冷试技术在柴油机装配质量控制中的应用研究

钱霞美

(上海华依科技集团股份有限公司，上海 201299)

0 引言

近年来，冷试技术作为发动机装配质量的有效检测控制手段已经被国内汽油发动机生产厂家普遍接受并广泛应用。95%以上的汽油发动机制造厂在规划新建装配生产线时，都会把冷试设备列为必不可少的测试工位。然而从国内各大发动机生产企业现有生产线实际运行情况来看，冷试技术在柴油机装配质量控制中的应用程度远不如在汽油发动机装配质量控制中那么广泛[1]，很多柴油机生产企业仍然采用以热试为主要的质量控制测试手段。

1 冷试技术应用优势

传统的柴油机热试，是通过在专用测试台架上为发动机创造一个能点火的条件，让电子控制单元(ECU)驱动发动机运行，再通过台架监控和在线检测2种方式，验证发动机的装配质量。发动机热试台架大多为半自动台架，依靠人工完成对接和测试结果判定；发动机运转动力来源于自身，通过燃烧柴油所得；对测试时的安装和夹紧精度无特别要求；测试节拍一般单台30～120 min。

而柴油机冷试时，无需使用燃油，或使用极少燃油。如，配置柴油润滑燃油泵的柴油机需要提供少量燃油来运行，待测试完成后该部分燃油自动进入循环回收系统，所消耗的柴油量极少。通过冷试设备对发动机进行定位固定，然后各测试机构连同传感器自动对接发动机相应的测试口，通过外部驱动机构拖动发动机曲轴以不同的速度旋转。同时，外部的各测试系统通过采集进气口压力、排气口压力、机油压力、曲轴旋转扭矩、发动机振动等传感器上的数据，再经过测试台专业软件进行分析，然后将分析结果与测试台架已设定好的极限值进行比较，确定发动机是否装配正常。一般通过冷试可以测出的缺陷有：气道系统装配缺陷、润滑油道装配缺陷及零件油道的加工缺陷、燃油供给系统装配缺陷、运动件装配缺陷及干涉检测、传感器及线束缺陷。

柴油机冷试试验节拍单台仅需约130 s。同时，由于冷试过程几乎不消耗燃油，运行费用相对于热试过程大大降低，如表1～2所示。经测算3 L发动机冷试费用约为热试费用的1/5，而4～7 L发动机冷试费用仅为热试费用的1/11。按目前柴油机10万台年产量估算，若采用100%冷试全检+30%热试抽检的测试模式，每年可以节约成本近千万元。

表1 3 L柴油机热试与冷试费用比较

表2 4～7L柴油机热试与冷试费用比较

综上所述，冷试技术应用在柴油机装配质量检测中具有以下明显优势：(1)能提前发现发动机生产过程中的装配缺陷及零部件质量问题，把缺陷控制在生产线内；(2)测试过程节拍短，效率高，测试中不需要消耗燃料或消耗极少量燃料，不做功，符合我国节能环保的可持续发展战略；(3)冷试台架为全自动设备，测试过程中无需人工参与，不仅消除传统热试作业的职业健康风险，还大大节约人力成本[2]。

2 柴油机冷试技术应用程度不高的原因和对策

2.1 原因

既然冷试有如此明显的技术优势，为什么现阶段其在柴油机制造领域应用并不广泛呢？通过走访多家国内主流柴油机生产企业，分析得出主要矛盾体现在3个方面：(1)冷试技术对发动机定位精度要求高，必然需要选用自动化结构设计，而现有柴油机装配线通常布局紧凑，实施冷试改造难度大、周期长；(2)相对于汽油机而言，柴油机产品型谱更多样化，机型随时会根据主机厂的需求不断进行调整更新，而冷试设备由于其设计和制造周期的限制往往难以应对产品机型的变化节奏；(3)冷试作为检测手段的替代技术需要有可评价的基准值，而较多生产厂并没有依照冷试规范完成初始测试数据的限定设置工作，以至于对冷试的检测效果产生了错误的评价。因此，推广冷试技术在柴油机装配质量控制中的应用，必然要解决以上柴油发动机制造企业尤为关切的问题。

2.2 对策

对现有的发动机装配生产线，采取独立环线输送布局，减少改造影响；采用模块化工装设计，实现冷试设备柔性化；按流程验证发展冷试限定值，提升评价准确性。

2.2.1 独立环线输送布局

由于近年来汽车产业的蓬勃发展，汽油机生产线迭代迅速，新建项目众多，因此具备了在规划初期直接上冷试设备的可行性，而柴油机装配生产线相对稳定，冷试设备的应用就需要依靠对现有生产线进行改造来实现。由于现有的柴油机装配线多为人工装配，自动化程度低，而应用冷试需要发动机自身具有较高的定位精度来满足全自动测试要求，并且需要增加配套的自动化定位、输送、装夹等设备装置。因此，在原有装配线上进行改造不仅工程量大，而且装配精度及机型数据读取条件受到限制，改造失败的风险较高。

为避开原有装配线的限制，进行冷试改造时，可以根据实际情况考虑采用单独的输送环线，并在独立的环线中按冷试需求设计满足精度要求的托盘和输送条件，同时布置必要的工装装配工位。这样原有装配线并不需要进行大的改变，只需增加与冷试输送环线相连接的接口即可，成本降低且风险可控。某装配线冷试改造的案例如图1所示。图1中灰色区域为某柴油机厂家成熟装配工艺的发动机装配线，按照装配线节拍65 s需增加2台冷试设备。综合考虑定位精度改造成本，决定通过在原有装配线旁边布置一个长25 m、宽11 m的冷试环线，如图1虚线区域所示。在环线内完成以下工作：冷试发动机上线、工艺件预装、燃油试漏和预供给、冷试及燃油抽油、工艺件拆卸和返修及下线。冷试所必须的托盘和工装(包括工艺飞轮、工艺适配器、工艺线束对接板、工艺燃油对接板、工艺堵头等)只在冷试环线内流通，工装及托盘流通数量按满负荷装配计算设置12套，原有装配线与新增冷试环线分开，无需大改造。此案例大大缩减了增加冷试设备的费用，是柴油机装配老线增加冷试设备成功改造的典型案例。

图1 装配线冷试改造的案例

2.2.2 模块化工装设计

在现行的生产制造体系中，柴油发动机生产厂家的机型生产计划会根据市场的需求不断调整变化，而冷试设备却是为特定发动机机型定制，是配套特定机型产品的测试设备。由于设计和制造周期长，冷试设备往往跟不上产品机型的变化，这也是导致柴油发动机制造企业对冷试应用存在顾虑的重要因素。因此冷试设备向更高的柔性化和更好的拓展性方向发展是满足柴油机市场需求的必然选择。

增加冷试设备的柔性化，首先必须在设备生产规划阶段就需要投入更多设计柔性化考量。虽然这会增加相应的硬件成本，但这是非常有必要的，它让冷试设备后期能适应发动机机型的拓展需求。更换测试机型时，只需调整设备的某几个工装或机构，大大缩短冷试设备的调整更新周期，且轻松应对机型的变化。

增加冷试设备的柔性化，还可以提升设备的自动化和智能化。在设计与发动机相连接部位时，可考虑采用工装模块化设计，通过更换工装来满足新机型测试。比如设计中可考虑使用6轴机器人自动更换工装，或将冷试前工位预装工装转化为设备上同一测试接口。

图2所示是一台为国内某柴油机企业设计的柔性化程度很高的冷试设备。它实现了一台设备既能进行汽油发动机测试还能完成柴油发动机测试，是多机型一体化的冷试设备。发动机通过输送机构就位后进行定位夹紧，测试对接机构将发动机测试接口和设备直接连接，六轴机械手机构根据机型需要自动更换进排气工装，并作为进气测试机构的执行器执行测试动作，完成冷试的全自动测试。

图2 一体化冷试设备结构

实现一体化的关键在于该设备的工装柔性化设计。上述一体化设备的部分工装如图3所示，部件1、3、4、5和6为冷试前工位预装件。针对不同的发动机机型，更换部件1以适应冷试驱动系统对接，达到为发动机提供驱动力的目的，更换部件3以适应设备定位夹紧并装配部件7托盘，更换部件6以适应设备端机油压力对接测试机构，更换部件5以适应设备端燃油压力对接测试机构，更换部件4以适应设备端线束对接测试机构；依靠六轴机械手实现更换部件2和9；在冷试工位自动实现进气排气测试机构对接。

图3 一体化冷试设备部分柔性工装

这样，针对不同机型、不同结构的发动机，通过配备各种类型工装，结合冷试设备前工位的预装工装和本工位的机械手自动更换工装，使该一体化冷试设备达到混线测试的目的，大大节约了成本，让冷试实现了全自动检测的同时，增加了柔性和机型拓展性[3]。实际运用中该设备测试机型已成功经过3次扩展，可覆盖测试6个系列共30种发动机机型。尤其在第2次扩展改造中面对最大机型差异，新旧机型完全不一样的开发平台，进排气结构截然相反，但依旧通过工装改造，完美地实现了新机型冷试升级。

在实际应用中，为实现混线和多种机型快速自由切换生产的目的，可以为不同的机型型号配备相应的测试程序，利用无线射频识别(RFID)读取发动机的序列号自动获得产品型号等信息，进而自动选择控制程序和测试程序完成整个测试过程。

2.2.3 按流程验证限定值

无论冷试、热试，其最终目的都是为了检验发动机装配质量。不同于热试模拟发动机正常运行工况而获得的测试数据，冷试应用的评价方式需要有相对应的基准值，前期需要收集一定量的测试数据。测试数据的限定设置过程开始时，是一个持续根据所测零部件质量不断调整初始限定值的过程。如果制造企业忽视这一过程的必要性，则容易对冷试结果产生错误的评价，进而对其质量控制效果产生疑虑。

冷试设备投入使用前，系统中一般设定初始的参考限定值[4]。初始参考限定值来源一般是符合3σ准则的行业内数据，但由于零部件的批量供货质量差异、装配质量差异等，初始数据并不一定适合每条生产线。可以明确的是，采用冷试的最终目的是为了提高生产效率、降低生产成本，逐步替代热试。因此，前期收集热试检测合格的发动机数据是非常有必要的。通常冷试设备从投入使用到稳定运行会经历2个阶段，如表3所示。

表3 冷试设备从投入到运行的2个阶段

阶段1是数据收集阶段，此时热试仍然是必要环节，冷试、热试共同运行，采用冷试设备对热试测试合格的发动机进行冷试，得出各测试项的初步限定值，并随着测试数据样本的增加，不断更新限定值。阶段2是限定值基本确定阶段，所有发动机都进行冷试，热试仅作为抽检，抽检量视生产线装配质量控制情况和配件质量而定，通常抽检率为5%。事实上很多汽油机生产企业经过第2阶段的生产后，随着装配工艺不断完善，热试抽检率降低到1%，甚至不抽检。

冷试检测结果的有效性取决于限定值的设置。缺少准确的限定值作为参照，冷试无法取得满意的评定结果。因此，必须按照图4所示流程，从预验收阶段起步，随产量增加随时验证优化限定值，直到产品合格率达到预期后再确立正式版的参数控制限值，并纳入质量管控体系。未经授权或变更流程将不得修正，确保检测结果的稳定性和准确性。

图4 冷试参数限值确定工艺流程

3 冷试应用注意事项

3.1 维修建议

所有不合格的发动机都值得重视，都要送到返修工位由发动机维修工进行分析。根据测试数据和波形，对比缺陷试验波形图和《维修建议》资料判断发动机问题，并进行针对性处理。新出现问题的发动机需要进行判别分析，并在系统中制定详细的问题数据库—《维修建议》(见图5)。《维修建议》非常有利于对今后发动机返修进行问题定位，因此《维修建议》做得越完善，发动机返修越容易。

图5 软件界面维修建议添加显示效果

3.2 设置样机

为了方便对冷试台架进行问题诊断，每种机型都设置1台样机是非常必要的。此样机也称为标准机，是一台性能稳定、测试值在限定值中间范围的发动机。为了与流水线上的发动机产品区分，标准机可在颜色上喷涂特殊的识别色。每天开机时，可以首先使用标准机进行测试，将数据波形图与之前保存的数据值进行对比，验证冷试台架是否处于稳定测试状态，若否，需进行排查。比如：是否有影响测试的易损件需要更换，传感器及测试通道是否需要标定等。在标准机上可以标记各测试点，当对冷试台架设备保养维护时，用标准机上标记的测试点对设备保养维护后的装配位置进行还原。标准机根据实际情况一般每2年更换一次，因为发动机多次测试后，发动机内部元器件老化或磨损会对正确判断带来影响。

3.3 传感器及测试通道标定

传感器使用一段时间后通常都会产生一定的漂移。为确保设备测试精度，需要用校验仪器对传感器及测试通道进行校验。校验的主要目的是检查测试值偏差是否在精度范围内，整体的线性度是否有变化，零点是否有偏移等。传感器及测试通道标定应定期开展，周期一般为3个月。但是若对测试结果产生怀疑，也可适时对采集通道进行标定，排除传感器和测试通道的问题。

4 结论

在冷试技术出现之前，绝大多数汽车发动机制造企业都是采用热试进行发动机产品质量检测。如今，几乎所有的汽油发动机制造企业都已经开展了冷试的大规模应用。随着日益加大的环保压力和企业成本的控制需求，能耗和排放也必然成为柴油机制造企业需要重点关注的问题，因此只要准确把握冷试技术在实际应用中的难点和关键点，提高质量检测指标的准确性和稳定性，冷试技术在柴油机装配质量控制中必然会有着广泛的应用前景。