工业CT在喷油器故障检测中的应用*

施玉书 高思田 宋 旭 李 伟 李 琪 李 适 陈思文

(1.中国计量科学研究院，北京 100029;2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；3.中国计量学院计量测试工程学院，杭州 310018 )



工业CT在喷油器故障检测中的应用*

施玉书1，2高思田1宋 旭3李 伟1李 琪1李 适1陈思文2

(1.中国计量科学研究院，北京 100029;2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；3.中国计量学院计量测试工程学院，杭州 310018 )

工业CT以其出色的内部成像能力，在无损检测领域发挥着越来越重要的作用。本文以某喷油器生产企业为案例，介绍了工业CT在喷油器故障检测上的应用。结果表明，通过工业CT的扫描成像，能够清晰地观察到喷油器的故障位置和原因。这一应用案例说明，工业CT在工业零部件的内部结构检测上有着巨大的应用前景，有待进一步的发掘。

工业CT；喷油器；无损检测

0 引言

工业CT技术是工业计算机断层扫描成像(Industrial Computed Tomography)技术的简称。一套完整的工业CT系统可以实现对工业零部件内外部结构非接触、无损伤的检测。与传统的无损检测手段，如涡流检测[1]、磁粉检测[2]、射线检测等相比，工业CT具有检测速度快、适用范围广、分辨力和测量准确度高等优点，因此被誉为“最佳的无损检测手段”[3]。

本文以汽车喷油器为例，介绍了工业CT在产品故障检测上的应用。首先，通过工业CT扫描测量，得到喷油器的三维重构数据；之后对重构数据进行断层分析，结合喷油器的结构特点以及工业CT的成像原理，最终找到故障位置，并对故障原因进行了分析。

1 工业CT的工作原理

典型的锥束工业CT结构如图1所示，主要包括X射线源、样品扫描转台和X射线平板探测器、数据处理单元以及测量结果显示单元等几部分[4-5]。

图1 工业CT系统结构

其基本工作原理为： X射线穿过样品后，由于样品不同位置对X射线的衰减系数不同，在探测器上会得到一组与样品结构相关的投影数据；然后转动样品台一个小角度Δθ，取得对应该角度的另一组投影数据。如此重复，直至旋转N次(一般N×Δθ=360°)，取得N组投影数据为止。然后，通过FDK等反投影算法，就可以计算得到样品的三维几何结构信息[6]。

2 喷油器结构组成及故障分析

2.1 喷油器结构

喷油器是汽车、摩托车等内部电喷发动机上的一个重要零件，其作用是为发动机提供精确定量的雾状燃油。按结构不同，喷油器可分为轴针式、球阀式和片阀式3种[7]。一种球阀式喷油器的基本结构如图2所示[8]。

1.弹簧；2.针阀；3.阀座；4.喷孔；5.护套；6.挡块；7.衔铁；8.喷油器体；9.电磁线圈图2 球阀式喷油器结构简图

喷油器本身是一个常闭阀，当控制机构下达喷油指令后，会有电流流经电磁线圈，产生磁场， 并将衔铁吸附到工作位。同时，前端的针阀被带动与阀座分离，在喷孔处产生环形间隙，燃油从间隙中高速喷出，形成雾状，以供下一步充分燃烧。

2.2 喷油器典型故障分析

引起喷油器故障的原因有很多，如喷孔堵塞、密封面磨损、弹力不足等[9]。其中最常见的故障是由于发动机内积炭沉积或者燃油中含有杂质等导致喷油器堵塞，如图3所示。

图4 故障喷油器工业CT测试结果

图3 喷油器堵塞示意图

理论上当喷油器处于常闭状态时，针阀与阀座之间是严密贴合，没有间隙。当有异物混入时，针阀与阀座之间无法密封，从而产生漏油现象，使得发动机功率下降，油耗上升，排放污染增加，甚至使发动机无法工作。

3 利用工业CT分析喷油器故障

汽车喷油器作为发动机的关键部件之一，长久以来一直被国外垄断。近些年，国内陆续出现了一些喷油器制造企业，国外喷油器在中国的垄断逐渐被打破，喷油器价格大幅下跌，为国产汽车行业压缩了成本。其中就包括广西柳州的一家企业。最近该企业出口给美国的一批喷油器被投诉有质量问题：有若干喷油器喷孔处漏油。用户怀疑是在生产过程中有碎屑导致喷孔出现间隙，产生漏油现象；而企业认为是用户使用的燃油中的杂质导致的漏油。

为找到漏油的真正原因，该企业尝试将故障喷油器拆卸，找出杂质，以确认杂质来源。但由于杂质太小，且位置不明确，杂质在拆卸过程中极易丢失，因此始终未能有所发现。最终这家企业来到中国计量科学研究院内尺寸检测实验室，用这里的一台工业CT(Metrotom1500)对这些故障喷油器进行了扫描检测。工业CT的扫描参数设置如表1。

表1 工业CT扫描参数设置

完成工业CT扫描重构后，使用VGStudio软件对数据进行分析。如图4，分别从俯视、正视、右视三个方向，对故障位置进行断层切片分析，可以很清楚地观察到喷油器针阀和阀底之间的杂质形状和位置。

根据工业CT的测量原理，物质的X射线衰减系数越大，得到的图像亮度越高。从断层图像中可以看出，异物的颜色与周围的针阀、阀底相近，因此二者具有近似相等的衰减系数。喷油器针阀和阀底的材料为钢材，从而基本可以断定造成漏油的异物是一种铁屑或与之X射线衰减系数类似的物质。进一步分析可知，这些异物很有可能来自于生产过程中机械加工产生铁屑残留，因此企业在之后的生产中，有针对性的对零部件清洗环节进行了改进，最终使得产品的故障率大大降低。

4 结束语

工业CT以其出色的内部检测能力正在受到越来越多行业的重视。本文以喷油器故障检测为例，介绍了工业CT在无损检测领域的应用。近些年，新出现的一种微焦点工业CT，不仅可以完成无损检测的任务，而且还具有三维几何尺寸的测量功能，尤其是对于工件内部尺寸的测量，弥补了传统测量手段的局限性。将来，随着工业CT技术的不断提高，工业CT在无损检测、工业测量、逆向工程等领域必将发挥着越来越重要的作用。

[1] 徐平,罗飞路,张玉华,杨宾峰. 脉冲涡流无损检测系统工作点的分析与研究[J]. 计量技术,2006(01):5-8

[2] 周鹏,唐德东. 磁记忆技术在管件裂纹检测中的应用[J]. 计量技术,2005(01):16-17

[3] 先武, 李时光. 最佳无损检测手段—工业CT技术的发展[J]. 光电工程, 1995, 22(4): 51-58

[4] Reiter M, Heinzl C, Salaberger D, et al. Study on parameter variation of an industrial computed tomography simulation tool concerning dimensional measurement deviations[C]//Proceedings of 10th European Conference on Non-destructive Testing. RSNTTD, Moscow. 2010

[5] 张朝宗, 郭志平. 工业CT技术和原理[M]. 北京: 科学出版社, 2009: 125-127

[6] 王增勇, 汤光平, 李建文, 等. 工业CT技术进展及应用[J]. 无损检测, 2010 (7): 504-508

[7] 凌永成, 于京诺. 汽车电子控制技术 第2版[M]. 北京: 北京大学出版社, 2011: 45

[8] 张邢磊. 汽车构造[M]. 长沙市: 国防科技大学出版社 , 2010: 72-73

[9] 陈永成,梅卫江,刘玉波. 常用喷油嘴的结构特点与使用维护[J]. 内燃机,2002(03):44-46

国家重大仪器专项基金(2011YQ03011208)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.06