工業(yè)CT在噴油器故障檢測中的應(yīng)用*

施玉書 高思田 宋 旭 李 偉 李 琪 李 適 陳思文

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029;2.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072；3.中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院，杭州 310018 )

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工業(yè)CT在噴油器故障檢測中的應(yīng)用*

施玉書1，2高思田1宋 旭3李 偉1李 琪1李 適1陳思文2

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029;2.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072；3.中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院，杭州 310018 )

工業(yè)CT以其出色的內(nèi)部成像能力，在無損檢測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。本文以某噴油器生產(chǎn)企業(yè)為案例，介紹了工業(yè)CT在噴油器故障檢測上的應(yīng)用。結(jié)果表明，通過工業(yè)CT的掃描成像，能夠清晰地觀察到噴油器的故障位置和原因。這一應(yīng)用案例說明，工業(yè)CT在工業(yè)零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測上有著巨大的應(yīng)用前景，有待進(jìn)一步的發(fā)掘。

工業(yè)CT；噴油器；無損檢測

0 引言

工業(yè)CT技術(shù)是工業(yè)計算機斷層掃描成像(Industrial Computed Tomography)技術(shù)的簡稱。一套完整的工業(yè)CT系統(tǒng)可以實現(xiàn)對工業(yè)零部件內(nèi)外部結(jié)構(gòu)非接觸、無損傷的檢測。與傳統(tǒng)的無損檢測手段，如渦流檢測[1]、磁粉檢測[2]、射線檢測等相比，工業(yè)CT具有檢測速度快、適用范圍廣、分辨力和測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，因此被譽為“最佳的無損檢測手段”[3]。

本文以汽車噴油器為例，介紹了工業(yè)CT在產(chǎn)品故障檢測上的應(yīng)用。首先，通過工業(yè)CT掃描測量，得到噴油器的三維重構(gòu)數(shù)據(jù)；之后對重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層分析，結(jié)合噴油器的結(jié)構(gòu)特點以及工業(yè)CT的成像原理，最終找到故障位置，并對故障原因進(jìn)行了分析。

1 工業(yè)CT的工作原理

典型的錐束工業(yè)CT結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括X射線源、樣品掃描轉(zhuǎn)臺和X射線平板探測器、數(shù)據(jù)處理單元以及測量結(jié)果顯示單元等幾部分[4-5]。

圖1 工業(yè)CT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其基本工作原理為： X射線穿過樣品后，由于樣品不同位置對X射線的衰減系數(shù)不同，在探測器上會得到一組與樣品結(jié)構(gòu)相關(guān)的投影數(shù)據(jù)；然后轉(zhuǎn)動樣品臺一個小角度Δθ，取得對應(yīng)該角度的另一組投影數(shù)據(jù)。如此重復(fù)，直至旋轉(zhuǎn)N次(一般N×Δθ=360°)，取得N組投影數(shù)據(jù)為止。然后，通過FDK等反投影算法，就可以計算得到樣品的三維幾何結(jié)構(gòu)信息[6]。

2 噴油器結(jié)構(gòu)組成及故障分析

2.1 噴油器結(jié)構(gòu)

噴油器是汽車、摩托車等內(nèi)部電噴發(fā)動機上的一個重要零件，其作用是為發(fā)動機提供精確定量的霧狀燃油。按結(jié)構(gòu)不同，噴油器可分為軸針式、球閥式和片閥式3種[7]。一種球閥式噴油器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示[8]。

1.彈簧；2.針閥；3.閥座；4.噴孔；5.護(hù)套；6.擋塊；7.銜鐵；8.噴油器體；9.電磁線圈圖2 球閥式噴油器結(jié)構(gòu)簡圖

噴油器本身是一個常閉閥，當(dāng)控制機構(gòu)下達(dá)噴油指令后，會有電流流經(jīng)電磁線圈，產(chǎn)生磁場， 并將銜鐵吸附到工作位。同時，前端的針閥被帶動與閥座分離，在噴孔處產(chǎn)生環(huán)形間隙，燃油從間隙中高速噴出，形成霧狀，以供下一步充分燃燒。

2.2 噴油器典型故障分析

引起噴油器故障的原因有很多，如噴孔堵塞、密封面磨損、彈力不足等[9]。其中最常見的故障是由于發(fā)動機內(nèi)積炭沉積或者燃油中含有雜質(zhì)等導(dǎo)致噴油器堵塞，如圖3所示。

圖4 故障噴油器工業(yè)CT測試結(jié)果

圖3 噴油器堵塞示意圖

理論上當(dāng)噴油器處于常閉狀態(tài)時，針閥與閥座之間是嚴(yán)密貼合，沒有間隙。當(dāng)有異物混入時，針閥與閥座之間無法密封，從而產(chǎn)生漏油現(xiàn)象，使得發(fā)動機功率下降，油耗上升，排放污染增加，甚至使發(fā)動機無法工作。

3 利用工業(yè)CT分析噴油器故障

汽車噴油器作為發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，長久以來一直被國外壟斷。近些年，國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了一些噴油器制造企業(yè)，國外噴油器在中國的壟斷逐漸被打破，噴油器價格大幅下跌，為國產(chǎn)汽車行業(yè)壓縮了成本。其中就包括廣西柳州的一家企業(yè)。最近該企業(yè)出口給美國的一批噴油器被投訴有質(zhì)量問題：有若干噴油器噴孔處漏油。用戶懷疑是在生產(chǎn)過程中有碎屑導(dǎo)致噴孔出現(xiàn)間隙，產(chǎn)生漏油現(xiàn)象；而企業(yè)認(rèn)為是用戶使用的燃油中的雜質(zhì)導(dǎo)致的漏油。

為找到漏油的真正原因，該企業(yè)嘗試將故障噴油器拆卸，找出雜質(zhì)，以確認(rèn)雜質(zhì)來源。但由于雜質(zhì)太小，且位置不明確，雜質(zhì)在拆卸過程中極易丟失，因此始終未能有所發(fā)現(xiàn)。最終這家企業(yè)來到中國計量科學(xué)研究院內(nèi)尺寸檢測實驗室，用這里的一臺工業(yè)CT(Metrotom1500)對這些故障噴油器進(jìn)行了掃描檢測。工業(yè)CT的掃描參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 工業(yè)CT掃描參數(shù)設(shè)置

完成工業(yè)CT掃描重構(gòu)后，使用VGStudio軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖4，分別從俯視、正視、右視三個方向，對故障位置進(jìn)行斷層切片分析，可以很清楚地觀察到噴油器針閥和閥底之間的雜質(zhì)形狀和位置。

根據(jù)工業(yè)CT的測量原理，物質(zhì)的X射線衰減系數(shù)越大，得到的圖像亮度越高。從斷層圖像中可以看出，異物的顏色與周圍的針閥、閥底相近，因此二者具有近似相等的衰減系數(shù)。噴油器針閥和閥底的材料為鋼材，從而基本可以斷定造成漏油的異物是一種鐵屑或與之X射線衰減系數(shù)類似的物質(zhì)。進(jìn)一步分析可知，這些異物很有可能來自于生產(chǎn)過程中機械加工產(chǎn)生鐵屑?xì)埩?，因此企業(yè)在之后的生產(chǎn)中，有針對性的對零部件清洗環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，最終使得產(chǎn)品的故障率大大降低。

4 結(jié)束語

工業(yè)CT以其出色的內(nèi)部檢測能力正在受到越來越多行業(yè)的重視。本文以噴油器故障檢測為例，介紹了工業(yè)CT在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。近些年，新出現(xiàn)的一種微焦點工業(yè)CT，不僅可以完成無損檢測的任務(wù)，而且還具有三維幾何尺寸的測量功能，尤其是對于工件內(nèi)部尺寸的測量，彌補了傳統(tǒng)測量手段的局限性。將來，隨著工業(yè)CT技術(shù)的不斷提高，工業(yè)CT在無損檢測、工業(yè)測量、逆向工程等領(lǐng)域必將發(fā)揮著越來越重要的作用。

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國家重大儀器專項基金(2011YQ03011208)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.06