許冀陽 李松峰

（1-陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院 陜西 咸陽 712000 2-長安大學(xué)汽車學(xué)院）

引言

電子輔助水泵作為一種新型的冷卻系統(tǒng)水泵，廣泛應(yīng)用于渦輪增壓發(fā)動機，有效解決了渦輪增壓器在發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)后的散熱問題。當(dāng)發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)后，渦輪增壓器溫度仍較高，ECU 控制電子輔助水泵繼續(xù)工作，使發(fā)動機冷卻液不斷流動，減少熱負(fù)荷，有效解決了發(fā)動機熄火后渦輪增壓器因過熱而導(dǎo)致的故障隱患[1-2]。由于水泵生產(chǎn)企業(yè)制造工藝水平的不穩(wěn)定，導(dǎo)致水泵新產(chǎn)品的質(zhì)量水平和性能指標(biāo)存在差異，故需對水泵進行相關(guān)性能測試，通過對流量、功率、揚程和效率等參數(shù)的檢測來判斷其性能的優(yōu)劣[3-4]。這些參數(shù)相互之間存在著相對應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)流量與轉(zhuǎn)速變化時，會引起其他參數(shù)變化[5]。利用水泵性能測試試驗，獲得不同運行工況下的參數(shù)指標(biāo)，并通過關(guān)系式計算，得到水泵各性能參數(shù)之間的變化關(guān)系[6]。因此，有必要對電子輔助水泵新產(chǎn)品進行檢測試驗及性能參數(shù)數(shù)據(jù)采集[7]。

美、日、歐等國家和地區(qū)在水泵性能檢測方面的研究較早，已開發(fā)出相當(dāng)成熟的檢測系統(tǒng)，尤其是通過計算機輔助實現(xiàn)了高自動化檢測。如德國的KSB公司和美國的TecQuipmentInc 公司都采用了以計算機為核心的自動化數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)。但該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析處理方面略顯不足，同時檢測效率不高[8]。由于計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破，水泵測試技術(shù)正朝著高自動化、多功能化方向發(fā)展。武漢理工大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院、江蘇大學(xué)等單位經(jīng)過長期研究，開發(fā)出了各具特色的水泵性能參數(shù)測試系統(tǒng)，引領(lǐng)了國內(nèi)水泵檢測系統(tǒng)的發(fā)展方向。但檢測精度較低，檢測系統(tǒng)價格較高，同時大多測試系統(tǒng)檢測儀器多，控制軟件界面不夠友好[9-10]。針對上述問題，根據(jù)QC/T 288.2-2001《汽車發(fā)動機冷卻水泵試驗方法》[11]，基于labVIEW 2014 虛擬儀器平臺，結(jié)合傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)，開發(fā)了一款適合生產(chǎn)環(huán)境、快速、穩(wěn)定、通用的電子輔助水泵檢測系統(tǒng)，檢測水泵的參數(shù),判斷其性能是否滿足發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的要求。

1 方案總體設(shè)計

1.1 水泵檢測系統(tǒng)性能試驗

根據(jù)QC/T 288.2-2001 規(guī)定的水泵性能試驗要求，測試試驗中，控制電子輔助水泵工作在某一固定轉(zhuǎn)速，改變調(diào)節(jié)閥開度大小，調(diào)整水泵流量，并保持測試系統(tǒng)穩(wěn)定運行，檢測電子輔助水泵的運行參數(shù)。本文中，主要檢測電子輔助水泵的性能。表征電子輔助水泵性能的參數(shù)有功率、效率、流量和揚程，由于電子輔助水泵在殼體內(nèi)高度集成了葉輪、內(nèi)部腔室和控制電機，故水泵功率無法通過直接測量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩再進行計算的方式得到，而是通過檢測輸入水泵的電流和電壓來測量輸入功率。水泵揚程與流量、功率有直接關(guān)系，與進出口的壓力差成正比，計算公式如下。

式中：pout、pin分別為水泵的進出口壓力，Pa；ΔH 為進出口端面高度差，m；ρ 為液體密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

因此，在電子輔助水泵性能測試中，主要對轉(zhuǎn)速、流量、進出口壓差、水泵輸入電壓和電流等參數(shù)進行測量。

1.2 水泵檢測系統(tǒng)的主要功能

本文基于LabVIEW 開發(fā)的電子輔助水泵檢測系統(tǒng)，保證檢測系統(tǒng)處在穩(wěn)定的狀態(tài)下，水泵轉(zhuǎn)速一定時，測量揚程、功率和效率隨流量的變化關(guān)系。通過改變閥門開度的大小，實現(xiàn)對流量的穩(wěn)定控制，保證流量穩(wěn)定流動，采集電子輔助水泵試驗數(shù)據(jù)，生成性能曲線圖。

本文開發(fā)的電子輔助水泵測試系統(tǒng)主要有以下功能：

1）對冷卻系統(tǒng)的電子輔助水泵進行性能測試；

2）實時讀取被檢測水泵的流量、進出口壓差、功率等運行參數(shù)；

3）電子輔助水泵的運行參數(shù)和對應(yīng)的性能參數(shù)可自動保存；

4）可實現(xiàn)最多4 種功能的自動檢測，包括特征點檢測、性能曲線檢測、調(diào)速檢測以及過電壓檢測；

5）設(shè)置后，可適用于不同型號的輔助冷卻液泵的檢測；

6）可對檢測的歷史數(shù)據(jù)進行查詢。

1.3 水泵檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

該檢測系統(tǒng)以工控機為平臺，包括信號檢測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、控制裝置及試驗臺架等。整個檢測系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、控制電路、電動比例閥、流量計、壓差計、水路系統(tǒng)等相關(guān)部件組成，對電子輔助水泵的相關(guān)性能參數(shù)進行采集和處理。該檢測系統(tǒng)試驗臺架的布置如圖1 所示。

圖1 水泵檢測系統(tǒng)試驗臺架布置圖

2 測試原理

2.1 檢測系統(tǒng)的檢測參數(shù)

本文主要開展水泵性能試驗，即檢測水泵在給定轉(zhuǎn)速、不同流量下的運行參數(shù)。試驗中，直接測量的參數(shù)有轉(zhuǎn)速、流量、進出口壓差、水泵輸入電壓和電流，通過軟件分析和計算得到揚程（H）、功率（P）、效率（η）等性能參數(shù)，生成水泵Q-H（流量-揚程）、Q-P（流量-功率）、Q-η（流量-效率）等性能曲線，從而判斷電子輔助水泵是否達到出廠標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 檢測系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集

水泵檢測系統(tǒng)由傳感器、多功能數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成，如圖2 所示。

圖2 水泵檢測系統(tǒng)信號采集和控制框圖

各種傳感器對水泵性能參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和信號處理，轉(zhuǎn)化為能夠識別的電信號送至數(shù)據(jù)采集卡，再通過USB 端口輸入計算機，實現(xiàn)對電子輔助水泵進出口壓差、流量、轉(zhuǎn)速、電壓和電流等參數(shù)的測量，并完成數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理，最終經(jīng)過計算得出揚程、功率和效率等性能參數(shù)。檢測系統(tǒng)中使用的傳感器主要有：流量傳感器、進出口壓差傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器等。傳感器選型為：流量檢測選用LWGY 系列流量計，量程為10～100 L/min；壓差傳感器選用T20C 壓力變送器，量程為0～100 kPa；電流檢測選用ACS712 電流傳感器，量程為-5～5 A。

2.3 水泵檢測系統(tǒng)工作原理

在開展水泵性能檢測試驗時，應(yīng)先設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍和流量測試點的個數(shù)。轉(zhuǎn)速范圍選取為40%～120%水泵額定轉(zhuǎn)速，均勻間隔選取4 種或4 種以上不同轉(zhuǎn)速進行檢測試驗。水泵在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下運行時，通過計算機控制電動比例閥全開，逐步調(diào)節(jié)流量從最大值到最小值，均勻選取8 個以上檢測流量點，待流量穩(wěn)定后，讀取檢測儀器在各選取流量點的參數(shù)，如流量大小、電子輔助水泵輸入電流和電壓以及進出口壓差，并結(jié)合計算軟件分析和計算，得出水泵性能參數(shù)，繪制出設(shè)定各轉(zhuǎn)速下的Q-H、Q-P、Q-η性能曲線。

3 軟件設(shè)計

3.1 水泵檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本次開發(fā)設(shè)計的電子輔助水泵性能檢測系統(tǒng)中，采用了美國NI 公司的專用圖形化編程語言LabVIEW[12]。該軟件平臺使用可視化界面，采用圖形化數(shù)據(jù)流式編程語言，通過數(shù)據(jù)線將各種功能模塊的圖標(biāo)連線，進行語言程序開發(fā)[13-14]。它開發(fā)周期短，編程效率高，特別適用于數(shù)據(jù)采集、信號分析處理軟件設(shè)計和虛擬儀器開發(fā)。該LabVIEW 測試軟件界面友好直觀，可提高檢測效率。

3.2 檢測系統(tǒng)軟件主要界面

軟件主要界面如圖3 所示。A 區(qū)為電動比例閥狀態(tài)指示燈，顯示電動比例閥的工作狀態(tài)，分為閃爍、常亮以及常暗3 種狀態(tài)；B 區(qū)為數(shù)據(jù)顯示區(qū)，實時顯示各測量值；C 區(qū)為功能選擇區(qū)，可選擇需要進行的檢測項目；D 區(qū)為功能顯示區(qū)，選擇功能后，此區(qū)域?qū)⑻D(zhuǎn)至對應(yīng)的工作頁面，默認(rèn)頁面為特征點檢測；E 區(qū)為檢測控制區(qū)。

圖3 檢測系統(tǒng)控制界面

3.3 軟件模塊化設(shè)計程序

該檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主程序調(diào)用方便、邏輯清晰，每個功能獨立的模塊作為一個子程序。根據(jù)該檢測系統(tǒng)的各項功能需求，由流量控制、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)存儲、曲線擬合以及結(jié)果查詢等5 個子程序組成控制主程序，在水泵性能檢測試驗中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速達到測試目標(biāo)，控制電動比例閥，使閥門全開，設(shè)定8 個流量穩(wěn)定等分檢測點。通過控制電動比例閥，實現(xiàn)閉環(huán)PID 控制流量。同時，利用相關(guān)傳感器不斷采集水泵流量、進出口壓差、輸入電流和電壓，然后計算出水泵揚程、功率和效率。

4 試驗驗證與分析

為驗證所開發(fā)的電子輔助水泵檢測系統(tǒng)的檢測精度和可靠性，搭建了檢測試驗臺，如圖4 所示。

圖4 電子輔助水泵檢測系統(tǒng)試驗臺

性能試驗中，將電子輔助水泵的轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 700 r/min，根據(jù)水泵流量范圍，控制電動比例閥，調(diào)節(jié)流量大小，選取8 個點進行試驗，測量電子輔助水泵在不同流量點的輸入功率、輸出功率和進出口壓差，系統(tǒng)自動生成功率、進出口壓差隨流量變化的關(guān)系曲線，如圖5 所示。

圖5 性能曲線檢測

5 結(jié)論

本次開發(fā)設(shè)計的水泵檢測系統(tǒng)是集傳感器、自動化控制、計算機與測試技術(shù)于一體的智能檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)成熟可靠、穩(wěn)定性好、精度高、抗電磁干擾能力強。同時，操作界面友好、操作簡單、數(shù)據(jù)顯示直觀，可以在計算機控制下自動完成性能參數(shù)曲線的繪制，水泵檢測效率大幅提升。