一款柔性發動機實訓擰緊培訓裝置的開發

摘 要：本文介紹了一種柔性發動機實訓擰緊培訓裝置，旨在提供一種能夠模擬真實發動機裝配環境中螺栓擰緊操作的實訓設備，以提高學員在發動機裝配過程中的螺栓擰緊技能水平。該裝置包括模擬發動機組件、擰緊工具模塊、傳感器模塊、反饋系統。通過模擬發動機組件的真實尺寸和材質，以及擰緊工具模塊和傳感器模塊的精確控制，該裝置能夠實時反饋擰緊過程中的參數，幫助學員掌握正確的擰緊方法和技巧。

關鍵詞：柔性 發動機實訓 擰緊 技能培訓

隨著汽車工業的快速發展，發動機作為汽車的核心部件，其裝配質量直接關系到汽車的性能和安全性。螺栓擰緊作為發動機裝配過程中的重要環節，其質量的好壞直接影響發動機的可靠性和耐久性。因此，提高學員在發動機裝配過程中的螺栓擰緊技能水平顯得尤為重要。然而，傳統的發動機裝配技能培訓方式往往存在培訓效率低、培訓成本高、培訓效果不理想等問題。為了解決這些問題，本文提出了一種柔性發動機實訓擰緊培訓裝置，旨在提供一種高效、低成本、高逼真度的發動機裝配技能培訓設備。

1 柔性發動機實訓擰緊裝置開發理論依據

1.1 實驗方案

（1）根據發動機的結構特點將發動機拆裝工藝分為發動機附件、發動機上部、發動機中部及發動機下部四大模塊。利用一個學期分別對同上發動機拆裝課程的十個班級，針對四大模塊的拆裝實訓易損件報廢的主要失效模式（如滑牙、變形等）及實訓易損件的報廢率進行詳細統計分析。設計一款“發動機配件損耗追蹤管理軟件”，該軟件先根據汽車發動機的通用零件搭一個基礎通用的BOM表；第一次使用的時候，根據購買的發動機的具體型號，實訓管理員通過手工點擊錄入得出一個學校汽車發動機在用BOM，隨后每次有配件損壞的時候，實訓管理員就在軟件上選擇相應損壞的配件和損壞的類別，軟件可以直接根據時間或者損壞配件或損壞類別統計出發動機配件的報廢率。

（2）根據一個學期的發動機拆裝實訓易損件的報廢率及失效模式統計，由小組討論分析及測算得出報廢率提升目標。

（3）通過利用頭腦風暴法，結合質量管理關聯圖、樹圖或魚骨圖等方法，針對引起發動機拆裝實訓易損件報廢的原因進行人、機、料、法、環深入分析，找到對應的末端因素，確定“發動機拆裝實訓臺架”的主要培訓組成模塊。

（4）針對引起發動機拆裝實訓易損件報廢率高的末端因素制定要因確認計劃表，并針對計劃表中末端因素、確認內容、確認方法、確認標準、確認人及完成時間共六個方面，對末端因素逐一進行要因確認，針對發動機拆裝實訓易損件報廢高的主要原因滑牙、變形等。

（5）通過確定的影響發動機拆裝實訓易損件報廢高的主要原因進行分析并制定對策，逐一設計單個培訓模塊“發動機拆裝實訓臺架”，制定要因對策表，并逐一實施。

（6）對策實施后，針對發動機拆裝實訓易損件報廢率進行調查，連續檢查兩個學期發動機拆裝實訓易損件報廢率是否達到目標值。

（7）將單個培訓模塊合并成“發動機拆裝實訓臺架”并進行標準化及推廣。

（8）總結并統計降低發動機實訓易損件報廢率的經濟效益及進一步提升方案。

1.2 技術路線

（1）現狀調查。利用質量管理過程中運用的層別法，調查與統計目前研究基地發動機拆裝實訓易損件報廢率、小組抽樣統計分析模塊化發動機拆裝實訓易損件失效模式的分布。

（2）目標設定。根據發動機拆裝實訓易損件的報廢率及失效模式統計，由小組討論分析及測算得出報廢率提升目標。

（3）原因分析。通過利用頭腦風暴法，結合質量管理關聯圖、樹圖或魚骨圖等方法，針對引起發動機拆裝實訓易損件報廢的原因進行人、機、料、法、環深入分析，找到對應的末端因素。

（4）要因確認。針對引起發動機拆裝實訓易損件報廢率高的末端因素制定要因確認計劃表，并針對計劃表中末端因素、確認內容、確認方法、確認標準、確認人及完成時間共六個方面進行要因確認，確認影響發動機拆裝實訓易損件報廢高的主要原因。

（5）創新設計。通過確定的影響發動機拆裝實訓易損件報廢高的主要原因進行分析并制定對策，創新設計出“發動機拆裝實訓臺架”，制定要因對策表，并逐一實施。

（6）效果驗證。對策實施后，針對發動機拆裝實訓易損件報廢率進行調查，連續檢查兩個學期發動機拆裝實訓易損件報廢率是否達到目標值。

（7）改進提升。根據發動機拆裝實訓易損件報廢率針對“發動機拆裝實訓臺架”進行改進和提升。

（8）總結及推廣。小組總結并統計降低發動機拆裝實訓易損件報廢率經濟效益及推廣。

2 某高職院校“發動機實訓臺架”缸蓋螺栓報廢率分析

某高校院校“發動機實訓臺架”缸蓋螺栓報廢率分析為例，利用質量管理工具，通過統計2022-2023學年本校發動機實訓臺架在使用過程中配件的報廢情況，發現缸蓋螺栓頻繁出現損壞，導致報廢率較高。這不僅影響了實訓教學的正常進行，還增加了設備維護成本和維修時間。為了降低缸蓋螺栓的報廢率，提高設備利用率，利用PDCA循環法分析解決對策。

2.1 原因分析

（1）螺栓安裝問題。螺栓及螺栓孔在安裝前未徹底清潔，存在油液殘留。螺栓裝配時未按要求使用專用工具和公斤扳手，導致擰緊力矩不均勻。螺栓預緊順序不正確，從中間向兩邊擰緊，未進行多次對角預緊。

（2）保養維護不足。對缸蓋螺栓缺乏定期檢查和保養，未能及時清除灰塵、水分等雜質。螺栓表面防銹處理不到位，導致腐蝕嚴重。

（3）材質選擇不當。在實訓環境中，螺栓材質未能滿足耐腐蝕、高強度等要求。

（4）設備使用環境。發動機實訓臺架使用環境惡劣，如振動、高溫等，對螺栓造成額外應力。

2.2 末端因素分析驗證

根據原因分析，我們先針對安裝、保養、材質和環境四個方面分別制定降低報廢率的措施，單項實施驗證，找到末端因素。

（1）正確安裝。螺栓及螺栓孔在安裝前必須徹底清潔，確保無油液殘留。使用專用工具和公斤扳手進行裝配，確保擰緊力矩均勻。按照從中間向兩邊，多次對角預緊的順序進行螺栓擰緊，確保預緊力均勻分布。對實訓室管理人員和學生進行螺栓安裝和保養的培訓，提高操作技能和保養意識。

（2）定期保養。建立螺栓定期檢查和保養制度，及時清除灰塵、水分等雜質。對螺栓表面進行防銹處理，減少腐蝕對螺栓的影響。

（3）選擇合適材質。根據實訓環境要求，選擇耐腐蝕、高強度等性能優異的螺栓材質。

（4）改善使用環境。對發動機實訓臺架的使用環境進行改善，如增加減震措施、降低工作溫度等。

通過為期一個月對安裝、保養、材質和環境四個單項的單獨驗證和統計，發現正確安裝缸蓋螺栓是影響發動機實訓臺架報廢率的主要因素，針對缸蓋螺栓的正確安裝，我們創新設計了單項針對缸蓋螺栓報廢的“發動機實訓培訓臺架”實施驗證。

2.3 實施效果

（1）降低報廢率。通過實施上述措施，缸蓋螺栓的報廢率顯著降低，由10%降低到5%。

（2）提高設備利用率。螺栓故障減少，設備維護時間縮短，設備利用率提高。

（3）降低成本螺栓報廢率降低，設備維護成本減少，為學校節省經費。

（4）提升教學質量。實訓設備正常運行，學生獲得良好的實訓體驗，教學質量提升。

3 柔性發動機實訓擰緊培訓裝置概述

根據針對缸蓋螺栓報廢的“發動機實訓培訓臺架”的開發和驗證，我們在此基礎上進行改進提升，創新制造一款柔性發動機實訓擰緊裝置。這款柔性發動機實訓擰緊培訓裝置是一種集成了模擬發動機組件、傳感器模塊、控制系統和反饋系統的實訓設備。該裝置通過模擬真實發動機裝配環境中的螺栓擰緊操作，為學員提供一個逼真的學習環境，幫助學員掌握正確的擰緊方法和技巧。同時，該裝置還能夠實時監測和反饋擰緊過程中的扭矩、角度等關鍵參數，從而實現對學員擰緊技能的精準評估和指導。此外，該裝置還能根據具體培訓要求對尺寸進行柔性切換，能夠模擬多大部分市面上發動機組件不同角度、不同方位、不同螺栓的擰緊需求。

4 柔性發動機實訓擰緊培訓裝置的結構組成

4.1 模擬發動機組件

模擬發動機組件是柔性發動機實訓擰緊培訓裝置的核心部分，它模擬了真實發動機的主要結構和部件。這些組件包括氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱、連桿、活塞等，它們按照真實發動機的布局和連接方式組裝在一起。模擬發動機組件的材質和尺寸與真實發動機保持一致，以確保學員在實訓過程中能夠感受到真實發動機的重量、形狀和裝配難度。

4.2 傳感器模塊

傳感器模塊是柔性發動機實訓擰緊培訓裝置的關鍵部分，它負責實時監測和記錄擰緊過程中的關鍵參數。傳感器模塊通過安裝在擰緊工具模塊上的傳感器實現數據的采集和傳輸。這些傳感器能夠測量擰緊過程中的參數，并將數據傳輸給控制系統進行分析和處理。通過傳感器模塊的數據支持，學員可以直觀地了解擰緊過程中的各種變化情況，從而更好地掌握擰緊技能。

4.3 控制系統

控制系統是柔性發動機實訓擰緊培訓裝置的大腦，它負責整個裝置的運行和控制。控制系統通過接收傳感器模塊傳輸的數據，對擰緊過程進行實時監測和分析。同時，控制系統還能夠根據預設的擰緊要求和標準，對擰緊工具模塊進行智能控制，確保擰緊操作的準確性和一致性。此外，控制系統還具備數據存儲和查詢功能，能夠記錄學員的實訓數據，方便學員隨時查看和分析自己的擰緊技能水平。

4.4 反饋系統

反饋系統是柔性發動機實訓擰緊培訓裝置的重要組成部分，它負責將擰緊過程中的關鍵參數和結果反饋給學員。反饋系統通過指示燈、聲音提示等方式，向學員展示擰緊過程中擰緊結果是否合格。通過反饋系統的實時反饋，學員可以及時了解自己的擰緊技能水平，發現存在的問題和不足，從而進行針對性的改進和提高。

5 柔性發動機實訓擰緊培訓裝置的功能特點

5.1 操作模擬

柔性發動機實訓擰緊培訓裝置采用真實發動機組件和擰緊工具進行模擬，確保了實訓過程能模擬真實操作過程。學員在實訓過程中能夠感受到真實發動機的裝配環境和操作難度，從而更好地適應實際工作環境。同時，該裝置還能夠模擬不同型號和規格的發動機裝配要求，滿足學員對不同類型發動機擰緊技能的培訓需求。

5.2 識別與指導

柔性發動機實訓擰緊培訓裝置能夠在實訓過程中，該裝置能夠根據預設的擰緊要求和標準，對學員的擰緊操作進行智能指導和糾正。通過智能識別與指導功能，學員可以更加準確地掌握擰緊方法和技巧，提高擰緊效率和準確性。

5.3 實時監測與反饋

柔性發動機實訓擰緊培訓裝置通過傳感器模塊和控制系統實現實時監測和反饋功能。在擰緊過程中，該裝置能夠實時監測關鍵參數，并將數據反饋給學員。通過實時監測與反饋功能，學員可以及時了解自己的擰緊技能水平以及存在的問題和不足，從而進行針對性的改進和提高。

5.4 數據記錄與分析

柔性發動機實訓擰緊培訓裝置具備數據存儲和查詢功能，能夠記錄學員的實訓數據。這些數據包括擰緊過程中的扭矩、角度、轉速等參數以及擰緊結果是否合格等信息。通過數據記錄與分析功能，學員可以隨時查看自己的實訓數據，分析自己的擰緊技能水平以及存在的問題和改進方向。同時，這些數據還可以用于教學評估和教學質量監控等方面。

5.5 模塊化設計

柔性發動機實訓擰緊培訓裝置采用模塊化設計，便于拆卸和組裝。這種設計使得該裝置可以根據不同的培訓需求進行靈活配置和調整。例如，可以根據不同的發動機型號和規格更換相應的模擬發動機組件和擰緊工具模塊；可以根據不同的培訓內容和要求設置不同的擰緊要求和標準等。通過模塊化設計，該裝置能夠滿足不同層次的學員需求和教學要求。

5.6 安全可靠

柔性發動機實訓擰緊培訓裝置在設計和制造過程中充分考慮了安全因素。該裝置采用高強度材料和先進的制造工藝制造而成，能夠承受較大的扭矩和沖擊力。同時，該裝置還配備了安全防護裝置和緊急停機按鈕等安全措施，確保學員在實訓過程中的安全。此外，該裝置還具備故障檢測和報警功能，能夠及時發現和處理潛在的安全隱患。

5.7 降低培訓成本

傳統的發動機裝配技能培訓方式往往需要大量的真實發動機和擰緊工具等實物資源，成本較高且難以管理。而柔性發動機實訓擰緊培訓裝置則采用模擬發動機組件和擰緊工具進行實訓，無需消耗真實的發動機和擰緊工具等資源。同時，該裝置還能夠根據培訓需求進行靈活配置和調整，降低了培訓成本。此外，由于該裝置具備數據存儲和查詢功能，可以記錄學員的實訓數據和結果，方便教學評估和教學質量監控等方面的工作，進一步降低了培訓成本。

5.8 促進教學創新

柔性發動機實訓擰緊培訓裝置作為一種新型的實訓設備，具有高度的靈活性和可擴展性。它可以根據不同的培訓需求和要求進行靈活配置和調整，滿足不同層次和水平的學員需求。同時，該裝置還可以與其他教學資源和手段相結合，如虛擬現實技術、在線學習平臺等，形成多元化的教學模式和體系。這種教學模式和體系不僅能夠提高教學效果和質量，還能夠激發學員的學習興趣和積極性，促進教學創新和發展。

5.9 推動產業升級

隨著汽車工業的快速發展和技術的不斷進步，發動機裝配過程中的螺栓擰緊要求也越來越高。傳統的擰緊方式和工具已經無法滿足現代發動機裝配的需求和要求。而柔性發動機實訓擰緊培訓裝置則采用了先進的擰緊技術和工具進行實訓，能夠幫助學員掌握更加先進和高效的擰緊方法和技巧。這些方法和技巧不僅能夠提高發動機裝配的質量和效率，還能夠推動汽車產業的升級和發展。

6 結論

綜上所述，柔性發動機實訓擰緊培訓裝置是一種高效、低成本的發動機裝配技能培訓設備。它通過模擬真實發動機裝配環境中的螺栓擰緊操作，為學員提供一個逼真的學習環境；通過反饋擰緊過程中的結果，幫助學員掌握正確的擰緊方法和技巧，方便教學評估和教學質量監控等方面的工作。因此，該裝置具有廣泛的應用前景和重要的現實意義。未來，我們將繼續完善和優化該裝置的功能和性能，為汽車產業的發展和人才培養做出更大的貢獻。

基金項目：本文為廣西高校中青年教師（科研）基礎能力提升項目基于質量管理思維下的一款發動機拆裝實訓臺架的研究（編號：2022KY1961）項目資助。

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