王鋒 趙金超 殷凡松 馬吉旺

（中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南動(dòng)力有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)廠，濟(jì)南 250200）

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種動(dòng)力源，在汽車、船舶、航空等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，用戶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求也不斷提高。機(jī)油泵是發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中的重要組成部分，將油底殼中的機(jī)油抽出，通過(guò)加壓使機(jī)油通過(guò)機(jī)油濾芯及冷卻器后進(jìn)入主油道及各個(gè)需要潤(rùn)滑的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)油泵是發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的動(dòng)力源。

本文研究對(duì)象是一款重型柴油機(jī)的機(jī)油泵潤(rùn)滑系統(tǒng)，機(jī)油泵襯套采用過(guò)盈聯(lián)接的方式裝配在缸體上，這種結(jié)構(gòu)可以緩解機(jī)油泵外轉(zhuǎn)子應(yīng)力集中，提高機(jī)油泵使用壽命。襯套也是該結(jié)構(gòu)中最容易損壞的部件，而且襯套承載區(qū)受到的循環(huán)交變應(yīng)力是導(dǎo)致襯套合金層失效的主要原因。因此，研究機(jī)油泵襯套在使用狀態(tài)下的受力及裝配質(zhì)量對(duì)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行可靠性具有重要意義。

2 機(jī)油泵襯套失效分析

該柴油機(jī)的機(jī)油泵潤(rùn)滑系統(tǒng)由機(jī)油泵襯套、機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子、機(jī)油泵外轉(zhuǎn)子等零部件組成（圖1），在使用過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)油泵襯套抱死脫落（圖2），通過(guò)失效件及原理分析故障的主要原因?yàn)闄C(jī)油泵襯套壓裝裝配應(yīng)力不滿足要求，機(jī)油泵襯套產(chǎn)生塑性變形，襯套與機(jī)油泵外轉(zhuǎn)子之間無(wú)法形成有效潤(rùn)滑油膜，接觸表面形成微動(dòng)磨損（黏著磨損），磨損顆粒無(wú)法從摩擦表面排出，由于有較硬磨損顆粒滯留在其中，因此微動(dòng)磨損兼有磨料磨損的特性[1]，磨損嚴(yán)重時(shí)襯套發(fā)生游移，最終導(dǎo)致脫落失效。

3 襯套壓裝過(guò)程關(guān)鍵控制變量分析

3.1 襯套受力分析

機(jī)油泵襯套采用過(guò)盈聯(lián)接的方式裝配在缸體上。根據(jù)機(jī)油泵襯套及缸體加工尺寸公差，為便于計(jì)算可以將襯套與缸體的配合看作2 個(gè)圓柱套筒的過(guò)盈聯(lián)接。襯套在實(shí)際工作過(guò)程中的主要受力為（圖3）：襯套在過(guò)盈裝配過(guò)程時(shí)受到的接觸應(yīng)力p（過(guò)盈量為δ），油膜對(duì)襯套徑向的油膜壓力p′，油膜對(duì)襯套的周向摩擦力f。

3.2 壓裝力計(jì)算

該機(jī)構(gòu)機(jī)油泵系統(tǒng)襯套采用壓力壓裝的方式進(jìn)行裝配。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)襯套與缸體所處的狀態(tài)為平面應(yīng)力狀態(tài)；在結(jié)合長(zhǎng)度上的結(jié)合壓力為常值；材料的彈性模量為常值[2-3]。

襯套安裝時(shí)主要傳遞軸向壓裝力為F，軸向滑動(dòng)忽略不計(jì)，即F≥Ff，F(xiàn)f為軸向摩擦力。

式中，d為配合公稱直徑；l為配合面長(zhǎng)度；p為接觸壓力；η為靜摩擦因數(shù)。

根據(jù)厚壁圓筒理論，對(duì)于特定材料襯套和缸體，配合直徑、材料彈性模量及泊松比均為常量，則接觸壓力p為：

式中，k為比例常數(shù)。

因此，機(jī)油泵襯套與缸體產(chǎn)生的接觸應(yīng)力p主要取決于過(guò)盈量δ，且p與δ成線性關(guān)系，式（1）可以轉(zhuǎn)化為：

同一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸及材料均為常量，過(guò)盈量δ可視為定值，因此，壓入力與壓入深度為線性關(guān)系，當(dāng)襯套完全壓入缸體襯套孔時(shí)，壓入力最大。

根據(jù)以上分析機(jī)油泵襯套壓裝質(zhì)量可以直接通過(guò)壓裝過(guò)程的壓入力F和壓入深度l進(jìn)行評(píng)定，對(duì)該參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控可以有效評(píng)估機(jī)油泵襯套裝配質(zhì)量，確定其過(guò)盈量在要求范圍內(nèi)，提高使用可靠性。

4 壓力位移監(jiān)控方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

4.1 確定監(jiān)控實(shí)施方案

保持原機(jī)油泵襯套壓裝功能不變，通過(guò)對(duì)原有壓裝機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，優(yōu)化控制程序，在壓裝過(guò)程中增加壓力位移監(jiān)控。系統(tǒng)設(shè)定壓力及位移上下限值，參數(shù)保存到監(jiān)控系統(tǒng)中，在壓裝完成后將判定結(jié)果發(fā)送給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），如果合格則正常放行；如不合格則執(zhí)行返修程序，工作原理如圖4 所示，機(jī)械原理如圖5 所示。

在壓裝設(shè)備上安裝壓力傳感器（SSI 傳感器，0～500 kN），自動(dòng)測(cè)量點(diǎn)1 位置，通過(guò)歸0 鍵標(biāo)記原點(diǎn)，之后測(cè)量到原點(diǎn)的絕對(duì)值，如圖6 所示。

在壓裝設(shè)備上安裝位移傳感器（電壓式，量程為0～300 mm），如圖7 所示。通過(guò)設(shè)備運(yùn)行，自動(dòng)測(cè)量電壓與位移的關(guān)系，通過(guò)顛倒信號(hào)，將值顯示在監(jiān)控儀上，如圖8 所示。

4.2 確定判定準(zhǔn)則

裝配過(guò)程中，設(shè)備自動(dòng)采集工件y軸、x軸位移測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)備位移補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)，存至數(shù)據(jù)庫(kù)，由數(shù)據(jù)庫(kù)分配給批處理框架進(jìn)行比較分析，分析結(jié)果返回至制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）系統(tǒng)，由MES 系統(tǒng)傳遞給上位機(jī)和中央處理器（Central Processing Unit，CPU），從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程值的監(jiān)控，命令設(shè)備在機(jī)油泵襯套安裝時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)微處理。

通過(guò)機(jī)油泵襯套壓裝裝置上的壓力位移傳感器捕捉安裝曲線，分析評(píng)估壓力隨位移變化而變化的曲線，根據(jù)一系列評(píng)估窗口監(jiān)控安裝過(guò)程是否合格，評(píng)估曲線函數(shù)為F=Y(X)，F(xiàn)為評(píng)估曲線值，X為測(cè)量位移量，Y為測(cè)量壓力值。

評(píng)估窗口是一系列用于約束曲線的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，符合標(biāo)準(zhǔn)為合格，不符合為不合格。機(jī)油泵襯套壓裝過(guò)程中所用到約束曲線的評(píng)估窗口有3 種：X線（LINE-X）、Y線（LINE-Y）和參考（GET-REF）。

LINE-X：測(cè)曲線必須穿過(guò)LINE-X一次，并且必須按照指定的方向穿過(guò)（即從下往上或從上往下)。評(píng)估窗口LINE-X可用于監(jiān)測(cè)X值是否在設(shè)定的X值公差范圍內(nèi)，過(guò)程值也是一個(gè)X值，如圖9所示。

LINE-Y：測(cè)曲線必須穿過(guò)LINE-Y一次，并且必須按照設(shè)定的方向穿過(guò)（即從右往左或從左往右)。評(píng)估窗口LINE-Y可用于監(jiān)測(cè)Y值是否在設(shè)定的Y值公差范圍內(nèi)，過(guò)程值也是一個(gè)Y值，如圖10 所示。

圖1 機(jī)油泵系統(tǒng)

圖2 機(jī)油泵失效

圖3 襯套受力示意

圖4 工作原理示意

圖5 機(jī)械原理

圖6 壓力傳感器

圖7 位移傳感器

圖8 監(jiān)控儀

圖9 評(píng)估窗口LINE-X

圖10 評(píng)估窗口LINE-Y

GET-REF：此評(píng)估窗口用于在預(yù)期的范圍內(nèi)檢測(cè)重要的曲線屬性及其X和Y坐標(biāo)。然后這些檢測(cè)到的內(nèi)容可用于其他評(píng)估窗口的參考點(diǎn)或評(píng)估窗口計(jì)算（Calculator，CALC）的輸入，如圖11 所示2 個(gè)紋波之間的X偏差。

圖11 評(píng)估窗口GET-REF

壓力位移曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)進(jìn)行綁定并保存在服務(wù)器中，便于質(zhì)量追溯。壓裝過(guò)程中最大壓力及最大壓力時(shí)的位移保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，測(cè)量曲線如圖12 所示。該系統(tǒng)采用溫度差值補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)消除因環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，保證安裝位置精度滿足要求。

圖12 監(jiān)控曲線

同時(shí)系統(tǒng)增加視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)最終安裝效果進(jìn)行確認(rèn)，確保安裝后機(jī)油泵襯套油孔與缸體油孔對(duì)正。檢測(cè)過(guò)程中被測(cè)對(duì)象的圖像經(jīng)過(guò)逐行掃描電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機(jī)轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)。該電壓信號(hào)被圖像采集卡采集并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字格式后，在LabVIEW 環(huán)境中通過(guò)MAQ Vision 模塊編寫圖像采集與誤差補(bǔ)償程序，基于該系統(tǒng)的圖像畸變校正分為2 個(gè)步驟：標(biāo)準(zhǔn)柵格樣板設(shè)計(jì)及其圖像獲取和灰度校正，裝配效果如圖13 所示。

圖13 襯套油孔與缸體油孔相對(duì)位置

4.3 控制變量驗(yàn)證

根據(jù)機(jī)油泵套尺寸公差及壓裝力理論計(jì)算值設(shè)定評(píng)定窗口范圍，并開(kāi)啟“自學(xué)習(xí)”功能，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)盈量、摩擦系數(shù)及壓入力之間呈現(xiàn)“正相關(guān)”，但因工件的差異性，并不完全符合線性比例關(guān)系。為驗(yàn)證各變量之間正相關(guān)關(guān)系，在機(jī)油泵襯套精鏜外徑工位對(duì)鏜刀加工尺寸進(jìn)行調(diào)整，制作一批外徑偏小的機(jī)油泵襯套（分別偏小0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm）進(jìn)行壓裝驗(yàn)證，驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 機(jī)油泵襯套壓裝數(shù)據(jù)表

通過(guò)驗(yàn)證可以看出各變量之間存在強(qiáng)相關(guān)，通過(guò)檢測(cè)機(jī)油泵襯套壓裝過(guò)程中的最大壓入力和壓入深度可以有效評(píng)估裝配質(zhì)量（可以間接確認(rèn)機(jī)油泵襯套和缸體加工質(zhì)量），使裝配過(guò)盈量保持在最佳范圍，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)裝配可靠性。

4.4 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制

通過(guò)定期對(duì)測(cè)量結(jié)果（圖14）進(jìn)行過(guò)程控制（Statistical Process Control，SPC）統(tǒng)計(jì)分析確認(rèn)機(jī)油泵襯套壓裝質(zhì)量及變化趨勢(shì)，確保壓裝過(guò)程始終處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，并保證過(guò)程能力指數(shù)（Cp、Cpk）大于1.33，分析結(jié)果如圖15 和圖16 所示。

圖14 測(cè)量結(jié)果

圖15 最大壓入力分析

圖16 最大位移分析

5 實(shí)施效果

通過(guò)對(duì)機(jī)油泵襯套壓裝過(guò)程最大壓入力及位移的監(jiān)控，有效評(píng)估壓裝質(zhì)量，不斷提高機(jī)油泵襯套、缸體的加工質(zhì)量，保證裝配過(guò)盈量穩(wěn)定在最佳范圍內(nèi)。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證及市場(chǎng)考驗(yàn)，機(jī)油泵襯套綜合故障率降低至0.001 7%以下（故障趨勢(shì)如圖17 所示，使用月數(shù)（Month In Service，MIS）是指銷售出貨日期與故障件退回日期的差值，如12 MIS 指出廠處于質(zhì)保的使用12 個(gè)月內(nèi)的故障），同時(shí)通過(guò)改進(jìn)節(jié)省生產(chǎn)制造及售后服務(wù)成本約510 萬(wàn)元。一年多時(shí)間，近二十萬(wàn)臺(tái)，最長(zhǎng)里程一百五十多萬(wàn)公里無(wú)類似故障的發(fā)生，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，客戶滿意度由86%提升到97.2%，大大提升了產(chǎn)品品牌效益。

圖17 故障趨勢(shì)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵襯套為研究對(duì)象，結(jié)合過(guò)盈聯(lián)接及厚壁圓筒理論分析，通過(guò)在線檢測(cè)及監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用，很好的解決了發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，在提升產(chǎn)品可靠性及用戶滿意度中效果顯著。

結(jié)合數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢(shì)及廣泛應(yīng)用，通過(guò)融合智能傳感器、邊緣計(jì)算系統(tǒng)、智能檢測(cè)平臺(tái)等一體化方案，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、多區(qū)域、多類型的缺陷檢測(cè)，解決在復(fù)雜檢測(cè)中的痛點(diǎn)問(wèn)題，有效提升產(chǎn)線效率和產(chǎn)品質(zhì)量。