包絡(luò)線測量技術(shù)在檢測發(fā)動機軸瓦和連桿瓦故障上的應(yīng)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(fā)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(fā)動機大都采用輕量化設(shè)計，有些汽車生產(chǎn)廠用鋁合金代替鋼制的發(fā)動機殼體，由于鋁合金的材質(zhì)比較軟，在發(fā)動機裝配過程中，難免會有鋁屑產(chǎn)生，如果這些鋁屑落在曲軸里，在曲軸旋轉(zhuǎn)的過程中會對軸瓦造成劃傷，將對發(fā)動機的性能和使用壽命產(chǎn)生重大影響。本文設(shè)計的包絡(luò)線檢測系統(tǒng)，能夠精準地測量出軸瓦和連桿瓦安裝狀態(tài),實現(xiàn)了軸瓦故障在回轉(zhuǎn)力矩測量中的全過程監(jiān)測。

2 曲軸回轉(zhuǎn)力矩檢測的目的

劃傷是發(fā)動機常見的失效模式之一，它直接影響發(fā)動機的功能性和耐久性[2]。在發(fā)動機零件加工、組裝過程中，經(jīng)常出現(xiàn)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(fā)生，需要一套靈敏且準確的設(shè)備進行檢測，經(jīng)過多年的技術(shù)創(chuàng)新和實踐經(jīng)驗積累，很多發(fā)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(jié)束后，進行活塞連桿總成回轉(zhuǎn)力矩檢測。通過回轉(zhuǎn)力矩檢測能在一定程度上降低發(fā)動機的廢品廢件率。

圖1 瓦片劃傷與磨損圖

3 曲軸回轉(zhuǎn)力矩檢測現(xiàn)狀

現(xiàn)在曲軸回轉(zhuǎn)力矩檢測的內(nèi)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(zhuǎn)力矩，曲軸活塞連桿平均回轉(zhuǎn)力矩。采用聯(lián)軸器將扭矩傳感器和伺服電機連接在一起，設(shè)置適當?shù)牟蓸宇l率和通訊協(xié)議，伺服電機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)的同時測量扭矩值,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC或工控機進行數(shù)據(jù)分析處理。在傳統(tǒng)的鑄鐵發(fā)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(zhì)量情況，但是在某發(fā)動機廠采用新型的鋁合金發(fā)動機殼體的試驗中，我們經(jīng)過對比測試后發(fā)現(xiàn)，當軸瓦上的鋁屑直徑小于2000μm時，測量啟動力矩、最大回轉(zhuǎn)力矩和平均回轉(zhuǎn)力矩的測量方法都不能檢測出鋁屑的劃傷故障。

4 包絡(luò)線檢測技術(shù)在檢測發(fā)動機軸瓦故障方面的應(yīng)用

4.1 包絡(luò)線原理

包絡(luò)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(luò)線可以全程記錄發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)的力矩時間曲線，通過模擬故障試驗和運行數(shù)據(jù)分析，可以設(shè)置合理的安全閾值，保障發(fā)動機軸瓦故障的成功檢測。

4.2 驅(qū)動裝置

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

4.3 回轉(zhuǎn)力矩測試與顯示裝置

圖2 包絡(luò)線回轉(zhuǎn)力矩測量裝置

包絡(luò)線回轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)發(fā)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(fù)6次的包絡(luò)線。根據(jù)大量樣本，可以設(shè)置不同機型的包絡(luò)線合格范圍，如果檢測時發(fā)動機上、下止點的運動軌跡超過的預(yù)設(shè)的合格范圍，設(shè)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(luò)線顯示界面

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

4.4 包絡(luò)線檢測的特點和優(yōu)勢

由于軸瓦和連桿瓦上的鋁屑過小，傳統(tǒng)的檢測方法包括啟動力矩，最大回轉(zhuǎn)力矩，平均回轉(zhuǎn)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(luò)線檢測技術(shù)可以根據(jù)上千臺合格發(fā)動機的實際測試數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，得到一個合格判定曲線（如圖3所示），不僅包含了傳統(tǒng)的三種測量方法，而且將全過程監(jiān)控劃分成四個區(qū)域，能夠在扭矩和時間曲線里全過程監(jiān)測曲軸力矩變化，當檢測的發(fā)動機活塞由上止點到下止點的力矩時間曲線超過設(shè)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(jié)語

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