一種模擬汽車用戶淋雨的噴淋系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

摘要：本文對(duì)汽車淋雨試驗(yàn)中的噴淋系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。噴淋系統(tǒng)的工作效率對(duì)汽車整車進(jìn)行淋雨試驗(yàn)檢測(cè)密封性起著決定性的作用，在噴淋系統(tǒng)的組成中，噴頭的噴嘴尺寸大小以及噴淋角度也會(huì)影響整體的噴淋效果。在選用設(shè)備或零部件的時(shí)候，首先考慮設(shè)備本身在工作時(shí)的狀態(tài)能否根據(jù)試驗(yàn)要求做出調(diào)整，其次是選用的這些設(shè)備或者零部件是否滿足實(shí)際生產(chǎn)時(shí)達(dá)到的經(jīng)濟(jì)成本要求。

關(guān)鍵詞：汽車淋雨試驗(yàn)；噴淋系統(tǒng)；噴頭；密封性

中圖分類號(hào)：U468.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在汽車的性能試驗(yàn)中，有一項(xiàng)就是淋雨密封測(cè)試，QC/T476-2007《客車防雨密封性限值及試驗(yàn)方法》中規(guī)定有淋雨的試驗(yàn)方法。當(dāng)耐久試驗(yàn)車輛每達(dá)到一定試驗(yàn)階段的時(shí)候，車輛也要按規(guī)定進(jìn)行淋雨試驗(yàn)，對(duì)車輛所有膠條、封板及膠堵等密封零部件進(jìn)行密封性能檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)故障，快速反饋并改進(jìn)[1]。

本文基于某汽車公司的在售產(chǎn)品，提出一種模擬汽車淋雨的噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括對(duì)噴淋系統(tǒng)中各組成部件的選擇、噴淋管噴頭與測(cè)試車輛距離的研究以及循環(huán)水池設(shè)計(jì)的研究等，以便提高該公司在售及在研汽車產(chǎn)品淋雨的性能和可靠性。

1 總體設(shè)計(jì)方案組成

1.1 汽車淋雨室的總體布置

淋雨室所對(duì)應(yīng)的測(cè)試車型主要是乘用車，根據(jù)某整車廠在售及在研汽車產(chǎn)品，它所能滿足的車型最大尺寸和質(zhì)量如表1 所示。

淋雨室外部可以采用304（0Cr19Ni9）不銹鋼板折彎，兩側(cè)設(shè)置有玻璃觀察窗，相鄰兩個(gè)窗的間隔距離為1 000.0 mm，以方便觀察汽車在噴淋時(shí)的各種狀況。淋雨室的頂部還設(shè)置有LED照明燈，照明燈的亮度要達(dá)到300 LUX，通常還要做防潮處理，用安全玻璃對(duì)燈光進(jìn)行隔離，且要保證安全玻璃牢固可靠。

此外，淋雨室底部在地坑上架鋪設(shè)有熱鍍鋅鋼格柵板，格柵板的規(guī)格為厚度5.0 mm，相鄰兩塊板之間的距離不能大于35.0 mm。麻花鋼筋直徑不小于10.0 mm，鋼筋通過焊接固定，間隔不大于100.0 mm，板與板之間的連接可拆卸，格板之間有固定裝置；為防止其他雜物掉進(jìn)水池，熱鍍鋅鋼格上鋪設(shè)有過濾網(wǎng)。兩側(cè)以及頂部的輸水管從控制室出來后均從淋雨室房頂向四周分布，底部和前面的管道通過地坑向上分布[2]。

淋雨室地坑格柵板上設(shè)計(jì)有兩根不銹鋼限位塊，其在格柵板上的位置不能移動(dòng)，讓進(jìn)入淋雨室的車輛有左右定位限制，兩根不銹鋼限位塊之間的距離是2 200.0 mm。另外，在距離前端噴淋面850.0 mm 處的格柵板上也設(shè)有不銹鋼限位塊，限制汽車前進(jìn)，此限位塊可以自由調(diào)節(jié)，但方向只能是往淋雨室中間靠攏。如果是往反方向調(diào)節(jié)，則汽車前輪與限位塊剛好接觸，可能此時(shí)汽車前臉與前端噴淋面距離過近，不利于液壓缸的活塞桿工作。

1.2 噴淋系統(tǒng)的組成

噴淋系統(tǒng)是汽車淋雨試驗(yàn)的主要系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由水泵、過濾器、流量計(jì)、壓力顯示器、控制閥、不銹鋼管路和噴頭構(gòu)成，噴頭由噴嘴及噴嘴構(gòu)架組成（圖1）。汽車在淋雨試驗(yàn)時(shí)，前端、左右兩側(cè)、頂部以及底部形成5 個(gè)噴淋面。

1.3 噴淋系統(tǒng)的功能

噴淋系統(tǒng)用于檢測(cè)汽車的防雨密封性能，水泵把水從蓄水池抽出后經(jīng)過濾從噴頭向車輛表面噴灑，通過改變水的流量以及噴頭的噴灑方向，進(jìn)而全方位模擬汽車用戶在使用汽車時(shí)遇到的各種淋雨環(huán)境，是新車下線時(shí)不可缺少的一項(xiàng)工藝。

2 噴淋系統(tǒng)的組成設(shè)計(jì)

2.1 水泵的介紹及選型

水泵是為噴淋系統(tǒng)提供動(dòng)力的主要設(shè)備，選型時(shí)必須考慮其流量、揚(yáng)程，以及工作可靠程度等。汽車防水密封性試驗(yàn)方法中要求水泵供水的壓力不能小于140.0 kPa。在市場上常見的水泵類型包括離心泵、自吸泵、螺桿泵和柱塞泵等。在本文的噴淋系統(tǒng)中，單個(gè)噴頭的流量控制為12 L/min，五個(gè)噴淋面的噴頭總共325 個(gè)，正常工作時(shí)總流量為3 900 L/min，即234.0 m3/h，在選用水泵時(shí)要確保水泵的工作流量＞ 234.0 m3/h 才能滿足要求。

經(jīng)過各種水泵的對(duì)比分析，本設(shè)計(jì)決定采用離心泵，查閱離心泵型號(hào)，并考慮經(jīng)濟(jì)成本后，選用型號(hào)為200FY32-12001 的立式液下泵。該水泵由380 V 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率為45 kW，流量為250 m3/h，水泵的吸入口徑和排出口徑均為200.0 mm。

2.2 噴淋管道的選材

噴淋系統(tǒng)中水的流量和壓強(qiáng)都比較大，且管道經(jīng)水長時(shí)間沖洗須保持不被腐蝕生銹，因此噴淋管道多為鋼材，其中碳素鋼、不銹鋼和合金鋼比較常見[3]。本設(shè)計(jì)中管道選用316（1Cr19Ni9）不銹鋼管，管道有三種尺寸，第一種類型是噴淋水泵到恒壓水箱這段距離的水管直徑為200.0 mm，厚度為2.0 mm ；第二種類型是恒壓水箱出水口到各噴淋面的水管（即不安裝噴頭的水管）直徑為108.0 mm，厚度為2.0 mm ；第三種類型是噴淋面中安裝噴頭的水管的直徑為55.0 mm，厚度為2.0 mm。316 不銹鋼含碳量低，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的可塑性，應(yīng)用廣泛。

在制作噴淋面時(shí)，各水管之間的連接采用手工電弧焊焊接工藝處理，噴淋面的進(jìn)水口處采用法蘭連接，其他三個(gè)出水口預(yù)留300.0 mm 長的水管，預(yù)留水管的管口可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行焊接法蘭盤，以方便后續(xù)按需求安裝壓力顯示器或者流量計(jì)。

2.3 噴頭選型

噴頭是噴淋系統(tǒng)中的核心，噴頭的工作效率往往影響整個(gè)噴淋系統(tǒng)的效果，但是該零件由于結(jié)構(gòu)特殊，在工作中如果水體含有較多的雜質(zhì)就容易堵塞，在選用噴頭的時(shí)候應(yīng)更加注重這一要點(diǎn)。QC/T 476-2007《客車防雨密封性限值及試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在淋雨試驗(yàn)時(shí)噴嘴出水的角度呈60°的圓錐扇形，噴孔的直徑為2.5 ～ 3.0 mm[4]。標(biāo)準(zhǔn)的自來水壓力是3 kg，即0.3 MPa。

經(jīng)查閱資料對(duì)比分析，結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)方案中所有噴淋面采用的噴頭型號(hào)均為6520（其中65 為噴淋角度，20 為流量代碼），對(duì)應(yīng)的噴孔直徑為2.8 mm，正常工作時(shí)，單個(gè)噴頭的流量控制為12 L/min。噴頭的螺紋規(guī)格為1/2，常規(guī)接法為4 分，噴頭一端為外螺紋型式，螺紋外徑的參考數(shù)值為20.3±0.3 mm，噴頭的整體高度為36.0 mm，外螺紋的長度為12.3 mm。

2.4 噴頭安裝位置以及數(shù)量布置

噴頭安裝在噴淋面不銹鋼管的支路上，結(jié)合QC/T 476-2007《客車防雨密封性限值及試驗(yàn)方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，噴頭之間的橫向及縱向間距為400.0 mm，頂部、底部、左、右側(cè)的噴淋支管數(shù)量為15 排，前端的噴淋支管數(shù)量為5 排，每一排安裝的噴頭數(shù)量為5 個(gè)，每一個(gè)噴淋面的入水口管路都設(shè)置控制閥和流量計(jì)。

2.5 過濾器

過濾器主要的作用是過濾水體中的泥沙和其他雜質(zhì)，過濾器在安裝時(shí)采用兩個(gè)并聯(lián)的形式，一個(gè)在正常工作時(shí)另一個(gè)作為備用，采用手工切換通道[5]。在選用過濾器時(shí)一定要考慮噴淋系統(tǒng)在正常工作壓力下過濾出來水的流量能否滿足噴淋面的需求，如果過濾器在其自身?xiàng)l件下過濾出來的水不能滿足噴淋的正常流量，那么所采用的過濾裝置應(yīng)舍棄，重新選用另外的過濾裝置。

經(jīng)查閱資料，本設(shè)計(jì)方案選用的過濾器為過濾罐，材質(zhì)主要是碳鋼，它的作用是進(jìn)行水質(zhì)過濾，可以除去水中的懸浮物、泥沙、鐵銹及水垢等雜質(zhì)。過濾罐的安裝位置在噴淋水泵的出水口與恒壓水箱入水口之間，當(dāng)水泵將水從蓄水池抽出后，過濾罐能先把水體過濾之后再輸送到噴頭，防止水體中的泥沙等雜質(zhì)堵塞噴嘴。

2.6 流量計(jì)

流量計(jì)的作用是用于監(jiān)測(cè)每條噴淋管道在工作時(shí)里面水的流動(dòng)速度。一方面流量計(jì)通過測(cè)量管道內(nèi)水的流動(dòng)速度和橫截面積等參數(shù)，實(shí)時(shí)反饋水的流量信息，從而能讓人更好地控制和調(diào)節(jié)水體的流量，另一方面，通過觀看流量計(jì)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)是否存在異常情況，從而保護(hù)管道因壓力過大而被損壞，進(jìn)而減少因管道破損等問題帶來的人身和財(cái)產(chǎn)損失。

通過對(duì)比分析各種流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)以及考慮經(jīng)濟(jì)成本，本次選用電磁流量計(jì)，材質(zhì)為304 不銹鋼，流量計(jì)的兩端接口均采用法蘭連接，該流量計(jì)能承受最大的工作壓力為1.6 MPa，測(cè)量的范圍是1 ～ 100 m3/h，法蘭連接口處管道的口徑為108.0 mm。本設(shè)計(jì)方案中流量計(jì)的安裝位置在恒壓水箱與各噴淋面輸水管的連接口處，一共有5 條輸水管路，故采用5 個(gè)流量計(jì)。

2.7 控制閥

控制閥是噴淋系統(tǒng)中核心的部件之一，它的作用是改變水的流通路徑。控制閥不僅僅只有控制管路的開閉作用，它還能根據(jù)需求調(diào)節(jié)管道中液體的流量和壓力。本設(shè)計(jì)方案中所有的控制閥均采用手動(dòng)蝶閥，該閥體結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕，它只由少數(shù)的幾個(gè)零件組成，在使用該閥體時(shí)只需手動(dòng)旋轉(zhuǎn)控制手柄90°，就可快速完成管路的開啟或關(guān)閉[2]。蝶閥處于完全開啟位置時(shí)，蝶板厚度是水體介質(zhì)流經(jīng)閥體時(shí)唯一的阻力，因此通過該閥門水體所產(chǎn)生的壓力差很小，具有較好的流量控制特性[3]。

3 噴淋系統(tǒng)的驗(yàn)證

3.1 車身淋雨流量計(jì)算

噴淋系統(tǒng)中影響汽車淋雨試驗(yàn)最主要的因素是噴嘴的淋雨強(qiáng)度，QC/T 476-2007《客車防雨密封性限值及試驗(yàn)方法》中規(guī)定，車身前部平均淋雨強(qiáng)度不低于（12.0±1.0）mm/min，車身側(cè)面、后部、頂部和底部平均淋雨強(qiáng)度不低于（8.0±1.0）mm/min。

淋雨強(qiáng)度的調(diào)節(jié)方法是將各淋雨主管流量調(diào)節(jié)閥置于某一開度，啟動(dòng)淋雨設(shè)備，將噴淋壓力調(diào)至規(guī)定值，然后再重新調(diào)節(jié)淋雨主管的控制閥開度[6]，使各支路的流量計(jì)顯示值達(dá)到規(guī)定的平均淋雨強(qiáng)度數(shù)值。流量的計(jì)算公式為：

Q ＝ 3×F ×N ×S /50 （1）

式中：Q 為對(duì)應(yīng)流量的值，單位m3/h；F 為平均淋雨強(qiáng)度的值，單位mm/min ；N 為流量計(jì)所對(duì)應(yīng)的噴嘴總數(shù)；S 為單只噴嘴噴淋面積的值，單位m2，本文按0.16 m2 計(jì)算。

汽車車身前部平均淋雨強(qiáng)度F 取12.0 mm/min，噴嘴的總數(shù)N 為25，代入公式（1）中計(jì)算如下：

Q 1 ＝ 3×F ×N ×S ×/50＝ 3×12×25×0.16/50 ＝ 2.88 m3/h

汽車兩側(cè)的平均淋雨強(qiáng)度F 取8.0 mm/min，噴嘴的總數(shù)N為75，代入公式（1）中計(jì)算如下：

Q 2 ＝ 3×F ×N ×S ×/50＝ 3×8×75×0.16/50 ＝ 5.76 m3/h

汽車頂部和底部的平均淋雨強(qiáng)度F 取8.0 mm/min，噴嘴的總數(shù)N 為75，代入公式（1）中計(jì)算如下：

Q 3 ＝ 3×F ×N ×S ×/50＝ 3×8×75×0.16/50 ＝ 5.76 m3/h

汽車淋雨試驗(yàn)時(shí)五個(gè)噴淋面的總流量為：

Q 4 ＝Q 1 ＋ 2Q 2 ＋ 2Q 3 ＝ 25.92 m3/h

3.2 水泵供水流量計(jì)算

整個(gè)噴淋系統(tǒng)中5 個(gè)噴淋面總噴頭數(shù)量為325 個(gè)，且設(shè)定單個(gè)噴頭在正常工作時(shí)流量為12 L/min，當(dāng)噴淋系統(tǒng)5 個(gè)噴淋面都工作時(shí)，總的噴頭流量為3900 L/min，即234 m3/h。噴淋水泵正常工作時(shí)，提供水的流量為250 m3/h，因?yàn)樗锰峁┧牧髁看笥趪娏芟到y(tǒng)工作的需求量，因此對(duì)于前文水泵所選的型號(hào)是正確的。

3.3 水泵供水壓力計(jì)算

水泵能提供水的壓力計(jì)算公式為：

P ＝ ρ ×g ×H （2）

式中：P 為水泵壓力的值，單位kPa ；ρ 為水的密度的值，單位kg/m3 ；g 為重力加速度值，單位m/s2 ；H 為水泵揚(yáng)程的值，單位m。

水的密度為1.0 kg/m3，重力加速度取9.8 m/s2，水泵揚(yáng)程為32 m，代入公式（2）中計(jì)算如下：

P ＝ ρ ×g ×H ＝ 1×9.8×32 ＝ 313.6 kPa

因?yàn)樗霉┧膲毫Γ?13.6 kPa）遠(yuǎn)大于噴淋系統(tǒng)中要求水泵的最小供水壓力（140.0 kPa），所以噴淋系統(tǒng)能正常工作。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)汽車密封性檢測(cè)而進(jìn)行淋雨試驗(yàn)的噴淋系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，噴淋系統(tǒng)包括水泵、過濾器、流量計(jì)、壓力顯示器、控制閥、不銹鋼管路和噴頭等。本研究的成果，希望能夠滿足某汽車公司的在售及在研汽車產(chǎn)品的噴淋需求。

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作者簡介：

龍春林，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檎嚹途眯栽囼?yàn)。