活塞检测（精选七篇）
活塞检测 篇1
对产品质量特征值进行在线检测是制造质量控制的重要前提,建立在此基础上的在线质量控制则是实现质量持续改进和质量突破的关键。活塞环是发动机内部的关键零件,它的主要作用是密封气缸内部的燃气,将气体泄漏量控制在最低限度。漏光度是衡量活塞环气密性的关键质量特性指标之一,它直接影响到发动机的工作寿命、燃油消耗、机油消耗、功率、排放等重要性能指标。发动机内部活塞与气缸壁之间并非直接接触,而是以活塞环作为中间介质实现往复运动。在理想工作状态,活塞环与气缸壁之间应该密闭良好且无缝无隙;而在生产实践中,因受制造过程中各种复杂因素的耦合影响,导致活塞环与气缸壁之间不可避免地存在着缝隙。对缝隙漏光的检测是活塞环质量控制的关键,传统人工目视检测难以避免主观误差,弃真和存伪的概率较大,实现漏光度的在线自动检测有利于漏光原因的深入分析和推理,以便进一步提高产品制造过程的质量控制水平[1,2]。本文提出了一种活塞环漏光度的在线检测方法,实现对漏光信息的实时采集、数值分析及机理探究,为后续的产品质量改进和工艺优化奠定良好的基础。
1 检测平台的体系结构及工作原理
活塞环检测平台体系结构如图1所示。主要包活塞环漏光度检测系统的工作原理为:活塞环在被置于检测环规的内圆孔上方以后,上下推料板经相向运动定位活塞环于环规内侧检测圆孔内,并使活塞环表面与环规表面保持水平。在活塞环定位完毕后,上下推料板退回至初始位置,活塞环依靠自身弹力使环外表面与环规内圆面紧密贴合。然后光电传感器发射端从一侧平行于环规轴线照射到环与环规的结合面上,若存在缝隙,则透过缝隙的光线会被另一侧的接收端所接收。光电传感器发射端和接收端在步进电机带动下同步沿缝隙转动一周,实现非接触式的动态检测[3,4]。其中,检测环规与旋转平台之间采用机械方式连接固定,可一定范围内根据活塞环规格更换检测环规。随后微机对采集到的数据进行分析,并与规范标准中的要求进行比较,从而得出误差值并绘制出误差曲线及轮廓曲线,并据此分析质量波动的原因并作出调整策略。
利用AT89S52对二相步进电机的专用芯片U C 3 7 1 7进行控制,步进电机带动激光传感器LG5A65PU对工件待测位置进行扫描,并通过电机步距角细分提高系统的分辨精度与定位准确度。动态检测信息经分析和处理后在单片机LCD显示模块与上位PC机上得到实时动态的显示,便于人工的实时干预及处理。位置检测光耦安置于活塞环闭口间隙两侧,用于实现检测初始位置和终点位置的准确识别及系统调零。
2 漏光度信息的检测
2.1 检测任务的功能模块
为了简化具有实时性要求的活塞环漏光度检测任务,设计了单片机的五个主要程序模块(电机控制模块、数据分析模块、LCD显示模块、键盘处理模块及串行通信模块),并利用8051单片机的多任务实时操作系统(RTOS)实现轮转式任务切换。利用VB编写上位PC机程序,对大量历史数据进行分析,找出产生漏光的原因并制定相应的策略。其中电机检测任务流程如图2所示。电机转动采用中断控制方式,上一次检测结束时,触发执行机构完成当前工件的自动落料和下一个工件的自动上料,并对下一工件进行扫描检测,其中电机转动模式包括连续模式、定额模式和单次检测模式。
2.2 漏光质量检测标准
不同类型活塞环漏光度检测要求不同,例如外圆面全部珩磨的无镀层环要求漏光度应为活塞环外圆周长的100%,外圆面镀层并经磨削而无珩磨带的锥面环漏光度应不小于外圆周长的95%。一般要求活塞环外圆面的光密封度应不小于外圆周长的90%,并且闭口间隙左右或范围内无漏光。活塞环外圆的漏光系指外圆与环规壁间的连续弧状光隙,而活塞环外圆与环规壁间呈虚线型接触到间断点状光隙不应视为漏光[5]。
2.3 漏光信息采样
光电传感器LG5A65PU的最大分辨率为0.3µm,活塞环漏光缝隙一般不超过30µm,因此,系统可检测0.3~30µm之间的漏光间隙。步进电机可将单片机输出的电脉冲信号转换为相应的角度位移,实现检测平台的旋转运动。通过控制输入电脉冲的数量、频率及各相绕组的通电顺序可以准确地控制步进电机的启停、转速及转向。检测平台选用二相进电机,为提高定位准确度,采用二项八拍工作方式,即A→AB→B→Ba→a→ab→b→Ba,步距角细分为0.90,则漏光角坐标分辨率也为0.90。既将活塞环外圆面与环规内圆面等分为400个有效检测点。检测前利用软件校准零点,消除连续检测产品可能出现的累积定位误差。
3 检测信息的分析
检测信息既是评判产品质量的依据,也是后续工艺优化和质量改进的基础。在大量检测信息的基础上,通过建立被控对象的质量分析模型,能够有效识别产品质量特征与缺陷,进一步分析质量波动的原因及改进策略[6]。
3.1 漏光信息的特征计算
将检测到的漏光数据压缩成长度为25个字节的数组,数组的每个字节对应环周的每个检测点,检测分析的主要对象包括活塞环点状漏光坐标信息、弧状漏光坐标信息与弧长统计[7]。将活塞环闭口间隙作为参考点,当活塞环压入环规后,检测光路正与闭口间隙对正。检测开始后,逐步进入待测缝隙检测区域,以初始位置光线不通过位置为坐标原点表征相关漏光信息。圆周点状漏光信息可用极坐标(ρ,θ)表示,其中ρ为被测环的直径,θ为角度。漏光弧长l计算如下:
其中,分别为存在连续点状漏光的弧段的起始点和终止点坐标。为步距角。弧状漏光通常为月牙状,月牙中间易于检测,但由于月牙两边缝隙逐渐变小而增加了检测难度。
3.2 检测结果的分析与处理
考虑到机械振动、电磁干扰以及检测平台旋转过程中的跳动或串动。可采取单点单周期多次检测或单点多周期检测检测模式。前者是在保证光电传感器稳定性的前提下,在单周期内通过对每个检测点进行多次采样,增强检测结果的可重复性;后者则是单点单周期内采样一次,在下一周期循环检测时可获得同一检测点的新检测信息[8,9]。若同一检测点的多次采样结果为χ1,χ2,…χn,该点的检测结果直接采用算术平均值滤波处理即为:
对于某些检测精度要求较高的活塞环,可在同一点的检测信息量成倍增加的前提下,利用数据融合技术的优势,进一步提高产品检测的准确度。假设单周期内有N个检测点,多周期检测次数为M检测信息构成数据集合为:
因此可采用基于算术平均值与递推估计的融和处理方法。由递推估计理论可得到检测的估计值为:
其中,H为系数矩阵,χκ为一致性测量数据,为已有检测结果,为递推估计后新的检测结果,分别为的方差。
按照以上方法,重复检测该批次活塞环,测量结果不变。结合理论分析与实践经验,系统可在一定程度上描述漏光特征及进行原因分析。例如活塞环闭口间隙两侧环端面与环规壁不接触或接触不紧密,则表明它存在低头漏光现象,若闭口间隙两端点处有接触,但其后存在一定的漏光弧长,则说明存在抬头漏光。
4 结论
(1)活塞环在线自动检测具有良好的稳定性和实时性,相比人工目视检测方法,有效平衡了检测成本与效率,提高了检测精度并缩短了检测周期。设计的程序具有较好的扩展性,能根据活塞环种类和规格进行调整,因而增加了检测系统的适用对象。
(2)光通量检测值可以准确地反映活塞环的漏光程度,从测量结果可以看出,在保证硬件结构性能和准确度的前提下,活塞环漏光度的检测结果具有较高的稳定性和重复性。
(3)实践结果表明,在不影响检测效率的前提下,对检测数据进行数据融合处理可获得更加逼近真实值的检测结果和更小的质量偏差。
参考文献
[1]和卫星,等.产品质量在线检测与管理系统及若干实际问题[J].仪器仪表学报,2001,22(4):467-468.
[2]秦月霞,等.活塞外圆的非接触式在线检测技术[J].上海交通大学学报,2003,37(S2):37-40.
[3]L.HOWARD,J.STONE,J.FU.Real-time displacement measurements with a Fabry-Perot cavity and a diode laser[J].Precision Engineering,2001,25(10):321-335.
[4]YONGJIN KWON;TERESA WU,Real-Time Maching Quality Inspection For Design For Manufacturing(DFM)[J].Advanced Manufacturing Systems,2005,4(1):21-36.
[5]彭宝成,朱玉峰,冯贵辰.弹力环对活塞环密封及寿命影响的研究[J].润滑与密封,2006,8:97-98.
[6]Jongyoon.Kim,and Gershwin.S.B,Integrated quality and quantity modeling of a production line[J].OR Spectrum,2005,27(2):287-314.
[7]董富刚.活塞环漏光产生的原因和对策[J].内燃机配件,2001,01:27-29.
[8]卢胜利,梁伟昌等.圆锥滚子端面摆动多周期检测与数据融合[J].制造业自动化,2007,29(10):61-64.
柴油机活塞损伤检测维修及预防技术 篇2
活塞是柴油机曲柄连杆机构的主要运动部件, 与气缸盖、气缸体组成燃烧室, 活塞工作时承受高温气体、活塞销巨大的机械应力和热应力, 高速运动还承受着气缸壁摩擦力。因此, 活塞是柴油机中易损的零件, 常见故障有破损、烧蚀、磨损等。因此对活塞进行损伤检测及维修研究成为一种必然[1]。
2 活塞的损伤分析
2.1 活塞顶面损伤分析
活塞顶面损伤有活塞顶面的烧蚀和活塞顶面出现裂纹。活塞顶面的烧蚀产生凸凹不平麻坑, 严重的有烧熔活塞表面。活塞烧蚀使发动机气缸的漏气、高温气体窜入曲轴箱, 导致润滑油温度升高变质, 同时发动机的动力性和经济性下降。其原因主要是不正常燃烧造成的, 使顶部承受过多热量造成的。由于活塞冷却不良时, 在活塞顶上凹坑处产生局部过热, 使金属表面出现烧蚀。另外活塞顶面由于热应力引起的疲劳出现裂纹, 裂纹的方向一般垂直于活塞销孔的轴线。当发动机大负荷工作时, 活塞变形量过大引起活塞疲劳产生裂纹;混合气的燃烧不正常产生积碳也使热负荷过大, 活塞各处受热不均, 形成很大的温度梯度引起的热开裂[2]。活塞材质不合格, 导致高温强度降低, 从而加速裂纹的扩展。烧蚀较轻的活塞, 允许继续使用, 烧蚀严重时必须更换。
2.2 活塞头部损伤分析
(1) 活塞环槽磨损, 以第一道活塞环槽磨损最严重, 第一道环槽处距离燃烧室较近, 易受到燃烧爆炸的冲击, 因此活塞环在环槽里发生强烈的振动, 引起环槽磨损。混合气中或机油中含有灰尘杂质也会引起环槽的磨损。高温高压气体以及油料中的酸性物质引起腐蚀磨损。如果活塞头部和环糟冷却效果差引起其变形、机械性能下降, 润滑不良, 油膜破坏时, 则环槽磨损更加严重。活塞环槽的磨损使活塞环侧隙增大, 气密性下降, 导致发动机烧机油, 功率下降。应及时修理或更换活塞。
(2) 活塞环在环槽内卡滞, 由于长期大负荷工作容易使活塞环在环槽内产生过多的积碳, 活塞环在槽内卡住。因此应尽量减少柴油机过热或长期超负荷工作;防止润滑油变质失效、品质差造成润滑油泵油。购置润滑油必须保证使用合格的产品[3]。
2.3 活塞销孔处损伤分析
若在活塞销选配时, 公差配合不当, 使局部接触过松过紧, 破坏润滑油膜, 使活塞销卡滞加剧活塞销孔的磨损。由于活塞销材料性能差、韧性不足, 将在销座内端出现应力集中, 导致活塞销孔产生裂纹。因此, 生产制造过程中以及选择活塞和销时, 应注重活塞的材料、制造工艺或装配工艺。
当柴油机处于恶劣环境下、保养维修不及时、往往引起进入气缸中的空气含有杂质、润滑不良、活塞环卡滞等条件下工作时, 将导致发动机出现严重机械故障。比如拉缸, 活塞被拉伤;活塞环或活塞裙部咬死在缸壁上脱顶。
2.4 活塞裙部磨损或拉伤分析
活塞裙部在气缸中起导向作用, 使活塞平稳地做往复运动, 活塞裙部与气缸壁间同样产生磨损, 两者之间的间隙变大, 将出现敲缸现象。因此活塞裙部材料应选择热膨胀系数低、耐磨材料。活塞裙部的润滑方式为飞溅润滑, 与气缸壁又有很大的作用力, 机油好坏也是关键, 必须保证其正常的润滑。柴油机长时间高温高速工作之后, 应当让柴油机适当地冷却休息。
2.5 活塞环磨损与折断分析
活塞环在活塞的作用下在气缸内表面作往复运动, 由于摩擦的因素, 活塞环逐渐变细变薄, 导致活塞环弹性下降;活塞环端隙距离增大, 气缸密封性能下降, 活塞环泵油、漏气变得严重。柴油机第一道活塞环更易磨损与折断。如果柴油机加注的润滑油黏度过大;活塞环选配不合理或安装方法不正确等, 也会导致活塞环磨损, 弹力下降或折断。
3 活塞损伤的检修
将活塞放在煤油乳化溶液中浸泡0.5 h后用铜丝刷清洗。清洗后应观察活塞出现顶部烧穿、头部烧熔、环岸损伤或严重磨损、裙部划伤、裂纹, 活塞环槽的表面是否有凸起存在, 活塞与气缸配合间隙过大;如有, 应更换。
3.1 活塞顶部烧蚀的检查修理
对于活塞顶部烧蚀状况采用活塞顶部样板尺和塞尺进行检测。将活塞样板尺置于活塞顶部, 用塞尺测量两侧之间的间隙, 然后使样板尺旋转, 每转45°角测量一次, 做好记录, 选取间隙最大值。若测量间隙最大值超过说明书规定值时应将活塞报废换新。
3.2 活塞裂纹的检修
活塞头部、顶面裂纹主要是热应力、机械应力的作用引起的。为防止裂纹产生, 柴油机应按规定要求进行检查, 及时维护保养冷却系统、燃油供给系统。也可能是设计不良、材质不佳和缺陷等在活塞顶面冷却侧、活塞销座处产生裂纹更是屡见不鲜。可通过清洗活塞观察是否有裂纹, 也可着色探伤进行检查活塞裂纹。当裂纹比较轻时, 可对其进行焊补修理, 顶部裂纹较深较长时则需更换活塞。有时活塞环槽根部也可能产生裂纹, 对于无法修理的冷却侧裂纹则应将活塞报废换新[4]。
3.3 活塞环槽的损伤检修
活塞环槽端面的磨损率小于0.01 mm/kh为正常磨损, 超过即为不正常磨损。活塞环糟磨损使环槽截面形状变宽、变大, 由矩形变为梯形或出现磨台, 使活塞环的侧隙增大, 通常以第一、二道环槽磨损的较严重。
环槽磨损程度是可以利用样板和塞尺对环槽高度进行测量确定的。也可以用一只同种型号的新活塞环代替样板。将样板或活塞环水平放入活塞环槽并紧贴环槽下端面, 用塞尺测量环与环糟上端面之间的间隙, 称为侧隙测量。测量侧隙与说明书标准值进行比较。超过极限值时, 说明环槽磨损严重, 应予更换活塞。同时, 侧隙的测量还可以用来检测活塞环厚度磨损。
3.4 活塞外表面的磨损检测
活塞裙部外表面磨损后, 垂直活塞销方向直径变小, 与气缸的间隙增大。一般情况下采用外径千分尺、游标卡尺测量活塞的直径来检验活塞的磨损程度。测量部位分别为活塞的上部、中部和裙部的外径。测量每一部位的横截面上平行活塞销方向的直径和垂直活塞销方向的直径。将测量值进行记录, 计算出每个横截面的圆度、纵截面的圆柱度, 还是以最大值与标准值比较, 如果活塞外圆磨损极限不在规定的范围内应更换。
3.5 活塞环过度磨损与检测
柴油机正常运转时活塞环存在正常磨损不可避免, 活塞环沿圆周方向各处腐损均匀一致, 并仍与缸壁完全贴合, 活塞环仍具有较好密封作用。活塞环的使用寿命一般为10 000 h左右。实际上活塞环外圆工作表面多为不均匀磨损, 即为非正常磨损。活塞环磨损可通过测量其端隙、侧隙、背隙来判断:
(1) 端隙测量, 端口间隙是活塞环处于工作状态时的开口大小, 是活塞环工作时的热胀间隙。若端口间隙过小会使活塞环受热膨胀时活塞环两端对顶, 活塞环卡死, 严重时引起活塞环折断、拉缸;若端口间隙过大会使气缸密封不严, 高温气体泄漏。所以活塞环规定了端口间隙的范围。
(2) 侧隙测量, 当活塞环与环槽端面磨损后将使端面配合间隙增大。若侧隙过大会使燃气泄漏, 侧隙过小使环热膨胀受阻和影响环在环槽中的运动。实测的侧隙值应在活塞环的侧隙标准之内。当测量的侧隙值大于极限间隙值时, 说明活塞环及环槽磨损严重, 应更换新活塞环;实测侧隙过小, 说明活塞环或环槽产生变形也可能是因脏污积碳影响测量的准确性。一般第一道环的侧隙值较大, 其他环依次减小。
(3) 背隙测量, 活塞环外圆与气缸内壁相接触, 长时间磨损使其径向厚度变小, 采用外径千分尺进行测量径向厚度来衡量活塞环磨损的参数, 即背隙测量。当活塞环背隙或径向厚度小于规定值时应更换新活塞环。
3.6 活塞环的折断与检修
活塞环折断是活塞环严重的损坏形式。活塞环折断会使气缸磨损加剧甚至划伤气缸壁。断裂部位多在活塞环端口附近。活塞环折断一般为材料存在缺陷、加工质量低或使用中润滑维护保养不良和装配质量差所致。活塞环折断要更换新活塞环。
4 活塞损伤的预防
针对活塞损伤以及检修分析, 预防活塞损伤的关键做法是:
(1) 加强对柴油机燃油供给系、润滑系、冷却系的正确使用和维护保养。
合理调整喷油压力、喷油提前角, 保证喷油器工作良好。避免猛轰油门、长期超负荷工作, 使柴油机始终保持良好的技术状态;正确选用、更换润滑油, 防止污染物进入, 及时清洁和保养滤清器。提高进气的清洁度, 降低柴油机的负荷, 避免柴油机产生过热、积碳、爆燃现象。
(2) 柴油机维修过程中, 严格按照技术工艺要求进行装配, 保证零部件质量。
参考文献
[1]杨英, 康建明.机车柴油机活塞环与环槽耐磨性试验研究[J].铁道机车车辆, 2011 (21) .
[2]刘海雄.柴油机活塞环异常磨损及早期损坏的特点分析及预防[J].科技创新导报, 2007 (1) .
[3]吴伯才.船用柴油机活塞环断裂故障分析及处理[J].宁波大学学报, 2001 (2) .
活塞检测 篇3
活塞总检部门检验漏和环槽铝屑检查等工序通常是靠人工检验,每天重复同样工作,很容易造成人的视觉疲劳和懈怠,出现漏检情况,给公司造成巨额经济损失。目前,山东滨州博海精工机械公司在几条总检线上采用基于康耐视视觉软件Vison Pro的检测系统,成功解决了这些问题。
1主要应用
康耐视视觉系统集成在公司自主研发的全自动活塞检测机上,通过Profibus总线与检测机的控制系统进行信号交互。该系统在检测机上有卡簧槽漏加工检测、环槽铝屑检查以及二维码的识别等具体应用。
1.1卡簧槽漏加工检测
该应用主要是检测活塞的2个卡簧槽是否漏加工。2个卡簧槽分别位于活塞两个侧面,无法同时检测,为此在活塞检测机上增加1个旋转电机,并通过齿轮结构带动活塞进行360°旋转。在活塞旋转过程中,检测机会在活塞旋转到180°和360°的时候分别向康耐视视觉系统发一次触发信号,使得视觉系统在此过程中进行两次判断,如果这两次判断的结果都合格,视觉系统就会给检测机发送合格信号,否则,视觉系统会发送不合格信号。检测机的推废品气缸会根据视觉系统发出的不合格信号把卡簧槽漏加工的活塞推出到废品位置。
由于卡簧槽漏加工和已加工时的差别比较明显,因此在硬件配置方面,采用CAM-CIC-300-120-G工业相机(30万像素)。在图像中可以看到加工后的卡簧槽有着明显特征,可以通过“模型匹配”或“查找斑点”的方式实现。“模型匹配”是指首先训练一个标准模型,在设定的一个区域内查找设定好的模型,可以设定查找的角度、缩放比例和合格阈值等参数,工具运行后会返回一个符合模型的分数值,根据结果分数来判断是否有此特征。“查找斑点”是指设置好亮度的阈值,在设定的区域查找黑色或白色的斑点,其形成斑点的最小和最大面积也可进行设置,如果找到斑点面积不在设定的范围内,也会返回0的结果。最后,设定“匹配模型”得分95分以上或“查找斑点”面积位于150~220的活塞为卡簧槽漏加工项目的合格品。
1.2环槽铝屑检查
该应用是为检查在活塞的3个环槽内是否有铝屑残留。由于铝屑可能残留在环槽的任意位置,必须对3个环槽进行360°的全面检查,因此也需要在此检测过程中旋转活塞一周。基于这样的考虑,在设计检测机时,将环槽铝屑检测相机和卡簧槽漏加工相机放置在了同一个工位上(图1)。不同的是,在进行环槽铝屑检查时,需要视觉系统不停的扫描对比。因此,该项目只需检测机在开始检测时发送一次触发信号。视觉系统在收到触发信号后开始检测,直到活塞旋转360°后结束检测,并把检测结果发送给检测机。同样,检测机会把环槽铝屑检查不合格的活塞推出到废品工位。
环槽内的铝屑颜色与环槽周边的颜色一致,亮度一致,不易区分,因此需要照相机有比较高的分辨率,为此选择CAM-CIC-2000-20-G工业相机(200万像素)。该项目采用Pat Max算法的“定位”工具和“斑点”工具的联合应用。“定位”工具主要作用是当活塞转动过程中位置发生偏移时,可以很好找到环槽的位置。其实这里就是通过上面说到的“模型查找”工具,它可以输出找到的模型坐标位置,再通过一个定向工具指向位置点给后面的“斑点”工具;“斑点”工具用来查找设定区域内的黑色斑点,在背景光的环境下,铝屑会形成黑色的斑点,工具里可设置对比度的阈值和最小面积参数,通过现场不断测试,最终其设定值为200~1200。通过这样设置,视觉系统通过“定位”工具来查找疑似铝屑的位置,通过“斑点”工具来确认是否是铝屑,从而完成了对活塞的环槽铝屑的检查。
1.3二维码识别
二维码读取时只需要在软件中将需要读取的范围设置好即可。该项目应用在检测机的打标工位之后。在活塞顶面打完二维码及其他信息后,活塞被推送到二维码读取工位,这是,检测机的控制系统会发出读取二维码的触发信号。收到触发信号后,视觉系统开始读取二维码,若能读出,则给检测机发出读取完成信号;若不能读出,视觉系统会再次读取,连续3次读取失败后,给检测机发出读取失败的信号。
因现场打印的二维码较小,为了保证高读取率,采用500万像素的相机(图2)。读取到的二维码数据会在程序界面中显示,并根据型号所对应的厂家编号、数据长度等信息写入ERP系统,并根据当前活塞型号的录入情况,判断是否已经打印过此数据,如果有重复数据会即刻报警,并将信息反馈给PLC系统以剔除。同时,二维码中包含的分类信息也会被提取出来,以判别活塞分配到后方的料道是否正确,进入各个料道的活塞数量会各自统计,在交班时可用来和包装车间进行数量比对。实现这些功能,需要用到以下软件:软件运行需要安装“VS2010”、“Vison Pro”、“1762驱动”、“SQL2000”等软件。“VS2010”内包含的C#作为编程主体,需要与“Vision Pro”作程序托管连接;“1762驱动”程序可以让主程序访问控制输入输出板卡;“SQL”用于在本地系统设置临时数据库,用来将读到的二维码数据写入到公司的ERP系统。
为了更好的实现这3个项目的检测,还需要一个方便直观的显示界面。康耐视公司在实施此应用的过程中开发的显示界面见图3,图中左上角2个图框内显示了当前被检测的活塞的详细信息,包括实时图像、检测结果、检测频次等;右上角的图框内则显示的是视觉系统与检测机控制系统之间的交互信号的有无,有某一信号时,该信号后的方框内会有“√”表示。显示界面中间的部分用于显示当前活塞被分到哪一个重量的组别,并分别对每一个组别进行分箱整理。显示界面的下半部分显示扫描出的二维码信息,若二维码重码,则该条二维码变红色。
目前,公司正在与康耐视公司联合开发全自动生产线的活塞位置识别、活塞外观综合检测、活塞装环机入料防反等应用。
摘要：针对汽车活塞检测工序存在的问题,采用机器视觉系统解决问题,介绍该系统在活塞检测工序的卡簧槽漏加工检测、环槽铝屑检查以及二维码识别的具体应用。
活塞检测 篇4
在生命体系中, 微血管是人体血液循环中最基层的结构单位, 占体内血管的90%, 深入研究其发病机制将为各种血管病变的早期防治带来新的希望然而, 微血流是时刻循环、变化的动态过程, 静脉抽血检测血样、体外间接检测只能反映瞬间信息, 存在片面性、不准确性[1,2,3,4]。 现有的多普勒受限于大中血管的检测, 且受血流的角度、深浅等影响, 单次抽血、体外多普勒检测均不准确。 项目组研发了人体血液活塞式便携检测系统, 可对人体血液进行无痛、可控、不间断的血样采集和检测, 从而获取患者血液的较为全面的信息, 从整体上实时动态地了解人体的病理、生理状态, 现介绍如下。
1 结构设计
人体血液活塞式便携检测系统包括传感器组中央处理器、血样采集系统、血样检测系统和静脉留置体。 留置体内有传感器组, 用于采集人体血液流体动力学和气体含量参数并输送至中央处理器储存血样采集系统包括采血活塞、活塞驱动装置、采血毛细管和抽吸装置。 留置体内设置有前端开口的活塞通道、毛细管通道, 采血活塞穿入活塞通道并与其往复滑动配合。 活塞通道的通道壁靠近前端开有过流通道, 与活塞通道前端开口的距离大于采血活塞长度。 活塞驱动装置包括驱动电动机和齿轮齿条机构抽吸装置包括缸体、 设置于缸体与其往复滑动配合的活塞以及用于驱动活塞往复运动的活塞驱动电动机, 缸体设置连通于采血毛细管的进液口 (设置进液单向阀) 、连通于血样检测系统的排液口 (设置排液单向阀) 。
人体血液活塞式便携检测系统还包括壳体, 人机对话界面连接于中央处理器, 键和屏幕设置于壳体。 留置体位于壳体外部, 以可拆卸式连接于壳体, 活塞驱动装置、抽吸装置、中央处理器和血样检测系统均设置于壳体内, 中央处理器设有将信息输出至外部计算机的输出端子, 采血毛细管和活塞杆延伸出壳体。 活塞同轴固定设置丝杆, 活塞驱动电动机的转子通过齿轮啮合机构传动设置与丝杆配合的螺母。 缸体内表面设置轴向滑槽, 活塞上设置嵌于轴向滑槽的凸起结构。
2 系统新特点
人体血液活塞式便携检测系统采用能够留置于静脉的留置体, 并通过中央处理器设定采血样的间隔时间, 由血样采集系统采集血样并输送至血样检测系统。 血样采集系统应用于临床, 能够对人体血液进行无痛而又可控不间断的监测、 血样采集和血样检测, 从而获取患者血液的较为全面的信息, 从整体上实时动态地了解人体的病理、生理状态。 另外, 避免了血液凝固、 血液中蛋白等物质沉积影响后续的持续监测和对患者造成创伤等技术难题, 而且采血量极少, 每次采血量在0.05 m L左右, 每天可提供超过300 次血样采集, 并可提供详细的检测结果, 且全天只需要15 m L血液, 少于普通患者的常规住院采血量, 不会损害人体健康, 对指导临床治疗具有较为重要的意义。 图1 为人体血液活塞式便携检测系统的结构示意图。
1. 留 ;2. 采 ;3. 毛 ;4. 过 ;5. 齿 条 ;6. 活塞 ;7. 活塞驱动装置驱动电动机 ;8. 软管 ;9. 丝杆 ;10. 血液检测系统 ; 11. 齿 ;12. 废 ;13. 驱 ;14. 控 ;15. 轴 槽 ;16. 人机对话界面 ;17. 中央处理器 ;18. 控制电路 ;19. 嵌于轴向滑槽的凸起 ;20. 血液检测系统连接通路 ;21. 缸体 ;22. 进液单向阀 ;23. 进液口 ;24. 活塞 ;25. 排液单向阀 ;26. 排液口 ;27. 传感器组 ;28. 信号输出数据线 ;29. 插接 ;30. 壳体 ;31. 螺母 ;32. 外部计算机的输出端子 ;33. 采血活塞 ;34. 活塞通道
3 基本原理及使用方法
留置体内设置有前端开口的活塞通道, 采血活塞穿入活塞通道并与其往复滑动配合。 为避免采血时血液从间隙流出, 采血活塞与活塞通道之间采用无间隙或小间隙滑动配合, 并在采血结束时将活塞通道内的血液排空, 为下一次采血做好准备, 并保持活塞通道的洁净。 留置体内还设置有毛细管通道, 活塞通道的通道壁靠近前端开有过流通道, 与活塞通道前端开口的距离大于采血活塞长度, 毛细管通道前端通过过流通道连通于活塞通道。 采血毛细管穿入毛细管通道以保证采血活塞向前时过流通道与外界和采血毛细管同时连通, 使空气进入毛细管通道以便于采血。
活塞驱动装置驱动电动机的转子与齿轮齿条机构的齿轮传动配合, 齿轮齿条机构的齿条固定设置于采血活塞的活塞杆。 中央处理器的命令输出端连接于驱动电动机的控制电路。 抽吸装置包括缸体、活塞和用于驱动活塞往复运动的活塞驱动电动机, 活塞与缸体往复滑动配合。 活塞驱动电动机的转子传动设置与丝杆配合的螺母, 通过齿轮啮合机构传动配合驱动活塞往复运动。 缸体与活塞之间沿轴向往复滑动单自由度配合, 可采用缸体内设置轴向滑槽的结构, 活塞上设置嵌于轴向滑槽的凸起结构以保证螺母的驱动。 缸体设置连通于采血毛细管的进液口 (设置进液单向阀) 和连通于血样检测系统的排液口 (设置排液单向阀) 。 采血毛细管通过软管连通于缸体的进液口, 利于保证采血毛细管的顺畅动作。
设置于留置体内的传感器组 (传感器可以是压力传感器、流速传感器、温度传感器、各项气体传感器等, 或者根据患者的状况采用不同的传感器) 采集人体血液流体动力学和气体含量参数, 输送至中央处理器储存。 血样检测系统接收血样采集系统的血样, 检测分析后将数据传送至中央处理器储存。 血液检测系统可以采用现有技术的全自动血液检测仪结构: 包括全自动进样针、 分血器、稀释器、混匀器、定量装置和真空泵, 完成样品的吸取、稀释、传送、混匀以及将样品移入各种参数的检测区。 此外, 还设置清洗检测仪管道和排除废液的功能, 将废液排至废液储存罐。 通过中央处理器事先设定检测的时间间隔, 采血后经后续的血液检测仪集成芯片统一检测, 实现多种生物信号的采集、检测, 实现血糖、血脂等生化指标以及细胞因子、血液中的激素水平等数值的检测, 并输入中央处理器储存。
中央处理器的命令输出端连接于驱动电动机的控制电路和活塞驱动电动机的控制电路, 中央处理器根据设定的时间和周期控制驱动电动机和活塞驱动电动机的运转, 完成自动采血过程。 使用时将静脉留置体植入静脉, 采血毛细管插入毛细管通道, 驱动电动机驱动齿轮齿条机构, 采血活塞回撤将血液吸入活塞通道。 当采血活塞退至过流通道后侧时, 血液通过过流通道进入采血毛细管通道并由采血毛细管、 抽吸装置送至血样检测系统。 采血结束后, 采血活塞向前运行封住活塞通道的前端开口, 抽吸装置继续运行直至采血毛细管内的血液全部进入血样检测系统, 进而对血样进行检测并得出结果, 将结果输入中央处理器储存并输出。 同时, 传感器组采集静脉内的血液流体动力学参数 (如血压、流速等和气体含量 (如氧气、二氧化碳等的含量) , 将采集结果输送至中央处理器储存并输出, 达到自动监测、采集和检测的目的。
留置体以可拆卸的方式连接于壳体外部, 长期使用时将其进行连接后固定 (卡接、插接或者螺纹连接等方式) 。 活塞驱动装置、抽吸装置、中央处理器和血样检测系统均设置于壳体内, 采血毛细管和采血活塞的活塞杆延伸出壳体;结构简单紧凑, 可采用较为方便的携带和固定结构, 便于患者自行使用;壳体可制成较小的体积, 可由医疗专业人员为患者随身佩带, 以方便患者在日常生活状况下检测并记录血样数据;中央处理器可装入相应的软件, 患者还可自行输入“事件”标记, 包括进餐、运动、用药等情况, 以利于诊断治疗。
留置体为静脉留置针结构, 毛细管通道、活塞通道、过气通道和传感器组的信号输出数据线均设置于静脉留置针的外套管管壁, 传感器组设置于静脉留置针的外套管管壁前端部, 信号输出数据线通过插接口连于中央处理器;进行血液检测的同时, 还可进行输液等治疗措施, 实现功能多样化。同时, 我们还设置连接于中央处理器的人机对话界面, 将实时采集的数据传送至该界面, 便于实时监控。 中央处理器设有将信息输出至外部计算机的输出端子, 血样采集和记录结束后, 将储存的数据信息传输至计算机, 实时显示或者打印, 为治疗提供有效的理论依据。
4 讨论
血液流变学异常是最终导致微血管病变发展的关键因素, 但是血管 (特别是微小血管) 病变具有隐匿性, 普通的临床检查难以发现[1，4]。 由于现有的直接实时地检测血液信息的方法及技术限制, 目前尚无准确的微血流在体的实时分析方法, 无法认识整体实时微血管流变学信息和病理、生理状态[5,6]。 人体血液除含有细胞成分以外, 在液态的血浆中还含有蛋白质、非蛋白质含氮物质、脂类、糖和其他有机物 (包括维生素、酶、凝血与抗凝血因子等) 与无机物, 以适应机体的需要。 从人体血液中可得知大量的人体状况信息。
现有技术中, 需要对血液进行监测和检测时, 临床多采用静脉抽血和快速指尖末梢血来检测血样, 通过反复针刺采血来实现检测的目的, 不但增加患者的痛苦, 而且使医务工作者的工作量增加。 单一时间采样只能反映固定时间点的血液信息 (即瞬间血液信息) , 存在一定的片面性和不准确性, 即使再频繁的指尖或静脉血测量也无法提供24 h连续的血样信息。 瞬间血样信息值也受运动、饮食、药物、情绪波动等诸多因素的影响, 无法反映患者全面的“血样信息谱”, 也很难发现无症状的血液信息异常。 人体内的许多激素均呈脉冲式分泌, 有基础分泌状态, 也会因紧张、受刺激等因素而升高, 从而引起其浓度在外周血象中的波动, 单纯的一次性采血样不能反映体内各种激素的真正水平, 甚至可能造成错误的检验结果, 给临床诊断和治疗带来错误的信息[7,8,9]。 在多数危重急症中, 为了解患者的病理信息和指导治疗评估预后, 需要多次抽血检测。 但是很多危急重症患者反复抽取血样会损伤组织和血管, 甚至对部分凝血功能异常的患者造成穿刺点出血不止。 患者在病情突然加重时, 会因血容量不足、血管塌陷不能成功地采集血样, 而每天的抽血量过多可能会导致患者在短期内出现贫血。
针对目前的检测缺陷和不足, 我们设计了一种能够对人体血液实现动态实时监测和检测的装置可对人体血液进行无痛而又可控不间断的监测、采集和检测, 能够获取较为全面的患者血液信息, 从而从整体上实时了解人体的病理、生理状态, 对指导临床治疗具有较为重要的意义。 同时, 数据处分析处理后可获知患者1~3 d的血样变化情况, 包括采集时间内的最高和最低血样值、 血样超过或低于设定血样值的时间和所占比例、 血样变化范围以及任何确定时间的血样值等, 也可精确地绘制出每日的血样变化曲线, 在曲线上标明运动、饮食、睡眠、服药、情绪变化等事件的标志, 最终得到完整、详细、全面的血样检测图谱, 为医生提供许多常规血样监测方法不能发现的信息, 使之全面认识人体的病理、生理过程, 从而为临床的及时诊断和合理治疗提供重要的线索[10,11]。
参考文献
[1]刘敏燕, 田慧, 宗文漪, 等.多功能周围血管监测仪评价下肢血管病变的价值[J].中国临床康复, 2006, 6 (10) :111.
[2]Ouriel K.Peripheral arterial disease[J].The Lancet, 2001, 358 (9 289) :1 256.
[3]程捷, 李桃香.下肢多普勒血流检测结果在糖尿病足病健康教育中的应用[J].江西医药, 2011, 46 (10) :965-966.
[4]Tohnosu N, Schener P J.Ultasonographic evaluation of cervical lymph node metastases in esophageal cancer with special reference to the relationship between the short to long axis ratio (L/S) and the cancer content[J].J Clin Ultrasound, 1989, 17 (1) :101-107.
[5]庞全.基于特征光谱识别的光纤化学传感技术[J].仪器仪表学报, 2001, 22 (6) :588-591.
[6]Miwa T, Shirataka M, Sawada M, et al.Non-cladding optical fiber is available for detecting blood or liquids[J].J Clin Monit Comput, 2010, 24 (5) :363-370.
[7]Wallace J D, Cuneo R C, Bidlingmaier M, et al.The response of molecular isoforms of growth hormone to acute exercise in trained adults males[J].J Clin Endocrinol Metab, 2001, 86 (1) :200-206.
[8]Jing J, Yang S, Zhou X, et al.Detection of doping with rhGH—Excretion Study with Wada Approved Kits[J].Drug Testi Analysis, 2011, 3 (11-12) :784-790.
[9]Holt R, Erotokritou-Mulligan I, McHugh C, et al.The GH-2004 project:the response of IGF1 and typeⅢpro-collagen to the administration of exogenous GH in non-caucasian amateur athletes[J].Eur J Endocrinol, 2010, 163 (1) :45-54.
[10]袁申元, 武宝玉.微循环障碍与糖尿病慢性并发症[J].中国微循环, 2006 (4) :73-76.
活塞检测 篇5
关键词：LVDT,活塞销卡环,存在性,位置性
“全浮式活塞销”是指当发动机工作时,活塞销在连杆小头和活塞销座之间有相对运动。为了防止活塞销轴向窜动刮伤气缸壁,在活塞销两端装有卡环,进行轴向定位(图1)。
随着这种“全浮式”设计越来越广泛地运用于发动机活塞连杆组件中,活塞销卡环的装配质量也随之得到了越来越多的重视。这主要是因为一旦卡环出现装配问题,那么在发动机工作过程中,卡环就很有可能会发生松动甚至是脱落,进而引发极其严重的后果。因此,在活塞连杆组件装入发动机前,进行必要的活塞销卡环存在性和位置性检测就显得至关重要。
1 失效模式的分析
受压装设备或工具的装配质量、零部件产品的制造质量,以及零部件装配后的累计公差等因素影响,卡环安装失效模式主要有“无卡环、完全未压装到位和部分未压装到位”几种。
上述典型的失效,在活塞两侧的卡环上都有可能存在。因此,对于卡环在活塞连杆组件中的状态,可能将存在表1所示几种组合形式。
目前,对于卡环安装失效的检测,多数是人工目检,或用工具推击活塞销,观察是否有活塞销向外脱出现象。但是在实际使用过程中,发现其效果却不尽如人意:(1)两个方法均属于纯手动操作,速度慢且操作人员劳动强度较大;(2)检查的结果都是依赖人为的判断,长期观测容易造成操作人员的视觉疲劳,从而导致漏判断或误判断。为了避免上述问题的发生,提高卡环装配质量的检测效果,这里介绍一种新的卡环检测方式。
2 检测系统的设计
从活塞连杆组件最终装配状态入手(图2)。在对比和分析上述卡环状态组合的装配尺寸后,可以发现:相对于合格品而言,一旦发生卡环安装失效,那么两卡环外缘之间的距离就会出现较大范围的变化。如果能通过某种手段检测到这个变化量,那么就可以辨识出卡环安装是否合格。
检测长度上变化量,使用直线位移传感器是比较合适的选择。目前,业内普遍使用较多的直线位移传感器是LVDT(线性可调差动式变压器)。LVDT因具有“结构简单、工作可靠、测量精度高、绝对误差小、线性度好、重复性好、零位可恢复、动态特性好、抗干扰能力强”等众多优势和特点,而应用相当广泛。
本文介绍的就是基于LVDT的检测方式。为了保护LVDT不在反复检测过程中出现损坏,在检测机构中采用机械探针直接接触工件,而LVDT则是通过刚性机构与探针固连。
2.1 尺寸链分析
如果零件质量合格、安装过程正确,那么卡环在活塞连杆组件中的位置相对固定,两卡环外缘间距将只和零部件相关特征尺寸和公差有关,比如活塞两侧卡环槽间距、卡环槽深度和宽度、卡环直径和卡环丝直径、活塞销长度等。通过建立相关零件间的尺寸链关系,将很容易获得该卡环外缘间距的正确大小和公差范围。以该间距计算值为基准,用实际测量所得数据与之比较,便可评估出卡环的安装质量。
由图3可知,LF、LR、LLVDT、LB均为结构设计尺寸,△X为LVDT测量值,那么两卡环外缘实际间距X大小为:
由此可知,LVDT的测量值△X能够直接反映出卡环外缘实际间距X的状态。
2.2 卡环存在性检测
为了检测卡环是否存在,最好的方式就是让探针直接接触到卡环,实测两个卡环外缘之间的距离。但是由于活塞卡环槽深度的关系,在卡环压装到位后,能够外露的部分很小。为了提高检测的可靠性和准确性,对于卡环存在性的检测,采用了点测量方式,即探针通过活塞销座端面上的导油槽孔,直接进入并接触到卡环外缘的某一点上(图4)。一旦出现卡环缺失的情况,那么该探针就会直接触碰到活塞销端面上,所得到的间距值将出现偏差报警(图5)。
需要指出的是,为了避免误判,在卡环压装设备中应当具备卡环导向功能,以确保卡环开口位置不与导油槽孔相对应(图4)。
2.3 卡环位置性检测
通过对失效模式的分析,可以知道,如果卡环没有压装到位,那么势必会有一端卡环丝滞留于活塞销孔内壁上,而且,在卡环的任意位置上都有可能发生压装不到位的情况。为此,对于卡环位置性探测,选用圆周面接触式测量,即以活塞销孔为导向,探针测量面直接触碰活塞销端面(图6)。如果出现卡环压装不到位的情况,那么探针测量面将会被不到位的卡环抵住而无法接触到活塞销,所得到的间距值将出现偏差报警(图7)。
需要指出的是:卡环存在性的点检测和位置性的面检测,是相互关联、相辅相成的。对于一些特殊失效问题,不是单纯通过某个LVDT的测量值就可以判断正确的,而是需要对多个LVDT综合考虑。这样,不但可以对组件装配质量做出判断,而且还可以实现对相关零件制造质量的评估。
3 结语
基于以上分析和设计,利用LVDT的卡环检测装置如图8所示。如果再配上上料、分拣、下料装置,那么就可以形成一套完整的自动或半自动活塞卡环检测系统,从而提高生产效率和质量监控效果。
经过R&R分析和调校,该系统检测结果稳定可靠。实际应用证明,“利用LVDT检测卡环外缘间距,从而判断活塞卡环存在性和位置性”的方式是可行和有效的。
参考文献
[1]Global Gmpt and Fgp Powertrain Bill of Proces(sV2.0)[Z].
活塞检测 篇6
活塞环的闭口间隙, 是将活塞环放入直径为气缸基本直径的环规内, 所测量出的开口两端最窄距离。如图1所示:
理论上讲, 合理的闭口间隙有利于保证发动机的气密性和降低机油消耗, 但是因为加工误差的存在, 在一批产品中, 总会有一些产品可能处于设计要求的极限值位置, 这在一定程度上, 也反映了加工设备 (修口机) CPK值的高低。闭口间隙过小 (即超过最小闭口间隙设计值时) , 在发动机工作时会因热膨胀而导致活塞环卡死、甚至折断, 从而使活塞环彻底失去功效;反之, 又会使发动机的高压燃气泄漏通道增大, 并使得润滑油上窜至燃烧室, 从而导致发动机出现下窜气和烧机油的不良现象。所以, 活塞环的闭口间隙尺寸, 是其若干参数中的重要特性之一。
目前, 很多活塞环生产厂家对闭口间隙的测量, 采用的是传统的测量方法, 即将活塞环放入直径为气缸基本直径的环规内, 用专用塞尺 (规格为0.01~1mm) 来测量其开口两端的最窄距离, 此法的弊端是耗时、低效, 且会因人为因素而产生误差 (比如环规的具体使用位置、修正值的合理性等) 。为了提高活塞环闭口间隙的检测效率, 我们公司前几年开发了专用闭口间隙检测机 (运用接触式传感器型) , 但效率不甚理想, 每片活塞环的检测时间需3秒钟。近来, 我们另辟蹊径, 尝试运用视觉系统来对活塞环的闭口间隙进行检测, 取得了显著效果, 检测效率也因此大为提高, 现将相关试验情况介绍如下。
1 视觉系统检测原理
使用200万像素照像机, 对处于料筒口 (进料部分带退拔, 检测口径为标准缸径尺寸) 的活塞环端面呈法向进行拍照, 然后将信号传输到检测系统中进行描线、测量闭口间隙S1, 然后根据设定的公差范围进行判断和识别。
推料机构从料筒的另一端推动活塞环前行, 经系统检测和判别, S1在公差范围内的活塞环直接落到合格品接料杆上, 当检测到活塞环的S1超出公差范围时, 检测系统给出信号, 不合格品分选口打开, S1超出公差范围的活塞环被分选出去。
视觉系统的检测原理如下:
1.1 趋势边缘位置
描绘对象的边缘轮廓 (最大5000点) , 根据描绘点通过最小二乘法创建理想直线和理想圆, 生成1个检测区域, 只要指定任意的区域宽度、移动量即可自动进行描绘。对指定的点数进行自动描绘, 检测出直线。如果最小二乘法直线 (圆) 检测出不应该包含在边缘点中的异常点时, 可自动通过去除功能创建正确的直线 (圆) 。如图2所示:
1.2 趋势边缘宽度
只需设定任意大小、移动量, 即可在一个检测区域内扫描各段小区域, 自动进行多点宽度检测。可输出最大5000点的全部数据及最大、最小和平均值, 简化了以往需要设置多个区域和复杂演算设定的检测。检测多点宽度检测中的最小直径:将每段宽度检测位置用图表显示, 此外还能确认代表边缘稳定度的边缘强度波形, 因此可进行准确设定。可根据精确度和处理时间对每段的大小、移动量进行详细设定。如图3所示:
1.3 检测精度
X方向视野6.4mm, Y方向视野4.8mm, 200万像素分辨率1600*1200, 相机每颗像素大小为6.4/1600=0.004mm, 一般正光源会有±3个像素的误差, 即±0.004*3=±0.012 mm, 能够满足闭口间隙测量精度要求。
2 测量系统分析
从表2《视觉系统测量闭口间隙的重复性和再现性分析报告》中可以看出:%R&R=9.94%, ndc=14, 表明测量系统可以无条件接受。
3 检测效率
我们分别对用手工测量、专用分选机和视觉系统三种不同方法而得出的检测效率进行了统计, 其结果如下:
4 结束语
使用视觉系统检测闭口间隙, 可通过视频显示闭口间隙的形状 (如图4) , 能够比较直观地反映不合格的口型形状 (A型口、V型口及其它形状口形的不合格品) , 检验操作方便快捷, 效率高, 检测1片活塞环平均仅需1~1.5秒, 检测效率是专用分选机的2~3倍、手工测量的3~8倍。
另外, 视觉系统还可运用于活塞环端面形状的快速识别和活塞环外观检验。我们相信, 随着全球及我国不断提高的汽车各类排放法规的更新实施, 对内燃机活塞环而言提出了更高、更为苛刻的要求, 在此背景下, 视觉系统在活塞环的检验和防错识别等领域的应用方面将会越来越广, 发挥的效率也将越来越大。
摘要：通过视觉系统的检测机理介绍, 以及该系统在活塞环闭口间隙检测中的实际应用情况和效果比较, 充分说明了视觉系统在活塞环闭口间隙项目乃至更多其它项目检测上是一条行之有效的新方法。
关键词：活塞环,闭口间隙,视觉系统,测量系统分析,塞尺,效率
参考文献
[1]《内燃机活塞环》中华人民共和国国家标准GB/T1149-2008/ISO 6621-4:2003 2008-08-11发布, 2009-02-01实施, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会发布
[2]邬伯翔编《活塞环》中国铁道出版社1987年.北京
[3]《测量系统分析》参考手册第三版由戴姆勒克莱斯勒、福特和通用汽车公司所有2002年3月
活塞检测 篇7
发动机燃烧室由气缸盖、气缸垫、气缸套及活塞构成。随着柴油机向高功率、高转速方向发展,柴油机燃烧室所受的机械负荷和热负荷不断增大,导致各结构件极易发生变形,从而影响发动机曲柄连杆机构的运动特性。活塞在燃气燃烧压力作用下,除增加活塞轴向机械作用力的同时,也使活塞的径向运动和摆动加剧,活塞周期性地与气缸壁产生敲击运动,极易引起发动机高频噪声和气缸套穴蚀[1,2]。有关活塞敲击运动的研究主要集中于活塞结构与活塞型线的设计及活塞运动数学模型的建立和分析方法[3,4]。研究中对活塞和气缸套结构变形与活塞敲击力的耦合关系考虑较少[5],因此有必要考虑活塞和气缸套结构变形影响,对活塞敲击运动特性进行研究,掌握高强化柴油机活塞敲击运动特性的同时,提高活塞敲击运动的分析精度。
本文中,以某V-8柴油机燃烧室为研究对象,缸径132mm,标定转速为2 200r/min,标定功率为500kW。充分考虑活塞和气缸套结构变形影响,计算其在标定工况下的活塞敲击运动,分析活塞和气缸套结构变形对活塞敲击运动的影响,为高强化柴油机燃烧室的结构及工况参数设计提供理论依据和重要的数据参考。
1 活塞体力学模型与分析流程
1.1 活塞体力学方程
内燃机工作时,活塞在燃烧室气体压力的作用下沿活塞轴线方向往复运动,同时在垂直于活塞销平面内还做微小的径向运动和摆动。图1为活塞动态受力分析模型。根据动态载荷平衡原则,建立活塞与缸套系统分析坐标系。其中,X轴为活塞往复运动方向;Y轴与X轴和活塞销轴垂直并通过其中心线,方向指向副推力侧。由此可建立活塞动力学方程,如式(1)~式(3)所示。
X方向:
Y方向:
绕销轴转动方向:
式中,Fgas为燃气最高燃烧压力;Frx和Fry为当量活塞环对活塞的法向和切向作用力;Fcx和Fcy为活塞受到的缸套的法向和切向作用力;FP为活塞销上的载荷;Frod为连杆小头处附加载荷;mc为活塞质量;Fgc为活塞的重力;Θc为活塞绕活塞销轴转动惯量;为活塞运动X向加速度;为活塞运动Y向加速度;为角加速度;Mc为侧向力引起的活塞体绕销轴扭矩;Mgc为质量引起的活塞体绕销轴扭矩;Mr为活塞环作用力引起的活塞体扭矩;Mpc为活塞销处的摩擦力矩;β为发动机曲轴转角。
1.2 活塞敲击运动分析流程
活塞敲击运动除受发动机转速、负荷影响外还与活塞、气缸套和活塞环的结构有关,活塞及缸套的工作变形使发动机配缸间隙发生变化,进而改变活塞的运动的规律。考虑活塞与缸套的工作变形,对活塞敲击运动特性进行细致分析,是对掌握活塞运动规律的必要补充。具体分析流程如图2所示。
2 燃烧室系统结构件温度场计算
2.1 冷却水套壁面热边界条件
发动机采用整体式冷却方式,冷却液通过冷却水泵流入缸体水套,经由气缸垫上水孔进入缸盖水套,最终经缸盖水套的出水口汇集到出水口流出发动机,完成冷却循环。根据发动机工作时冷却系统工作状况,应用AVL-Fire流体分析软件应用k-ε湍流模型计算冷却水与壁面的对流换热边界条件。冷却水套入口温度为85℃,入口流量为4.1kg/s,出口边界条件为压力出口,压力梯度量为0。缸盖壁面温度为120℃,缸体壁面温度为100℃。图3为发动机标定工况下水套传热系数分布云图。应用MPC多点约束方法将计算得到的气缸盖和气缸体的壁面温度和传热系数结果耦合于气缸盖和气缸套与冷却水套接触的表面中,作为传热分析的计算边界条件,分别对气缸盖和气缸套的温度场进行计算。
2.2 燃烧室壁面热边界条件
采用GT-Power发动机性能仿真软件模拟发动机标定工况工作过程,获得燃烧室内燃气的瞬时温度和燃气的瞬时传热系数如图4所示。
由于发动机每个工作循环中的燃气与燃烧室壁面的热交换量是恒定的,因此根据标定工况下一个工作循环燃烧室内燃气状态,利用式(4)和式(5)可计算得到燃烧室内燃气的加权平均温度Tgm和等效传热系数hgm。
式中,θ为发动机曲轴转角;hg为缸内燃气瞬时传热系数;Tg为缸内燃气瞬时燃气温度。根据半经验公式(6),计算活塞顶面不同半径位置的传热系数。
式中,Rr为换热壁面到燃烧室中心轴线的径向距离;L为活塞中心到表面最大传热系数位置的距离,通常取燃烧室喉口的半径长度;C0为常数,C0=7.82×10-4。
活塞和缸套热边界区域划分如图5所示。各部分热边界条件根据经验及参考相关机型进行确定[6,7]。图5中燃烧室各结构件换热边界条件见表1。
2.3 燃烧室结构件温度场计算结果
将流-固耦合计算得到的边界条件分别耦合作用于气缸盖和气缸套上进行温度场分析,由于活塞在运动中,活塞顶岸与燃烧室内高温燃气接触,活塞环岸及裙部均通过润滑油膜与缸套接触,活塞与缸套间接触关系较为复杂,很难准确获得气缸套的边界条件,因此在计算气缸套温度场时,将气缸套与活塞组件作为整体进行耦合传热分析,以得到较为精确的温度场结果。气缸盖和气缸套及活塞的温度场如图6和图7所示。
由气缸盖温度场可以看出,气缸盖火力面温度分布不均匀,火力面排气侧盖温度较高,高温区域出现在排气门之间的鼻梁区,最高温度为470℃。由气缸套与活塞耦合温度场可知,气缸套温度整体分布不均,气缸套上缘区域温度较高,缸套中部因为有冷却水的传热作用,温度有所下降。气缸套的最高温度为260℃。气缸套中部和下部受燃气影响较小,加之冷却水套的强制冷却作用,缸套的外壁面温度较低。活塞燃烧室为!型燃烧室,采用振荡冷却,活塞最高温度为322℃,出现在活塞喉口处,活塞火力岸区整体温度较高,受冷却油腔的影响,第一环岸处温度为200℃。
2.4 气缸盖火力面温度场测试
图8为发动机标定工况下燃烧室气缸盖火力面温度测点的分布位置。各点温度测试结果见表2。由温度测试结果可看出,气缸盖温度计算结果比较接近温度场实际测试值,说明燃烧室的计算边界条件较为准确,进而保证了活塞和气缸套的变形计算结果具有较高的可靠性。
3 气缸套和活塞结构件变形计算
3.1 气缸套热机耦合变形计算
气缸套是燃烧室重要组成构件,并直接与活塞接触,气缸套内孔与活塞之间配合关系直接影响活塞的运动特性,因此应准确分析气缸套的工作变形以提高活塞敲击运动的分析精度。
3.1.1 燃烧室有限元模型
选取发动机中部气缸燃烧室作为研究对象建立实体模型。机体、气缸套、气缸垫采用六面体单元进网格划分,气缸盖由于结构复杂,采用结构适应性好的二阶四面体单元进行网格进行划分,缸盖螺栓采用梁单元模拟,有限元模型共有203 935个单元,300 555个节点,如图9所示。
3.1.2 计算边界条件
柴油机最高燃烧压力为18MPa,计算中在气缸盖火力面均匀施加最高燃烧压力,气门座圈处施加气门落座载荷,缸盖螺栓预紧载荷为84 567N,气缸盖温度场计算结果作为“体力”耦合作用于计算模型中。燃烧室系统各组成构件在缸盖螺栓预紧力的作用下相互接触,计算中重点考虑缸盖-气缸垫、气缸垫-气缸套、气缸垫-机体及气缸套-机体处的接触关系,以提高求解精度。
3.1.3 气缸套变形结果
缸套受活塞侧向力的作用,在缸套主推力侧(TS)和副推力侧(ATS)变形最为显著,其中缸套上背离曲轴旋转方向的主推力侧与曲轴旋转方向相同的副推力侧在热-机耦合工况下的变形曲线如图10所示。由缸套纵向变形曲线可以看出,纵向形线变形并不均匀:由于受缸盖螺栓预紧力和机体支撑结构的影响,缸套上端处存在明显收缩变形,最大收缩量为49.7μm;缸口及缸套凸肩下方圆周方向出现膨胀变形,最大变形量为39.1μm;气缸套中部及下端受预紧载荷影响较小,纵向变形较为平缓;气缸套底端出现收缩变形,收缩量为18.4μm。
3.2 活塞热变形计算
图11为活塞径向热变形及主推力侧和副推力侧的型线变形曲线。由于活塞顶部火力面及活塞顶岸温度较高,活塞裙部温度较低,结构温度梯度较为明显,因此活塞径向变形呈现上大下小的趋势。
4 活塞敲击运动分析
4.1 活塞敲击运动分析模型建立
应用AVL-Excite仿真计算平台建立缸套-活塞系统动力学分析模型。由于活塞敲击运动在发动机主推力侧和副推力侧运动特征最为明显,因此在活塞主推力侧和副推力侧所构成的平面中包括活塞、缸套、连杆、活塞销、活塞环组建立分析模型,如图12所示。模型中各主要结构件参数见表3。
在分析活塞运动过程中忽略由于发动机曲轴转速波动所带来的影响,活塞由于外载荷的变化引起的径向变形由径向刚度来表达。活塞与缸套及连杆轴承处的摩擦系数由于与构建间的相对运动速度有关,因此采用Stribeck摩擦函数来确定。
4.2 活塞敲击运动特性分析
活塞在气缸内沿气缸中心线的往复运动,在气体压力及往复惯性力的作用下产生沿径向运动和绕活塞销轴的转动,产生敲缸现象。标定工况下燃气最高燃烧压力曲线如图13所示。借助所建活塞动力学模型,计算获得不考虑活塞和气缸套结构变形和考虑活塞和气缸套结构变形情况下的活塞运动特性,以此来分析活塞和气缸套结构变形对活塞运动特性的影响。
4.2.1 活塞运动特性分析
图14为活塞运动过程中径向位移和加速度曲线及活塞绕销轴的转动角度和角加速度曲线。从活塞径向位移曲线可以看出,活塞运动过程中出现多次换向,两种计算条件下活塞换向所对应的曲轴转角时刻相同。不考虑活塞和气缸套结构变形时,活塞径向位移峰值点相对于考虑燃烧室结构变形时位移量大,在曲轴转角为-90°~90°范围内,活塞从气缸套副推力侧向主推力侧方向移动,活塞径向移动范围为130~-161μm,活塞径向加速度在曲轴转角为8°左右时达到最大,为7 828m/s2;而考虑活塞和气缸套结构变形时,活塞径向移动范围为71~-102μm,活塞径向加速度在曲轴转角为8°左右时达到最大,为5 945m/s2,其中负号表示与正方向相反。
从活塞换向过程中转动角度曲线可以看出,考虑活塞和气缸套结构变形并不影响活塞转动角度和角加速度峰值出现时刻相同,活塞转动角度曲线数值波动明显,活塞在上止点附近由于燃烧室内燃气最高燃烧压力的作用,活塞产生剧烈换向运动,角加速度在曲轴转角为8°附近达到最大,在不考虑活塞和气缸套结构变形时,活塞角加速度为-122 858rad/s2,对应角活塞转角为0.002 6rad,考虑活塞和气缸套结构变形时,活塞角加速度为-78 869rad/s2,对应活塞转角为0.001 3rad。
图15为活塞敲击能量曲线。活塞在换向过程中,活塞敲击能曲线出现峰值,对气缸套产生剧烈冲击,其中在上止点附近活塞敲击能量最大,不考虑活塞和气缸套结构变形时活塞敲击能为0.52N·m,考虑活塞和气缸套结构变形时活塞敲击能为0.257N·m,表明活塞和气缸套结构变形使活塞对气缸套冲击剧烈程度相对降低,活塞敲击动能减少50.6%。所以,在活塞敲击运动分析中,有必要考虑活塞和气缸套的结构变形。
4.2.2 活塞侧推力
图16为发动机工作过程中活塞侧推力曲线。由于计算中考虑了活塞与缸套之间的油膜润滑作用及活塞热变形、缸套热变形和预紧变形的影响,所以计算获得的活塞侧推力峰值比没有考虑活塞和气缸套变形时偏小,但峰值对应的曲轴转角时刻基本相同。在发动机整个工作循环内,对应于曲轴转角为0°、180°、360°时刻,活塞侧推力曲线上出现明显的活塞冲击载荷,出现活塞敲击缸套现象。在曲轴转角为-90°~90°范围内,活塞从气缸套副推力侧向主推力侧方向移动,没有考虑活塞和气缸套结构变形时主推力侧活塞侧推力最大值为23 468N,考虑活塞和气缸套结构变形时主推力侧活塞侧推力最大值为21 933N,即活塞和气缸套结构变形使活塞侧推力峰值下降了19.3%。
4.2.3 活塞动态敲击力
在发动机工作过程中,活塞敲击力与活塞侧推力共同构成活塞与缸套间的接触载荷,活塞敲击力是发动机高频振动噪声的重要影响因素。由于缸内燃气最高燃烧压力的作用,活塞由气缸套副推力侧向主推力侧方向移动换向过程中,产生敲击缸套现象。
图17为活塞敲击力曲线可知,不考虑活塞和气缸套结构变形时,活塞敲击力曲线峰值出现较多,在活塞换向时峰值更为明显。在做功行程中,受燃气最高燃烧压力的影响,活塞上止点处活塞敲击力峰值较为突出,不考虑活塞和气缸套结构变形时活塞敲击力峰值为17 574.5N,考虑活塞和气缸套变形时活塞敲击力峰值为14 174.4N。在曲轴转角为360°附近,两种计算条件下活塞敲击力的峰值分别为-13 272.5N和-3 897.8N,活塞和气缸套结构变形使活塞敲击力的计算结果在两个考察点分别降低了19.3%和70.6%。
综上所述,活塞和气缸套结构变形对活塞运动特性计算结果有较大的影响。考虑活塞和气缸套结构变形后,活塞侧推力峰值有所降低,活塞敲击运动出现的频率有所下降,但在活塞运动上、下止点附近依然存在活塞敲击运动,但活塞敲击力幅值计算结果相比不考虑活塞和气缸套结构变形时有所降低。
5 结论
(1)采用多场耦合计算方法,可较全面地获得活塞和气缸套结构变形,为活塞敲击运动特性分析提供较为准确的计算边界条件。
(2)对于所研机型活塞和气缸套结构变形使活塞敲击动能下降了50.6%,侧推力峰值计算结果降低了19.3%,活塞敲击力幅值在做功行程和压缩行程上止点处分别下降了19.3%和70.6%,活塞敲击运动倾向有所降低。
(3)对于本机,在活塞运动上止点位置处活塞敲击运动特征较为显著,此时活塞敲击力达到最大值,活塞具有较高的敲击动能。
参考文献
[1]EDARA R.Reciprocating engine piston secondary motionliterature review[C]//SAE Paper.[S.I.],2008,2008-01-1045.
[2]BUENO E,RAMINELLI L.The influence of piston secondary motion in the liner cavitation occuance[C]//SAE Paper.[S.l.],2008,2008-01-1193.
[3]TAN Y C,RIPIN Z M.Analysis of piston secondary motion[J].Journal of Sound and Vibration,2013,332(20):5162-5176.
[4]PATEL P,MOURELATOS Z,SHAH P.A comprehensive method for piston secondary dynamics and piston bore contact[C]//SAE Paper.[S.l.],2007,2007-01-1294.
[5]郭磊,郝志勇,张鹏伟,等.活塞动力学二阶运动的仿真方法与试验研究[J].内燃机工程,2009,30(6):41-47.GUO L,HAO Z Y,ZHANG P W,et al.Simulation and experimental research on piston secondary motion[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2009,30(6):41-47.
[6]李迎,俞小莉,陈红岩,等.发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真[J].内燃机学报,2007,25(3):252-257.LI Y,YU X L,CHEN H Y,et al.3-D simulation of steady heat transfer of fluid-solid coupled system in engine coolant system[J].Transaction of CSICE,2007,25(3):252-257.
