錢霞美
(上海華依科技集團(tuán)股份有限公司,上海 201299)
近年來,冷試技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量的有效檢測(cè)控制手段已經(jīng)被國(guó)內(nèi)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家普遍接受并廣泛應(yīng)用。95%以上的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠在規(guī)劃新建裝配生產(chǎn)線時(shí),都會(huì)把冷試設(shè)備列為必不可少的測(cè)試工位。然而從國(guó)內(nèi)各大發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行情況來看,冷試技術(shù)在柴油機(jī)裝配質(zhì)量控制中的應(yīng)用程度遠(yuǎn)不如在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量控制中那么廣泛[1],很多柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)仍然采用以熱試為主要的質(zhì)量控制測(cè)試手段。
傳統(tǒng)的柴油機(jī)熱試,是通過在專用測(cè)試臺(tái)架上為發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)造一個(gè)能點(diǎn)火的條件,讓電子控制單元(ECU)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行,再通過臺(tái)架監(jiān)控和在線檢測(cè)2種方式,驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)熱試臺(tái)架大多為半自動(dòng)臺(tái)架,依靠人工完成對(duì)接和測(cè)試結(jié)果判定;發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力來源于自身,通過燃燒柴油所得;對(duì)測(cè)試時(shí)的安裝和夾緊精度無特別要求;測(cè)試節(jié)拍一般單臺(tái)30~120 min。
而柴油機(jī)冷試時(shí),無需使用燃油,或使用極少燃油。如,配置柴油潤(rùn)滑燃油泵的柴油機(jī)需要提供少量燃油來運(yùn)行,待測(cè)試完成后該部分燃油自動(dòng)進(jìn)入循環(huán)回收系統(tǒng),所消耗的柴油量極少。通過冷試設(shè)備對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行定位固定,然后各測(cè)試機(jī)構(gòu)連同傳感器自動(dòng)對(duì)接發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的測(cè)試口,通過外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸以不同的速度旋轉(zhuǎn)。同時(shí),外部的各測(cè)試系統(tǒng)通過采集進(jìn)氣口壓力、排氣口壓力、機(jī)油壓力、曲軸旋轉(zhuǎn)扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等傳感器上的數(shù)據(jù),再經(jīng)過測(cè)試臺(tái)專業(yè)軟件進(jìn)行分析,然后將分析結(jié)果與測(cè)試臺(tái)架已設(shè)定好的極限值進(jìn)行比較,確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否裝配正常。一般通過冷試可以測(cè)出的缺陷有:氣道系統(tǒng)裝配缺陷、潤(rùn)滑油道裝配缺陷及零件油道的加工缺陷、燃油供給系統(tǒng)裝配缺陷、運(yùn)動(dòng)件裝配缺陷及干涉檢測(cè)、傳感器及線束缺陷。
柴油機(jī)冷試試驗(yàn)節(jié)拍單臺(tái)僅需約130 s。同時(shí),由于冷試過程幾乎不消耗燃油,運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)于熱試過程大大降低,如表1~2所示。經(jīng)測(cè)算3 L發(fā)動(dòng)機(jī)冷試費(fèi)用約為熱試費(fèi)用的1/5,而4~7 L發(fā)動(dòng)機(jī)冷試費(fèi)用僅為熱試費(fèi)用的1/11。按目前柴油機(jī)10萬臺(tái)年產(chǎn)量估算,若采用100%冷試全檢+30%熱試抽檢的測(cè)試模式,每年可以節(jié)約成本近千萬元。
表1 3 L柴油機(jī)熱試與冷試費(fèi)用比較
表2 4~7L柴油機(jī)熱試與冷試費(fèi)用比較
綜上所述,冷試技術(shù)應(yīng)用在柴油機(jī)裝配質(zhì)量檢測(cè)中具有以下明顯優(yōu)勢(shì):(1)能提前發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中的裝配缺陷及零部件質(zhì)量問題,把缺陷控制在生產(chǎn)線內(nèi);(2)測(cè)試過程節(jié)拍短,效率高,測(cè)試中不需要消耗燃料或消耗極少量燃料,不做功,符合我國(guó)節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略;(3)冷試臺(tái)架為全自動(dòng)設(shè)備,測(cè)試過程中無需人工參與,不僅消除傳統(tǒng)熱試作業(yè)的職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn),還大大節(jié)約人力成本[2]。
既然冷試有如此明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),為什么現(xiàn)階段其在柴油機(jī)制造領(lǐng)域應(yīng)用并不廣泛呢?通過走訪多家國(guó)內(nèi)主流柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè),分析得出主要矛盾體現(xiàn)在3個(gè)方面:(1)冷試技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)定位精度要求高,必然需要選用自動(dòng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而現(xiàn)有柴油機(jī)裝配線通常布局緊湊,實(shí)施冷試改造難度大、周期長(zhǎng);(2)相對(duì)于汽油機(jī)而言,柴油機(jī)產(chǎn)品型譜更多樣化,機(jī)型隨時(shí)會(huì)根據(jù)主機(jī)廠的需求不斷進(jìn)行調(diào)整更新,而冷試設(shè)備由于其設(shè)計(jì)和制造周期的限制往往難以應(yīng)對(duì)產(chǎn)品機(jī)型的變化節(jié)奏;(3)冷試作為檢測(cè)手段的替代技術(shù)需要有可評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)值,而較多生產(chǎn)廠并沒有依照冷試規(guī)范完成初始測(cè)試數(shù)據(jù)的限定設(shè)置工作,以至于對(duì)冷試的檢測(cè)效果產(chǎn)生了錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)。因此,推廣冷試技術(shù)在柴油機(jī)裝配質(zhì)量控制中的應(yīng)用,必然要解決以上柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)尤為關(guān)切的問題。
對(duì)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)線,采取獨(dú)立環(huán)線輸送布局,減少改造影響;采用模塊化工裝設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)冷試設(shè)備柔性化;按流程驗(yàn)證發(fā)展冷試限定值,提升評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。
2.2.1 獨(dú)立環(huán)線輸送布局
由于近年來汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,汽油機(jī)生產(chǎn)線迭代迅速,新建項(xiàng)目眾多,因此具備了在規(guī)劃初期直接上冷試設(shè)備的可行性,而柴油機(jī)裝配生產(chǎn)線相對(duì)穩(wěn)定,冷試設(shè)備的應(yīng)用就需要依靠對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行改造來實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)有的柴油機(jī)裝配線多為人工裝配,自動(dòng)化程度低,而應(yīng)用冷試需要發(fā)動(dòng)機(jī)自身具有較高的定位精度來滿足全自動(dòng)測(cè)試要求,并且需要增加配套的自動(dòng)化定位、輸送、裝夾等設(shè)備裝置。因此,在原有裝配線上進(jìn)行改造不僅工程量大,而且裝配精度及機(jī)型數(shù)據(jù)讀取條件受到限制,改造失敗的風(fēng)險(xiǎn)較高。
為避開原有裝配線的限制,進(jìn)行冷試改造時(shí),可以根據(jù)實(shí)際情況考慮采用單獨(dú)的輸送環(huán)線,并在獨(dú)立的環(huán)線中按冷試需求設(shè)計(jì)滿足精度要求的托盤和輸送條件,同時(shí)布置必要的工裝裝配工位。這樣原有裝配線并不需要進(jìn)行大的改變,只需增加與冷試輸送環(huán)線相連接的接口即可,成本降低且風(fēng)險(xiǎn)可控。某裝配線冷試改造的案例如圖1所示。圖1中灰色區(qū)域?yàn)槟巢裼蜋C(jī)廠家成熟裝配工藝的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線,按照裝配線節(jié)拍65 s需增加2臺(tái)冷試設(shè)備。綜合考慮定位精度改造成本,決定通過在原有裝配線旁邊布置一個(gè)長(zhǎng)25 m、寬11 m的冷試環(huán)線,如圖1虛線區(qū)域所示。在環(huán)線內(nèi)完成以下工作:冷試發(fā)動(dòng)機(jī)上線、工藝件預(yù)裝、燃油試漏和預(yù)供給、冷試及燃油抽油、工藝件拆卸和返修及下線。冷試所必須的托盤和工裝(包括工藝飛輪、工藝適配器、工藝線束對(duì)接板、工藝燃油對(duì)接板、工藝堵頭等)只在冷試環(huán)線內(nèi)流通,工裝及托盤流通數(shù)量按滿負(fù)荷裝配計(jì)算設(shè)置12套,原有裝配線與新增冷試環(huán)線分開,無需大改造。此案例大大縮減了增加冷試設(shè)備的費(fèi)用,是柴油機(jī)裝配老線增加冷試設(shè)備成功改造的典型案例。
圖1 裝配線冷試改造的案例
2.2.2 模塊化工裝設(shè)計(jì)
在現(xiàn)行的生產(chǎn)制造體系中,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家的機(jī)型生產(chǎn)計(jì)劃會(huì)根據(jù)市場(chǎng)的需求不斷調(diào)整變化,而冷試設(shè)備卻是為特定發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型定制,是配套特定機(jī)型產(chǎn)品的測(cè)試設(shè)備。由于設(shè)計(jì)和制造周期長(zhǎng),冷試設(shè)備往往跟不上產(chǎn)品機(jī)型的變化,這也是導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)對(duì)冷試應(yīng)用存在顧慮的重要因素。因此冷試設(shè)備向更高的柔性化和更好的拓展性方向發(fā)展是滿足柴油機(jī)市場(chǎng)需求的必然選擇。
增加冷試設(shè)備的柔性化,首先必須在設(shè)備生產(chǎn)規(guī)劃階段就需要投入更多設(shè)計(jì)柔性化考量。雖然這會(huì)增加相應(yīng)的硬件成本,但這是非常有必要的,它讓冷試設(shè)備后期能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型的拓展需求。更換測(cè)試機(jī)型時(shí),只需調(diào)整設(shè)備的某幾個(gè)工裝或機(jī)構(gòu),大大縮短冷試設(shè)備的調(diào)整更新周期,且輕松應(yīng)對(duì)機(jī)型的變化。
增加冷試設(shè)備的柔性化,還可以提升設(shè)備的自動(dòng)化和智能化。在設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接部位時(shí),可考慮采用工裝模塊化設(shè)計(jì),通過更換工裝來滿足新機(jī)型測(cè)試。比如設(shè)計(jì)中可考慮使用6軸機(jī)器人自動(dòng)更換工裝,或?qū)⒗湓嚽肮の活A(yù)裝工裝轉(zhuǎn)化為設(shè)備上同一測(cè)試接口。
圖2所示是一臺(tái)為國(guó)內(nèi)某柴油機(jī)企業(yè)設(shè)計(jì)的柔性化程度很高的冷試設(shè)備。它實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)設(shè)備既能進(jìn)行汽油發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試還能完成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試,是多機(jī)型一體化的冷試設(shè)備。發(fā)動(dòng)機(jī)通過輸送機(jī)構(gòu)就位后進(jìn)行定位夾緊,測(cè)試對(duì)接機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試接口和設(shè)備直接連接,六軸機(jī)械手機(jī)構(gòu)根據(jù)機(jī)型需要自動(dòng)更換進(jìn)排氣工裝,并作為進(jìn)氣測(cè)試機(jī)構(gòu)的執(zhí)行器執(zhí)行測(cè)試動(dòng)作,完成冷試的全自動(dòng)測(cè)試。
圖2 一體化冷試設(shè)備結(jié)構(gòu)
實(shí)現(xiàn)一體化的關(guān)鍵在于該設(shè)備的工裝柔性化設(shè)計(jì)。上述一體化設(shè)備的部分工裝如圖3所示,部件1、3、4、5和6為冷試前工位預(yù)裝件。針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型,更換部件1以適應(yīng)冷試驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)接,達(dá)到為發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力的目的,更換部件3以適應(yīng)設(shè)備定位夾緊并裝配部件7托盤,更換部件6以適應(yīng)設(shè)備端機(jī)油壓力對(duì)接測(cè)試機(jī)構(gòu),更換部件5以適應(yīng)設(shè)備端燃油壓力對(duì)接測(cè)試機(jī)構(gòu),更換部件4以適應(yīng)設(shè)備端線束對(duì)接測(cè)試機(jī)構(gòu);依靠六軸機(jī)械手實(shí)現(xiàn)更換部件2和9;在冷試工位自動(dòng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣排氣測(cè)試機(jī)構(gòu)對(duì)接。
圖3 一體化冷試設(shè)備部分柔性工裝
這樣,針對(duì)不同機(jī)型、不同結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī),通過配備各種類型工裝,結(jié)合冷試設(shè)備前工位的預(yù)裝工裝和本工位的機(jī)械手自動(dòng)更換工裝,使該一體化冷試設(shè)備達(dá)到混線測(cè)試的目的,大大節(jié)約了成本,讓冷試實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)檢測(cè)的同時(shí),增加了柔性和機(jī)型拓展性[3]。實(shí)際運(yùn)用中該設(shè)備測(cè)試機(jī)型已成功經(jīng)過3次擴(kuò)展,可覆蓋測(cè)試6個(gè)系列共30種發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型。尤其在第2次擴(kuò)展改造中面對(duì)最大機(jī)型差異,新舊機(jī)型完全不一樣的開發(fā)平臺(tái),進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)截然相反,但依舊通過工裝改造,完美地實(shí)現(xiàn)了新機(jī)型冷試升級(jí)。
在實(shí)際應(yīng)用中,為實(shí)現(xiàn)混線和多種機(jī)型快速自由切換生產(chǎn)的目的,可以為不同的機(jī)型型號(hào)配備相應(yīng)的測(cè)試程序,利用無線射頻識(shí)別(RFID)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)的序列號(hào)自動(dòng)獲得產(chǎn)品型號(hào)等信息,進(jìn)而自動(dòng)選擇控制程序和測(cè)試程序完成整個(gè)測(cè)試過程。
2.2.3 按流程驗(yàn)證限定值
無論冷試、熱試,其最終目的都是為了檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量。不同于熱試模擬發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行工況而獲得的測(cè)試數(shù)據(jù),冷試應(yīng)用的評(píng)價(jià)方式需要有相對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)值,前期需要收集一定量的測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)的限定設(shè)置過程開始時(shí),是一個(gè)持續(xù)根據(jù)所測(cè)零部件質(zhì)量不斷調(diào)整初始限定值的過程。如果制造企業(yè)忽視這一過程的必要性,則容易對(duì)冷試結(jié)果產(chǎn)生錯(cuò)誤的評(píng)價(jià),進(jìn)而對(duì)其質(zhì)量控制效果產(chǎn)生疑慮。
冷試設(shè)備投入使用前,系統(tǒng)中一般設(shè)定初始的參考限定值[4]。初始參考限定值來源一般是符合3σ準(zhǔn)則的行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù),但由于零部件的批量供貨質(zhì)量差異、裝配質(zhì)量差異等,初始數(shù)據(jù)并不一定適合每條生產(chǎn)線??梢悦鞔_的是,采用冷試的最終目的是為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本,逐步替代熱試。因此,前期收集熱試檢測(cè)合格的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)是非常有必要的。通常冷試設(shè)備從投入使用到穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)經(jīng)歷2個(gè)階段,如表3所示。
表3 冷試設(shè)備從投入到運(yùn)行的2個(gè)階段
階段1是數(shù)據(jù)收集階段,此時(shí)熱試仍然是必要環(huán)節(jié),冷試、熱試共同運(yùn)行,采用冷試設(shè)備對(duì)熱試測(cè)試合格的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷試,得出各測(cè)試項(xiàng)的初步限定值,并隨著測(cè)試數(shù)據(jù)樣本的增加,不斷更新限定值。階段2是限定值基本確定階段,所有發(fā)動(dòng)機(jī)都進(jìn)行冷試,熱試僅作為抽檢,抽檢量視生產(chǎn)線裝配質(zhì)量控制情況和配件質(zhì)量而定,通常抽檢率為5%。事實(shí)上很多汽油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)過第2階段的生產(chǎn)后,隨著裝配工藝不斷完善,熱試抽檢率降低到1%,甚至不抽檢。
冷試檢測(cè)結(jié)果的有效性取決于限定值的設(shè)置。缺少準(zhǔn)確的限定值作為參照,冷試無法取得滿意的評(píng)定結(jié)果。因此,必須按照?qǐng)D4所示流程,從預(yù)驗(yàn)收階段起步,隨產(chǎn)量增加隨時(shí)驗(yàn)證優(yōu)化限定值,直到產(chǎn)品合格率達(dá)到預(yù)期后再確立正式版的參數(shù)控制限值,并納入質(zhì)量管控體系。未經(jīng)授權(quán)或變更流程將不得修正,確保檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
圖4 冷試參數(shù)限值確定工藝流程
所有不合格的發(fā)動(dòng)機(jī)都值得重視,都要送到返修工位由發(fā)動(dòng)機(jī)維修工進(jìn)行分析。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和波形,對(duì)比缺陷試驗(yàn)波形圖和《維修建議》資料判斷發(fā)動(dòng)機(jī)問題,并進(jìn)行針對(duì)性處理。新出現(xiàn)問題的發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行判別分析,并在系統(tǒng)中制定詳細(xì)的問題數(shù)據(jù)庫(kù)—《維修建議》(見圖5)?!毒S修建議》非常有利于對(duì)今后發(fā)動(dòng)機(jī)返修進(jìn)行問題定位,因此《維修建議》做得越完善,發(fā)動(dòng)機(jī)返修越容易。
圖5 軟件界面維修建議添加顯示效果
為了方便對(duì)冷試臺(tái)架進(jìn)行問題診斷,每種機(jī)型都設(shè)置1臺(tái)樣機(jī)是非常必要的。此樣機(jī)也稱為標(biāo)準(zhǔn)機(jī),是一臺(tái)性能穩(wěn)定、測(cè)試值在限定值中間范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)。為了與流水線上的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品區(qū)分,標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可在顏色上噴涂特殊的識(shí)別色。每天開機(jī)時(shí),可以首先使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,將數(shù)據(jù)波形圖與之前保存的數(shù)據(jù)值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證冷試臺(tái)架是否處于穩(wěn)定測(cè)試狀態(tài),若否,需進(jìn)行排查。比如:是否有影響測(cè)試的易損件需要更換,傳感器及測(cè)試通道是否需要標(biāo)定等。在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上可以標(biāo)記各測(cè)試點(diǎn),當(dāng)對(duì)冷試臺(tái)架設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)時(shí),用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上標(biāo)記的測(cè)試點(diǎn)對(duì)設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)后的裝配位置進(jìn)行還原。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)根據(jù)實(shí)際情況一般每2年更換一次,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)多次測(cè)試后,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部元器件老化或磨損會(huì)對(duì)正確判斷帶來影響。
傳感器使用一段時(shí)間后通常都會(huì)產(chǎn)生一定的漂移。為確保設(shè)備測(cè)試精度,需要用校驗(yàn)儀器對(duì)傳感器及測(cè)試通道進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)的主要目的是檢查測(cè)試值偏差是否在精度范圍內(nèi),整體的線性度是否有變化,零點(diǎn)是否有偏移等。傳感器及測(cè)試通道標(biāo)定應(yīng)定期開展,周期一般為3個(gè)月。但是若對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生懷疑,也可適時(shí)對(duì)采集通道進(jìn)行標(biāo)定,排除傳感器和測(cè)試通道的問題。
在冷試技術(shù)出現(xiàn)之前,絕大多數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)都是采用熱試進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。如今,幾乎所有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)都已經(jīng)開展了冷試的大規(guī)模應(yīng)用。隨著日益加大的環(huán)保壓力和企業(yè)成本的控制需求,能耗和排放也必然成為柴油機(jī)制造企業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題,因此只要準(zhǔn)確把握冷試技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn),提高質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,冷試技術(shù)在柴油機(jī)裝配質(zhì)量控制中必然會(huì)有著廣泛的應(yīng)用前景。