汽车用空压机可靠性试验装置的研制与开发

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设计研究文章编号：1006—2971(2013)05—0006—05汽车用空压机可靠性试验装置的研制与开发孙 斌’，李金禄 ，张志勇 ，韩占华’，林子良’，姜慧君(1．合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230088；2．压缩机技术国家重点实验室，安徽 合肥 230031)摘 要：针对目前汽车用空压机可靠性要求日益严格的情况，以及汽车用空压机运行工况与通用型空压机运行工况的差异 ，阐述了如何准确模拟空压机 实际运行工况，汽车用空压机可靠性试验装置的设计要点，调试中解决的难点，以及对研制过程 的总结 。

关键词：汽车用空压机；可靠性试验；试验装置中图分类号：TH45 文献标志码：AResearch and Development of Reliability Test Device for Ve—hicle Air CompressorSUN Bin ，LI Jin—lu ，ZHANG Zhi—yong2，HAN Zhan—hua ，LIN Zi—liang ，JIANG Hui-jun(1．Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China；2．State Key Laboratory forCompressor Technology，Hefei 230031，China)Abstract：In view of the reliability requirements of the present vehicle air compressor are strict day by day，and the diferences ofrunning condition between vehicle air compressor and general air compressor，this paper expounds how to make a accurate simulationof the actual running condition，the key points of design for vehicle air compressor reliab ility test device，debugging to solve the prob—lems and the summary about the development.

Key words：vehicle air compressor；reliability test；test device1 引言汽车用空压机作为大中型卡车以及乘用车制动系统的关键部件 ，国际上各大公司以及近年来国内公司对其质量都有着日益严格的要求。提高产品的可靠性 ，对汽车行业来说就是对安全性的提升。因此，建立完善的汽车用空压机可靠性试验装置，对汽车用空压机的耐久性进行考核 ，将产品的潜在缺陷在定型前就暴露出来从而进行改进，就显得极为必要。受某企业委托，我院为其研制了一套轴功率不大于22 kW 的汽车用往复活塞式空压机可靠性试验装置。

收稿 日期：2013—03—12O6l 瓣 魑 2 技术要求(1)能完成多种型号汽车空压机 (轴功率不大于 22 kW)的超速超负荷耐久性试验及热冲击试验；(2)可监测试验过程中的各项重要参数，并能生成时序变化趋势曲线 ；(3)可记录发生故障时的各项数据，并发出警报。对于危险性故障可自动停机，并做出故障判断以供试验员参考。

3 试验装置设计3．1 系统设计汽车用空压机由于是以发动机为驱动元件的，其本身是无驱动、无润滑、无冷却的机头，所以试2013年o5期(总第241期)一设计研究验装置要对其配备动力元件、传动系统、润滑油循环系统、冷却水系统、外部环境控制装置和电控系统等。根据试验内容的具体需要，还要外配PLC控制系统和计算机等。由于试验内容中的转速要求较高，所以还采用了增速传动，汽车用空压机可靠性试验装置的系统原理示意如图 1所示。

润滑油供给系统l I冷却循环系统计算机外显图 1 汽车用空压机可靠性试验装置系统原理示意3．2 传动系统及工作台设计试验要求中的最大机型 22 kW，最高转速4500 r／min，并有着快慢转速瞬间的切换 ，及较高排放负载的冲击 ，故预埋了地基 ，地基板与台架脚部焊接，以减轻振动、噪声及其他负面影响。

同时在传动上采用了吸收冲击振动能力较强的高弹性联轴器，并外加飞轮平缓冲击载荷。由于对转速的大范围调节要求，故对空压机驱动齿轮箱采取增速设计，根据发动机驱动的真实情况，传动比设计≤1．3。对于不同型号的空压机也采用不同安装板安装替换。图 2为传动系统及工作台的示意图。

1．变频电机 2．弹性联轴器 3．1s轮 4．齿轮箱 5．空压机 6．工作 台图 2 传动系统示意3．3 润滑系统设计试验中要求供给润滑油油压在 0．35 MPa左右，并且油温恒定在 95℃，油压过低会导致空压机磨损，故在油箱中配备了电加热器，系统使用手动调压阀调压。同时为了整个循环更好的运行 ，添加了滤清器、液位开关、油标等辅件以保证供油清洁及液位安全。整个循环系统的密封性 、隔热性好，在完成整个试验周期后，通过算得润滑油一2013年o5期(总第241期)质量差值测得试验期间总窜油量。图 3为润滑系统的示意图。

l 21．电加 热器 2．油箱 3．调压 阀 4．油泵 5．滤清器图3 润滑系统示意3．4 冷却水循环系统设计冷却水循环供给系统要满足试验条件中冷、热水 (20~C、95oc)规定周期的切换，水流量在 6～12L／min范围内的调节，系统密封性好，无渗漏。该系统采用3个独立的水箱，分别为低温水箱、冷水箱和热水箱。低温水箱的水通过水泵循环输送至板式换热器，通过制冷压缩机循环输送到换热器中的制冷剂与其进行热交换，通过温度传感器反馈，而将低温水箱中的水制冷在 5～15℃内。冷水箱中预置冷却盘管，通过水泵将低温水箱的低温水循环输送到冷却盘管中以冷却冷水箱中的水，通过温度传感器反馈，使其保持在20℃左右。热水箱中使用2个6 kW的电加热器对水进行加热，通过温度传感器反馈对电加热器供电、断电控制，以及热水箱回水冷却风扇的对其冷却，可使水温较高程度稳定在95℃。冷、热水箱出水接到一个气动三通球阀，再由水泵、流量计、管路接到空压机水道口，回水管同样通过另一个气动三通球阀分流至各自水箱。这样通过2个气动3通球阀的切换，便可以轻松实现空压机冷、热水的循环供给。为了安全起见，热水箱中加入 50％的乙二醇 ，这样在热水箱温度加热到≥100％时，混合液也不会发生沸腾。图4为冷却水循环系统的示意图。

3．5 排气压力调节设计试验要求排气压力在 0～2．0 MPa范围内可调并稳定控制，进气压力即为大气压，进气温度为20~25~C。在排气管路上，由于试验内容较多、工况较恶劣，所以采用T型三通球阀隔离支管路，并使用 PID调节球阀根据压力反馈值 自动调压，设计研究1．制冷压缩机 2．风冷冷凝器 3．板式换热器 4．冷水箱 5．电加热器 6．热水箱 7．12．14．气动三通球阀 8．13．16．水泵 9．风冷水冷却器 lO．数字流量计 11．汽车空压机 l5．低温水箱图4 冷却水循环系统示意图以满足试验内容要求。图5为排气部分的示意图。

3．6 数据采集与控制系统试验装置的控制系统采用可编程逻辑控制器，辅以模拟量和数字量模块，实现各种动作、数据采集、逻辑控制等。数据转换模块及数据通讯电缆经 RS485／232连接计算机，实现数据转换和传输。主电机采用变频器控制，由监控系统选择不同的试验工况进行不同的试验。监控软件使用King View组态王软件 ，监测各种流程，实时显示状态数据，数据存储，结果生产，报表打印等功能。除了计算机外显，在试验装置上也设有触摸屏可进行操作或参数监测，为试验者提供方便。

图 6为其原理图。

C盈固 0~50 r／rain( 蕉堡廑 )0~100％(进 逞廑1)一10~100"C(盎 温虚2)一10~100"(2噩丽 丞 o～30o℃哐夏匝圆 0~300"C0~ 150"C( 匿 )0~200kPa(鲎出 堡羞)0~300 kPa互 量}0~5o L／mina孺丽雨 0~200A两固 0~400V(拯 銮鲎墨)0-．200 rendsC拜 温露 o~500℃(壅壅垂 )0,．~300"C(垫盔回 遏)0-300"CC 莲 ) 1．6MPaQ 图 0-1．6 MPa(置遒挂 廷)o~2．5 MPa(垫过重压 )o~2．5 MPaO8 l 瓣1．汽车空压机 2．缓冲罐 3．压力变送器 4．压力表 5．气动球阀6．电动调节球阀 7．储气罐 8．安全阀 9．气动 T型三通阀图 5 排气部分示意图3．7 试验电脑操作试验内容的操作具有现场人工操作与计算机操作 2种方式方法 ，在计算机操作中，设置了试验系统画面 、开机画面 、实时报表 、历史报表 、操作说明、故障报警、参数修改等多个易观察、易操作的画面。随着装置的综合试验内容、数据与图表处理、数据调用和数据库管理功能增多，还可以采用 c++软件平台对数据与图表处理、数据调用和数据库管理进行二次开发和应用。

4 具体试验内容4．1 热冲击试验空压机热冲击试验是根据汽车上发动机的真数附 缁 萼 据 采集输入模
I I o^ ’o l m I块组 J J件●n 豁 甲 寸
l压力变送别 I温度传感暑嚣I阻度传感匦 奉 模 暮 拟组
输 件 ．—．． ， ．一 r．．．．，．．一 r—-——-—】L．—一 入 l调节阀 II加热器 I I垫垫墨模块图6 采集与控制系统原理图2013年05期(总第241期)■实使用情况 ，模拟出的一种较为苛刻的频繁变工况、变载荷的试验 ，考核空压机耐久性能，整个试验周期约为 2000 h。

试验中，进气温度保持在 2O～25cl，油温高达95~5~C，油压稳定在 0．35 MPa左右，保证水流量恒定 ，冷 、热水供给及转速按周期切换。具体如下 ：(1)5min、热水温 100+5℃、空压机转速 3000r／min、全负荷； (2)2 min、冷水温 20~5oc、空压机转速 1000 r／min、无负荷。

全负荷指的是排气压力在 1 MPa的情况下 ，无负荷即是排空状态。

由于试验时间较长 ，试验工况循环重复，以该公司某 460cm 型号的汽车用空压机为例，我们在其热冲击试验中提出其中 20 min内几个重要测量点参数值 ，每分钟记录一次 (数据如表 l所示)，可以看出，该机器各项均较正常。

根据采集的参数值，我们绘得上述参数随时间变化的曲线趋势图，如图 7所示。

4．2 超速超负荷试验空压机超速超负荷试验则是一种更加极端性的疲劳试验，同样在试验中，进气温度保持 20～25~C，油温高达 95~5~C，水温 85~5℃，油压稳定在 0．35 MPa左右 ，不同机型对应其水流量并保证水流量恒定，具体工况内容如下：(1)运行时间：40h；空压机转速：3000~tnin；运行压表1 热冲击试验参数数据表测试时间(rain) 1 2 3 4 5 6 7 8 9排气压力 1．00 0．997 0．996 0．988 0．989 0．004 0．004 0．996 0．999排气温度(℃) 218．2 242．4 253．5 265．4 261．1 155．6 1l3．O 218．2 253．6进水温度(℃) 91．58 87．91 92．79 95．37 95．22 38．48 22．25 91．66 92．6出水温度 91
．41 89．26 94．05 97．09 96．75 45．o9 23．72 91．55 93．51 (℃)测试时间(rain) 10 11 12 13 14 15 16 21排气压力 0．992 0．994 0．997 0．004 0．004 0．992 1．003 0．004排气温度(℃) 263．6 265．6 260．5 155．4 l13．1 218．0 253．0 l13．2进水温度(℃) 92．06 95．65 95．08 36．95 22‘38 9l_3 92．06 22．35出水温度(℃) 93．51 97．26 96．62 43．06 23．86 91．O2 93．75 23．84—2013年05期(总第241期)设计研究图 7 热冲击试验参数曲线图力：2．0 MPa；全负荷工况。(2)运行时间：200 h；空压机转速 ：3600~hnin；运行压力 ：1_3 MPa；负载率为25％(每分 钟 内带 负载 时 间 15 s，不 带 负 载时间45 S)；(3)运 行 时 间 ：5 min；空 压机 转 速 ：4300 r／，min；运行压力：1．3 MPa；负载率为25％(每分钟内带负载时间 15 S，不带负载时间 45 S)。

超速超负荷试验按以上 3种工况顺序连续进行试验，总用时 240小时零 5分钟。完成整个试验内容，对空压机及试验装置本身都有着极高的要求。完成试验之后，通过机油差值称重计算试验期间的窜油量，并对空压机进行拆分检查各个重要零部件，观察磨损等情况，便可将零件材质、之间的配合 、加工工艺乃至整个空压机的设计缺陷给暴露出来。

5 调试难点在具体试验前的调试过程中，也遇到了一些难点。如水流量、进水压力的调节，如何把握二者平衡的关系。一般试验情况下，单缸空压机要求水流量 6 L／min，其他空压机水流量 12 L／rain，为此在水泵主路上旁通两个支路，用于调节 6—12L／min水流量。但往往在调节 6 L／min时，旁通阀敞开较大，虽流量到达要求，水压却仅 0．1 MPa左右 ，压力低 ，较有安全隐患。故又在空压机回水至水箱处添加一截止阀，此阀与旁通阀一起调节，即可保证流量，也可使压力值合适。

在做热冲击试验时，由于带载运行5 min，电动阀有较充足的时间调节 ，空压机也有较充足的时间打压到，打压时间不影响整个试验的目的要求。而超速超负荷试验中，做200 h及 5 min试验内容时，每分钟的带载率仅为 25％，即15 s。而空压机从空排状态到打压到 13 bar压力并稳定 ，(下转第 14页)∞瑚 m 姗 m ∞ m设计研究示)。图中阴影部分表示该压缩机的制冷量范围。

与测试结果传统的表达方法相比较 ，引人不确定度的估算合理地表征了压缩机制冷量测试值的分散性。

4o3632：2 8喜20褂840图 3 不同转速下汽车空调压缩机的性能曲线图5 结语上述压缩机制冷量不确定度的研究是针对第二制冷剂量热器试验法 ，利用了Martin—Hou方程 ，明确了各独立测量参数与制冷量Q。之间的关系，根据误差传递理论构建了测试结果Q。的不确定度分析估算方法，从而确定了压缩机制冷量Q。正确的表达形式。本文的研究结果同样可以应用于其它的制冷压缩机性能测试方法。

由于压缩机在性能试验过程中存在较多不稳定因素 ，试验数据可能含有异常值 ，因此实验数据较多时需要剔除超差、伪劣数据，以保证能够准确计算制冷量的不确定度。

参考文献：【l】 费业泰．误差理论与数据处理(第6版 )[M]．北京 ：机械工业 出版 社 ．2010：5.

[2】 朱瑞琪．制冷装置 自动化 【M】．西安交通大学出版社 ，2009，2.

【3] 王凌杰．汽车空调压缩机性能试验台的研制【D]．上海：上海A-Y-大学。2010.

【4】 肖矛。压缩机性能试验不确定度分析【J1．流体机械 ，2003(9)：8—10.

[5】 Lyn，J．A．，Ramsey，M．H．，Fussel，R．J．and Wood，R．(2003)Measurement Uncertainty from Physical Sample Prepara—tion：Estimation Including Systematic Error Analyst，2003，128(11)：1391—1398.

[6】 Iuculano G．，Nielsen L．，Zanobini A．，et a1．The principle ofMaximum Entropy Applied in the Evaluation of the Mea—surement Uncertainty[J]．Instrumentation and Measurement.

IEEE Trans．June，2007，Vo1．56，3：717-722.

作者简介 ：王凌杰(1971一)，男 ，工程师，工学硕士，主要从事现代制冷机械设计方法、制冷工程的教学与研究工作。

(上接第O9页)电动阀很难在短时间内调节并稳压 ，该企业最大功率的空压机也不能在如此短时间内快速打压，故我们要在排气末端作相应的变动 ，在压力调节球阀的末端我们再安装一气动球阀，此阀与 T型三通球阀联动切换 (如图 5所示)，在三通阀切换到空压机排空状态时，同时将气动球阀关闭，此时储罐中仍然保留1．3 MPa气压。在下一次空压机打压时，负载很快地上升并稳定到 1．3 MPa，确保了试验效果。

在调试过程中，还单独仔细地调试每个球阀、电磁阀、液位开关等的动作或输出信号，确保准确无误。

6 结语汽车用空压机极端性试验装置是一种可 自动控制、较智能、高性能的机电一体化设备装置。

通过如此恶劣工况的试验 ，对于检验产品的可靠性 ，对提升汽车的安全性都有着极大的意义。

在具体设计与调试过程中发现，对于时间、压力等有较高准确度要求的试验情况而言，先导式电磁阀控制气动球阀开合，可能会产生一定的延迟 ，可改选直动式 ；自动调节排压的电动球阀为角度式线性调节系统最容易稳压；各种传感器连接线应为屏蔽线以防止电磁干扰等等。在总体设计方面保证操作、维修方便的同时尽量考虑装置的整体美观因素。

参考文献：【1] 林子良，邓永清 ，金海军，等．汽车用压缩机耐久性试验装置的研制[J】．流体机械，2007，35(7)：30—33.

[21 孙晓明，张志勇，林子良，等．压缩机排气量快速充罐试验方法[J]．流体机械 ，2006，34(8)：26—29.

【3] 韩占华，张志勇，孙晓明，等．汽车用刹车泵试验台控制系统[J1．流体机械，2006，34(5)：34—37.

作者简介：孙斌(1987一)，男，皖舒城 ，学士学位，助理工程师 ，主要从事空压机及其试验系统研制工作。

2013年05期(总第241期)一O 6 2 8 4 0 6 2 8 4 0 ， ， 。