李明记(1987),男,山东济宁人,工程师,硕士,研究方向为发动机组件自动化装配检测设备研发等。

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0 引言

随着新国标对内燃动力排放标准的要求越来越高,最直接的就是要求燃料燃烧更充分,爆发压力更大,所以对内燃动力核心运动部件中活塞(直接与高温、高压燃气接触)的强度要求更高。活塞燃烧室的喉口与内冷油道之间是最容易出现失效的地方,对此部分现有的主要手段是通过快冷和喉口重熔来提高其金相,从而提高其性能。如果内冷油道偏移量很大就会出现与喉口间壁厚薄相差很大,活塞该部位在工况下很容易失效,同时在内冷油道与喉口间出现呛气缺陷也会大幅度升高失效风险,活塞一旦失效,会造成发动机失去动力,从而造成不可预测的危险。因此,对活塞内冷油道位置的偏移和呛气缺陷的检测成为活塞生产必备工序的一部分。经调研,目前活塞内冷油道检测设备主要是以进口为主,国内的北京理声公司虽有相关的设备,但是其产品功能单一,不能满足现在的活塞产品要求。由于国外公司对该尖端技术的垄断,国内公司想要攻克此难题,关键在于探头和运动控制部分的设计,及活塞内冷油道缺陷在线实时监控与识别技术等。鉴于此,该文研制了一款柴油发动机活塞超声波探伤检测设备。

1 设备总体设计

活塞内冷油道检测油道环面中心相对标准位置在轴向的(相对端面)偏移量≤1 mm,检测油道环面中心相对标准位置在径向的(相对侧面)偏移量≤1 mm,检测环形油道径向内侧和轴向靠端面部位的呛气缺陷≤Ф3 mm横通孔,如图1 所示。生产中要求每只活塞内冷通道都需要缺陷检查,不允许缺陷流入到下一道工序,而且要求节拍不超过10 s/件,因此,对缺陷无损在线检测设备需求量越来越大。

图1 活塞内冷油道缺陷检测位置图

在无损探伤[2]领域缺陷检测方式很多,考虑到活塞内冷油道探伤需要自动化程度高、在线实时检测、效率高等特点,综合考虑选用超声波水浸式反射探伤方式。

该设备机械部分采用伺服电机提供动力源,同步带传动系统,活塞采用顶部定位方式,探头借助XYZ精密直线调整滑台和精密角仪调整滑台到达空间任何位置。控制部分采用Windows操作系统,探伤仪采用脉冲反射式,通过系统操作平台设定与控制检测程序的运行参数、状态,实时显示各通道采样波形、自动成像过程和检测数据及检测结果,结果形象直观,超出标准时声、光同时报警等。设备整体布局如图2所示。

1-电器柜；2-探头调整机构；3-机械传动部分；4-床身；5-显示屏；6-键盘区；7-探头；8-活塞定位装置；9-工作台图2 设备整体布局图

2 机械部分设计

该设备机械传动部分[3]包括伺服电机、联轴器、传动轴、同步带轮和同步带等,伺服电机提供旋转动力源,通过同步带将旋转运动传递到活塞定位装置上,如图3所示。

1-伺服电机；2-传动轴；3-小同步带轮；4-同步带；5-大同步带轮图3 旋转工作台示意图

柴油发动机活塞超声波探伤检测设备的机械传动部分以传动轴为例进行设计校核。传动装置如图4所示,由联轴器、传动轴、滚动轴承、衬套和同步带轮组成,考虑到该传动轴主要是承受扭矩,因此在校核轴的强度计算时按照扭矩强度来计算[4],则用降低许用扭转切应力的方法予以考虑。

1-联轴器；2-传动轴；3-滚动轴承；4-衬套；5-同步带轮图4 传动装置图

通过该方法可以初步估算出轴径,轴的扭转强度条件为：

式中：τT为扭转切应力(MPa)；T为轴所受的扭矩(N·mm)；WT为轴的抗扭截面系数(mm3)；n为轴的转速(r/min)；P为轴传递的功率(kW)；d为计算截面处轴的直径(mm)；[τT]为许用扭转切应力(MPa),以查表得到。

由式(1)可得轴的直径为：

式中：查表可得A0=120。

取P=0.45kW，n=280r/min，可得d≥14mm。

在此计算基础上，运用有限元分析软件ANSYS对该轴也进行了静力和模态分析，经过综合分析后，可以作为最后计算结果。

该设备采用探头固定、活塞运动的探伤方式，其中活塞放置于旋转工作台的专用工装盘上，随着同步带轮做旋转运动。探头固定在探头调整机构上，如图5所示，探头的空间任意位置调整是通过直线滑台和角度旋转机构来实现的。

1-Z轴滑台；2-双角度调整机构；3-X轴滑台图5 探头调整机构图

3 探头

探头[5]是探伤仪不可缺少的部分，作为发射和接收信号的端口，任何形式的探伤仪都必须由探头将发射电路的电磁振荡转化为机械振动，在传输介质中形成超声波。超声波检测探头由电气适配器、阻尼块、晶片、保护膜、数据线和外壳等组成。可逆的晶片压电效应，使得同一个探头兼顾发射和接收功能。探头结构如图6所示，探头性能测试[6]如图7所示。