气密性检测技术在发动机生产过程中的应用.doc

-气密性检测技术在发动机生产过程中的应用 生 S H O P 产 S O 现 L U 场 T I O N 一汽-大众汽车有限公司发动机传动器厂 王 勇 马 凯 1 国内外气密性检测技术现 状及优点 （1）国内外气密性检测技术现状 气密性检测技术属于气体泄漏检测中的一种，气体泄漏检测包括毒性气体泄漏检测、可燃气体泄漏检测及气密性检测。前两者大多通过化学传感器进行检测。气密性检测技术广泛应用在汽车制造等行业，是保证产品质量、生产安全的重要手段。由于我国气密性检测技术起步较晚，在20世纪60年代中期才开始在各个行业和研究机构应用传统的湿式泄漏检测设备，而此时国外现代气密性检测设备的理论概念已日趋完善。随着电子技术的迅猛发展，基于流体力学理论的新型气密性检测设备在各个行业的应用 也日趋广泛，极大地提高了产品的质量和安全性。 为了提高检测精度和效率，实现检测自动化，目前比较流行的气密性检测方法是差压法。被测容器如果有泄漏，必然造成容器内气体质量的流失，使容器内原有的气压减低，通过测量容器内气体压力降可以推导出实际容器泄漏的气体量，以达到检测气体泄漏量的目的。泄漏流量与差压的关系可以用下式表示： VL QL = t V VT P 1 + PT = VT + tP0 P VR 式中，PT为测试压；P0为外界压力（大气压）；VL为排到大气中的泄漏量；P为差压；QL为气体泄漏流量；t为产生差压P相对应的 测试时间。其中PT、P0均为绝对压力。 基于上述基本原理，国内外众多厂家都开发出了气密性检测仪，比较著名的有法国ATEQ公司、美国的USON公司、日本的COSMOS公司等。ATEQ公司为世界制造气密性测试仪器的先驱，涉及汽车、医药、家电、压铸、包装、阀门、煤气、电子、建筑、航空等领域。USON公司也生产很多种类型的测漏仪，它的新型Vector系列提供了多种检测模式，同时考虑到了测漏性能、泄漏量，并针对实际应用中不同被测物的容积和泄漏量大小提供相应的产品。COSMOS主要生产针对特殊化学气体的泄漏检测设备。目前欧美及日本的几大试漏仪见表1。 （2）现代气密性检测技术的优 ( ) 生 S 点 气密性检测的常用方法有气泡法、涂抹法、化学气体示踪检漏法、压力变化法、流量法、超声波法等。传统的检测泄漏方法多采用气泡法和涂抹法。气泡法是将工件浸入水中，充入压缩空气，然后在一定时间内收集泄漏出来的气泡以测出泄漏量。涂抹法是在内部充有一定气压的工件表面涂抹肥皂水一类的易产生气泡的液体，观察产生气泡的情况以检测泄漏量的大小。这2种方法操作简单，能直接观察到泄漏的部位和泄漏情况，但由于事先不知道工件泄漏的部位和几处泄漏，难以收集全气泡，影响测量的准确性；其次，对于体积大、笨重、外表面复杂的零件，气泡附着于零件底部和褶皱处而不易观察；测试完后需要对工件进行清扫干燥处理，无法实现自动、定量测漏。因此，这2种方法不能满足高精度、高效率的生产需求。目前，气泡法和涂抹法主要被当作寻找漏点和调试的手段使用，而且只能采用水基中性发泡剂，避免造成发动机的锈蚀或引起其他机械和电器故障。 现代气密性检测广泛采用的介质是空气，精度可以达到检测 10 m孔隙的水平（通常无需检测小于10 m的孔隙）。在采用泄漏检查仪的基础上，再辅以上、下料机构，自动密封装置及电气控制、液压、气动系统即可组成一个可用于加工生产线上的泄漏检查设备试漏机。试漏检查仪的出现使得零部件的泄漏在线检测成为可能，采用这种装置可满足批量生产中对零部件泄漏情况检测的要求，大幅提高产品的品质质量。采用试漏仪的气试方法具有检测速度快，结果准确可靠，不污染工件等优点，因而 产 S O 现 L U 场 T I O N HOP 使生产线中对产品的100%泄漏检测成为可能。 材料、结构及实际工作状态下的工作重点。 在泄漏率较小（液体泄漏率几乎为零）的情况下，空气与液体的泄漏率之比无法计算出；对于较大的泄漏率，两者的粘度比可近似为泄漏率之比。 同样，工件壁厚、表面状态及疏松结构（铸造砂眼、裂纹）也起到关键作用。 在工业生产中，从经济角度考虑确定允许泄漏率是很关键的，检测应该是在必要条件下尽可能精确，而不是越精确越好。如果允许泄漏率定得比需要的低，废品率会增大，生产成本则提高。 最终的允许泄漏率必须通过试验确定，在某些情况下，可得到经验数值或推荐的数值。 b.测试压力 气密性检测的另一个重要指标是测试压力。通常，允许泄漏率都要参考给定的测试压力，而测试压力都是参照工件实际工作状态进行选择。 确定测试压力时会遇到泄漏率与测试压力的关系问题。疏松度高，泄漏率正比于测试压力；疏松度低，泄漏率与测试压力之比变小。见图1。 （3）汽车发动机零件允许泄漏率举例 发动机零部件的测试压力一般 2 气密性检测的目的及基本 概念 （1）气密性检测的目的 气密性检测的目的就是在生产过程中尽早对工件能否保证在以后的使用条件下不漏做出判断，避免对泄漏的工件作进一步加工和装配，这叫“废品剔除”。 在自动气密性检测中，即使要求工件必须是液密的，也用空气或其他专用测试气体作为检测介质。这是因为气体的粘度低于液体，用气体作为检测介质可获得很高的测试精度。 （2）密封和泄漏的概念 密封是一个相对的概念，没有绝对密封不漏的工件。工件在不同的应用条件下，对密封程度有不同的要求，因此必须首先根据不同工件的实际工作情况确定进行气密性检测的方法、检测压力以及工件允许的泄漏率。 a.允许泄漏率 发动机的零部件必须是水密的或油密的，其他则必须是不漏气的。尽管实际工作时液体无法渗透工件质地疏松的区域，但气体则可透过并被检测到。可见，当提出工件是否泄漏的问题时，实际上是确定工件的允许泄漏率，这样可认为： 实际泄漏率<允许泄漏率=密封（合格） 实际泄漏率>允许泄漏率=不密封（不合格） 允许泄漏率随具体应用而不同，它取决于很多因素。如工件的 图1 泄漏率与检测压力关系 生 S H O P 是实际工作压力或稍大于其实际工作压力。部分发动机零部件允许泄漏率见表2，同类型工件铸铁的值要 产 S O 现 L U 场 T I O N 入参考工件，实现对容积或状态不稳定的工件进行检测。采用差压法可在检测压力较高的情况下检测到 正时显得十分方便，因为不再需要知道确切的测试容积。 a.质量流量法 大于铝合金的值。因为铸铁的疏松程度要大于铝合金。 很小的泄漏。 以具体的实现方式来区分，压力测量法还可分为压力降测量和压力升测量。 压力降测量是向被测件充以正压，然后测量其压力下降幅度。这种方式实现起来最简单，因而最常用。 压力升测量受温度变化，密封装置和工件容积不稳定的影响小于压力降测量，在正压状态下工作时，压力升测量可以没有平衡阶段，并且使用的测试压力不受测量元件的测量范围限制。差压法测试原理见图3。 质量流量法有如下特点：因为采用质量流量传感器，所以测量信号不仅与测试容积无关且不受检测压力限制。测量结果直接以标准状态下的泄漏率mL/min显示,不像压力法测量中要将压力变化换算成泄漏率。当被测腔容积较大且允许泄漏率较小时，采用质量流量法可最大限度地缩短测量时间。这一点使得质量流量法非常适用于发动机曲轴箱的在线检测。质量流量法测试原理见图4。 3 几种不同的气密性检测方 法及原理 以干燥空气为介质的自动气密性检测，或者说密封性试验，是基于被测容腔内的空气流失所产生的物理效应，即通过对压力变化或流量的测量来实现的。 （1）压力检测方法 在工业泄漏测试中，压力测量是最常见的方法，在测试腔较小的情况下，可检测到0.1 mL/min或更小的泄漏率。 a.绝对压力法 绝对压力法有如下特点：测试系统结构紧凑、自身容积小、测量范围宽等特点。但是，它的检测分辨率取决于使用的测试压力。绝对压力法测试原理见图2。 图4 质量流量法 b.体积流量法 体积流量法一般不用于进行气 图3 差压法测试原理 密性检测而是用于流量监控中。如果采用差压传感器作为测量元件（即层流管式流量计），可在进行降压法泄漏测试前对被测系统中的通道进行流量监测。比如对燃油系统和喷嘴的测试。体积流量法测试原理见图5。 （2）流量检测方法 不同于压力测量中测量信号随 图2 绝对压力法 着测试容积的增大而减小, 流量测量的测量信号与测试容积无关,而是直接反映泄漏率的大小。因此，在被测腔容积较大时可显著缩短测量时间。而且，这一点在系统设置和校 b.差压法 差压法有如下特点：检测压力高（可达80105 Pa）；系统分辨率与使用的检测压力无关；可通过接 生 S H O P 产 S O 现 L U 场 T I O N 响，可能造成工件被错误的判断为泄漏。稳定步骤开始时充气阀关闭，将测试回路与气源断开，使测试回路内的气压趋于稳定便于下一步的测量。根据在测量过程中差压传感器测得测量结束时与开始时测量回路内的压力差值为P，LPG794内的处理器按照下面的公式计算出工件的泄漏量，并且与设定的允许泄漏限值进行比较，进而判定工件是否合格。 图5 体积流量法 DUT2用于判定工件是否密封。一般超过DUT2限值（压力限值）的工件往往根本就不密封，存在着较大的质量缺陷。 （2）短发动机的试漏应用 在短发动机总成试漏过程中RSH装配线使用JW FROEHLICH公 司的MFL40试漏仪。根据短发动机曲轴箱较大而允许泄漏量较小且要求试漏时间短的特点，检测采用质量流量法进行。 a.系统组成结构 图7 燃油导轨试漏过程 Q工件泄漏率 = P 60（Min） V工件容积 （2） T（测量时间） P大气压力 式中，Q工件泄漏率，mL/min；P，Pa；60（常数），s/min；V工件容积，mL；T测量时间，s；P大气压力，Pa。 4 一汽-大众发动机总成及 零部件的试漏应用 （1）燃油导轨总成的试漏应用 车间在分装燃油导轨总成过程中使用LPG794试漏仪。根据燃油导轨总成部件的特点，检测采用差压法进行。 a.系统组成结构 系统结构见图6。 短发动机试漏系统 结构见图8。 短发动机试漏系统使用的MFL40为双通道试漏仪。试漏仪的每个通道都由一个比例调节阀、定量储气缸（JW FROEHLICH公司系统特有）、质量流量传感器、压力传感器和一些开关阀所组成。 压力传感器在系统中起到监控系统压力的作用。如果工件根本就不密封，那么在充气结束后系统将没有气压，也就没有气体的流动。这样工件的泄漏就不能通过质量流量传感器被测得，只能通过压力监控得以判定。 b.短发动机试漏系统的工作过程 系统工作时，阀V0、V1打开， c.燃油导轨总成试漏参数举例 现生产使用的LPG794内有2套用于不同体积的燃油导轨总成的试漏程序。现以内部容积为120 mL的 图6 燃油导轨总成试漏系统 燃油导轨试漏参数进行说明，见表3。 表3中，1套试漏程序由3组不同的测试参数组成。这3组不同的测试参数主要区别在于测试的压力及允许泄漏率不同。因为燃油导轨总成零件上装有燃油压力调节阀（开启压力约3105 Pa），使得在进行高压测试过程中测试腔的容积要大于其他两个测试过程，所以在参数上测试容积存在着差异。允许泄漏限值DUT1用于判定工件是否泄漏， 测试系统主要由比例压力调节阀、充气阀、压差传感器及泄漏测试控制单元组成。 b.LPG794的工作过程 LPG794测试工作过程见图7。在充气过程中，通过比例调节阀将设定压力的压缩空气充入测试回路。在平衡过程中通过LPG794控制充压至规定的测试压力。这个步骤在系统没有参考工件时是非常必要的，因为在充气期间热效应的影 生 S H O P 产 S O 现 L U 场 T I O N 通道1进行水循环系统的测试，通道2进行机油循环系统的测试，通道3（功能通道）进行机油循环系统和水循环系统 图8 短发动机试漏系统 试不合格，不进行流量的评估。VEX FILL PRESSURE为定量储气缸的充气压力，由于系统测试时是用定量储气缸内的气体向短发动机水循环系统充气，所以此气缸的压力会高于测试压力，使用定量储气缸便于系统充气后快速稳定、平衡，使测试过程的时间大大缩短。TEST PRESSURE为测试压力。FL-CORRECTION为流量传感器的修正值，此修正值可用于修正系统的测试偏差，使测量得到的结果更接近于实际的泄漏率。TESTVOLUMEFACTOR为测试容积系数，可近似看作水循环系统内腔的容积与定量出气缸的容积之比， 由于定量储气缸和水循环系统内腔容积的差异，使得质量流量传感器测得的值再乘以此系数后才是水循环系统的实际泄漏率。 MFL40通道3（油水互漏）测试参数见表5。 由于通道3为功能通道，所以测试参数 的结构与通道1、2有所不同。表4中参数的含义与表3介绍的大体相同。在实际的测试过程中，由于水循环系统的测试压力大于机油循环系统的测试压力，内部泄漏发生时往往表现为水循环系统测试不合格，但在漏点判定时却找不到外部漏点。 互漏的评估。 短发动机试漏机的MFL40内只有1组试漏参数供RSH-2V发动机试漏使用。试漏机使用的MFL40是双通道1与通道2在试漏参数的格式上是一致的，只是参数根据试漏部位的不同而略有差别。MFL40通道1（发动机冷却水循环系统）测试参数见表4。 压缩空气通过各通道的气压调节单元（比例调节阀）以设定的充气压力向各自的定量储气缸充气。充气结束后V0、V1关闭，系统等待工件密封及测试开始的信号。由于短发动试漏要求检测是否存在机油循环系统与水循环系统之间的互漏，所以在测试开始信号发出后，阀V3、V5、V6打开，由发动机机油循环系统的定量储气缸以规定的测试压力向短发动机机油循环系统充气。由图8可见，与水循环系统相连的质量流量传感器由于阀V6打开，使其另一端直接通大气。只要机油循环系统和水循环系统之间不密封，气流就会被水循环系统的流量传感器S0测量到，该阶段结束后，将对内漏程度作出评估。紧接着阀V6关闭、阀V2、V4打开，水循环系统的定量储气缸以规定的测试压力向短发动机冷却水循环系统充气，同时开始了对水循环系统和机油循环系统的气密性检测过程。在机油循环系统或水循环系统及测试系统充气相继达到足够的平衡后，则阀V2、V4相继关闭，开始测量阶段。测量阶段定量储气缸到试件泄漏的气流被质量流量传感器S0、S1所感知，并以数字显示压力传感器S2、S3监控测试系统的测试压力。在该阶段结束时系统将对测量结果进行评估。 c.短发动机试漏参数举例 通道外加一个检测机油循环系统和水循环系统互漏的功能通道。 表3中，VEX FILLING为系统向定量储气缸内充气时间。PART FILLING为定量储气缸向测试工件内充气时间。MEASURE为测量时间。FLOWLIMIT为设定的允许泄漏率限值，在测量结束后系统将得到的水循环系统泄漏率与此限值进行比较，超出此限值则被判 定为不合格。PRESSURE MONITORING为压力监控的限值，当压力传感器监测的压力低于MIN值或高于MAX值时，系统将优先根据此结果判定水系测 生 S H O P 这时，通道3所测得的数值会作为判断是否存在内部泄漏的参考。 产 S O 现 L U 场 T I O N 量流量法来进行试漏。 （2）影响气密性检测精度的因素 a.检测容积的影响 对于一个特定的泄漏率值而言，若检测容积增大，则相应的压力降低的速度就降低，因而测量时间需要相应增加。在一些特定的条件下，若不设法减少测量容积，则可能无法达到测量需要的灵敏度。 b.检测压力的影响 泄漏率对测试压力的依赖性，对不同的测量条件是不同的。一般而言，对于多孔性(如铸造气泡、裂缝)较高时，试验压力对泄漏率的影响较大，而对于多孔性较低时则影响较小。另外，随测试压力的增高，还会带来诸如温度影响，所需稳定时间加长等一系列问题。因此，建议对特定的工件可采用在一定压力范围内进行泄漏检测，然后选择一个满足测试要求的较低的压力确定为最终的测试压力。试漏机试漏压力的选择必须充分考虑被测零件各个机构对于最大测试压力的承受能力。例如，在我车间采用的试漏机试漏压力最大为绝对压力2.3105 Pa，在EA113滚子摇臂发动机上，水泵的动环和静环之间存在密封，如果压力超过3105 Pa，有可能会破坏该密封,造成水泵漏水或者异响的故障。 c.温度对检测的影响 对于处于密闭容器的气体而言，当温度升高时，其内部的压力随之升高。因而温度的变化不可避免地成为影响压力变化的重要因素。一般估计这种影响的范围大致在温度每变化1 引起的压力变化为0.36%的测量压力值。因而，随测试压力的提高，温度的影响会变得明显。 采用差压法测量时，当采用的参 考件与测量工件具有相同的几何形状及内腔容积时，由充气本身引起温度变化效应可被测试系统自身消除。但当被测件温度与环境温度不一致时，采用差压法测量也无法消除这种温度的影响。对在生产线上应用的试漏机而言，其工序安排、在车间的安放位置等均是应该在影响测量结果的考虑因素之内。例如，在发动机气缸体、气缸盖生产线上，常常把试漏工序安排在工件加热清洗之后，若清洗工序后没有足够的时间令工件冷却至室温，则不可避免地会对测量结果造成影响。 温度对测量结果的影响对不同的测量对象而言也是不同的。工件的几何形状、内腔容积、表面积的大小、工件的材料等都会成为影响温度效应的因素。工件表面积大，内腔容积小，材料的导热性好，温度的影响就较显著。在通常的测量条件下，由于测试时间较短，温度的影响不会十分显著。但若温度的影响不容忽略时则应采取相应措施，在其他的条件难以改变时，可考虑采用如下方法。 5 气密性检测设备在应用中 的影响因素 （1）气密性检测方法的选择 首先对绝对压力法与差压法进行比较。一般而言，对一个压力传感器来讲，其所能达到的分辨率为1/5 000；对于5105 Pa的传感器而言它的分辨率即为10 Pa，而对于0.5105 Pa的传感器而言，它的分辨率即为1 Pa。由于差压式测量的传感器只需测量系统压力相对于测量压力的改变值，因而传感器的量程可大大缩小。再者，由于差压法是将系统测量压力作为测试零点，只是记录压力与系统压力的偏移值，因而诸如零点飘移，温度飘移的影响只与差压传感器的测量范围有关，而与测试时的测量压力无关。例如，1/1 000的飘移量对测试压力1105 Pa系统而言，其飘移量值为100 Pa；相反采用压差法测量1/1 000的飘移量，对于2 000 Pa量程的传感器而言，其飘移量值为 2 Pa。 可见，如果从测量精度上讲，差压法测量精度要高于绝对压力法。但在实际生产条件中，一般而言，绝对压力法的测量精度已能满足测量要求，且由于采用绝对压力法不需参考件，测量系统比较简单，可以降低造价。至于对大泄漏量的情况，推荐使用流量法进行测试。例如，在我车间使用的燃油导轨泄漏检测仪即采用了差压法进行泄漏率测量，由于燃油导轨允许泄漏量较低；而在发动机曲轴箱、油道、水套等的试漏中，被测空间大，生产节拍要求高，在46 s内完成发动机运输、检测、判定等工作内容，JW FROEHLICH公司采用了质 降低测试压力或者采用真空法 测试，以降低温度的影响。 采用带温度补偿功能的仪器。 即对高温工件进行大量检测，记录P、t值，作出P-t曲线，根据曲线作出PLeak(不合格限度)-t曲线，再将数值输入温度补偿程序。为使温度补偿准确可靠，这些工作必须在现场的生产条件下进行。 d.稳定时间对检测的影响 当充气时，压缩空气由受压状态进入一个密闭容器后，将引起一系列的热力学-动力学变化，即当一定体积的压缩空气迅速移至一密闭容器后，其压力会发生降低，若此时进行测量，则这种压力的变化会 生 S H O P 被视作一个由泄漏所引起的压力变化，影响测量结果的准确性。这种“冲气效应”受充气压力、测试容积及测试件材料影响。当充气压力或测试容积增加时，这种充气引起的压力降低随之变得明显。解决这个问题的办法之一是在充气与测量之间增加一段稳定时间来消除这种影响。稳定时间的长短需要根据具体测量对象来确定。例如，对一个内腔容积为1 000 mL、充气压力为3105 Pa的铸铁测试对象的测试表明，要完全消除这种效应，稳定时间大约需要30 s。 在生产线上应用，稳定时间过长将影响生产线的生产节拍，这时可行的措施就是采用差压法测量。在差压测量系统中，由于引入参考件，这种效应在测试件回路及参考件回路中同时产生，因而可以在很大程度上降低这种影响。参考件的选择可以采用如下： 产 S O 现 L U 场 T I O N 增加稳定时间来达到目的。 e.零件封堵方式对测量的影响 零件的封堵在测量过程中必须保证其位置不发生改变，通常的做法是在封堵位置的终端采用挡铁以保证钢件与钢件的接触。 举例来讲，对于一个测试