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[发动机] 发动机冷测试中的机油压力测试技术

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发表于 2016-2-27 17:24:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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发动机冷测试中的机油压力测试技术

发动机冷测试中的机油压力测试技术

        图1  机油压力测试曲线及测试数据

        在以往的发动机测试中,机油压力测试往往是作为一个监控项目而非定性及定量检测项目进行检测。然而实践证明,机油压力测试对于分析发动机的装配质量及整机性能起着至关重要的作用,需要引起足够的重视。
        机油压力测试
        发动机机油是发动机运转过程中不可缺少的润滑剂,如果缺少足够的润滑,发动机会产生划伤、抱轴和轴瓦磨损等情况。因此在测试过程中,必须要保证发动机有足够的机油压力以确保相对运动件之间的充分润滑。另外,在特定转速时,机油压力也应该稳定在某一特定范围内,其波动值的幅度大小也能体现发动机某些零件的装配情况,如主轴轴瓦、主油道等。
        机油压力测试过程是通过一个512脉冲/r的外部时钟来触发完成的。机油压力测试的主要目的是检查发动机机油限压阀是否有故障、机油油道是否存在缺陷及机油泵能否建立起正常的机油压力等。对机油压力测试,我们主要设置有监控油压测试、低速油压测试以及高速油压测试。
        监控油压主要是为了确保发动机在整个测试循环过程中,机油泵能够持续不断地提供足够充份及压力的机油,以保证发动机内部各个相对运动部件之间有足够的润滑,避免因零件故障或装配错误而导致供油不足引起发动机的烧蚀。同时,在发动机启动运转初始阶段,我们必须加入一个步骤以保证机油压力在预定的时间内达到一个安全值,从而保证发动机有足够的润滑。
       

发动机冷测试中的机油压力测试技术

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        图2  动态机油压力测试

        低速油压是在发动机低转速下检测机油压力,能够检测发动机主要零部件的装配情况,如曲轴、主轴轴瓦和连杆轴瓦等;高速油压主要是检测机油泵的卸荷阀(限压阀)是否能正确开启,机油滤清器的卸荷阀是否完好,以及正时链条涨紧器的供油单向阀是否存在缺失,防止发动机在高速运转时因卸荷阀失效而引起机油压力过高导致产品的损坏。
        机油压力测试曲线
        图1所示为通过一个512脉冲/r的外部时钟来触发,根据采样点所制作的机油压力曲线图(采样频率为8192(1024×8)),其中灰色部分为根据机油压力补偿公式所得到的机油压力补偿曲线。在测试时,我们重点检查以下几项数据:机油压力平均值、机油压力波动范围、机油压力最小值及最大值、机油压力补偿值和机油温度等。
        图2所示为动态油压曲线,其所表示的为发动机曲轴运转720°的机油压力测试过程中,每个采样点的机油压力与测试过程平均压力的差值。这一曲线可以体现出机油压力的稳定程度。
       

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        图3  采用机油温度补偿前后的机油压力检测曲线对比

        机油压力测试的温度补偿
        因为冷测试台的测试结果是测试程序自动分析处理并与数据库中已有的标准进行比较判定,而且测试台对各种信号的测量都是属于短时间高精度检测,因此,一般情况下,我们要求冷测试台处于恒温的测试环境中。但由于发动机的运转,机油温度不可避免地会有所升高,机油黏度与机油温度是一种反比关系,这样,在测试软件已经确定好的特定检测转速下,不同温度的机油所产生的机油压力也便会有一个很大范围的波动,这种情况非常不利于我们测试标准的设定,也影响我们对产品质量的检测。
        为了解决该问题,我们引入油温补偿的概念来对机油压力进行一定的补偿,即通过利用某一个关于机油温度的指数函数,对机油压力进行补偿。将不同温度下检测到的机油压力,通过该指数函数换算到相同温度下的机油压力,这样便有了一个统一的检测平台来确定机油压力是否正确。
        根据实际情况的需要,我们可以选择使用热电偶式温度传感器或者红外非接触式温度传感器对机油温度进行检测,最终得到某油温补偿多项式的f(t):  
        f(t)= 0.0015t5-0.2885t4+21.742t3-802.3t2+14352t-95856
        图3所示为采用机油温度补偿前后的机油压力检测曲线对比,从中可以看到,在采用机油温度补偿之前,我们对发动机机油压力的检测随着油温的变化而变化,如此便需要一个非常大的上下限定值来判断机油压力(0.15~0.35MPa);采用机油温度补偿后,由于机油压力都转换为标准温度下的压力,其检测标准都在同一条件下,我们便可以采取相对小得多的检测范围进行判断(0.25~0.34MPa),这样便更有利于机油供给系统的故障检测。
       

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        图4  发动机机油压力动态油压测试曲线

        机油压力过低及过高的原因分析
        1. 发动机机油压力过低的原因及解决办法
        发动机在测试过程中,如果机油的压力低于0.2MPa或随发动机转速变化而忽高忽低,甚至突然降至零位,此时应立即停机查找原因,待排除故障后方可继续工作,否则会酿成拉缸、轴瓦划伤等比较大的损失。所以,在发动机使用过程中,必须对机油的压力给予高度重视。
        机油压力过低的主要原因与解决方法存在以下几种可能性:
        (1)机油油量不足  若机油油量不足,会使机油泵的泵油量减少或因进空气而导致机油泵工作异常,致使机油压力下降,曲轴与轴承、缸套与活塞都会因润滑不良而加剧磨损。应在每班工作前检查油底壳中的油位,保证有足够的油量。
        (2)机油泵停转  若机油泵的驱动齿轮与驱动轴的固定销剪断或配合键脱落,以及机油泵吸入异物而将泵油齿轮卡死,都会使机油泵停止运转,机油压力也随之降为零。应更换损坏的销轴或键,机油泵吸油口处应设置滤清器等。
       

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        图5  涉及到机油压力的发动机零部件

        (3)机油泵出油量不够  当机油泵泵轴与衬套之间的间隙、齿轮端面与泵盖的间隙、齿侧间隙或径向间隙因磨损而超过允许值时,都会导致泵油量减少,造成润滑压力下降的后果。应及时更换超差的机件;研磨泵盖平面,使与齿轮端面的间隙恢复至0.07~0.27mm。
        (4)曲轴与轴承配合间隙过大  当发动机长期使用后,曲轴与连杆轴承的配合间隙逐渐增大,因而形不成油楔,机油压力也随着下降。据测定,该间隙每增加0.01mm时,油压就下降0.01MPa。可磨修曲轴、选配相应尺寸的连杆轴承,使配合间隙恢复到技术标准。
        (5)机油滤清器堵塞  当机油因滤清器堵塞而不能流通时,设在滤清器底座上的安全阀就被顶开,机油便不经过滤而直接进入主油道。如果安全阀的开启压力调得过高,当滤清器被堵塞时就不能及时顶开,于是机油泵压力升高,内漏增加,对主油道的供油量相应减少,引起油压的下降。应经常保持机油滤清器的清洁;正确调整安全阀的开启压力(一般为0.35~0.45MPa);及时更换安全阀的弹簧或研磨钢珠与阀座的配合面,恢复其正常的工作性能。
        2. 发动机机油压力过高的原因及解决办法
        (1)原因分析  发动机润滑系由机油泵产生压力的原理可知,润滑系的机油能够产生压力主要是因机油在系统内的压油段流动有阻力之故,其压力大小与机油在系统内的流动阻力有关,机油在系统内的流动阻力大时机油压力就高,相反,流动阻力小时机油压力就低。由此可知,润滑系内的机油压力过高,必然是机油在系统的流动阻力过大所引起。
       

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        图6  改变转速后机油压力动态压力测试曲线

        另外,机油压力显示装置失常导致显示机油压力值失准(即显示机油压力过高),使之误认为润滑系机油压力过高。
        引起机油流动阻力增大的常见原因有:
        ①机油粘度过大。机油粘度的大小表明了机油流动时的内摩擦阻力大小。机油粘度的大小与发动机温度有关,发动机温度低时,机油粘度大;反之,发动机温度高时,机油粘度小。机油粘度大时流动性差但密封性好,泄漏量少。如果机油粘度超过规定值,机油在润滑系统内流动阻力会增大,同时压力升高。由此可知,发动机温度低或机油本身粘度大(因对机油牌号选用不当,即机油牌号不适合环境温度,如冬季选用了夏季粘度大的机油)时,机油压力会高。
        ②压力润滑部位间隙过小或机油细滤器堵塞。由润滑油路可知,润滑系机油循环回路的流动阻力等于并联支路机油流动阻力的倒数之和。压力润滑部位的凸轮轴轴颈、连杆轴颈、曲轴轴颈和摇臂轴等润滑部位如果配合间隙过小,细滤清器的滤芯过脏就会导致机油回路堵塞,限压阀调整压力过高也会使润滑系油路的流动阻力增大,压力升高。
        ③ 限压阀调整不当。由限压阀组成和工作原理可知,限压阀是靠平衡弹簧和球阀(或锥阀)来限制机油压力的,并使之机油压力不超过技术文件的规定值。机油压力超过规定值时,便克服弹簧的弹力将阀门推开向系统内泄压;机油压力低于弹簧弹力时,阀门在弹簧的作用下关闭,从而将压力限制在规定的范围内。由此看来,润滑系的机油压力取决于弹簧弹力的大小,如果调整的弹簧弹力过大,会使系统内的机油压力过高。
        (2)排除方法:如果机油压力明显过高,说明压力润滑部位的轴颈与轴承(瓦片)配合间隙过小或限压阀调整压力过高,应认真检查压力润滑部位轴颈与轴承的间隙。若间隙过小时,应调整或刮研,避免因间隙过小烧坏配合副;如果是使用已久的柴油发动机出现机油压力过高现象,表明是机油细滤清器堵塞,应予以清洗;如果低温时机油压力过高,当发动机温度升高后机油压力正常,表明机油压力过高的原因是机油的温度过低所致;如果更换机油后机油压力显著过高,说明机油牌号选用不当。
       

发动机冷测试中的机油压力测试技术

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        图7  链条涨紧器及支架

        案例分析
        案例一:某发动机在测试过程中,发现高速动态油压波动值偏高(波动幅度过大),检查对应的高速油压采集曲线,发现其压力在720°的一个工作循环内呈现有规律的波峰波谷,波动值超出测试上限150%以上(标准值为0~1MPa,实测值为2.55MPa)。通过以上信息初步判断,发动机在高速运转阶段无法保持一个稳定的机油压力。图4是该发动机的高速机油压力测试曲线以及正常的测试压力曲线。由此可以看出,该缺陷发动机的机油压力随着发动机的运转在剧烈的上下波动。
        发动机油道存在泄漏可能会造成机油压力的波动,因此,我们首先检查了该发动机在试漏时的测试数据(见表),结果发现试漏的测试数据没有任何纰漏,基本排除了油道泄漏的可能性。
        依据经验判断,如果高速机油压力波动值过大,还需要考虑的是机油泵卸荷阀存在质量缺陷,机油泵运转不稳,或者机油泵链条装配存在某种缺陷。另外,根据对发动机构造的分析,相关运转零部件中,与机油压力有直接关系的零件有轴瓦、平衡轴、平衡轴链轮、正时链轮和可变正时柱塞等(见图5),对上述零件依次检查,未发现任何异常情况。
        由于未发现明显缺陷,我们怀疑是否为测试台程序的问题,或者是发动机转速的不同引起的异常,因此我们对测试程序进行了一定的调整。
       

发动机冷测试中的机油压力测试技术

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        图8  雾化喷嘴油道未加工

        我们将发动机的测试转速从1 300r/min调整为900r/min,检测压力曲线,发现机油压力波动值以更加规律的波形上下浮动,且浮动范围远远超出正常机型(见图6),由此怀疑该缺陷与发动机运转件相关。运转件中涉及到机油压力的有机油泵卸荷阀、机油泵链轮、正时链条和主轴瓦等,逐一分析可以了解到主轴瓦错误会引起该缺陷,但同时也会有其他项目的缺陷,如扭矩值偏高或偏低等,所以基本排除该项。而卸荷阀等缺陷会伴随着机油压力的超高或过低,不会产生规律性变化。通过对发动机内部零件的分析,随着发动机的运转,链条涨紧器所需要的涨紧力也会规律性变化,那么,该缺陷与这一现象有没有关联呢?
        我们再次确认检查了链条涨紧器的构造及相关零件(见图7),最终发现该链条涨紧器所需要的涨紧力是由一个密封腔体内的机油产生的,通往腔体的是一个单向阀。当腔体内压力小于机油压力时,机油进入该密封腔体,而当腔体内压力大于机油压力时,单向阀关闭,腔体内机油便产生涨紧器所需要的涨紧力。
        鉴于以上分析,我们拆检链条涨紧器,发现其支撑座上的单向阀丢失,由此导致链条涨紧器内密封腔体与主油道相通,机油压力便在不断变化的该密封腔体作用下,产生超出正常范围的压力波动。
       

发动机冷测试中的机油压力测试技术

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        案例二:某发动机测试时,发现低速机油压力过高,怀疑主油道或者某油道相关的零件存在堵塞情况。将发动机送返修逐一拆检,最终发现某缸筒的机油雾化喷嘴油道未加工(见图8),导致机油无法从主油道喷出,从而引起机油压力值偏高。
        结语
        发动机冷测试试验中的机械性能测试主要有扭矩测试(包括脱离扭矩、运转扭矩和监控扭矩等)、进气真空度测试、排气压力测试、机油压力测试和发动机正时测试等。其中,机油压力测试作为发动机整机性能的一个全面体现,涉及到机油泵、机油滤清器、缸体及缸盖主油道、平衡轴总成主油道、机油喷嘴等润滑系统的多种关键部件,在发动机冷测试试验过程中,对于分析发动机的装配质量及整机性能起到至关重要的作用。而在以往的发动机测试过程中,机油压力测试往往被作为一个监控项目而非定性及定量检测项目进行检测。
        本文对冷测试过程中的机油压力测试原理及测试曲线进行定性及定量的分析,通过实际案例说明机油压力测试在发动机故障诊断中的实际意义,确定了机油压力检测的重要性。
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