温度对泄漏测试影响的研究和应用

(南京汽车集团有限公司动力总成技术支持部，南京 210000)

0 引言

泄漏测试对于所有的发动机主机厂来说十分重要，泄漏测量方法直接关系到产品质量和生产效率[1]。但很少有人研究在实际生产过程中，泄漏测试结果与产品温差之间的关系及其实际影响的大致模型和程度。在泄漏测试技术应用上，文献[2]介绍了一种自制的泄漏测试设备及相关原理，文献[3]介绍了泄漏测试的常见方式和应用范围，文献[4]介绍了依据市场反馈的泄漏产品，对泄漏测试设备的参数进行调整，并对参数控制范围的作用效果进行逆向研究。以上文献中均未介绍在泄漏测试设备可靠的情况下，泄漏结果与工件温度和环境温度之间的关系。本文就某缸体生产线中存在泄漏测试通过率低的问题进行分析。以质量流量法测试仪器为基础研究，通过生产线上的大量数据验证确定温度因素对测试结果的影响，并根据理论计算，给出合适的参数调整及硬件降温方案来达到高效生产的目的。同时，简单介绍JWF-MFL400系列质量流量测试仪的工作原理，并通过实际生产案例重点介绍环境温度变化及工件自身温度变化对泄漏仪器测量结果的影响，并通过增加温度控制措施和调整仪器参数来实现生产现场的快速、稳定、精确的产品质量控制。

1 常见的影响泄漏测试结果的因素

1.1 温度稳定性

温度波动一般视为对产品泄漏测试质量影响最为突出的因素。由于常规工艺规划一般是在泄漏测试工序前对工件进行清洗，清洗机温度的控制及冷却通道的布置均有可能导致工件在测试前温度与要求的测量温度不符。主要表现在机体本身温度过高或过低、机体表面各密封点温度不均匀及现场环境温度变化过大等。温度对测量的结果影响程度也会根据不同的产品腔体大小而不同，但总的来说为主要影响因素。

1.2 容积稳定性

容积波动是指产品被密封后测试腔体变形或密封区域变形造成的容积变化波动。当测试过程中夹具橡胶密封发生变形而影响腔体内部压力、薄壁件充入气体压力过大时产生变形、机床振动导致密封变形等情况均会影响产品的泄漏值。一般通过合理的机床设计及夹具设计可以避免容积波动。

1.3 湿度稳定性

湿度主要影响产品在测试时的气体密度和密封性能。当产品或环境湿度过大时，腔体内的气体密度变大，密封件之间及泄漏点之间的空气流量将会变小，从而使测试结果偏小。一般可通过局部空间干燥除湿或采用整体厂房空调系统来很好地控制测试环境湿度。

1.4 气路密封稳定性

生产过程中可能出现密封件破损且更换不及时，气缸夹具夹紧力不够及供气和测试管路出现泄漏情况，这些情况发生都将影响测试结果。一般这些情况下的泄漏值较大且呈上升趋势，很容易被发现且修复。但当采用毛坯面密封时，由于毛坯的一致性较差而导致密封性能波动时，密封面泄漏情况难以察觉，对泄漏测试的结果影响很大。此时需要对堵头进行不断调整。

1.5 测量参数设定的合适性

泄漏测试的参数设定很重要，如测试时间、充气压力、测试温度、补偿参数等。这些参数随测试设备使用年限、环境变化，以及产品发生的设计变更、同系列产品共线生产策略等因素发生变化而需要重新优化。一旦参数设置不合理，将会造成泄漏测试结果失真。因此，泄漏测试参数在环境发生变化或设计变更后，需要根据实际生产情况进行适当的优化才能让设备更高效运行。

2 温度对泄漏测试的影响

基于南汽某款直列4缸铸铁缸体在生产中出现泄漏测试一次通过率低的问题，采用单变量控制方式观察和统计温度对泄漏测试过程的影响，并根据质量流量控制原理，利用生产配置的质量流量型测试设备对温度的影响进行详细的研究分析。测试仪器经运算后采用标准泄漏率计量，单位为cm3/min，与产品图纸中泄漏率单位一致。文中所有泄漏数据均以此泄漏率单位进行统计并输出结果。

该缸体在验收后批量投产时，其泄漏测试一次通过率非常低，尤其在夏冬季节，仅为83%左右；而通过沉水复检后发现，这些不合格产品中有高达91.2%是因为设备误判造成的，测试误判给公司带来较大的生产效率损失。

2.1 测试设备原理及状态

泄漏测试设备为JWF公司的MFL400质量流量泄漏仪，主要利用质量流量计精确测量气体的瞬时泄漏率，设备检测精度为0.001 cm3/min，且具备快速测量的特点，可在最短4 s内完成测量。泄漏设备放在缸体粗加工与精加工之间，缸体经过中间清洗后进入泄漏测试设备。

2.1.1 测试设备原理

测试过程主要分为7个阶段。缸体水道和油道的测试时间与顺序不同，其对应的阀门开启阶段并非同步发生。

阶段1(测试前仪器平衡阶段)：设备水道和油道双通道内的流量计、管道、储气缸连通大气，与大气同压形成平衡状态。

阶段2(储气缸充气阶段)：设备接通压缩空气阀，通过调压器设定压缩空气压力，并向油道和水道的储气缸充气。

阶段3(被测工件密封后的气压平衡)：密封机构对缸体各密封口进行密封，密封后的水道和油道将通过管道和阀门与大气相通并保持4 s后关闭，将密封形成的压力和气体排出腔体内部，确保测量前腔体和管道内压力与大气压力相同。

阶段4(工件腔体的充气阶段)：储气缸同时向油道和水道测试管路充入0.15 MPa的压缩空气。其中水道将在后续的6 s进行充气平衡，油道需要在随后水道测量中一直保持0.15 MPa压力至水道测试结束。

阶段5(水道测量阶段)：在水道经过6 s充气平衡后进行泄漏测量，测量时间为4 s。由于此时油道和水道内均为0.15 MPa压力，水道的泄漏结果不包含水道与油道的互漏。当缸体水道出现微泄漏时，储气缸将持续地通过流量计向水道腔体补充气体，并据此测得水道的实际泄漏率。此阶段油道不参与测量，并保持储气缸与油道的0.15 MPa的平衡压力。

阶段6(水道排气，油道再充气阶段)：缸体水道及测试管道与大气连通进行排气，此时油道腔体内再次充气至0.30 MPa，进行测量前的平衡准备。

阶段7(油道测量及互漏测量阶段)：采用0.30 MPa的压力对油道进行测量，由于此时水道已排气并与大气相通，油道测量的结果将包含油道与水道的互漏。测试气体通过储气缸流经质量流量计向油道腔体进行补充，互漏的气体通过水道管路中质量流量计流向大气，这样同时获得油道泄漏率和互漏率。测试结束后工件将松开密封机构离开设备，同时各管路阀体开启至准备状态。

2.1.2 测试设备状态

设备夹具工装在验收和生产测试阶段已通过多项验证，其配套的密封件也通过模拟划伤试验，在轻微划伤的情况下仍然具备较好的密封性。产品的容积稳定性也在验收过程中通过数据分析控制在较好的范围内。整体来说设备状态和工件状态符合批量生产和研究条件。

设备设置参数如表1中所示。

表1 设备参数表

表1中水道和油道在测试压力、充气策略和充气压力上因双通道的工作时间与顺序和测量项目内容不同存在一定的差异。为保证水道0.15 MPa测试压力下的泄漏准确，油道会预先充入0.15 MPa的压力进行平衡。

2.2 工件

研究对象是一款排量为1.5 L直列4缸发动机的铸铁缸体，其产品测试要求如表2所示。

表2 缸体泄漏测试要求

表2中显示缸体水道和油道的测试压力不同，水道要求在0.15 MPa压力下测量，油道要求在0.30 MPa压力下测量。测试设备采用的是JWF公司的MFL400系列双通道质量流量测量设备，要求测量节拍控制在42 s以内。

1.5 L发动机缸体生产线布局采用扁S形布置，泄漏测试设备放在粗加工与精加工之间，缸体经过中间清洗后进入泄漏测试设备，设备的测试原理如2.1介绍，泄漏测试要求如表2所示。

缸体产品经过经清洗后到达泄漏测试设备前的工件表面温度在冬夏两季温度范围是3～39 ℃，工件出清洗机后在空气中平均冷却时间为100～240 s，工件自身各表面最大温差波动为0～8 ℃。中间清洗设备不具备制冷降温通道，工件的冷却只能在辊道流转过程中进行冷却，清洗设备至泄漏测量设备间的辊道设置3个存料工位用于冷却缓冲。

2.3 工件自身温度的影响

缸体在进入泄漏测试前，需要经过中间清洗机进行清洗，在高温清洗过程中工件温度达40～50 ℃。因此，清洗完后的缸体内外腔表面因在空气中冷却速率不同而造成其各表面温差过大。随机抽取10件缸体，进行各表面温度测量试验，得到各表面温度分布，如表3所示。

表3 泄漏测试前缸体各表面温度分布情况

经统计发现，排气面和后端面的温差最大，达7 ℃以上。由于密封后的工件水道和油道分别涉及到6个表面的孔系，不同面之间的温差将会导致腔体内部的气体热膨胀程度不同，因此局部区域温差会造成实际测量流量差异。

在缸体各表面温度相对稳定的情况下，且在保证环境温度及湿度相近的时间段内，通过控制工件冷却时间及调整清洗液温度和冷却通风温度来配合温度监控，分别对工件最大温差进行调整，并在此基础上对相应的泄漏率进行取样和统计，结果如图1所示。

图1 工件自身表面最大温差对泄漏率的影响

由图1可见，工件自身温差与泄漏率存在一定的正相关关系。在研究的产品对象中，水道泄漏率趋向于一次方程式：

y=0.094 2x+0.187 6

(1)

油道泄漏率也趋向于一次方程式：

y=0.000 9x+0.427 5

(2)

整体上看，油道由于腔体较小，工件表面温差的变化对其泄漏结果影响有限，整体泄漏率的偏离在允许测量误差范围内。水道由于腔体较大，工件表面温差较大时，整个腔体内的气体温度差异较大，导致泄漏率的偏差较大。当工件自身温度不均匀性在7 ℃左右时，水道的泄漏率偏差达到了0.65 cm3/min，占到测量目标值(2.5 cm3/min)的26%，已经远远超出系统允许的测量误差，使测量结果产生严重的偏离。需要采取措施对工件自身温差进行平衡，以达到减少泄漏测试结果误差的目的。

2.4 工件与环境之间温差的影响

经过清洗机后除了工件本身温差不均匀外，工件自身温度与环境温度也会存在差异。在清洗过程中工件的整体温度会升高，进入测试时工件温度下降至环境温度或是允许的温差范围内。工件与环境之间温差不仅随着一天的时间有变化并且在一年中的每个季节都有变化，一般在冬天和夏天这种变化最明显。为了单独研究工件与环境之间温差对泄漏率的影响，选择湿度和环境温度变化不大的秋季且室温为(21±2) ℃的时间段内采集数据并进行统计，通过调整清洗机温度来人为影响工件的温度，其影响情况如图2。

由图2可见，工件与环境之间的温差对缸体水道和油道都有较大的影响，且温差越大，泄漏率越大。其中温差对水道泄漏率影响近似于一次函数：

y=0.169x-0.240

(3)

图2 工件与环境之间温差对泄漏率的影响

温差对油道的泄漏率影响也近似于一次函数：

y=0.124x+1.683

(4)

当工件与环境之间的温差达到5 ℃时，水道的泄漏率测量偏差将达到0.61 cm3/min，油道的泄漏率测量偏差也达到2.30 cm3/min，分别占到对应目标泄漏率的24.4%和57.5%。在实际生产过程中将会带来泄漏率测量值偏离，由此也会造成大量的误判。

3 优化措施

基于以上分析，并结合现场实际状态，可以判定温度变化是造成产品泄漏结果误判的主要原因。缸体在实际生产过程中自然冷却时间很短，很难使其各表面的温度冷却均匀，同时也很难使工件与环境之间的温差保持在一定的范围内。

3.1 温度影响的解决方案

前面分析中涉及到温度变化有两大方面，一是工件材质的不均匀导致不同的部位的热传导差异较大，最终体现在工件自身局部温差较大，二是工件清洗后自身温度与生产环境温度之间的差异变化较大，尤其在夏冬2个季节更为突出。以上两大因素造成的测试结果均超出系统所能接受的误差范围，因此仅对其中一个方面进行优化并不能解决泄漏结果偏差的问题。

通过综合考虑，最终确定通过增加冷却通道长度来延长工件从清洗机后到测试设备的时间，通过增加空冷时间和增强散热来减小温度的变化。冷却方式采用自然鼓风冷却，保持工件温度与环境温度的相对统一。

方案选定后必须结合泄漏测试设备的自身温度补偿能力及参数的计算确定控制范围。根据经验和设备自身的补偿能力最终确定工件各表面温差应控制在2 ℃内，工件与环境的温差应控制在3 ℃内。通过计算并综合考虑现场场地空间，最终确定增加10个大功率冷风机组成U型通道，保证工件到达泄漏测试前温度到达目标控制范围。优化后，通道长度由原来的2.8 m增加至15 m, 工件冷却时间由原来240 s增加至720 s。

图3为增加冷却措施后工件表面温度情况。由图3可见，增加冷却措施后，工件冷却效果明显，表面温度差幅度最小减少了3.8 ℃，最大减少了6 ℃，同时工件与环境之间的温差减少了5～7 ℃。数据统计显示，采用冷却措施后工件与环境之间的温差及工件自身温差都能控制在3 ℃和2 ℃之内，同时生产线上的泄漏测试结果十分精确且稳定。

图3 改进措施实施前后工件温度的对比

3.2 恒定温差影响的解决方案

上述措施能有效控制工件自身的温差及工件与环境之间的温差，但环境与工件之间始终存在一个恒定的温差，约为3 ℃。该恒定温差因季节不同会略微有变化，根据生产的统计，全年工件与环境之间的恒定温差在0～3 ℃(含冬夏季数据)。

针对恒定温差的影响，可采取设置温度补偿系数、偏离值设置等措施。随机抽取5 000个以上的生产数据，进行离散点分析。首先，使用标准泄漏仪进行初始偏离值设置，并在对大量数据分析的基础上对温度补偿系数进行初始修正；然后，在温度补偿系数修正过程中分多段进行修正，以获得最佳的生产状态。如图4～5所示为无温度补偿和有温度补偿对缸体泄漏测试结果的影响情况。

图4 无温度补偿对缸体泄漏测试结果的影响情况

图5 温度补偿对缸体泄漏测试结果的影响情况

由图4～5可见，在稳定的系统温差下，当工件与环境之间温差控制在3 ℃内，经过标准泄漏仪设置偏置后温差对系统整体泄漏率的影响≤1 cm3/min，且呈现较强的线性关系。在经过温度补偿修正后，可修正其偏离幅度，减少测量的波动及环境温度对泄漏测量结果的影响。当工件与环境温差≤3 ℃时，其总体泄漏率波动值稳定在0.3 cm3/min可接受的偏差范围内。因此修正温度补偿参数可有效地减少误判率，提升一次通过率。

4 结论

1)通过对生产过程中实际产品的研究，量化温度因素对质量流量泄漏仪测试结果的影响，为同类产品在制定泄漏测试工艺方案时提供参考。

2)从工件自身温差和工件与环境之间的温差2个方面跟踪和测量，得出这2种因素对泄漏测试结果影响的程度，为同类型产品在冷却环节设计和工件温度平衡上提供参考。

3)通过实际的措施，有效地解决了生产线一次泄漏测试合格率低的问题，使泄漏测试一次合格率由批产后的83%提升至98.5%以上。