移动式汽车冷却水泵检测装置的研制

□ 张俊杰 □ 陆 轶 □ 张佳妮

上海市质量监督检验技术研究院 上海 200072

1 研制背景

发动机冷却水泵是汽车发动机的关键部件，往往在75～85℃高温、大流量、0～6 000 r/min变转速的条件下工作，易发生汽蚀现象，水泵的正常运行被破坏。陈次昌等［1］研究出调速范围大、工作介质温度高，且可对泵轴进行径向和轴向加载的发动机冷却水泵试验装置，同时通过对8140型发动机冷却水泵进行试验，确认了介质温度对水泵相似定律和性能的影响。钟绍俊等［2］介绍了基于西门子可编程序控制器的汽车发动机冷却水泵性能测试系统，实现了数据采集、控制和分析处理的自动化。朱桂英［3］研究了一种基于嵌入式系统平台的汽车水泵密封性能测试系统，基于高精度差压传感器和电磁阀测试回路，采用差压测试方法对汽车水泵密封性进行快速自动测试。郭春裕等［4］介绍了汽车发动机冷却水泵密封性能试验台系统设计方法，实现了汽车冷却水泵密封性能测试系统的自动化、智能化。吴彤峰等［5］介绍了一种汽车发动机冷却水泵计算机测试系统的流量控制和检测方法，采用比例积分微分控制流量算法，由计算机自动检测、记录数据，同时分析了水流流线对流量控制、检测的影响。李维强等［6］论述了汽车发动机冷却水泵的研究进展，从水力性能、汽蚀性能及可靠性三个方面介绍了国内外最新进展，提出了互联网加汽车水泵标准件的发展模式，可以实现冷却水泵的智能、可控、高效运行。

目前，国内各大汽车厂商纷纷研发自主品牌汽车，发动机是整车研发过程中的关键部件，冷却水泵则是发动机散热的核心部件，起着举足轻重的作用。一旦使用质量不过关的冷却水泵，将影响发动机的安全稳定运行。另一方面，在质量检测行业，水泵厂家必须提供第三方检测报告。上海市质量监督检验技术研究院机电产品检测所根据行业需求，研制了移动式汽车冷却水泵检测装置。

2 执行标准

作为公正公开的第三方检测机构，检测装置必须严格按照国家标准研制。参考GB/T 3216—2016《回转动力泵 水力性能验收试验 1级、2级和3级》［7］、JB/T 8126.2—2010《内燃机 冷却水泵 第2部分：总成 试验方法》［8］、QC/T 288.1—2001《汽车发动机冷却水泵技术条件》［9］、QC/T 288.2—2001《汽车发动机冷却水泵试验方法》［10］，研制了移动式汽车冷却水泵检测装置。目前，国内大多数水泵检测装置是固定式的，不具备移动功能，考虑到检测工作有时需要在现场进行，因此所研制的测试装置，其控制台和试验台可以拆装，移动方便。

3 检测装置结构

移动式汽车冷却水泵检测装置结构如图1所示，其外部由不锈钢框架组成。

▲图1 移动式汽车冷却水泵检测装置结构

检测装置中有以下设备：计算机、变频器、电机、可编程序控制器、压力传感器、电磁流量计，扭矩传感器、温度传感器、气动调节阀、球阀、安全阀、空气压缩机、气罐、加热器。进出口压力传感器选用PTX5072-TC型，电磁流量计选用AXF015G型，温度传感器选用PT100型，扭矩传感器选用4820V（1-3）NZ型。检测装置管道直径可根据汽车水泵的不同型号进行配置。

4 测试范围

移动式汽车冷却水泵检测装置可以测试以下参数：流量、扬程、效率、轴功率、汽蚀余量，可以进行可靠性试验及密封性试验，主要技术参数见表1。

上述参数通过可编程序控制器进行集成与处理，用阀门控制进出口的压力和流量，用加热棒控制水温，用变频器控制电机转速和扭矩，用集成面板上的开关按钮控制水泵启停。可以将以上参数与汽蚀性能曲线、通用性能曲线通过计算机打印出来。可编程序控制器控制系统如图2所示。

表1 移动式汽车冷却水泵检测装置技术参数

▲图2 可编程序控制器控制系统

5 参数检测原理

移动式汽车冷却水泵检测装置的主控电路采用安全性较高的三相五线制，电机和温度传感器工作电压为220 V，通过电源开关将220 V交流电转换为12 V和24 V直流电，分别为流量和压力传感器供电，电路控制图如图3所示。

水泵的进出口压力采用相对精度为0.15%的压力传感器进行测量，流量由安装在检测装置出口管道上的电磁流量计进行测量。试验水温通过电加热管加热，水温的降低依靠系统的自然散热，水温由具有一级精度的传感器测量，并由比例积分微分控制系统进行调节控制。

为了更匹配发动机冷却水泵的实际工作环境，移动式汽车冷却水泵检测装置驱动方式为皮带轮驱动，如图4所示。

▲图3 检测装置电路控制图

▲图4 移动式汽车冷却水泵检测装置驱动方式

变频电机通过转速转矩传感器驱动皮带轮系统，由于皮带轮具有一定的传动比，因此发动机冷却水泵的转速只能间接通过传动比来计算：

式中：n 为冷却水泵转速，r/min；nm为电机转速，r/min；i为传动比，需要现场测量。

扬程H可以通过下式进行换算：

式中：ρ为试验温度下水的密度，kg/m3；P1、P2分别为进出口压力，kPa；v1、v2分别为进出口取压部位断面上的平均速度，m/s；Z1、Z2分别为进出口至水泵中心的垂直高度，m；g 为重力加速度，g=9.81 m/s2。

式中：Q 为流量，L/min；d1、d2分别为进出口取压部位的断面内径，m。

在一般情况下，Z1≈Z2，则有：

经单位换算，扬程H计算式为：

轴功率可以通过扭矩传感器来测量扭矩，然后通过计算获得。

轴功率P计算式为：

式中：M 为扭矩，N·m。

输出功率Pu计算式为：

水泵效率η计算式为：

汽蚀余量A计算式为：

式中：H1为进口总水头，m；P0为大气压力，kPa；Pv为试验温度下水的汽化压力，kPa。

6 汽车冷却水泵试验步骤

6.1 前期准备

（1）检查移动式汽车冷却水泵检测装置电路、气路及水箱水位，确认水泵试件有无卡滞，以及试验设备是否正常。试验前进行排气，打开进出口阀门，再打开试验水泵上方的排气阀，如果有需要，在开机后可适当向水箱加压，待排气口出水且水流均匀后，关闭排气阀门。

（2）开启总电源，拉起红色急停开关，开启计算机，打开试验主程序。给定转速，使水泵空转，观察功率大小，作为试验扣除功率，并对当前水泵试件进行参数设定。

（3）设定试验温度，打开温控开关，使水泵运转，管道中的水开始循环。严禁在水循环前对水进行加热。

6.2 性能试验

在进行性能试验时，调节出口阀门控制出口的流量，控制水温为78～82℃。记录压力、流量、转速、扭矩等一系列参数后，由计算机终端进行处理，最终输出各测量参数。所输出的性能试验结果如图5所示，图5所对应的水泵转速为3 000～5 500 r/min。

6.3 汽蚀试验

水泵的净正吸入水头目前还没有准确的计算方法。因此，进行汽蚀试验要通过改变检测装置的净正吸入水头，诱使水泵发生汽蚀，进而确定水泵的净正吸入水头。汽蚀试验通过调节进出口阀门来降低进口压力，同时保持规定的转速与流量，并根据临界汽蚀条件在扬程下降2%时进行测试，最后由计算机输出汽蚀性能曲线，如图6所示。

6.4 可靠性试验

汽车冷却水泵在出厂前必须进行可靠性试验，试验的目的是检验水泵在连续长时间运转后的外特性是否达标。可靠性试验的标准是水泵应能承受发动机上的额定负载，并以120%额定转速运转25 h，各配合部位不可有松动现象；水泵应能承受发动机上的额定负载，并以额定转速运转500 h；试验结束后轴承应能轻松平稳地转动，水封不出现损坏或泄漏。达到上述标准，即认定汽车冷却水泵可靠性试验合格。

6.5 密封性试验

水泵以40 r/min转速运转的同时，内腔通入压缩空气，压力为138 kPa，在压力平衡后进行密封性试验，试验时间为10 s，渗漏量不可大于10 mL/min。

▲图5 性能试验结果

▲图6 汽蚀性能曲线

所有试验结束后，通过计算机终端保存数据，并打印性能试验结果和汽蚀性能曲线。

7 总结与展望

根据国内汽车冷却水泵试验标准，研制了移动式汽车冷却水泵检测装置，有利于实现第三方检测平台的标准化作业。这一检测装置可以提高质量检测人员的检测效率，帮助企业解决检测需求，还可以为政府的质量监督工作提供帮助，同时对于汽车行业的发展具有一定意义。后续将与国内外单位进行第三方比对试验，进而不断改进技术方案，使这一检测装置达到国内外先进水平。