宣立明，劉乾，徐彪，孫書(shū)強(qiáng)

（213022 江蘇省 常州市 常州星宇車燈股份有限公司）

0 引言

汽車車燈作為汽車必不可少的組成部分，其質(zhì)量與行車安全密切相關(guān)。目前在車燈生產(chǎn)中因車燈結(jié)構(gòu)、材料、裝備等因素影響，造成存在泄漏缺陷，導(dǎo)致腔體內(nèi)氣密性不足。如果車燈氣密性不達(dá)標(biāo)，會(huì)造成水汽入侵、燈內(nèi)積水、罩內(nèi)壓力變化等質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)而降低車燈照明效果、使用壽命以及觀賞性[1-2]。對(duì)成品的質(zhì)量檢測(cè)必須包含氣密性檢測(cè)項(xiàng)目。常用的檢測(cè)方法包括成分分析法、光學(xué)檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法和氣壓檢測(cè)法等等[3-4]。趙亮[5]等人提出了一種氣體成分分析法對(duì)汽車燈具氣密性進(jìn)行檢測(cè)，表明該方法用于車燈檢測(cè)是可行的；麥宙培[6]等人為提高車燈氣密檢測(cè)效率，研究并開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)監(jiān)測(cè)的正壓式氣密檢測(cè)設(shè)備。實(shí)踐結(jié)果表明，系統(tǒng)中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制器具有很好的經(jīng)濟(jì)效益；朱得忠[7]等人選用二氧化碳作為示蹤氣體，開(kāi)發(fā)了3 種測(cè)量車燈氣密性的方法和設(shè)備，并能夠確定泄露出現(xiàn)的位置和大小，解決了制造和裝配中出現(xiàn)的問(wèn)題。Kawashima K[8]等人為實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)設(shè)備的精確控制，采用壓差法進(jìn)行測(cè)量，提出了傳感器的設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了壓差傳感器進(jìn)行氣密檢測(cè)的應(yīng)用前景。

本文選用檢測(cè)靈敏度高、適應(yīng)性較廣的差壓式氣密檢測(cè)法，并根據(jù)實(shí)際汽車車燈差壓氣密檢測(cè)系統(tǒng)中的氣動(dòng)回路、工藝參數(shù)等構(gòu)建仿真模型，并且使用氣密檢漏儀對(duì)車燈泄露量進(jìn)行采集。將仿真模型與實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證，對(duì)車燈氣密檢測(cè)過(guò)程中的影響因素進(jìn)行分析，旨在優(yōu)化檢測(cè)環(huán)境、調(diào)節(jié)生產(chǎn)管理，提升企業(yè)生產(chǎn)利益。

1 車燈差壓式氣密檢測(cè)

1.1 差壓式檢測(cè)基本原理

差壓式檢測(cè)的基本工作原理是使用無(wú)泄漏的標(biāo)準(zhǔn)品，同時(shí)給需要檢測(cè)的測(cè)試品和標(biāo)準(zhǔn)品施加壓力空氣，然后通過(guò)高感度的差壓傳感器測(cè)量出測(cè)試品與標(biāo)準(zhǔn)品內(nèi)的壓力之差，從而判斷測(cè)試品是否存在泄漏問(wèn)題[9]，其工作原理如圖1 所示。

圖1 差壓式檢測(cè)原理Fig.1 Principle of differential pressure detection

差壓式氣密檢測(cè)根據(jù)空氣測(cè)漏儀的動(dòng)作大致分為5 個(gè)行程：（1）啟動(dòng)：測(cè)試品加緊密封后輸入啟動(dòng)信號(hào)；（2）加壓行程：給測(cè)試品和標(biāo)準(zhǔn)品同時(shí)施加壓力的行程，腔體內(nèi)部壓力需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才會(huì)穩(wěn)定下來(lái)；（3）平衡行程：關(guān)閉測(cè)漏儀內(nèi)部氣動(dòng)閥使泄露檢測(cè)部形成密閉回路以后，測(cè)試出兩者之間的差壓值。該行程不僅穩(wěn)定關(guān)閉氣動(dòng)閥后的壓力，同時(shí)也是測(cè)出大泄露的行程；（4）檢出行程：測(cè)出小泄露；（5）排氣、結(jié)束：輸出合格與否的判斷信號(hào)。在吹氣清潔泄漏儀內(nèi)的空氣的同時(shí)，排出測(cè)試品內(nèi)的氣體。

1.2 差壓式氣密檢測(cè)模型建立

為了車燈氣密性檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)與性能提升，差壓式氣密檢測(cè)數(shù)學(xué)模型以氣體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行推導(dǎo)。如圖2 所示，在進(jìn)行檢漏測(cè)試前，同時(shí)向標(biāo)準(zhǔn)品（無(wú)泄漏）和測(cè)試品中同時(shí)充入等量壓力氣體，停止充氣后兩者間形成密閉回路，由于兩容器參數(shù)相同，在同一外界壓力下，若測(cè)試品有泄露會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部壓力下降，密閉回路間出現(xiàn)壓差，從而通過(guò)壓差變化計(jì)算出泄露量。

圖2 差壓式檢測(cè)模型Fig.2 Differential pressure detection model

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，標(biāo)準(zhǔn)品和測(cè)試品內(nèi)腔體分別為

式中：P——腔體內(nèi)壓力，Pa；θ——腔體內(nèi)溫度，K；V——腔體容積，m3；R——?dú)怏w常數(shù)，取287 J/kg·K；G——?dú)怏w質(zhì)量流量[10]，kg/s；CV——定容熱容，取718 J/kg·K；θa——環(huán)境溫度，K；h——熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/m2·K；Sh——熱交換面積，m2。

在標(biāo)準(zhǔn)品和測(cè)試品充氣過(guò)程中，由于流入內(nèi)腔的氣體流量遠(yuǎn)大于泄漏量，故此階段泄露量可忽略不計(jì)，所以兩者之間的壓力和溫度差可以表示為

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)品與測(cè)試品內(nèi)腔空氣壓力達(dá)到檢測(cè)壓力值時(shí)停止充氣，此時(shí)密閉回路間達(dá)到平衡狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)品與測(cè)試品內(nèi)腔氣體壓力變化受溫度影響，故兩者之間壓力差和溫度差可以表示為

通過(guò)求解以上方程，可得出檢測(cè)品和標(biāo)準(zhǔn)品內(nèi)腔氣體在差壓式檢測(cè)過(guò)程中的壓力差和溫度差的變化。

1.3 差壓檢測(cè)過(guò)程仿真模型

根據(jù)車燈工廠實(shí)際檢測(cè)環(huán)境設(shè)定仿真參數(shù)，如表1 所示。

表1 氣密檢測(cè)仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of air tightness test

在充氣階段，測(cè)試品和標(biāo)準(zhǔn)品間壓力差和溫度差的數(shù)學(xué)模型為

在測(cè)試階段，測(cè)試品存在有效泄露面積為1×10-4mm2的泄露孔時(shí)，兩者之間的壓差和溫差數(shù)學(xué)模型為

根據(jù)上述理論推導(dǎo)，建立了差壓式氣密檢測(cè)的Simulink 仿真模型，其整體框架如圖3 所示?？梢酝ㄟ^(guò)此模型設(shè)置不同的基本參數(shù)進(jìn)行仿真對(duì)比，得到腔體內(nèi)氣密檢測(cè)基本參數(shù)對(duì)不同變量之間的影響。仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際車燈腔體差壓式氣密檢測(cè)有指導(dǎo)意義，并能夠提高生產(chǎn)效率。

圖3 差壓氣密檢測(cè)法仿真程序Fig.3 Simulation program of differential pressure air tightness detection method

1.4 車燈差壓式氣密檢測(cè)試驗(yàn)

圖4 所示為某型號(hào)汽車車燈差壓式氣密檢工作臺(tái)及檢測(cè)車燈，此系統(tǒng)是一套自動(dòng)智能檢測(cè)設(shè)備，其整體包含了氣/液壓傳動(dòng)、機(jī)電一體化及信號(hào)處理等多種功能。根據(jù)差壓檢測(cè)原理，其內(nèi)壓差檢測(cè)系統(tǒng)基本空氣回路如5 所示。

圖4 汽車車燈差壓式氣密檢測(cè)臺(tái)及測(cè)試車燈Fig.4 Differential pressure air tightness test bench for automobile lamp and test lamp

圖5 汽車車燈差壓式氣密檢測(cè)基本空氣回路Fig.5 Basic air circuit of differential pressure air tightness detection for automobile lamp

本工作臺(tái)用于對(duì)汽車車燈腔體進(jìn)行泄露檢測(cè)。在程序運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)將檢測(cè)到差壓信號(hào)與車間的質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)區(qū)分開(kāi)質(zhì)量合格的車燈與質(zhì)量不合格的車燈，最后將不合格的車燈進(jìn)行標(biāo)記和淘汰，整個(gè)過(guò)程的檢測(cè)信號(hào)都會(huì)被儲(chǔ)存到系統(tǒng)中。

2 結(jié)果及分析

2.1 泄露面積對(duì)差壓的影響

本文中，車燈型號(hào)的差壓檢測(cè)過(guò)程為：首先車燈腔體內(nèi)充氣加壓10 s，然后檢測(cè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)8 s，最后檢測(cè)時(shí)間3 s。對(duì)此車燈的氣密性合格的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為檢測(cè)3 s 內(nèi)泄漏量不超過(guò)30 Pa 即為合格。圖6 是取有效泄露面積A 為5×10-5mm2和1×10-5mm2時(shí)差壓隨時(shí)間變化曲線圖。從圖6 可以看出，仿真模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果相符，誤差范圍符合標(biāo)準(zhǔn)，表明隨腔體泄露面積增加，壓差會(huì)有明顯變化。

圖6 不同泄露面積的差壓變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trend of differential pressure with different leakage area

2.2 腔體容積對(duì)差壓和溫度的影響

在保持差壓式檢測(cè)仿真模型中的其他參數(shù)不變的情況下，更改腔體容積參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)品350 ml和檢測(cè)品330 ml 進(jìn)行計(jì)算求解，壓差和溫度差結(jié)果分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 腔體容積不同的壓差變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of pressure difference with different cavity volume

圖8 腔體容積不同的溫度差變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trend of temperature difference with different cavity volume

結(jié)果表明，前3 s 過(guò)程中，兩腔體內(nèi)壓力和溫度都產(chǎn)生了劇烈震蕩，隨后快速趨于穩(wěn)定；在充氣結(jié)束的第10 s 時(shí)，壓差和溫差驟然降低，閉合回路穩(wěn)定時(shí)壓差約為190 Pa、溫差約為0.14 K。

2.3 充氣時(shí)間對(duì)壓差的影響

在保持上述仿真參數(shù)不變的情況下，進(jìn)一步更新充氣時(shí)間為8 s 進(jìn)行求解計(jì)算，與充氣時(shí)間10 s 的差壓變化進(jìn)行對(duì)比，其放大波形分別如圖9 和圖10 所示。結(jié)果表明，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)品和檢測(cè)品腔體容積不同，差壓檢測(cè)過(guò)程充氣時(shí)間越長(zhǎng)差壓越大，且充氣結(jié)束時(shí)差壓波動(dòng)越小。

圖9 充氣時(shí)間8 s 時(shí)差壓變化趨勢(shì)Fig.9 Variation trend of time difference pressure in 8 s inflation time

圖10 充氣時(shí)間10 s 時(shí)差壓變化趨勢(shì)Fig.10 Variation trend of time difference pressure in 10 s inflation time

2.4 腔體內(nèi)溫度對(duì)壓差的影響

由于車燈并非是絕對(duì)的密閉容器，故仿真模型根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正后，在保持差壓式檢測(cè)仿真模型中其他參數(shù)不變的情況下，將檢測(cè)品腔體內(nèi)溫度設(shè)為變量，求解平衡階段時(shí)溫度改變對(duì)壓差的影響，結(jié)果如圖11 所示。結(jié)果表明，車燈內(nèi)腔溫度上升會(huì)導(dǎo)致腔內(nèi)氣體膨脹，使壓差成正比例增加。

圖11 腔體內(nèi)溫度改變的差壓的變化趨勢(shì)Fig.11 Variation trend of differential pressure with temperature change in the chamber

3 結(jié)論

本文以氣體狀態(tài)方程為理論基礎(chǔ)建立汽車車燈差壓檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型，然后以此構(gòu)建Simulink仿真模型考察車燈泄露量、腔體體積以及溫度等影響因素與差壓之間的關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：在一定時(shí)間內(nèi)，隨車燈腔體效泄露面積增加，壓差變化加快；在充氣階段的前4 s，腔體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生劇烈的震蕩，隨充氣時(shí)間增加而快速趨于穩(wěn)定；壓差檢測(cè)法中若兩腔體容積不同，隨充氣時(shí)間增加，差壓隨之增加；檢測(cè)過(guò)程中，若腔體內(nèi)溫度增加，差壓同樣隨之增加。