發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件清潔度檢測(cè)方法研究

郝 婧 王 珊 李國(guó)田 王 威 吳濤陽(yáng)

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

清潔度作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和其他零部件的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo)，在國(guó)內(nèi)外汽車領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的引擎，是汽車的核心構(gòu)件。發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔度是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)清潔度水平與各零部件表面所殘留的污染物密切相關(guān)。該部分污染物可能導(dǎo)致零部件表面磨損加劇，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。因此，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔度加以管理和控制。

為了使國(guó)內(nèi)的清潔度檢測(cè)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量水平提高需求，GB/T 41481-2022 《道路車輛零部件和系統(tǒng)的清潔度》[1]標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布實(shí)施。本文基于GB/T 41481-2022 標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的技術(shù)特點(diǎn)，闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件的清潔度檢測(cè)方法，探索建立清潔度評(píng)價(jià)體系，以便有助于企業(yè)提高發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度的控制水平。

1 清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)的顆粒提取方法

傳統(tǒng)的顆粒提取方法一般是采用手工沖洗的方法，所使用的儀器設(shè)備如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)的清潔度檢測(cè)裝置

先用洗瓶對(duì)零部件的規(guī)定檢測(cè)部位進(jìn)行沖洗，并將沖洗后的清洗液收集起來(lái)；之后，將帶有顆粒的清洗液倒入過濾漏斗中，經(jīng)過一系列的過濾和烘干濾膜表面的清洗液操作之后，得到帶有顆粒的濾膜。這種傳統(tǒng)的手工沖洗以及抽濾瓶過濾方法極易受到操作環(huán)境清潔度的影響，且誤差較大，非常容易導(dǎo)致對(duì)清潔度檢測(cè)結(jié)果的誤判。

1.2 傳統(tǒng)的顆粒分析方法

傳統(tǒng)的顆粒分析方法一般是采用質(zhì)量分析的方法，用天平對(duì)過濾前后的濾膜進(jìn)行稱重，并將測(cè)量結(jié)果作差后得到顆粒的質(zhì)量。此種分析方法只能對(duì)顆粒的質(zhì)量進(jìn)行分析，已無(wú)法滿足當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件品質(zhì)要求。對(duì)于燃油供給系統(tǒng)的零部件和潤(rùn)滑系統(tǒng)的零部件來(lái)說(shuō)，僅僅用顆粒的質(zhì)量來(lái)評(píng)價(jià)并不合理，其大小和數(shù)量會(huì)影響它們的使用壽命。

1.3 傳統(tǒng)的清潔度評(píng)價(jià)方法

傳統(tǒng)的清潔度評(píng)價(jià)方法通常是采用顆粒的質(zhì)量來(lái)評(píng)價(jià)，例如單個(gè)零部件表面的清潔度為XX mg/cm2，或單臺(tái)總成的清潔度為XX mg。此評(píng)價(jià)方法可以在一定程度上量化雜質(zhì)顆粒的總數(shù)，卻可能掩蓋大顆粒的不對(duì)稱危害。

綜上所述，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法主要包括顆粒提取、顆粒分析和清潔度評(píng)價(jià)3 個(gè)步驟，具體內(nèi)容見表1。

表1 傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法與不足

2 先進(jìn)的清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法

目前，GB/T 41481-2022《道路車輛零部件和系統(tǒng)的清潔度》標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)提出了更科學(xué)的顆粒提取方法、顆粒分析方法和清潔度評(píng)價(jià)方法，不僅能夠進(jìn)一步減小檢測(cè)環(huán)境對(duì)結(jié)果的影響，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒定性和定量的全面分析。本文基于此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法涉及的流程進(jìn)行進(jìn)一步解釋與分析。

2.1 試樣選取

由于試樣的清潔度會(huì)受到一些外部條件的影響，用于清潔度檢測(cè)的樣品須確定抽樣時(shí)間及地點(diǎn)。例如，是在清洗工序后，還是在交付到組裝線時(shí)。同時(shí)，在對(duì)試樣進(jìn)行處理時(shí)，須符合清潔度要求，不能將外部污染物帶入試樣本身。

2.2 試樣包裝

試樣包裝必須滿足一定的清潔度要求，并且還能對(duì)試樣進(jìn)行保護(hù)。例如，要求其具備一定的耐磨性，防止試樣本身產(chǎn)生脫落的顆粒；還要具備良好的密封性，防止外部顆粒進(jìn)入試樣。而且，與試樣直接接觸的薄膜和袋子必須是未經(jīng)使用的、干凈的一次性包裝薄膜和密封袋。

2.3 試樣存儲(chǔ)和運(yùn)輸

用于清潔度檢測(cè)的試樣，其運(yùn)輸路程須盡可能短，取樣和運(yùn)輸間的時(shí)間間隔要盡可能短一些。同時(shí)，在運(yùn)輸過程中要避免出現(xiàn)震動(dòng)，可在運(yùn)輸包裝內(nèi)采取一定的保護(hù)措施。

2.4 清潔度檢測(cè)環(huán)境

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的清潔度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)清潔度檢測(cè)環(huán)境的要求是其室內(nèi)降塵量不大于40 mg/m2，室內(nèi)降塵量的檢測(cè)方法是將表面涂有機(jī)油的白瓷盤放置在檢測(cè)環(huán)境中，24 h 后，用溶劑油清洗白瓷盤表面，經(jīng)過過濾、烘干和稱量后，得到單位面積的降塵量。而在GB/T 41481-2022 標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)清潔度檢測(cè)環(huán)境做出了新的規(guī)定，即清潔度檢測(cè)須在潔凈室進(jìn)行。潔凈室的定義來(lái)自GB/T 25915.1-2021《潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境第1 部分：按粒子濃度劃分空氣潔凈度等級(jí)》[2]標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了潔凈室空氣潔凈度的分級(jí)，它以粒徑濃度來(lái)表示。同時(shí)，還詳細(xì)說(shuō)明了空氣潔凈度的測(cè)量方法。

2.5 先進(jìn)的顆粒提取方法

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)零部件質(zhì)量的提高，對(duì)其清潔度限值要求也進(jìn)一步提高，從而推動(dòng)了雜質(zhì)顆粒提取方法的革新。目前，國(guó)內(nèi)外常用的顆粒提取方法有壓力沖洗法、超聲波清洗法、晃動(dòng)清洗法、空氣吹掃法。具體方法的選擇需依據(jù)零件的大小、幾何形狀以及有效工作區(qū)域來(lái)確定。目前，使用較為廣泛的顆粒提取方法是使用一體化的壓力顆粒萃取設(shè)備來(lái)提取。此類設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)從零部件放入到顆粒提取再到設(shè)備自清洗均為全封閉操作，且設(shè)備內(nèi)部與環(huán)境之間的壓力差可以避免將環(huán)境中的雜質(zhì)引入，從而能夠很大程度上降低檢測(cè)過程產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。與此同時(shí)，此類設(shè)備還能夠設(shè)置沖洗壓力、沖洗時(shí)間、沖洗角度和清洗液液量和流量等參數(shù)，不僅能夠降低顆粒提取過程的人為操作誤差，還可以提高顆粒提取效率。

圖2 所示為某公司生產(chǎn)的一臺(tái)典型的一體化壓力沖洗設(shè)備。

圖2 一體化壓力沖洗設(shè)備

2.6 先進(jìn)的顆粒計(jì)數(shù)分析方法

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，傳統(tǒng)的顆粒質(zhì)量分析方法已經(jīng)不能滿足對(duì)雜質(zhì)顆粒的分析要求，需要進(jìn)一步確定雜質(zhì)顆粒的大小、數(shù)量和類型[3]。目前，廠家采用的顆粒計(jì)數(shù)分析設(shè)備有光學(xué)顯微鏡、通用金相顯微鏡和體視顯微鏡。這些分析設(shè)備均配備成熟完善的顆粒分析系統(tǒng)，還配置自動(dòng)焦距調(diào)節(jié)、明/暗場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)及全自動(dòng)載物臺(tái)。具備良好的重復(fù)性及再現(xiàn)性，可以根據(jù)分析人員的需求對(duì)顆粒大小進(jìn)行分類，還可以對(duì)纖維、非金屬顆粒、金屬顆粒進(jìn)行準(zhǔn)確度較高的區(qū)分。光學(xué)顯微鏡的分辨率一般在800 萬(wàn)像素左右，放大倍數(shù)可高達(dá)1 000x，能夠識(shí)別小至5 μm 的顆粒。但它也存在一定的缺點(diǎn)，即不能準(zhǔn)確識(shí)別顆粒的化學(xué)成分，從而不能準(zhǔn)確得到異常顆粒的來(lái)源，無(wú)法從根源上避免異常顆粒的出現(xiàn)。

2.7 先進(jìn)的顆粒成分分析方法

由于采用一般的光學(xué)顯微鏡只能初步地將雜質(zhì)分為金屬顆粒、非金屬顆粒和纖維，當(dāng)非金屬顆粒具有明亮反射的光澤時(shí)，會(huì)被識(shí)別為帶金屬反射的金屬顆粒，具有發(fā)生誤判的風(fēng)險(xiǎn)。采用掃描電鏡與能譜分析儀（SEM/EDX）對(duì)顆粒的成分進(jìn)行進(jìn)一步分析，能更準(zhǔn)確地得出雜質(zhì)顆粒的性質(zhì)及來(lái)源。SEM/EDX分析法是利用掃描電鏡對(duì)顆粒物進(jìn)行計(jì)數(shù)和測(cè)量，并通過能量色散X 射線光譜儀確定其材料成分的一種綜合分析方法。其原理是聚焦電子束在顆粒表面掃描成像，與顆粒相互作用后產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這些二次電子信號(hào)能夠表征顆粒表面的某些物理或化學(xué)性質(zhì)。

圖3 所示為采用SEM/EDX 分析法得到的典型顆粒的形貌和成分分析結(jié)果。

圖3 顆粒形貌和成分的SEM/EDX 分析圖

2.8 先進(jìn)的清潔度評(píng)價(jià)方法

隨著清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法的發(fā)展，由最初的雜質(zhì)質(zhì)量評(píng)價(jià)逐漸拓展到采用雜質(zhì)質(zhì)量、顆粒尺寸和數(shù)目對(duì)顆粒進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

表2 為某公司產(chǎn)品的顆粒分級(jí)評(píng)價(jià)要求。

表2 某公司產(chǎn)品的顆粒分級(jí)評(píng)價(jià)要求

3 發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度檢測(cè)方法研究

發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件包括燃料供給系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等外圍件，因此，一般對(duì)接觸機(jī)油、燃料、空氣和水的零部件清潔度有其相應(yīng)的特殊要求[4]。大致將這些零部件分為燃料供給系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、其它類。

不同種類的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件由于其形狀結(jié)構(gòu)有差異，功能區(qū)域也大不相同，具體采用哪一種清潔度檢測(cè)方法是由被測(cè)零部件的大小、幾何形狀和功能區(qū)域的位置來(lái)確定的。因此，對(duì)不同種類的零部件，要選擇其最佳的顆粒提取方法。

以活塞環(huán)為例，通過采用沖洗和超聲波清洗2種顆粒提取方法，分別在初始設(shè)定的條件下進(jìn)行6次重復(fù)衰減試驗(yàn)，并對(duì)比分析2 種提取方法下的衰減試驗(yàn)結(jié)果。

表3 為在沖洗壓力為0.1 MPa、沖洗液流量為1 L/min、沖洗時(shí)間為1 min 的初始試驗(yàn)條件下測(cè)得的活塞環(huán)衰減結(jié)果。

表3 沖洗活塞環(huán)的衰減試驗(yàn)結(jié)果

從表3 可以看到，6 次試驗(yàn)測(cè)得的活塞環(huán)表面顆粒數(shù)目并沒有均勻穩(wěn)定地衰減，衰減比值也沒有達(dá)到≤10%的要求，說(shuō)明此方法不適用于活塞環(huán)的清潔度檢測(cè)。

表4 為采用超聲波清洗方法在頻率為40 kHz、功率為50%、清洗時(shí)間為1 min 的初始試驗(yàn)條件下測(cè)得的活塞環(huán)衰減結(jié)果。

表4 超聲波清洗活塞環(huán)的衰減試驗(yàn)結(jié)果

從表4 可以看到，6 次試驗(yàn)測(cè)得的活塞環(huán)表面的顆粒數(shù)目穩(wěn)定地衰減，其中，第3 次試驗(yàn)的衰減比值已達(dá)到≤10%的要求，說(shuō)明此方法適用于活塞環(huán)清潔度檢測(cè)。

基于上述研究，可確定不同種類的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的清潔度檢測(cè)（顆粒提?。┓椒ǎ姳?。

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的清潔度檢測(cè)方法

4 結(jié)論

本文對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法和GB/T 41481-2022《道路車輛零部件和系統(tǒng)的清潔度》標(biāo)準(zhǔn)中的清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)方法。相比于國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的清潔度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 41481-2022 標(biāo)準(zhǔn)在顆粒提取、顆粒分析和清潔度評(píng)價(jià)方面更加先進(jìn)。GB/T 41481-2022 標(biāo)準(zhǔn)從試樣的選取、包裝、運(yùn)輸、檢測(cè)環(huán)境到后續(xù)的檢測(cè)、分析都做了詳細(xì)的規(guī)定，形成了較為完備的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法體系。通過對(duì)活塞環(huán)的清潔度檢測(cè)方法進(jìn)行研究，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的清潔度檢測(cè)方法，有助于企業(yè)建立一套先進(jìn)和完整的發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度檢測(cè)評(píng)價(jià)體系。