)值，具備一定的偶然性。為克服該缺陷，通常設(shè)備提供方會(huì)為外部氣源增加一套穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)，以抵抗氣壓波動(dòng)，可即便如此，取值的準(zhǔn)確性仍無法與壓降法相提并論。質(zhì)量流量法受制于傳感器工作環(huán)境要求，并不適用于過高或過低的測(cè)試氣壓，通常測(cè)試氣壓低于3.5kpa或高于1000kpa時(shí)，質(zhì)量流量法不適用。

所以，對(duì)于被測(cè)工件漏點(diǎn)極度隱蔽，允許泄漏值范圍苛刻，或?qū)τ跇O小空氣流動(dòng)的高真空的環(huán)境，壓降法明顯優(yōu)于質(zhì)量流量法。

3.4 內(nèi)漏探測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)水道油道貫通是很嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，由于油水貫通屬于內(nèi)漏，缺陷很難識(shí)別，再疊加外部漏點(diǎn)的干擾，故障排查尤其困難。

對(duì)于壓降法，可通過水、油通道的互相探測(cè)，獲知內(nèi)漏情況，如圖8所示，測(cè)試開始時(shí)，v1打開，v2關(guān)閉，油道正常測(cè)試，此時(shí)若存在內(nèi)漏情況，P2壓力傳感器將監(jiān)測(cè)到壓力上升，通過對(duì)P2壓降設(shè)置極限，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)漏探測(cè)的目的。在油道測(cè)試結(jié)束后，油道排氣泄壓，緊接著對(duì)水道進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)v1關(guān)閉，v2打開，同理檢測(cè)P1的壓力變化可探測(cè)內(nèi)漏。

該方式存在一定的局限性，水道、油道無法同時(shí)測(cè)試，該方式會(huì)大幅增加整體測(cè)試時(shí)間，在產(chǎn)線節(jié)拍固定的情況下，只能通過壓縮各通道的測(cè)試時(shí)間實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于壓降法而言，過短的測(cè)試時(shí)間將直接影響試漏測(cè)試的檢測(cè)精度。

質(zhì)量流量法可通過合理的測(cè)試管路設(shè)置，單獨(dú)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)漏情況進(jìn)行檢測(cè)。如圖9所示，測(cè)試開始時(shí)，v1、v3打開，v2、v4關(guān)閉，此時(shí)測(cè)試氣壓對(duì)油道進(jìn)行測(cè)試，S1探測(cè)油道的泄漏情況，而由于v3閥的存在，水道與大氣聯(lián)通，若存在內(nèi)漏情況，油道的測(cè)試氣壓將泄漏至水道并排放至大氣中，此時(shí)S3可探測(cè)到流量變化，對(duì)流量設(shè)置適當(dāng)?shù)南拗当憧商綔y(cè)內(nèi)漏。油道測(cè)試結(jié)束后，測(cè)試氣壓泄壓，緊接著v1、v3關(guān)閉，v2、v4開啟，此時(shí)對(duì)水道進(jìn)行測(cè)試，同理，S3的流量變化可作為內(nèi)漏的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。之所以水道、油道單獨(dú)測(cè)試時(shí)，均對(duì)內(nèi)漏進(jìn)行檢測(cè)，目的是為了防止出現(xiàn)水油道單向貫通的情況，同時(shí)在漏點(diǎn)較小時(shí)，可以相互印證，多重防錯(cuò)，避免缺陷逃逸。

相較于壓降法，質(zhì)量流量法總體測(cè)試時(shí)間大量縮短，即使水、油道依次測(cè)試，總測(cè)試時(shí)間仍大大低于壓降法，可在保證結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，滿足生產(chǎn)節(jié)拍。

3.5 總結(jié)

綜上所述，兩種試漏方式的對(duì)比見表一，總體而言，壓降法在檢測(cè)精度、低漏量漏點(diǎn)的探測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯，而質(zhì)量流量法以其測(cè)試節(jié)拍短、對(duì)多機(jī)型共線的兼容性強(qiáng)、無參考件等特點(diǎn)，使用更便捷，更利于現(xiàn)場(chǎng)管理。

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