移動式汽車冷卻水泵檢測裝置的研制

□ 張俊杰 □ 陸 軼 □ 張佳妮

上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 200072

1 研制背景

發動機冷卻水泵是汽車發動機的關鍵部件，往往在75～85℃高溫、大流量、0～6 000 r/min變轉速的條件下工作，易發生汽蝕現象，水泵的正常運行被破壞。陳次昌等［1］研究出調速范圍大、工作介質溫度高，且可對泵軸進行徑向和軸向加載的發動機冷卻水泵試驗裝置，同時通過對8140型發動機冷卻水泵進行試驗，確認了介質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動機冷卻水泵性能測試系統，實現了數據采集、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平臺的汽車水泵密封性能測試系統，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行快速自動測試。郭春裕等［4］介紹了汽車發動機冷卻水泵密封性能試驗臺系統設計方法，實現了汽車冷卻水泵密封性能測試系統的自動化、智能化。吳彤峰等［5］介紹了一種汽車發動機冷卻水泵計算機測試系統的流量控制和檢測方法，采用比例積分微分控制流量算法，由計算機自動檢測、記錄數據，同時分析了水流流線對流量控制、檢測的影響。李維強等［6］論述了汽車發動機冷卻水泵的研究進展，從水力性能、汽蝕性能及可靠性三個方面介紹了國內外最新進展，提出了互聯網加汽車水泵標準件的發展模式，可以實現冷卻水泵的智能、可控、高效運行。

目前，國內各大汽車廠商紛紛研發自主品牌汽車，發動機是整車研發過程中的關鍵部件，冷卻水泵則是發動機散熱的核心部件，起著舉足輕重的作用。一旦使用質量不過關的冷卻水泵，將影響發動機的安全穩定運行。另一方面，在質量檢測行業，水泵廠家必須提供第三方檢測報告。上海市質量監督檢驗技術研究院機電產品檢測所根據行業需求，研制了移動式汽車冷卻水泵檢測裝置。

2 執行標準

作為公正公開的第三方檢測機構，檢測裝置必須嚴格按照國家標準研制。參考GB/T 3216—2016《回轉動力泵 水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》［7］、JB/T 8126.2—2010《內燃機 冷卻水泵 第2部分：總成 試驗方法》［8］、QC/T 288.1—2001《汽車發動機冷卻水泵技術條件》［9］、QC/T 288.2—2001《汽車發動機冷卻水泵試驗方法》［10］，研制了移動式汽車冷卻水泵檢測裝置。目前，國內大多數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場進行，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 檢測裝置結構

移動式汽車冷卻水泵檢測裝置結構如圖1所示，其外部由不銹鋼框架組成。

▲圖1 移動式汽車冷卻水泵檢測裝置結構

檢測裝置中有以下設備：計算機、變頻器、電機、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、氣動調節閥、球閥、安全閥、空氣壓縮機、氣罐、加熱器。進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汽車水泵的不同型號進行配置。

4 測試范圍

移動式汽車冷卻水泵檢測裝置可以測試以下參數：流量、揚程、效率、軸功率、汽蝕余量，可以進行可靠性試驗及密封性試驗，主要技術參數見表1。

上述參數通過可編程序控制器進行集成與處理，用閥門控制進出口的壓力和流量，用加熱棒控制水溫，用變頻器控制電機轉速和扭矩，用集成面板上的開關按鈕控制水泵啟停。可以將以上參數與汽蝕性能曲線、通用性能曲線通過計算機打印出來。可編程序控制器控制系統如圖2所示。

表1 移動式汽車冷卻水泵檢測裝置技術參數

▲圖2 可編程序控制器控制系統

5 參數檢測原理

移動式汽車冷卻水泵檢測裝置的主控電路采用安全性較高的三相五線制，電機和溫度傳感器工作電壓為220 V，通過電源開關將220 V交流電轉換為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。

水泵的進出口壓力采用相對精度為0.15%的壓力傳感器進行測量，流量由安裝在檢測裝置出口管道上的電磁流量計進行測量。試驗水溫通過電加熱管加熱，水溫的降低依靠系統的自然散熱，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進行調節控制。

為了更匹配發動機冷卻水泵的實際工作環境，移動式汽車冷卻水泵檢測裝置驅動方式為皮帶輪驅動，如圖4所示。

▲圖3 檢測裝置電路控制圖

▲圖4 移動式汽車冷卻水泵檢測裝置驅動方式

變頻電機通過轉速轉矩傳感器驅動皮帶輪系統，由于皮帶輪具有一定的傳動比，因此發動機冷卻水泵的轉速只能間接通過傳動比來計算：

式中：n 為冷卻水泵轉速，r/min；nm為電機轉速，r/min；i為傳動比，需要現場測量。

揚程H可以通過下式進行換算：

式中：ρ為試驗溫度下水的密度，kg/m3；P1、P2分別為進出口壓力，kPa；v1、v2分別為進出口取壓部位斷面上的平均速度，m/s；Z1、Z2分別為進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分別為進出口取壓部位的斷面內徑，m。

在一般情況下，Z1≈Z2，則有：

經單位換算，揚程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 汽車冷卻水泵試驗步驟

6.1 前期準備

（1）檢查移動式汽車冷卻水泵檢測裝置電路、氣路及水箱水位，確認水泵試件有無卡滯，以及試驗設備是否正常。試驗前進行排氣，打開進出口閥門，再打開試驗水泵上方的排氣閥，如果有需要，在開機后可適當向水箱加壓，待排氣口出水且水流均勻后，關閉排氣閥門。

（2）開啟總電源，拉起紅色急停開關，開啟計算機，打開試驗主程序。給定轉速，使水泵空轉，觀察功率大小，作為試驗扣除功率，并對當前水泵試件進行參數設定。

（3）設定試驗溫度，打開溫控開關，使水泵運轉，管道中的水開始循環。嚴禁在水循環前對水進行加熱。

6.2 性能試驗

在進行性能試驗時，調節出口閥門控制出口的流量，控制水溫為78～82℃。記錄壓力、流量、轉速、扭矩等一系列參數后，由計算機終端進行處理，最終輸出各測量參數。所輸出的性能試驗結果如圖5所示，圖5所對應的水泵轉速為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確的計算方法。因此，進行汽蝕試驗要通過改變檢測裝置的凈正吸入水頭，誘使水泵發生汽蝕，進而確定水泵的凈正吸入水頭。汽蝕試驗通過調節進出口閥門來降低進口壓力，同時保持規定的轉速與流量，并根據臨界汽蝕條件在揚程下降2%時進行測試，最后由計算機輸出汽蝕性能曲線，如圖6所示。

6.4 可靠性試驗

汽車冷卻水泵在出廠前必須進行可靠性試驗，試驗的目的是檢驗水泵在連續長時間運轉后的外特性是否達標。可靠性試驗的標準是水泵應能承受發動機上的額定負載，并以120%額定轉速運轉25 h，各配合部位不可有松動現象；水泵應能承受發動機上的額定負載，并以額定轉速運轉500 h；試驗結束后軸承應能輕松平穩地轉動，水封不出現損壞或泄漏。達到上述標準，即認定汽車冷卻水泵可靠性試驗合格。

6.5 密封性試驗

水泵以40 r/min轉速運轉的同時，內腔通入壓縮空氣，壓力為138 kPa，在壓力平衡后進行密封性試驗，試驗時間為10 s，滲漏量不可大于10 mL/min。

▲圖5 性能試驗結果

▲圖6 汽蝕性能曲線

所有試驗結束后，通過計算機終端保存數據，并打印性能試驗結果和汽蝕性能曲線。

7 總結與展望

根據國內汽車冷卻水泵試驗標準，研制了移動式汽車冷卻水泵檢測裝置，有利于實現第三方檢測平臺的標準化作業。這一檢測裝置可以提高質量檢測人員的檢測效率，幫助企業解決檢測需求，還可以為政府的質量監督工作提供幫助，同時對于汽車行業的發展具有一定意義。后續將與國內外單位進行第三方比對試驗，進而不斷改進技術方案，使這一檢測裝置達到國內外先進水平。