基于過盈聯接的機油泵襯套壓裝質量監控設計與應用

王鋒 趙金超 殷凡松 馬吉旺

（中國重汽集團濟南動力有限公司發動機廠，濟南 250200）

1 前言

發動機作為一種動力源，在汽車、船舶、航空等領域均有廣泛的應用。隨著經濟及科學技術的迅猛發展，市場競爭也日益激烈，用戶對發動機的使用要求也不斷提高。機油泵是發動機潤滑系統中的重要組成部分，將油底殼中的機油抽出，通過加壓使機油通過機油濾芯及冷卻器后進入主油道及各個需要潤滑的運動機構，機油泵是發動機潤滑系統的動力源。

本文研究對象是一款重型柴油機的機油泵潤滑系統，機油泵襯套采用過盈聯接的方式裝配在缸體上，這種結構可以緩解機油泵外轉子應力集中，提高機油泵使用壽命。襯套也是該結構中最容易損壞的部件，而且襯套承載區受到的循環交變應力是導致襯套合金層失效的主要原因。因此，研究機油泵襯套在使用狀態下的受力及裝配質量對評估發動機運行可靠性具有重要意義。

2 機油泵襯套失效分析

該柴油機的機油泵潤滑系統由機油泵襯套、機油泵內轉子、機油泵外轉子等零部件組成（圖1），在使用過程中出現機油泵襯套抱死脫落（圖2），通過失效件及原理分析故障的主要原因為機油泵襯套壓裝裝配應力不滿足要求，機油泵襯套產生塑性變形，襯套與機油泵外轉子之間無法形成有效潤滑油膜，接觸表面形成微動磨損（黏著磨損），磨損顆粒無法從摩擦表面排出，由于有較硬磨損顆粒滯留在其中，因此微動磨損兼有磨料磨損的特性[1]，磨損嚴重時襯套發生游移，最終導致脫落失效。

3 襯套壓裝過程關鍵控制變量分析

3.1 襯套受力分析

機油泵襯套采用過盈聯接的方式裝配在缸體上。根據機油泵襯套及缸體加工尺寸公差，為便于計算可以將襯套與缸體的配合看作2 個圓柱套筒的過盈聯接。襯套在實際工作過程中的主要受力為（圖3）：襯套在過盈裝配過程時受到的接觸應力p（過盈量為δ），油膜對襯套徑向的油膜壓力p′，油膜對襯套的周向摩擦力f。

3.2 壓裝力計算

該機構機油泵系統襯套采用壓力壓裝的方式進行裝配。為簡化計算，假設襯套與缸體所處的狀態為平面應力狀態；在結合長度上的結合壓力為常值；材料的彈性模量為常值[2-3]。

襯套安裝時主要傳遞軸向壓裝力為F，軸向滑動忽略不計，即F≥Ff，Ff為軸向摩擦力。

式中，d為配合公稱直徑；l為配合面長度；p為接觸壓力；η為靜摩擦因數。

根據厚壁圓筒理論，對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。

因此，機油泵襯套與缸體產生的接觸應力p主要取決于過盈量δ，且p與δ成線性關系，式（1）可以轉化為：

同一產品結構尺寸及材料均為常量，過盈量δ可視為定值，因此，壓入力與壓入深度為線性關系，當襯套完全壓入缸體襯套孔時，壓入力最大。

根據以上分析機油泵襯套壓裝質量可以直接通過壓裝過程的壓入力F和壓入深度l進行評定，對該參數進行監控可以有效評估機油泵襯套裝配質量，確定其過盈量在要求范圍內，提高使用可靠性。

4 壓力位移監控方案設計及實施

4.1 確定監控實施方案

保持原機油泵襯套壓裝功能不變，通過對原有壓裝機械結構進行重新設計改造，優化控制程序，在壓裝過程中增加壓力位移監控。系統設定壓力及位移上下限值，參數保存到監控系統中，在壓裝完成后將判定結果發送給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），如果合格則正常放行；如不合格則執行返修程序，工作原理如圖4 所示，機械原理如圖5 所示。

在壓裝設備上安裝壓力傳感器（SSI 傳感器，0～500 kN），自動測量點1 位置，通過歸0 鍵標記原點，之后測量到原點的絕對值，如圖6 所示。

在壓裝設備上安裝位移傳感器（電壓式，量程為0～300 mm），如圖7 所示。通過設備運行，自動測量電壓與位移的關系，通過顛倒信號，將值顯示在監控儀上，如圖8 所示。

4.2 確定判定準則

裝配過程中，設備自動采集工件y軸、x軸位移測量數據和設備位移補償的數據，存至數據庫，由數據庫分配給批處理框架進行比較分析，分析結果返回至制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）系統，由MES 系統傳遞給上位機和中央處理器（Central Processing Unit，CPU），從而實現過程值的監控，命令設備在機油泵襯套安裝時進行動態檢驗微處理。

通過機油泵襯套壓裝裝置上的壓力位移傳感器捕捉安裝曲線，分析評估壓力隨位移變化而變化的曲線，根據一系列評估窗口監控安裝過程是否合格，評估曲線函數為F=Y(X)，F為評估曲線值，X為測量位移量，Y為測量壓力值。

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

LINE-X：測曲線必須穿過LINE-X一次，并且必須按照指定的方向穿過（即從下往上或從上往下)。評估窗口LINE-X可用于監測X值是否在設定的X值公差范圍內，過程值也是一個X值，如圖9所示。

LINE-Y：測曲線必須穿過LINE-Y一次，并且必須按照設定的方向穿過（即從右往左或從左往右)。評估窗口LINE-Y可用于監測Y值是否在設定的Y值公差范圍內，過程值也是一個Y值，如圖10 所示。

圖1 機油泵系統

圖2 機油泵失效

圖3 襯套受力示意

圖4 工作原理示意

圖5 機械原理

圖6 壓力傳感器

圖7 位移傳感器

圖8 監控儀

圖9 評估窗口LINE-X

圖10 評估窗口LINE-Y

GET-REF：此評估窗口用于在預期的范圍內檢測重要的曲線屬性及其X和Y坐標。然后這些檢測到的內容可用于其他評估窗口的參考點或評估窗口計算（Calculator，CALC）的輸入，如圖11 所示2 個紋波之間的X偏差。

圖11 評估窗口GET-REF

壓力位移曲線與發動機編號進行綁定并保存在服務器中，便于質量追溯。壓裝過程中最大壓力及最大壓力時的位移保存到數據庫中，測量曲線如圖12 所示。該系統采用溫度差值補償系統來消除因環境溫度對測量結果造成的影響，保證安裝位置精度滿足要求。

圖12 監控曲線

同時系統增加視覺檢測系統對最終安裝效果進行確認，確保安裝后機油泵襯套油孔與缸體油孔對正。檢測過程中被測對象的圖像經過逐行掃描電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機轉化為視頻信號。該電壓信號被圖像采集卡采集并轉換為計算機能夠處理的數字格式后，在LabVIEW 環境中通過MAQ Vision 模塊編寫圖像采集與誤差補償程序，基于該系統的圖像畸變校正分為2 個步驟：標準柵格樣板設計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位置

4.3 控制變量驗證

根據機油泵套尺寸公差及壓裝力理論計算值設定評定窗口范圍，并開啟“自學習”功能，實際生產過程中，過盈量、摩擦系數及壓入力之間呈現“正相關”，但因工件的差異性，并不完全符合線性比例關系。為驗證各變量之間正相關關系，在機油泵襯套精鏜外徑工位對鏜刀加工尺寸進行調整，制作一批外徑偏小的機油泵襯套（分別偏小0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm）進行壓裝驗證，驗證測量結果如表1 所示。

表1 機油泵襯套壓裝數據表

通過驗證可以看出各變量之間存在強相關，通過檢測機油泵襯套壓裝過程中的最大壓入力和壓入深度可以有效評估裝配質量（可以間接確認機油泵襯套和缸體加工質量），使裝配過盈量保持在最佳范圍，有效提高發動機裝配可靠性。

4.4 統計過程控制

通過定期對測量結果（圖14）進行過程控制（Statistical Process Control，SPC）統計分析確認機油泵襯套壓裝質量及變化趨勢，確保壓裝過程始終處于統計受控狀態，并保證過程能力指數（Cp、Cpk）大于1.33，分析結果如圖15 和圖16 所示。

圖14 測量結果

圖15 最大壓入力分析

圖16 最大位移分析

5 實施效果

通過對機油泵襯套壓裝過程最大壓入力及位移的監控，有效評估壓裝質量，不斷提高機油泵襯套、缸體的加工質量，保證裝配過盈量穩定在最佳范圍內。

通過試驗驗證及市場考驗，機油泵襯套綜合故障率降低至0.001 7%以下（故障趨勢如圖17 所示，使用月數（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 指出廠處于質保的使用12 個月內的故障），同時通過改進節省生產制造及售后服務成本約510 萬元。一年多時間，近二十萬臺，最長里程一百五十多萬公里無類似故障的發生，有效提高了發動機使用壽命，客戶滿意度由86%提升到97.2%，大大提升了產品品牌效益。

圖17 故障趨勢

6 結束語

本文以發動機機油泵襯套為研究對象，結合過盈聯接及厚壁圓筒理論分析，通過在線檢測及監控設備的設計應用，很好的解決了發動機生產過程中產品質量缺陷，在提升產品可靠性及用戶滿意度中效果顯著。

結合數字化轉型趨勢及廣泛應用，通過融合智能傳感器、邊緣計算系統、智能檢測平臺等一體化方案，實現全自動化、多區域、多類型的缺陷檢測，解決在復雜檢測中的痛點問題，有效提升產線效率和產品質量。