油冷器氣密性測試關鍵技術研究

趙明冬　潘星宇　周斌　黃軍壘

摘 要：為提高汽車產業制造效率和關鍵部件智能化檢測水平，提出一種基于正負壓差測量法的油冷器氣密性測試方法。首先簡要分析了油冷器氣密性檢測技術現狀，其次討論了對構建的細小氣體泄漏模型，最后對油冷器氣密性檢測系統關鍵技術進行了設計，包括正負壓差法實現路徑、電氣系統構成等。該方法可有效解決目前油冷器氣密性測試設備檢測流程繁瑣、檢測慢精度低等問題。

關鍵詞：油冷器 氣密性測試 正負壓差檢測法 氣體檢測模型

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車的保有量也在不斷增加，這就大大推進了我國汽車制造業的迅速發展。自2016年以來，我國汽車產銷量不斷提升，對于發動機的轉速和功率的要求也越來越高，當熱負荷越來越大的情況下，現有的發動機冷卻系統可靠性就受到了挑戰。機油冷卻器作為發動機主要冷卻裝置，它的可靠性對于發動機整體的性能有著較大的影響[1]。一旦發生泄漏，不僅會降低發動機的效率和壽命，更會對汽車的安全造成隱患，由此可能會帶來生命和財產的損失。針對上述情況，業內多采用氣密性檢測技術，對機油冷卻器進行報廢率的檢測，但是由于這一項檢測往往等到總裝試車時才發現問題，當報廢率達到10%甚至25%以上的時候，對于汽車制造的整體一次性合格率會造成非常嚴重的影響。傳統的測試采用的氣泡法對于檢測人員的經驗和水平依賴性較強，不僅效率低下，還會存在較大的偏差，不利于汽車自動化生產的效率提高。

2 國內外研究現狀

國外對氣密性檢測技術的研究起步相對較早，最初是使用肥皂液涂抹法和水檢法等濕式檢測法進行測試的。然而傳統的檢測方式存在著各種各樣的缺點，諸如檢測的精確度不高，檢測的結果受到人為影響的因素大，以及在定量檢測方面遇到了技術性障礙等缺點。國外從上個世紀70年代中后期，對傳統的氣密性檢測方式進行了改進，針對其缺陷和不足提出了一種干式氣密性檢測方法。與傳統的濕式檢測方法相比，干式氣密性檢測方法擁有很多優點，它的主要原理是以氣體作為媒介，不僅顯著提升了檢測精度，還可以使檢測過程高度自動化[2]?；谏鲜黾夹g，國外的廠家研制出了多種干式檢測方法，比如壓力法、流量法等，都已經得到了廣泛的應用。其中壓差法更具有典型的代表性，它首先通過向被測件和標準件內部注入相同壓力的氣體，接著打開連通兩者之間的平衡閥，如果被測件的氣密性不合格，待檢測一段時間后，可以通過兩個工件當中的壓力差傳導到壓力傳感器之后，就可測量出來被測件的氣密性是否合格。

國內在這方面的研究起步比較晚，一直到上個世紀90年代仍然使用濕式的氣密性檢測技術。到了90年代末才開始引入國外的成熟技術，經過幾十年的發展，直至今日我國的氣密性檢測技術與國外同期的技術相比較，從理論和實際應用上仍然存在著較大的不足[3]。國內的生產廠家，目前所使用的干式氣密性檢測技術，仍然是基于一些比較成熟的技術進行的應用，例如壓差式檢測、流量式檢測等等。在理論研究這一塊，基于干式氣密性檢測技術的應用研究仍然較少，而且存在著一次測量的被測價數量不多，導致的效率低于無法量產等等問題。

綜上所述，國內的油冷器氣密性檢測技術存在一定缺陷，如檢測速度慢，工藝流程復雜，檢測精度不高，以及自動化程度較低等缺點，針對這些缺點，本文提出了正負壓差檢測法，進而完成油冷器氣密性測試系統的方案設計。

3 氣密性檢測的理論模型

在油冷器質量檢測過程中，很容易發現大的泄漏點，只有小的泄漏點才是質量檢測的重點和難點，故本文對微小的泄露情況進行研究。由于油冷器容器是剛性的，其泄漏物理模型可以等價于一個固定容積的容器由泄漏引起的排氣問題。細小漏孔泄漏模型如圖1所示，若泄漏通道狹長細小，可以近似為圓形斷面的毛細管，氣體流動狀態為層流。因為泄漏孔相對于泄漏容器來講一般較小，如果再考慮到泄漏為微泄漏，排氣緩慢，泄露過程持續時間長，油冷器的氣密性檢測將會檢測時間長，檢測難度大等問題。

式中P1、P2分別為漏點兩側壓力；ρ為流體密度；μ為動力粘性系數；l為漏點深度；r為漏點半徑。

通過式（1）得出流過漏孔的質量流量與內外壓力、氣體密度、動力粘性系數、漏點直徑、漏點深度等參數的函數關系，測量出壓力變化后，通過數學模型分析出漏點的大小和性質等參數，為漏點的查找和判斷提供理論依據。

在油冷器氣密性檢測過程中，使用的檢測氣體，環境溫度等參數保持不變，流體密度ρ和動力粘性系數μ可以看出常數，氣體泄漏量與泄漏孔的形狀和測試壓有關，其中漏點兩側壓力P1、P2可由實際測試裝置測量得出，漏點深度l可根據待測試封閉容器的厚度給出，流過漏孔的質量流量Qm可以通過檢測漏點兩側壓力P1和P2因泄露導致的壓力變化計算得出，而油冷器漏點通常為沙眼或裂痕的不規則形狀，所以漏點半徑r無法通過物理測量的方法來測定，只能通過泄漏量引起的壓力變化進行計算。

所以本文采用在規定條件下，向待封閉容器內充壓，一段時間后再測量被測件內的壓力變化情況，計算氣體泄漏的實際情況。通過測量“壓力降”來分析泄漏量，從而判斷油冷器的氣密性情況。

4 油冷器氣密性測試系統方案設計

4.1 待測工件說明

本文主要檢測對象為板翅式油冷器，其主要用于發動機或變速箱上冷卻裝置，此類產品有結構緊湊、體積小、傳熱效率高等優點。

板翅式油冷器主要由隔板、翅片及封條三部分構成，板翅式油冷器的內部結構如圖2所示，通過翅片和隔板進行熱交換，許多層基本單元疊置起來，釬焊成板束或芯體，冷（水）、熱（油）流體在相鄰的基本單元流道中流動，為了更好的完成熱交換，油冷器的油通道和水通道接觸面盡可能大，并且接觸面呈現不規則形狀，所以油冷器的氣密性就成為了既關鍵又薄弱的環節[5]。

4.2 差壓檢測法

目前工業生產過程中，油冷器氣密性檢測通常采用差壓檢測法來測量待測工件的氣密性，該方法類似于杠桿天平稱量原理，將標準參考工件放置，其中一端另一端放置被測量的工件，此時同時向兩個被測物件充入相同壓力的空氣，并使壓差傳感器的兩端保持平衡狀態，在兩端平衡后，觀察壓差傳感器。如果被測工件有微小的氣體泄漏，就會使得“天平”失去平衡，同時能夠檢測出兩端因泄漏而產生的壓差[6]。氣體密封檢測系統將根據差壓的變化測出工件的具體泄漏量，然后判斷被測工件是否合格，并將這些信息傳送給檢測系統。

因為標準品與被測工件形狀、大小相同，并且檢測過程中，兩端的外部環境狀況完全一樣，所以這種測試可以盡可能的消除溫度、振動等環境因素的影響，減少因溫度、振動而產生的誤差，得到高精度的測量結果。

4.3 系統設計方案

油冷器分為水路和油路兩個部分，工業生產中往往需要分兩個操作環節來分別完成油路和水路的氣密性檢測，而微泄漏排氣緩慢，又需要長時間的泄露才能提高檢測的精度，大大降低了油冷器氣密性檢測效率。

本文在壓差測試法的基礎上，針對現有應用中油路和水路雙路同時檢測的要求，采用負壓氣路（油路），正壓氣路（水路）的檢測方法，即正負壓差檢測法。本系統的檢測原理如圖3所示。正壓源采用充氣泵形成高氣壓，通過控制閥1和流量計1，在通過閥門1向被測件的水路內充氣，通過閥門2向標準件的水路充氣，圖中的陰影部分表示正氣壓。負壓源采用真空泵形成負氣壓，原理同正壓源部分，空氣流向如圖中的箭頭所示。利用油路的負壓和水路的正壓增加了兩路之間的壓力差，根據氣密性檢測的理論模型可知：其他條件相同的前提下，兩側的壓力差增加，泄露量也會增加，從而可以提升氣密性檢測的靈敏性。

4.4 電氣控制方案設計

完整的氣密性測試硬件系統包含氣動系統、機械裝置、電氣控制等部分，其中電氣控制部分的原理框圖如圖4所示，圖中的掃碼器用于識別被測器件的編號，溫度測量模塊用于檢測環節溫度，按鍵模塊用于輸入工作質量和控制信號，流量檢測模塊用于數量流量計1和流量計2的數據，油路壓力檢測用于監測壓差表2的數據，水路壓力檢測用于監測壓差表1的數據，充壓控制模塊用于完成控制閥1、閥門1，閥門2的充壓動作，減壓控制模塊用于完成控制閥2閥門3、閥門4的減壓動作，通信模塊用于與工控機的信息通信，顯示模塊用于顯示運行狀態和測試數值，報警模塊用于檢測結束和異常件的提示。

5 總結

本文針對現有的汽車工業生產中，油冷器氣密性檢測速度和精度等方面的不足，對細小漏孔泄漏模型進行分析，在傳統差壓檢測法的基礎上提出了正負壓差檢測法，對油冷器的油路采用負壓，水路同時采用正壓的檢測方法，一次就可以完成兩路的氣密性檢測，在簡化檢測流程，提升檢測速度，提高檢測精度方面取得了良好的效果，在節省生產成本和提高工作效率方面，有較高的應用價值和經濟效益。

基金項目：2021年度河南省科技計劃項目《基于LabVIEW的油冷器氣密性測試關鍵技術研究與開發》，項目編號212102210343。

參考文獻：

[1]黃釗.鐵鉻基釬料真空釬焊鋼質油冷器試驗研究[D].哈爾濱工業大學，2015.

[2]Wei-Ming Chiang，Win-Jet Luo，Fu-Jen Wang. Temperature control scheme using hot-gas bypass for a machine tool oil cooler[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2018，32（3）.

[3]劉海洋，張桂忠.自動變速箱油冷器及其試驗方法研究[J].汽車實用技術，2016（09）：199-201.

[4]朱華，張勇.機油冷卻器內部壓力分布研究[J].機床與液壓，2011，39（15）：38-41+69.

[5]周建洪，張健.發動機油冷器密封性能檢測裝置的設計[J].內燃機配件，2005（01）：41.

[6]徐強，金喆民，顧國榮，劉欣，王文東.汽車油冷器典型失效分析[J].表面技術，2017，46（05）：244-248.