□ 張俊杰 □ 陸 軼 □ 張佳妮

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

1 研制背景

發(fā)動機(jī)冷卻水泵是汽車發(fā)動機(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，且可對泵軸進(jìn)行徑向和軸向加載的發(fā)動機(jī)冷卻水泵試驗裝置，同時通過對8140型發(fā)動機(jī)冷卻水泵進(jìn)行試驗，確認(rèn)了介質(zhì)溫度對水泵相似定律和性能的影響。鐘紹俊等［2］介紹了基于西門子可編程序控制器的汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵性能測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、控制和分析處理的自動化。朱桂英［3］研究了一種基于嵌入式系統(tǒng)平臺的汽車水泵密封性能測試系統(tǒng)，基于高精度差壓傳感器和電磁閥測試回路，采用差壓測試方法對汽車水泵密封性進(jìn)行快速自動測試。郭春裕等［4］介紹了汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵密封性能試驗臺系統(tǒng)設(shè)計方法，實現(xiàn)了汽車?yán)鋮s水泵密封性能測試系統(tǒng)的自動化、智能化。吳彤峰等［5］介紹了一種汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵計算機(jī)測試系統(tǒng)的流量控制和檢測方法，采用比例積分微分控制流量算法，由計算機(jī)自動檢測、記錄數(shù)據(jù)，同時分析了水流流線對流量控制、檢測的影響。李維強(qiáng)等［6］論述了汽車發(fā)動機(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方面介紹了國內(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，可以實現(xiàn)冷卻水泵的智能、可控、高效運(yùn)行。

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

2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

作為公正公開的第三方檢測機(jī)構(gòu)，檢測裝置必須嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)研制。參考GB/T 3216—2016《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》［7］、JB/T 8126.2—2010《內(nèi)燃機(jī) 冷卻水泵 第2部分：總成 試驗方法》［8］、QC/T 288.1—2001《汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵技術(shù)條件》［9］、QC/T 288.2—2001《汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵試驗方法》［10］，研制了移動式汽車?yán)鋮s水泵檢測裝置。目前，國內(nèi)大多數(shù)水泵檢測裝置是固定式的，不具備移動功能，考慮到檢測工作有時需要在現(xiàn)場進(jìn)行，因此所研制的測試裝置，其控制臺和試驗臺可以拆裝，移動方便。

3 檢測裝置結(jié)構(gòu)

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

▲圖1 移動式汽車?yán)鋮s水泵檢測裝置結(jié)構(gòu)

檢測裝置中有以下設(shè)備：計算機(jī)、變頻器、電機(jī)、可編程序控制器、壓力傳感器、電磁流量計，扭矩傳感器、溫度傳感器、氣動調(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。檢測裝置管道直徑可根據(jù)汽車水泵的不同型號進(jìn)行配置。

4 測試范圍

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

上述參數(shù)通過可編程序控制器進(jìn)行集成與處理，用閥門控制進(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，用集成面板上的開關(guān)按鈕控制水泵啟停?？梢詫⒁陨蠀?shù)與汽蝕性能曲線、通用性能曲線通過計算機(jī)打印出來?？删幊绦蚩刂破骺刂葡到y(tǒng)如圖2所示。

表1 移動式汽車?yán)鋮s水泵檢測裝置技術(shù)參數(shù)

▲圖2 可編程序控制器控制系統(tǒng)

5 參數(shù)檢測原理

移動式汽車?yán)鋮s水泵檢測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，通過電源開關(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)出口壓力采用相對精度為0.15%的壓力傳感器進(jìn)行測量，流量由安裝在檢測裝置出口管道上的電磁流量計進(jìn)行測量。試驗水溫通過電加熱管加熱，水溫的降低依靠系統(tǒng)的自然散熱，水溫由具有一級精度的傳感器測量，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)動機(jī)冷卻水泵的實際工作環(huán)境，移動式汽車?yán)鋮s水泵檢測裝置驅(qū)動方式為皮帶輪驅(qū)動，如圖4所示。

▲圖3 檢測裝置電路控制圖

▲圖4 移動式汽車?yán)鋮s水泵檢測裝置驅(qū)動方式

變頻電機(jī)通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器驅(qū)動皮帶輪系統(tǒng)，由于皮帶輪具有一定的傳動比，因此發(fā)動機(jī)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速只能間接通過傳動比來計算：

式中：n 為冷卻水泵轉(zhuǎn)速，r/min；nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為傳動比，需要現(xiàn)場測量。

揚(yáng)程H可以通過下式進(jìn)行換算：

式中：ρ為試驗溫度下水的密度，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計算式為：

軸功率可以通過扭矩傳感器來測量扭矩，然后通過計算獲得。

軸功率P計算式為：

式中：M 為扭矩，N·m。

輸出功率Pu計算式為：

水泵效率η計算式為：

汽蝕余量A計算式為：

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

6 汽車?yán)鋮s水泵試驗步驟

6.1 前期準(zhǔn)備

（1）檢查移動式汽車?yán)鋮s水泵檢測裝置電路、氣路及水箱水位，確認(rèn)水泵試件有無卡滯，以及試驗設(shè)備是否正常。試驗前進(jìn)行排氣，打開進(jìn)出口閥門，再打開試驗水泵上方的排氣閥，如果有需要，在開機(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。

（2）開啟總電源，拉起紅色急停開關(guān)，開啟計算機(jī)，打開試驗主程序。給定轉(zhuǎn)速，使水泵空轉(zhuǎn)，觀察功率大小，作為試驗扣除功率，并對當(dāng)前水泵試件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

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

6.2 性能試驗

在進(jìn)行性能試驗時，調(diào)節(jié)出口閥門控制出口的流量，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，由計算機(jī)終端進(jìn)行處理，最終輸出各測量參數(shù)。所輸出的性能試驗結(jié)果如圖5所示，圖5所對應(yīng)的水泵轉(zhuǎn)速為3 000～5 500 r/min。

6.3 汽蝕試驗

水泵的凈正吸入水頭目前還沒有準(zhǔn)確的計算方法。因此，進(jìn)行汽蝕試驗要通過改變檢測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。汽蝕試驗通過調(diào)節(jié)進(jìn)出口閥門來降低進(jìn)口壓力，同時保持規(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%時進(jìn)行測試，最后由計算機(jī)輸出汽蝕性能曲線，如圖6所示。

6.4 可靠性試驗

汽車?yán)鋮s水泵在出廠前必須進(jìn)行可靠性試驗，試驗的目的是檢驗水泵在連續(xù)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)后的外特性是否達(dá)標(biāo)。可靠性試驗的標(biāo)準(zhǔn)是水泵應(yīng)能承受發(fā)動機(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現(xiàn)象；水泵應(yīng)能承受發(fā)動機(jī)上的額定負(fù)載，并以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)500 h；試驗結(jié)束后軸承應(yīng)能輕松平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動，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水泵可靠性試驗合格。

6.5 密封性試驗

水泵以40 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時，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，試驗時間為10 s，滲漏量不可大于10 mL/min。

▲圖5 性能試驗結(jié)果

▲圖6 汽蝕性能曲線

所有試驗結(jié)束后，通過計算機(jī)終端保存數(shù)據(jù)，并打印性能試驗結(jié)果和汽蝕性能曲線。

7 總結(jié)與展望

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