油冷器氣密性測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究

趙明冬　潘星宇　周斌　黃軍壘

摘 要：為提高汽車(chē)產(chǎn)業(yè)制造效率和關(guān)鍵部件智能化檢測(cè)水平，提出一種基于正負(fù)壓差測(cè)量法的油冷器氣密性測(cè)試方法。首先簡(jiǎn)要分析了油冷器氣密性檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，其次討論了對(duì)構(gòu)建的細(xì)小氣體泄漏模型，最后對(duì)油冷器氣密性檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括正負(fù)壓差法實(shí)現(xiàn)路徑、電氣系統(tǒng)構(gòu)成等。該方法可有效解決目前油冷器氣密性測(cè)試設(shè)備檢測(cè)流程繁瑣、檢測(cè)慢精度低等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：油冷器 氣密性測(cè)試 正負(fù)壓差檢測(cè)法 氣體檢測(cè)模型

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車(chē)的保有量也在不斷增加，這就大大推進(jìn)了我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)的迅速發(fā)展。自2016年以來(lái)，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量不斷提升，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的要求也越來(lái)越高，當(dāng)熱負(fù)荷越來(lái)越大的情況下，現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)可靠性就受到了挑戰(zhàn)。機(jī)油冷卻器作為發(fā)動(dòng)機(jī)主要冷卻裝置，它的可靠性對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整體的性能有著較大的影響[1]。一旦發(fā)生泄漏，不僅會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和壽命，更會(huì)對(duì)汽車(chē)的安全造成隱患，由此可能會(huì)帶來(lái)生命和財(cái)產(chǎn)的損失。針對(duì)上述情況，業(yè)內(nèi)多采用氣密性檢測(cè)技術(shù)，對(duì)機(jī)油冷卻器進(jìn)行報(bào)廢率的檢測(cè)，但是由于這一項(xiàng)檢測(cè)往往等到總裝試車(chē)時(shí)才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，當(dāng)報(bào)廢率達(dá)到10%甚至25%以上的時(shí)候，對(duì)于汽車(chē)制造的整體一次性合格率會(huì)造成非常嚴(yán)重的影響。傳統(tǒng)的測(cè)試采用的氣泡法對(duì)于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和水平依賴(lài)性較強(qiáng)，不僅效率低下，還會(huì)存在較大的偏差，不利于汽車(chē)自動(dòng)化生產(chǎn)的效率提高。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)氣密性檢測(cè)技術(shù)的研究起步相對(duì)較早，最初是使用肥皂液涂抹法和水檢法等濕式檢測(cè)法進(jìn)行測(cè)試的。然而傳統(tǒng)的檢測(cè)方式存在著各種各樣的缺點(diǎn)，諸如檢測(cè)的精確度不高，檢測(cè)的結(jié)果受到人為影響的因素大，以及在定量檢測(cè)方面遇到了技術(shù)性障礙等缺點(diǎn)。國(guó)外從上個(gè)世紀(jì)70年代中后期，對(duì)傳統(tǒng)的氣密性檢測(cè)方式進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)其缺陷和不足提出了一種干式氣密性檢測(cè)方法。與傳統(tǒng)的濕式檢測(cè)方法相比，干式氣密性檢測(cè)方法擁有很多優(yōu)點(diǎn)，它的主要原理是以氣體作為媒介，不僅顯著提升了檢測(cè)精度，還可以使檢測(cè)過(guò)程高度自動(dòng)化[2]。基于上述技術(shù)，國(guó)外的廠(chǎng)家研制出了多種干式檢測(cè)方法，比如壓力法、流量法等，都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。其中壓差法更具有典型的代表性，它首先通過(guò)向被測(cè)件和標(biāo)準(zhǔn)件內(nèi)部注入相同壓力的氣體，接著打開(kāi)連通兩者之間的平衡閥，如果被測(cè)件的氣密性不合格，待檢測(cè)一段時(shí)間后，可以通過(guò)兩個(gè)工件當(dāng)中的壓力差傳導(dǎo)到壓力傳感器之后，就可測(cè)量出來(lái)被測(cè)件的氣密性是否合格。

國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步比較晚，一直到上個(gè)世紀(jì)90年代仍然使用濕式的氣密性檢測(cè)技術(shù)。到了90年代末才開(kāi)始引入國(guó)外的成熟技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，直至今日我國(guó)的氣密性檢測(cè)技術(shù)與國(guó)外同期的技術(shù)相比較，從理論和實(shí)際應(yīng)用上仍然存在著較大的不足[3]。國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠(chǎng)家，目前所使用的干式氣密性檢測(cè)技術(shù)，仍然是基于一些比較成熟的技術(shù)進(jìn)行的應(yīng)用，例如壓差式檢測(cè)、流量式檢測(cè)等等。在理論研究這一塊，基于干式氣密性檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究仍然較少，而且存在著一次測(cè)量的被測(cè)價(jià)數(shù)量不多，導(dǎo)致的效率低于無(wú)法量產(chǎn)等等問(wèn)題。

綜上所述，國(guó)內(nèi)的油冷器氣密性檢測(cè)技術(shù)存在一定缺陷，如檢測(cè)速度慢，工藝流程復(fù)雜，檢測(cè)精度不高，以及自動(dòng)化程度較低等缺點(diǎn)，針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文提出了正負(fù)壓差檢測(cè)法，進(jìn)而完成油冷器氣密性測(cè)試系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

3 氣密性檢測(cè)的理論模型

在油冷器質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，很容易發(fā)現(xiàn)大的泄漏點(diǎn)，只有小的泄漏點(diǎn)才是質(zhì)量檢測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，故本文對(duì)微小的泄露情況進(jìn)行研究。由于油冷器容器是剛性的，其泄漏物理模型可以等價(jià)于一個(gè)固定容積的容器由泄漏引起的排氣問(wèn)題。細(xì)小漏孔泄漏模型如圖1所示，若泄漏通道狹長(zhǎng)細(xì)小，可以近似為圓形斷面的毛細(xì)管，氣體流動(dòng)狀態(tài)為層流。因?yàn)樾孤┛紫鄬?duì)于泄漏容器來(lái)講一般較小，如果再考慮到泄漏為微泄漏，排氣緩慢，泄露過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，油冷器的氣密性檢測(cè)將會(huì)檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)難度大等問(wèn)題。

式中P1、P2分別為漏點(diǎn)兩側(cè)壓力；ρ為流體密度；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；l為漏點(diǎn)深度；r為漏點(diǎn)半徑。

通過(guò)式（1）得出流過(guò)漏孔的質(zhì)量流量與內(nèi)外壓力、氣體密度、動(dòng)力粘性系數(shù)、漏點(diǎn)直徑、漏點(diǎn)深度等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，測(cè)量出壓力變化后，通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析出漏點(diǎn)的大小和性質(zhì)等參數(shù)，為漏點(diǎn)的查找和判斷提供理論依據(jù)。

在油冷器氣密性檢測(cè)過(guò)程中，使用的檢測(cè)氣體，環(huán)境溫度等參數(shù)保持不變，流體密度ρ和動(dòng)力粘性系數(shù)μ可以看出常數(shù)，氣體泄漏量與泄漏孔的形狀和測(cè)試壓有關(guān)，其中漏點(diǎn)兩側(cè)壓力P1、P2可由實(shí)際測(cè)試裝置測(cè)量得出，漏點(diǎn)深度l可根據(jù)待測(cè)試封閉容器的厚度給出，流過(guò)漏孔的質(zhì)量流量Qm可以通過(guò)檢測(cè)漏點(diǎn)兩側(cè)壓力P1和P2因泄露導(dǎo)致的壓力變化計(jì)算得出，而油冷器漏點(diǎn)通常為沙眼或裂痕的不規(guī)則形狀，所以漏點(diǎn)半徑r無(wú)法通過(guò)物理測(cè)量的方法來(lái)測(cè)定，只能通過(guò)泄漏量引起的壓力變化進(jìn)行計(jì)算。

所以本文采用在規(guī)定條件下，向待封閉容器內(nèi)充壓，一段時(shí)間后再測(cè)量被測(cè)件內(nèi)的壓力變化情況，計(jì)算氣體泄漏的實(shí)際情況。通過(guò)測(cè)量“壓力降”來(lái)分析泄漏量，從而判斷油冷器的氣密性情況。

4 油冷器氣密性測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 待測(cè)工件說(shuō)明

本文主要檢測(cè)對(duì)象為板翅式油冷器，其主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱上冷卻裝置，此類(lèi)產(chǎn)品有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。

板翅式油冷器主要由隔板、翅片及封條三部分構(gòu)成，板翅式油冷器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過(guò)翅片和隔板進(jìn)行熱交換，許多層基本單元疊置起來(lái)，釬焊成板束或芯體，冷（水）、熱（油）流體在相鄰的基本單元流道中流動(dòng)，為了更好的完成熱交換，油冷器的油通道和水通道接觸面盡可能大，并且接觸面呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，所以油冷器的氣密性就成為了既關(guān)鍵又薄弱的環(huán)節(jié)[5]。

4.2 差壓檢測(cè)法

目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，油冷器氣密性檢測(cè)通常采用差壓檢測(cè)法來(lái)測(cè)量待測(cè)工件的氣密性，該方法類(lèi)似于杠桿天平稱(chēng)量原理，將標(biāo)準(zhǔn)參考工件放置，其中一端另一端放置被測(cè)量的工件，此時(shí)同時(shí)向兩個(gè)被測(cè)物件充入相同壓力的空氣，并使壓差傳感器的兩端保持平衡狀態(tài)，在兩端平衡后，觀(guān)察壓差傳感器。如果被測(cè)工件有微小的氣體泄漏，就會(huì)使得“天平”失去平衡，同時(shí)能夠檢測(cè)出兩端因泄漏而產(chǎn)生的壓差[6]。氣體密封檢測(cè)系統(tǒng)將根據(jù)差壓的變化測(cè)出工件的具體泄漏量，然后判斷被測(cè)工件是否合格，并將這些信息傳送給檢測(cè)系統(tǒng)。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)品與被測(cè)工件形狀、大小相同，并且檢測(cè)過(guò)程中，兩端的外部環(huán)境狀況完全一樣，所以這種測(cè)試可以盡可能的消除溫度、振動(dòng)等環(huán)境因素的影響，減少因溫度、振動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，得到高精度的測(cè)量結(jié)果。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

油冷器分為水路和油路兩個(gè)部分，工業(yè)生產(chǎn)中往往需要分兩個(gè)操作環(huán)節(jié)來(lái)分別完成油路和水路的氣密性檢測(cè)，而微泄漏排氣緩慢，又需要長(zhǎng)時(shí)間的泄露才能提高檢測(cè)的精度，大大降低了油冷器氣密性檢測(cè)效率。

本文在壓差測(cè)試法的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用中油路和水路雙路同時(shí)檢測(cè)的要求，采用負(fù)壓氣路（油路），正壓氣路（水路）的檢測(cè)方法，即正負(fù)壓差檢測(cè)法。本系統(tǒng)的檢測(cè)原理如圖3所示。正壓源采用充氣泵形成高氣壓，通過(guò)控制閥1和流量計(jì)1，在通過(guò)閥門(mén)1向被測(cè)件的水路內(nèi)充氣，通過(guò)閥門(mén)2向標(biāo)準(zhǔn)件的水路充氣，圖中的陰影部分表示正氣壓。負(fù)壓源采用真空泵形成負(fù)氣壓，原理同正壓源部分，空氣流向如圖中的箭頭所示。利用油路的負(fù)壓和水路的正壓增加了兩路之間的壓力差，根據(jù)氣密性檢測(cè)的理論模型可知：其他條件相同的前提下，兩側(cè)的壓力差增加，泄露量也會(huì)增加，從而可以提升氣密性檢測(cè)的靈敏性。

4.4 電氣控制方案設(shè)計(jì)

完整的氣密性測(cè)試硬件系統(tǒng)包含氣動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械裝置、電氣控制等部分，其中電氣控制部分的原理框圖如圖4所示，圖中的掃碼器用于識(shí)別被測(cè)器件的編號(hào)，溫度測(cè)量模塊用于檢測(cè)環(huán)節(jié)溫度，按鍵模塊用于輸入工作質(zhì)量和控制信號(hào)，流量檢測(cè)模塊用于數(shù)量流量計(jì)1和流量計(jì)2的數(shù)據(jù)，油路壓力檢測(cè)用于監(jiān)測(cè)壓差表2的數(shù)據(jù)，水路壓力檢測(cè)用于監(jiān)測(cè)壓差表1的數(shù)據(jù)，充壓控制模塊用于完成控制閥1、閥門(mén)1，閥門(mén)2的充壓動(dòng)作，減壓控制模塊用于完成控制閥2閥門(mén)3、閥門(mén)4的減壓動(dòng)作，通信模塊用于與工控機(jī)的信息通信，顯示模塊用于顯示運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)試數(shù)值，報(bào)警模塊用于檢測(cè)結(jié)束和異常件的提示。

5 總結(jié)

本文針對(duì)現(xiàn)有的汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)中，油冷器氣密性檢測(cè)速度和精度等方面的不足，對(duì)細(xì)小漏孔泄漏模型進(jìn)行分析，在傳統(tǒng)差壓檢測(cè)法的基礎(chǔ)上提出了正負(fù)壓差檢測(cè)法，對(duì)油冷器的油路采用負(fù)壓，水路同時(shí)采用正壓的檢測(cè)方法，一次就可以完成兩路的氣密性檢測(cè)，在簡(jiǎn)化檢測(cè)流程，提升檢測(cè)速度，提高檢測(cè)精度方面取得了良好的效果，在節(jié)省生產(chǎn)成本和提高工作效率方面，有較高的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

基金項(xiàng)目：2021年度河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目《基于LabVIEW的油冷器氣密性測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)》，項(xiàng)目編號(hào)212102210343。

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