压力脉冲试验台的设计与研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.91MB 78 页 15积分
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e
摘 要
散热器、冷凝器、中冷器等是车辆及工程机械等冷却系统中不可或缺的零部
件，冷却系统的好坏直接影响发动机的散热效果及动力性能。
随着车辆及工程机械等内部发动机转速和功率的不断提高，热负荷越来越大，
对冷却系统的要求不断提高，同样对散热器、冷凝器、中冷器等的性能要求也在
不断提高。在产品生产、研发过程中，散热器、冷凝器、中冷器等的性能检测起
着至关重要的作用。测试的性能包括：密封性、散热性、抗振性、耐高温压力脉
冲性能、耐扭振性等。
压力脉冲试验台主要是检测散热器、冷凝器、中冷器等的耐高温压力脉冲性
能，即疲劳寿命。试验时，被测试件受到高温脉冲波的冲击。系统自动记录试验
运行次数，当试验运行次数达到设定值时，试验结束。如果此时试件没有被破坏，
则认为合格；否则认为不合格。
课题来源于企业生产实践，主要是针对目前压力脉冲试验台所存在的问题，
而进行的全新设计。
课题主要包括两部分：（1）主设备系统设计；（2）控制系统设计。
主设备系统包括齿轮油泵、多路阀、储油箱、电加热器和阀门等部件，整个
回路可实现加压和卸压两个过程。多路阀、油泵和回路中阀门相配合，可实现系
统内的工质在高压（用户设定）和低压（0表压）两种工况下不断切换，形成脉
冲冲击波。脉冲频率在 0.60Hz～3.0Hz 之间可调。脉冲波形有梯形波、正弦波和
方波，可根据具体工况要求进行选择。
控制系统初期采用组态王 kingview6.51 和可编程逻辑控制器联合控制，由于
该方案在数据处理和曲线实时显示方面存在缺陷，因此提出了方案二，采用 VB
和PCI 板卡控制，解决了上述出现的问题，且性能良好。
关键词：压力脉冲 散热器 组态 PLC VB 多路阀
ABSTRACT
Radiator, condensator and charge air cooler are important parts of the automotive
cooling system. The qudlity of cooling system will affect the engine’s cooling effect
and dynamic performance.
As the automobile engine’s speed and power are improving, the heat load for
cooling system continues to increase, so requirements for radiators, condensers and
charge air cooler are also rising. In the R & D process, the performance testing of
radiator, condenser, and charge air cooler plays a vital role. Performance testing
includes sealing, heat dissipation, anti-vibration, high temperature pressure pulse
performance, anti-torsional vibration and etc.
Pressure pulse test is usd to test the fatigue life of radiators, condensers, charge air
coolers and etc. The tested pieces are subject to the high-temperature pulse. When the
seting number is arrived, if the sample has not been damaged, that is the qualified
product. Otherwise, that is the failed one.
This subject is from the practice of company and mainly used to resolve the
problems of pressure pluse test.
This topic mainly includes two parts, the first one is main equipment system
design, and the other one is control system design.
The main equipment systems include pump, multi-valve, storage tank, electric
heaters, valves and other components. The entire circuit can be realized through
pressurization and decompression. Mutil-valve, pump, and valves matching circuit can
be realized on high pressure (user settings) and low pressure (0) two conditons, and
form pulse wave. Pulse frequency is between 0.60Hz ~ 3.0Hz, and pulse waveforms
are trapezoidal wave, sine wave and square ware.
The initial configuration control systems are kingview6.51 and programmable
logic controller, but this system has some problems in data processing and curve
displaying. The new configuration control systems are Visual Basic and Peripheral
Component Interconnect boards, which resolve the above problems, and have a good
performance.
Key Word: pressure pulse radiator kingview PLC VB mutil-valve
1
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题来源 ...........................................................................................................1
§1.2 课题意义 ...........................................................................................................1
§1.3 简述该领域目前的国内外先进水平 ...............................................................3
第二章 主设备系统 .........................................................................................................5
§2.1 循环系统介绍 ....................................................................................................5
§2.2 泵.......................................................................................................................6
§2.2.1 泵概况 .....................................................................................................6
§2.2.2 泵的主要性能参数 .................................................................................7
§2.2.3 泵的选择 .................................................................................................9
§2.3 多路阀 .............................................................................................................10
§2.4 试验台机柜 .....................................................................................................10
§2.5 储油箱 .............................................................................................................12
§2.6 工作位 .............................................................................................................13
§2.7 阀门 .................................................................................................................13
§2.8 管接头 .............................................................................................................14
第三章 控制系统 ...........................................................................................................15
§3.1 控制系统简介 .................................................................................................15
§3.1.1 温度测量 ...............................................................................................15
§3.1.2 压力测量 ................................................................................................17
§3.1.3 频率测量 ................................................................................................18
§3.1.4 流量测量 ...............................................................................................18
§3.1.5 系统控制 ...............................................................................................19
§3.2 控制方案一 .....................................................................................................20
§3.2.1 组态王 Kingview6.51 ...........................................................................21
§3.2.2 欧姆龙可编程逻辑控制器 ...................................................................24
§3.2.3 方案一存在的问题 ...............................................................................26
§3.3 控制方案二 .....................................................................................................27
§3.3.1 工控机 ...................................................................................................28
§3.3.2 数据采集卡 PCI-1711.......................................................................... 28
§3.3.4 隔离数字量 I/O 卡PCI-1730 ...............................................................29
§3.3.3 脉冲控制卡 PCI-1240U ....................................................................... 30
§3.3.4 伺服电机 ...............................................................................................31
§3.3.5 变频器 ...................................................................................................32
§3.3.6 主回路控制 ............................................................................................34
§3.4 VB 控制程序 ................................................................................................... 35
§3.4.1 控制流程图 ...........................................................................................35
§3.4.2 控制界面 ...............................................................................................36
§3.4.3 数据采集 ...............................................................................................37
2
§3.4.4 实时曲线绘制 .......................................................................................38
第四章 试验数据 ...........................................................................................................39
第五章 结论与展望 .......................................................................................................41
符号表 .............................................................................................................................42
参考文献 .........................................................................................................................43
附录 .................................................................................................................................46
附录一：组态程序 ..................................................................................................46
附录二：PLC 程序 ................................................................................................. 51
附录三：VB 程序 ................................................................................................... 59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................75
一、论文 ..................................................................................................................75
二、科研项目 ..........................................................................................................75
致 谢 ...............................................................................................................................76
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源
课题来源于企业生产实践，主要是针对目前压力脉冲试验台所存在的问题，
而进行的全新设计。
§1.2 课题意义
压力脉冲试验装置主要是用于水散热器、油散热器、冷凝器、暖风器和中冷
器等的寿命试验和性能试验。
水散热器是车辆及工程机械等内部水冷发动机冷却系统中不可缺少的重要部
件。作用是将发动机水套内冷却液携带的多余热量经过热交换，在外界气流的作
用下将高温部件所吸收的热量散发到空气中的热交换装置。冷却系统中散热器性
能的好坏直接影响车辆和工程机械上发动机的散热效果及可靠性，进而影响整车
发动机的动力性能，甚至可能会影响到车辆及工程机械的正常工作和安全行驶
]1[
。
油散热器是将冷却系统内部油液的温度降低，保证相关部件正常运行。按其
作用分，有三大类油散热器：一是用于冷却离合器内机油的散热器；二是用于冷
却液力耦合器内机油的散热器；三是用于冷却方向器内机油的散热器。根据车型
不同，有些车内只有一个油散热器，而有些车内有二个到三个油散热器。
冷凝器、暖风器是车内空调系统的必备设备。冷凝器是将高温工质的热量带
走，将其温度降低的装置。暖风器是将低温工质经过换热，使得排出的工质温度
升高。
随着排放标准和油耗指标的不断提高，对发动机的要求越来越高，许多汽车
和工程机械的动力装置上都配置了涡轮增压器。由此配套的中冷器就是必不可少
的设备。中冷器是中间冷却器的简称，其作用就是降低压缩空气的温度，尽量增
加进入气缸的助燃空气量，提高发动机的换气效率。如果不安装中冷器，而使得
高温气体直接进入发动机内部，将会损坏发动机，甚至出现死火现象。
随着汽车发动机转速和功率的不断提高，车内产生的热负荷越来越大，对冷
却系统的要求也在不断的提高。冷却系统中的重要组成部件水散热器、油散热器、
冷凝器、中冷器无疑成为人们研究的重点，新技术、新材料不断涌现。目前，散
热器、冷凝器、中冷器等正朝着轻型、高效、经济的方向发展
]2[
。
随着排放法规日益严格，对汽车驾驶舒适性要求不断提高，使得车上使用的
压力脉冲试验台的设计与研究
2
散热器种类和数量逐渐增加
]3[
。但是为了提高整车性能，在满足冷却性能的基础
上，使用的散热器、冷凝器等的体积要更为紧凑，质量要更轻。工程机械上随着
性能要求的不断提高，对其内部配置的冷却系统的要求也不断提高。这就要求人
们不断优化当前的散热器、冷凝器、中冷器等，提高其散热效果，以满足各种工
况下的要求，为提高汽车整车性能或是工程机械性能作出贡献。
在散热器、冷凝器、中冷器等产品的研发过程中，性能检测起着至关重要的
作用。新产品从研发到使用过程中，必须通过各项性能检测，满足国家及行业的
标准，才能够应用到实际生产中去。产品生产过程中，也要定期做性能检测，以
确保产品合格，同时也可以将检测结果反馈给设计部门，用于产品研发和设计。
本试验台主要是检测油散热器、冷凝器、中冷器等的寿命试验和性能试验，
也称为耐高温压力脉冲试验。针对压力脉冲试验方法，试验设备、技术规范等，
国家标准和行业标准都提出了很多相关规定。
根据标准 QC/T468-1999（即原国家标准《汽车散热器技术条件》GB9421-88）
可知：散热器要检测的性能包括：密封性、散热性、抗振性、耐高温压力脉冲性
能、耐扭振性等
]4[
。
根据标准 JB10408-2004《内燃机、换热器可靠性试验方法》中规定：散热器
需进行压力脉冲试验，用于考核试件在受到交替变化的压力脉冲作用下的强度，
也就是疲劳寿命。
脉冲试验设备应包括以下部分：
（1）自动数据记录装置，自动采集并记录试验要求的各个参数；
（2）紧急情况下自动停机装置及安全保护装置；
（3）频率计、开关、指示灯和其他需要的电气元件；
（4）过滤器，去除系统工质中的杂质，避免工质内的杂质影响循环系统内其
他部件的正常工作；
（5）加热器和温度控制仪，给系统工质提供加热源，且工质温度值可控；
（6）压力循环计数器，记录试验运行次数；
（7）压力表或压力传感器等，采集回路中的压力值；
（8）循环泵或压缩机，为系统提供动力源；
（9）储油箱或稳压罐，储存所需的工质；
（10）温度传感器，采集系统温度值，作为控制变量之一
]5[
。
根据标准 JB/T 6726.2-93《内燃机冷凝式散热器 试验方法》中规定：冷凝器
需进行耐热压力脉冲性能试验，试验的相关要求：
（1）试验最高压力值为冷凝器公称压力的 1.5 倍;
第一章 绪论
3
（2）压力变化规律为：0表压—压力最高值—0表压；
（3）压力脉冲波形的时间参数分别为：压力在最高值时保压 2s，升压和降
压过程分别为 1s；
（4）工质温度范围：90±5℃；
（5）循环次数为：
4
103
次。
§1.3 简述该领域目前的国内外先进水平
系统工作时，如果瞬时流速变化较大，压力波的传递使得系统内附件的压力
波动峰值远大于额定值，出现强烈的压力撞击，这一现象称之为水锤（water
hammer）现象，或称为压力冲击，压力冲击可以导致系统管路断裂，附件失灵
]86[
。
散热器、中冷器、冷凝器等部件在车辆或者工程机械上面使用时，也存在压力冲
击现象。因而需要对其进行压力脉冲试验，了解产品的抗脉冲冲击性能。
压力脉冲试验研究方面美国开始的比较早。1950 年美国发布了 MIL-F-5506
规范，规定了飞机液压导管接头的脉冲试验要求；1960—1985 年三次更改 SEA
ARP603(E.F)《液压软管组件、导管及接头的脉冲试验》规范，对压力脉冲试验
的压力—时间曲线的形状做出了具体的规定，对有关的名词术语给出了明确的定
义。在 SEA AIR1228《标准脉冲机设备和操作》报告中，对标准液压脉冲试验台
的作用及系统原理、主要工作回路、关键部件、操作准则等做出了具体的规定
]9[
。
国内的压力脉冲试验技术研究起步较晚，直到上世纪八十年代末九十年代初，
西北工业大学在飞机液压系统压力脉冲试验方面做了一些探索，研制了压力脉冲
设备，主要是对动筒、蓄压气等附件进行压力脉冲试验。
压力脉冲试验早期主要是为了检测飞机液压系统而提出来的，后来逐渐扩充
到其他领域，如汽车业、机加工行业、化工、地质等等
]1210[
。压力脉冲试验台也
逐渐朝着自动化，智能化的方向发展
]1513[
。
近年来，随着计算机技术的发展，仿真技术得到迅速发展且逐渐在各个领域
中得到应用。压力脉冲试验也引入仿真技术，通过建模，模仿真实的使用环境，
将散热器、中冷器等导入模型中进行仿真，得出相应的性能参数值，找到设计不
合理之处进行改进，减少试验周期，降低成本
]1716[
。但是仿真不可能很全面的模
拟实际的使用环境，也无法给出在实际使用工况下，对设备使用寿命的影响。故
仿真结果仅能作为参考。在实际生产中，要将其与具体试验结合起来，才更具有
可信度。
散热器的寿命及性能指标是按照标准要求或用户要求，达到规定次数的压力
脉冲冲击才算合格。具体试验是通过压力脉冲试验台对所需试验的散热器施加的
压力脉冲试验台的设计与研究
4
压力脉冲来测定的。压力脉冲疲劳试验中压力随时间呈脉冲周期变化，试验通过
测定散热器从新产品到产品破坏之间，所承受的压力脉冲数和时间来反映产品的
寿命和性能的好坏。根据不同行业和不同用户的要求，压力脉冲波形有梯形波、
凸字波、正弦波和方波四种。图 1-1 为梯形波试验结果
]18[
。
以前标准没有规定对压力脉冲试验的低压应该达到 0表压。上世纪 90 年代，
卡特彼勒公司提出，对于低压侧压力应该归 0表压。相关标准中也规定检测时低
压侧的压力应达到 0表压。目前很多压力脉冲试验台理论上可使压力脉冲最小压
力值为 0表压，但实际应用中最小压力值达不到 0表压，被测试件内依然有压力，
图1-1 为低压时存在压力的脉冲波形图，这种脉冲冲击波将影响测试效果。
图1-1 梯形波试验结果
基于以上原因，要研发一台，能够达到 0表压的试验装置。具体参数：
（1）试验范围：适用的散热器类型有油散热器、中冷器等；
（2）试验介质：试验介质采用 15CD-40W 机油，夏季时机油粘度为 15 号，
冬季时机油的粘度为 40 号，为多级机油，适合从低温到高温的广泛区域，粘度值
随着温度的变化而变化，CD 表示柴油引擎用机油；
（3）试验压力：可以在 0.1～1.6MPa 范围内连续可调，精度：≤±0.5％F·
S；
（4）试验工质温度：试验工质温度可以在常温～160℃范围内连续可调，采
用电加热器为试验工质加热，加热功率为 30kW；
（5）控温精度：试验过程中温度的控制精度为±1℃；
（6）卸荷压力：卸荷压力要达到 0Pa（表压）；
（7）试验频率：试验频率在 0.60Hz～3.0Hz 之间可调，波形有梯形波、正弦
波和方波三种类型，可分别设定压力上升、保持及下降时间。
（8）操作界面：计算机可设定周期、温度、压力、次数，显示波形，自动生
成试验报告，达到设定次数时自动停机。
摘要：

e摘要散热器、冷凝器、中冷器等是车辆及工程机械等冷却系统中不可或缺的零部件，冷却系统的好坏直接影响发动机的散热效果及动力性能。随着车辆及工程机械等内部发动机转速和功率的不断提高，热负荷越来越大，对冷却系统的要求不断提高，同样对散热器、冷凝器、中冷器等的性能要求也在不断提高。在产品生产、研发过程中，散热器、冷凝器、中冷器等的性能检测起着至关重要的作用。测试的性能包括：密封性、散热性、抗振性、耐高温压力脉冲性能、耐扭振性等。压力脉冲试验台主要是检测散热器、冷凝器、中冷器等的耐高温压力脉冲性能，即疲劳寿命。试验时，被测试件受到高温脉冲波的冲击。系统自动记录试验运行次数，当试验运行次数达到设定值时，试...

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