移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置的研制

□ 張俊杰 □ 陸 軼 □ 張佳妮

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200072

1 研制背景

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，往往在75～85℃高溫、大流量、0～6 000 r/min變轉(zhuǎn)速的條件下工作，易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，水泵的正常運(yùn)行被破壞。陳次昌等［1］研究出調(diào)速范圍大、工作介質(zhì)溫度高，且可對(duì)泵軸進(jìn)行徑向和軸向加載的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵試驗(yàn)裝置，同時(shí)通過(guò)對(duì)8140型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)了介質(zhì)溫度對(duì)水泵相似定律和性能的影響。鐘紹俊等［2］介紹了基于西門(mén)子可編程序控制器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵性能測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、控制和分析處理的自動(dòng)化。朱桂英［3］研究了一種基于嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的汽車水泵密封性能測(cè)試系統(tǒng)，基于高精度差壓傳感器和電磁閥測(cè)試回路，采用差壓測(cè)試方法對(duì)汽車水泵密封性進(jìn)行快速自動(dòng)測(cè)試。郭春裕等［4］介紹了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵密封性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了汽車?yán)鋮s水泵密封性能測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化。吳彤峰等［5］介紹了一種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的流量控制和檢測(cè)方法，采用比例積分微分控制流量算法，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)、記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)分析了水流流線對(duì)流量控制、檢測(cè)的影響。李維強(qiáng)等［6］論述了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的研究進(jìn)展，從水力性能、汽蝕性能及可靠性三個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展，提出了互聯(lián)網(wǎng)加汽車水泵標(biāo)準(zhǔn)件的發(fā)展模式，可以實(shí)現(xiàn)冷卻水泵的智能、可控、高效運(yùn)行。

目前，國(guó)內(nèi)各大汽車廠商紛紛研發(fā)自主品牌汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)是整車研發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵部件，冷卻水泵則是發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的核心部件，起著舉足輕重的作用。一旦使用質(zhì)量不過(guò)關(guān)的冷卻水泵，將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，在質(zhì)量檢測(cè)行業(yè)，水泵廠家必須提供第三方檢測(cè)報(bào)告。上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)所根據(jù)行業(yè)需求，研制了移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置。

2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

作為公正公開(kāi)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，檢測(cè)裝置必須嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研制。參考GB/T 3216—2016《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)》［7］、JB/T 8126.2—2010《內(nèi)燃機(jī) 冷卻水泵 第2部分：總成 試驗(yàn)方法》［8］、QC/T 288.1—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵技術(shù)條件》［9］、QC/T 288.2—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵試驗(yàn)方法》［10］，研制了移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)水泵檢測(cè)裝置是固定式的，不具備移動(dòng)功能，考慮到檢測(cè)工作有時(shí)需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，因此所研制的測(cè)試裝置，其控制臺(tái)和試驗(yàn)臺(tái)可以拆裝，移動(dòng)方便。

3 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部由不銹鋼框架組成。

▲圖1 移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

檢測(cè)裝置中有以下設(shè)備：計(jì)算機(jī)、變頻器、電機(jī)、可編程序控制器、壓力傳感器、電磁流量計(jì)，扭矩傳感器、溫度傳感器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、球閥、安全閥、空氣壓縮機(jī)、氣罐、加熱器。進(jìn)出口壓力傳感器選用PTX5072-TC型，電磁流量計(jì)選用AXF015G型，溫度傳感器選用PT100型，扭矩傳感器選用4820V（1-3）NZ型。檢測(cè)裝置管道直徑可根據(jù)汽車水泵的不同型號(hào)進(jìn)行配置。

4 測(cè)試范圍

移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置可以測(cè)試以下參數(shù)：流量、揚(yáng)程、效率、軸功率、汽蝕余量，可以進(jìn)行可靠性試驗(yàn)及密封性試驗(yàn)，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

上述參數(shù)通過(guò)可編程序控制器進(jìn)行集成與處理，用閥門(mén)控制進(jìn)出口的壓力和流量，用加熱棒控制水溫，用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，用集成面板上的開(kāi)關(guān)按鈕控制水泵啟停。可以將以上參數(shù)與汽蝕性能曲線、通用性能曲線通過(guò)計(jì)算機(jī)打印出來(lái)。可編程序控制器控制系統(tǒng)如圖2所示。

表1 移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置技術(shù)參數(shù)

▲圖2 可編程序控制器控制系統(tǒng)

5 參數(shù)檢測(cè)原理

移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置的主控電路采用安全性較高的三相五線制，電機(jī)和溫度傳感器工作電壓為220 V，通過(guò)電源開(kāi)關(guān)將220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V和24 V直流電，分別為流量和壓力傳感器供電，電路控制圖如圖3所示。

水泵的進(jìn)出口壓力采用相對(duì)精度為0.15%的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，流量由安裝在檢測(cè)裝置出口管道上的電磁流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)水溫通過(guò)電加熱管加熱，水溫的降低依靠系統(tǒng)的自然散熱，水溫由具有一級(jí)精度的傳感器測(cè)量，并由比例積分微分控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

為了更匹配發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的實(shí)際工作環(huán)境，移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置驅(qū)動(dòng)方式為皮帶輪驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。

▲圖3 檢測(cè)裝置電路控制圖

▲圖4 移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置驅(qū)動(dòng)方式

變頻電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器驅(qū)動(dòng)皮帶輪系統(tǒng)，由于皮帶輪具有一定的傳動(dòng)比，因此發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速只能間接通過(guò)傳動(dòng)比來(lái)計(jì)算：

式中：n 為冷卻水泵轉(zhuǎn)速，r/min；nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為傳動(dòng)比，需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

揚(yáng)程H可以通過(guò)下式進(jìn)行換算：

式中：ρ為試驗(yàn)溫度下水的密度，kg/m3；P1、P2分別為進(jìn)出口壓力，kPa；v1、v2分別為進(jìn)出口取壓部位斷面上的平均速度，m/s；Z1、Z2分別為進(jìn)出口至水泵中心的垂直高度，m；g 為重力加速度，g=9.81 m/s2。

式中：Q 為流量，L/min；d1、d2分別為進(jìn)出口取壓部位的斷面內(nèi)徑，m。

在一般情況下，Z1≈Z2，則有：

經(jīng)單位換算，揚(yáng)程H計(jì)算式為：

軸功率可以通過(guò)扭矩傳感器來(lái)測(cè)量扭矩，然后通過(guò)計(jì)算獲得。

軸功率P計(jì)算式為：

式中：M 為扭矩，N·m。

輸出功率Pu計(jì)算式為：

水泵效率η計(jì)算式為：

汽蝕余量A計(jì)算式為：

式中：H1為進(jìn)口總水頭，m；P0為大氣壓力，kPa；Pv為試驗(yàn)溫度下水的汽化壓力，kPa。

6 汽車?yán)鋮s水泵試驗(yàn)步驟

6.1 前期準(zhǔn)備

（1）檢查移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置電路、氣路及水箱水位，確認(rèn)水泵試件有無(wú)卡滯，以及試驗(yàn)設(shè)備是否正常。試驗(yàn)前進(jìn)行排氣，打開(kāi)進(jìn)出口閥門(mén)，再打開(kāi)試驗(yàn)水泵上方的排氣閥，如果有需要，在開(kāi)機(jī)后可適當(dāng)向水箱加壓，待排氣口出水且水流均勻后，關(guān)閉排氣閥門(mén)。

（2）開(kāi)啟總電源，拉起紅色急停開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，打開(kāi)試驗(yàn)主程序。給定轉(zhuǎn)速，使水泵空轉(zhuǎn)，觀察功率大小，作為試驗(yàn)扣除功率，并對(duì)當(dāng)前水泵試件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

（3）設(shè)定試驗(yàn)溫度，打開(kāi)溫控開(kāi)關(guān)，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，管道中的水開(kāi)始循環(huán)。嚴(yán)禁在水循環(huán)前對(duì)水進(jìn)行加熱。

6.2 性能試驗(yàn)

在進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)出口閥門(mén)控制出口的流量，控制水溫為78～82℃。記錄壓力、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩等一系列參數(shù)后，由計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行處理，最終輸出各測(cè)量參數(shù)。所輸出的性能試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，圖5所對(duì)應(yīng)的水泵轉(zhuǎn)速為3 000～5 500 r/min。

6.3 汽蝕試驗(yàn)

水泵的凈正吸入水頭目前還沒(méi)有準(zhǔn)確的計(jì)算方法。因此，進(jìn)行汽蝕試驗(yàn)要通過(guò)改變檢測(cè)裝置的凈正吸入水頭，誘使水泵發(fā)生汽蝕，進(jìn)而確定水泵的凈正吸入水頭。汽蝕試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)出口閥門(mén)來(lái)降低進(jìn)口壓力，同時(shí)保持規(guī)定的轉(zhuǎn)速與流量，并根據(jù)臨界汽蝕條件在揚(yáng)程下降2%時(shí)進(jìn)行測(cè)試，最后由計(jì)算機(jī)輸出汽蝕性能曲線，如圖6所示。

6.4 可靠性試驗(yàn)

汽車?yán)鋮s水泵在出廠前必須進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)水泵在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后的外特性是否達(dá)標(biāo)?？煽啃栽囼?yàn)的標(biāo)準(zhǔn)是水泵應(yīng)能承受發(fā)動(dòng)機(jī)上的額定負(fù)載，并以120%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)25 h，各配合部位不可有松動(dòng)現(xiàn)象；水泵應(yīng)能承受發(fā)動(dòng)機(jī)上的額定負(fù)載，并以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)500 h；試驗(yàn)結(jié)束后軸承應(yīng)能輕松平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，水封不出現(xiàn)損壞或泄漏。達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，即認(rèn)定汽車?yán)鋮s水泵可靠性試驗(yàn)合格。

6.5 密封性試驗(yàn)

水泵以40 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，內(nèi)腔通入壓縮空氣，壓力為138 kPa，在壓力平衡后進(jìn)行密封性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為10 s，滲漏量不可大于10 mL/min。

▲圖5 性能試驗(yàn)結(jié)果

▲圖6 汽蝕性能曲線

所有試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)計(jì)算機(jī)終端保存數(shù)據(jù)，并打印性能試驗(yàn)結(jié)果和汽蝕性能曲線。

7 總結(jié)與展望

根據(jù)國(guó)內(nèi)汽車?yán)鋮s水泵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，研制了移動(dòng)式汽車?yán)鋮s水泵檢測(cè)裝置，有利于實(shí)現(xiàn)第三方檢測(cè)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。這一檢測(cè)裝置可以提高質(zhì)量檢測(cè)人員的檢測(cè)效率，幫助企業(yè)解決檢測(cè)需求，還可以為政府的質(zhì)量監(jiān)督工作提供幫助，同時(shí)對(duì)于汽車行業(yè)的發(fā)展具有一定意義。后續(xù)將與國(guó)內(nèi)外單位進(jìn)行第三方比對(duì)試驗(yàn)，進(jìn)而不斷改進(jìn)技術(shù)方案，使這一檢測(cè)裝置達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。