汽車空調(diào)用熱力膨脹閥性能測試系統(tǒng)的研制*

丁 浩 ，谷小紅 ，來雨霏

(1．浙江省質(zhì)量檢測科學(xué)研究院，浙江杭州310023;2．中國計量學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引 言

汽車空調(diào)用熱力膨脹閥是一種自動調(diào)節(jié)進入制冷裝置蒸發(fā)器中液態(tài)制冷劑流量的控制元件，它是汽車空調(diào)的關(guān)鍵部件之一［1-2］。熱力膨脹閥的質(zhì)量好壞會直接影響整個系統(tǒng)的運行性能，對空調(diào)系統(tǒng)的運行壽命、制冷效果、運行成本具有重要的意義［3］。同時，汽車空調(diào)的動力來源于燃油，而汽車空調(diào)的性能直接關(guān)系到燃油的消耗量，特別是在夏季，而作為汽車空調(diào)重要零部件的熱力膨脹閥，其性能對汽車節(jié)能效果和尾氣排放有著重要影響。

目前，國內(nèi)汽車空調(diào)用熱力膨脹閥性能的測試方法主要依據(jù)QC/T663—2000《汽車空調(diào)用熱力膨脹閥》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了汽車空調(diào)用熱力膨脹閥的有關(guān)基本參數(shù)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)格等［4］。由于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定時間較早，其中部分檢測方法存在步驟復(fù)雜、可操作性差、精度不高等缺陷，現(xiàn)在已經(jīng)難以滿足目前熱力膨脹閥性能檢測的實際需求［5-6］。國內(nèi)汽車空調(diào)熱力膨脹閥的企業(yè)對產(chǎn)品檢測以人工操作為主，檢測人員主要憑目視讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗進行結(jié)果判定。同時不同性能指標(biāo)需要采用多個儀器分別進行測試，檢測流程復(fù)雜、耗時較長，且測試精度難以符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了提高汽車空調(diào)用熱力膨脹閥主要性能的檢測精度、效率及自動化水平，本研究設(shè)計一套熱力膨脹閥性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PLC 作為核心控制器，結(jié)合多個壓力、流量傳感器采集性能測試過程的參數(shù)，用圖形化可視軟件VB 開發(fā)控制系統(tǒng)軟件，利用上位機對采集的數(shù)據(jù)進行處理和顯示，可自動完成熱力膨脹閥的過熱度、閥口泄漏和耐久性能等主要指標(biāo)的測試［7-8］。

1 熱力膨脹閥的主要性能指標(biāo)

熱力膨脹閥是汽車空調(diào)的重要自控元件，通過控制蒸發(fā)器出口氣態(tài)制冷劑的過熱度來控制進入蒸發(fā)器的制冷劑流量，將冷凝器冷凝后的高溫、高壓液態(tài)制冷劑節(jié)流降壓，成為容易蒸發(fā)的低溫、低壓的汽液混合物，進入蒸發(fā)器蒸發(fā)，吸收外界熱量，從而實現(xiàn)不同的制冷效果。過熱度、閥口泄漏和耐久性能是評估熱力膨脹閥性能的主要性能指標(biāo)，是企業(yè)在設(shè)計生產(chǎn)汽車空調(diào)用熱力膨脹閥時的重要參考依據(jù)。

過熱度是指感溫包溫度和膜片下方壓力對應(yīng)的溫度差，靜止過熱度是指閥剛剛開啟的過熱度，從閥開啟至額定開度所需要的過熱度增量，稱為熱力膨脹閥的有效過熱度，熱力膨脹閥的靜止過熱度與有效過熱度之和稱為工作過熱度，汽車空調(diào)的制冷效果主要通過調(diào)節(jié)工作過熱度實現(xiàn)?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中過熱度測試采用壓力法，該方法對開度變化不敏感。本研究采用了流量法直接測量開度，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

閥口泄漏是指閥口關(guān)閉的緊密程度?；诓顗簜鞲衅黛`敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有壓力測試靈敏度的特點，本研究采用差壓法測定閥口泄漏，差壓法可大大縮短測試時間、增加測試精度。

耐久性表征了熱力膨脹閥的工作壽命，長期使用后熱力膨脹閥的膜片、傳動片和傳動桿運動部件可能出現(xiàn)磨損。本研究通過優(yōu)化測試參數(shù)，增加過程結(jié)果判定，提高了測量效率。

2 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)采用99．9%的氮氣作為測試介質(zhì)，測試系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

測試系統(tǒng)采用“PLC +工控機”的控制模式，被測熱力膨脹閥安裝在特制夾具上，并放入恒溫槽中。測試過程中的管路壓力傳感器、流量傳感器、差壓傳感器、電磁閥開度等信號被采集輸入至臺達DVP-12SA2型PLC 中，信號經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換及調(diào)理后上傳至工控機中進行處理［9-10］。

2．1 過熱度的測試

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 663—2000《汽車空調(diào)HFC-134a用熱力膨脹閥》中過熱度測試采用壓力法。由于壓力對熱力膨脹閥的開度不太敏感，不能及時反映開度的變化，本研究采用流量法測量過熱度，挖掘熱力膨脹閥的流量與壓力的對應(yīng)關(guān)系?；诹髁康倪^熱度測試工藝圖如圖2 所示。

圖2 基于流量的過熱度測試工藝圖

筆者將熱力膨脹閥安裝在圖2 所示的實驗裝置中，感溫包置入恒溫槽中，調(diào)節(jié)恒溫槽的溫度至0 ℃，調(diào)節(jié)作動減壓閥將壓力調(diào)到1．03 MPa ±0．05 MPa，調(diào)節(jié)外平衡減壓閥，可以獲得熱力膨脹閥不同的外平衡壓力，打開關(guān)閉流量閥3 次，流量傳感器測得的出口流量即為被測熱力膨脹閥的流量。當(dāng)打開連通閥、關(guān)閉外平衡閥時，就可以得到與流量對應(yīng)的作動壓值。基于實際測試經(jīng)驗，管路中孔板的孔徑設(shè)置為0．8 mm。測試過程中的出口壓力采用T200 壓力傳感器進行測量，其測量范圍為0～0． 6 MPa，測量精度為0． 5%F．S．。氣體流量采用FESTO 公司生產(chǎn)的SFAB 流量傳感器，測量范圍為2 L/min～200 L/min，測量精度為0．3% F．S．。它具有響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性高、體積小、重量輕且性價比高等特點。

2．2 閥口泄漏的測試

基于差壓傳感器靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有壓力測試靈敏度的特點，本研究采用差壓傳感器測量閥口泄漏，差壓法可大大縮短測試時間、增加測試精度?；诓顗旱拈y口泄漏測試工藝圖如圖3 所示。

圖3 基于差壓的閥口泄漏測試工藝圖

筆者將熱力膨脹閥安裝在圖3 的實驗裝置中，將感溫包置入恒溫槽中，調(diào)節(jié)恒溫槽的溫度至0 ℃，通過調(diào)節(jié)作動減壓閥將壓力調(diào)到1．03 MPa ±0．05 MPa，在完成過熱度測試后先關(guān)閉排氣閥，延時保證閥口關(guān)閉后關(guān)閉對比閥，作為基準(zhǔn)壓力差，再延時一定時間，通過DMP3051 工業(yè)型差壓傳感器測得的差壓值可表征閥口泄漏增加量，其測量范圍為0～0．2 MPa，測量精度為0．075% F．S．。

2．3 耐久性能的測試

由于耐久性測試時每次進氣加壓對膜片均有一定的沖擊，加壓速率對膜片的耐久性有著重要影響。測試時需要從膨脹閥外平衡側(cè)作0～0．4 MPa 的反復(fù)加壓，基于實際的產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗，優(yōu)化了進氣時間和保壓時間，具體參數(shù)如圖4 所示。

耐久性指標(biāo)需要測試的次數(shù)較多，在測試過程中可能出現(xiàn)膜片破裂的情況，因此進行一定次數(shù)測試后，應(yīng)檢測熱力膨脹閥的過熱度并根據(jù)過熱度判斷膜片是否完好。中間間隔一定的次數(shù)，關(guān)閉耐久閥，打開作動進氣閥，檢測膨脹的過熱度來判斷此時膨脹閥的膜片是否損壞。

圖4 耐久性測試時間參數(shù)

3 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件分為兩部分:PLC 下位控制軟件及工控機上位監(jiān)控軟件。PLC 下位控制軟件由臺達PLC編程軟件WPLSoft 編寫，上位機由VB 編寫，通過Modbus 協(xié)議實現(xiàn)上位機與PLC 控制器間的數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)采集及處理流程。

軟件流程如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

PLC 控制軟件主要完成壓力、流量等傳感器的數(shù)據(jù)采集上傳，工控機監(jiān)控軟件主要完成測量數(shù)據(jù)的監(jiān)視、保存等功能。

監(jiān)控軟件測試流程菜單中包括了過熱度測試、閥口泄漏測試和耐久性測試3 個功能模塊。監(jiān)控軟件中可以對被測熱力膨脹閥的樣品信息、測試過程參數(shù)等進行設(shè)置，并能直觀地觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)。測試完成后可將測試結(jié)果存儲在特別設(shè)計的Excel 文檔中，直接輸出測試報告。

4 實驗結(jié)果與分析

本研究選取QKF-3318、QKF-3102 和QKF-3505 這3 種型號的熱力膨脹閥，將被測熱力膨脹閥安裝在研制的測試系統(tǒng)中，過熱度采用流量法，閥口泄漏采用差壓法，耐久性測試采用優(yōu)化的時間參數(shù)。實驗分3 組進行，恒溫槽溫度設(shè)置為0 ℃，測試結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 熱度測試數(shù)據(jù)

表2 閥口泄漏測試數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出，流量法過熱度測試方法與傳統(tǒng)的壓力法測量結(jié)果反映的變化趨勢一致。特別是在熱力膨脹閥開度變化較小的情況下，壓力法對開度變化不敏感，此時流量法可及時反映過熱度的變化量。

從表2 中可以看出，閥口泄漏差壓法的測試精度要優(yōu)于壓力法，優(yōu)于差壓傳感器的靈敏度遠(yuǎn)大于壓力傳感器，差壓法可大大縮短測試時間、增加測試精度。采用優(yōu)化的時間參數(shù)進行耐久性測試，可有效避免循環(huán)加壓過程對熱力膨脹閥膜片的過度沖擊，避免影響測試結(jié)果的有效性。

筆者研制的測試系統(tǒng)經(jīng)試驗驗證，其精度和可靠性能完全滿足熱力膨脹閥過熱度、閥口泄漏和耐久性的標(biāo)準(zhǔn)測試要求。

5 結(jié)束語

本研究提出了過熱度流量測試法、閥口泄漏差壓測試法，并對耐久性測試過程的時間參數(shù)進行了優(yōu)化，同時搭建了汽車空調(diào)用熱力膨脹閥綜合性能測試系統(tǒng)，并采用圖形化編程語言VB 開發(fā)了測試系統(tǒng)監(jiān)控軟件，對系統(tǒng)的過熱度、閥口泄漏和耐久性3 個測試功能模塊進行了大量驗證試驗。

測試結(jié)果表明，所研制的測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采用的各類傳感器經(jīng)專業(yè)的第三方機構(gòu)計量校準(zhǔn)，測量數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，測試精度較高，可滿足標(biāo)準(zhǔn)測試要求，為熱力膨脹閥的關(guān)鍵性能評估判定提供了重要的技術(shù)依據(jù)。與傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有操作簡單、測量精度高等特點，而且自動化程度較高，減少了人工操作，提高了測試效率。

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