通過(guò)對(duì)差壓法氣密性檢測(cè)的工作原理、工藝參數(shù)進(jìn)行分析，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，快速確定差壓法氣密性檢測(cè)的關(guān)鍵影響工藝參數(shù)，提高檢測(cè)效率及精度。

引言

　　排氣歧管做為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件，需要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓的密封條件，對(duì)性能有氣密性要求，如果出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，將會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、排放性能以及整機(jī)的噪聲，因此需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管進(jìn)行氣密性檢測(cè)。傳統(tǒng)的排氣歧管氣密性檢測(cè)方法是浸水法和涂抹法，隨著工業(yè)自動(dòng)化和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，浸水法和涂抹法正逐漸被淘汰，目前比較通行的氣密性檢測(cè)方法是差壓法氣密性檢測(cè)。在采用氣密性檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上，輔以定位、自動(dòng)密封、電氣控制、液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成試漏機(jī)，實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)線上批量生產(chǎn)對(duì)零件氣密性進(jìn)行智能檢測(cè)的需求。為了滿足整個(gè)生產(chǎn)線的節(jié)拍要求，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為氣密性檢測(cè)工藝參數(shù)的確定是檢測(cè)效率及精度的關(guān)鍵影響因素。

　　本文通過(guò)對(duì)差壓法氣密性檢測(cè)工作原理、工藝參數(shù)進(jìn)行分析，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可以快速確定差壓法氣密性檢測(cè)的關(guān)鍵影響工藝參數(shù)，提高檢測(cè)效率及精度。

1、差壓法氣密性檢測(cè)原理

　　差壓法氣密性檢測(cè)是利用氣體流量公式通過(guò)測(cè)量容器內(nèi)壓力的變化來(lái)計(jì)算泄漏量的檢測(cè)方法。密閉的容器由于泄漏，必然造成容器內(nèi)氣體質(zhì)量的流失，使得容器內(nèi)原有的壓力減低，因此可以通過(guò)測(cè)量容器內(nèi)氣體壓力降低的數(shù)值計(jì)算出實(shí)際容器泄漏的氣體量。其工作原理見圖1。

圖1 差壓法氣密性檢測(cè)原理

　　差壓法氣密性檢測(cè)的工作循環(huán)包括4 個(gè)過(guò)程，即充氣過(guò)程、平衡過(guò)程、檢測(cè)過(guò)程和排氣過(guò)程。

　　(1)充氣過(guò)程：將系統(tǒng)壓力調(diào)定到測(cè)試壓力，打開充氣閥、測(cè)漏閥，標(biāo)準(zhǔn)容器和被測(cè)工件充入壓力等于測(cè)試壓力的壓縮空氣，由于氣體流動(dòng)的影響，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部壓力、溫度都會(huì)波動(dòng)，必須持續(xù)充氣直至標(biāo)準(zhǔn)容器、被測(cè)工件充氣完全。

　　(2)平衡過(guò)程：關(guān)閉充氣閥、測(cè)漏閥，截?cái)鄽庠磁c標(biāo)準(zhǔn)容器、被測(cè)工件的通路，由于充氣及關(guān)閉閥的動(dòng)作會(huì)引起容器內(nèi)氣體壓力的脈動(dòng)，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)容器與被測(cè)工件間的差壓不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的變化，必須延遲一段時(shí)間，待差壓值穩(wěn)定后才能測(cè)量差壓變化。

　　(3)檢測(cè)過(guò)程：檢測(cè)差壓傳感器的輸出，由于泄漏產(chǎn)生的壓力降在測(cè)試壓力附近近似的與時(shí)間成正比，因此可以測(cè)量出在一定時(shí)間內(nèi)差壓的變化值。

　　(4)排氣過(guò)程：待測(cè)量完差壓的變化值，標(biāo)準(zhǔn)容器、被測(cè)工件內(nèi)的剩余氣體通過(guò)氣閥排到大氣里，結(jié)束一個(gè)檢測(cè)過(guò)程。

　　標(biāo)準(zhǔn)容器和被測(cè)工件的壓差值在檢測(cè)階段基本上呈線性關(guān)系，由此可推導(dǎo)出氣體泄漏量的計(jì)算公式：

　　式中QL———氣體泄漏流量，mL/s;Δp———差壓變化量，Pa;pa———大氣壓力，Pa;t———產(chǎn)生差壓Δp 相對(duì)應(yīng)的測(cè)試時(shí)間，s;ΔV/Δp———差壓傳感器系數(shù)，取1.36×10-7mL / Pa;VR———標(biāo)準(zhǔn)容器容積，mL;VT———被測(cè)工件容積，mL;pt———測(cè)試壓力，Pa。

2、差壓法氣密性檢測(cè)工藝參數(shù)

　　2.1、泄漏率

　　工件的泄漏率實(shí)際上就是工件的允許泄漏量。工件的泄漏率取決工件的材料、結(jié)構(gòu)及實(shí)際工況條件。排氣歧管的泄漏率標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部門根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能而確定的。在實(shí)際生產(chǎn)中，從經(jīng)濟(jì)角度考慮確定泄漏率是很關(guān)鍵的，檢測(cè)應(yīng)該是在必要條件下盡可能精確，而不是越精確越好。

　　2.2、測(cè)試壓力

　　通常泄漏率都要參考給定的測(cè)試壓力，而測(cè)試壓力都是參照工件實(shí)際工況條件確定的。被測(cè)工件疏松度高(如鑄造縮松、裂紋)，泄漏率正比于測(cè)試壓力;疏松度低，泄漏率與測(cè)試壓力的比值變小。另外隨著測(cè)試壓力的增高，還會(huì)帶來(lái)諸如溫度影響，所需平衡時(shí)間需要加長(zhǎng)。因此，如果工況壓力較大可以換算到低壓狀態(tài)的泄漏率，同時(shí)可在一定壓力范圍內(nèi)進(jìn)行泄漏檢測(cè)，然后選擇一個(gè)滿足測(cè)試要求的較低的壓力確定為最終的測(cè)試壓力。

　　2.3、溫度

　　對(duì)于密閉容器內(nèi)的氣體，當(dāng)溫度升高時(shí)其內(nèi)部的壓力隨之升高，因而溫度是影響壓力變化的重要因素。

　　環(huán)境溫度的變化以及工件的材料、幾何形狀、內(nèi)腔容積、表面積等都會(huì)成為影響溫度效應(yīng)的因素。采用差壓法測(cè)量時(shí)，當(dāng)采用的標(biāo)準(zhǔn)容器與測(cè)量工件具有相同的幾何形狀及內(nèi)腔容積時(shí)，由充氣本身引起溫度變化效應(yīng)可被測(cè)試系統(tǒng)自身消除。在通常的測(cè)量條件下由于測(cè)試時(shí)間較短溫度的影響不會(huì)十分顯著。

　　2.4、充氣時(shí)間

　　充氣時(shí)壓縮空氣由受壓狀態(tài)進(jìn)入一個(gè)密閉容器后，會(huì)引起系列的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)變化，其壓力會(huì)發(fā)生降低，標(biāo)準(zhǔn)容器與被測(cè)工件內(nèi)的壓力會(huì)存在顯著的差異，當(dāng)充氣壓力或測(cè)試容積增加時(shí)，這種充氣引起的壓力變化會(huì)更加明顯。若此時(shí)進(jìn)行測(cè)量，則這種壓力的變化會(huì)被視作泄漏所引起的壓力變化，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)保持足夠的充氣時(shí)間，以保證標(biāo)準(zhǔn)容器與被測(cè)工件內(nèi)的壓力大致平衡。

　　2.5、平衡時(shí)間

　　由于沖氣效應(yīng)的存在，在充氣與檢測(cè)之間增加一段平衡時(shí)間是必要的，平衡時(shí)間的長(zhǎng)短需要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象來(lái)確定。

　　2.6、檢測(cè)時(shí)間

　　由于泄漏產(chǎn)生的壓力降在測(cè)試壓力附近近似的與時(shí)間成正比，可以測(cè)量出在一定時(shí)間內(nèi)差壓的變化值，進(jìn)而計(jì)算泄漏量的大小。理論上測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，越有助于獲得準(zhǔn)確的測(cè)試精度，但這與生產(chǎn)線的實(shí)際需求是矛盾的，同時(shí)檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，壓力降過(guò)大，壓力降與時(shí)間的比例會(huì)變化，檢測(cè)精度反而會(huì)降低。當(dāng)工件的測(cè)試壓力較高、測(cè)試容積較大、泄漏率較小時(shí)，需要延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，以保證工測(cè)試的精度。

　　2.7、其他影響因素

　　(1)工件容積，對(duì)于一個(gè)特定工件(泄漏率一定)，若工件容積越大，則相應(yīng)的壓力降低的速度就越低，測(cè)量時(shí)間就需要相應(yīng)增加，所以為保證測(cè)量的靈敏度，就要設(shè)法減少工件的容積。

　　(2)試漏機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為保證測(cè)試精度，氣密性測(cè)試對(duì)試漏機(jī)的密封元件的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)、工件定位夾緊等方面都有一定的要求，如：密封元件應(yīng)沒有彈性蠕變，耐油耐壓;密封夾具必須提供適當(dāng)?shù)膲毫��?lái)封堵被測(cè)工件，夾緊力應(yīng)該是測(cè)試壓力的3倍; 零件的封堵在測(cè)量過(guò)程中必須保證其位置不發(fā)生改變;夾具支撐框架的強(qiáng)度要足以支撐此壓力，而且各封堵氣缸應(yīng)有可靠的導(dǎo)向，確保封堵位置的準(zhǔn)確;試漏機(jī)的封堵元件盡量不要作用在零件的非支撐結(jié)構(gòu)上，如果必須則需充分考慮是否可能會(huì)對(duì)被測(cè)工件造成損壞或產(chǎn)生新的泄漏點(diǎn)等。

3、正交法確定氣密性檢測(cè)工藝參數(shù)

　　由上所知，泄漏率和測(cè)試壓力由設(shè)計(jì)部門確定，環(huán)境溫度在一定的時(shí)間段內(nèi)波動(dòng)范圍不大，與測(cè)試效率和精度相關(guān)的關(guān)鍵工藝參數(shù)主要是充氣時(shí)間、平衡時(shí)間和檢測(cè)時(shí)間，那么可以通過(guò)正交試驗(yàn)快速確定差壓法氣密性檢測(cè)的關(guān)鍵影響工藝參數(shù)，提高檢測(cè)效率及精度，下面舉例說(shuō)明確定方法。

　　試驗(yàn)工件采用某型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的標(biāo)準(zhǔn)泄漏極限樣件，工件容積415mL。試驗(yàn)用試漏機(jī)由無(wú)錫木源機(jī)械有限公司生產(chǎn)(見圖2)，氣密性檢測(cè)儀采用法國(guó)ATEQ F520，試驗(yàn)壓力0.32bar，測(cè)試環(huán)境溫度13℃。

圖2 試漏機(jī)及氣密性檢測(cè)儀

　　試驗(yàn)采用L9(34)正交設(shè)計(jì)，為充氣時(shí)間、平衡時(shí)間、檢測(cè)時(shí)間三因子三水平試驗(yàn)，因子水平見表1。測(cè)試過(guò)程中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)泄漏極限樣件在每個(gè)試驗(yàn)條件下重復(fù)測(cè)試6 次(包括樣件的安裝)，計(jì)算每個(gè)試驗(yàn)條件下測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)判斷試驗(yàn)的穩(wěn)定性，進(jìn)而判斷工藝參數(shù)的穩(wěn)定性與合理性，泄漏量極差作為分析的參考數(shù)據(jù)。為避免系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)次序隨機(jī)處理。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

　　在直觀分析計(jì)算表(見表3)中，各均值是各因子三個(gè)水平泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差的均值，通過(guò)比較三個(gè)均值的大小，可以比較各因子水平的好壞。從表3 中可以看出，充氣時(shí)間(因子A)的水平2 最好，因?yàn)樾孤┝繕?biāo)準(zhǔn)差均值最小，同理，平衡時(shí)間(因子B)取水平2 好，檢測(cè)時(shí)間(因子C)取水平2 好，綜上可知測(cè)試穩(wěn)定性最好的試驗(yàn)條件A2B2C2，即充氣時(shí)間10s，平衡時(shí)間20s，檢測(cè)時(shí)間10s。

表1 因子水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表

表3 中的極差表示各因子不同水平對(duì)應(yīng)的泄漏量

　　標(biāo)準(zhǔn)差均值的最大值與最小值的差，反映了該因子對(duì)泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差的影響的大小。從三個(gè)因子的極差可知檢測(cè)時(shí)間因子的影響最大，其次是平衡時(shí)間因子，而充氣時(shí)間因子影響最小。

　　為直觀起見，將各因子不同水平下的泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差的均值畫成圖3，由圖中我們可以直觀的得到上面的結(jié)果。為驗(yàn)證正交試驗(yàn)的可靠性，對(duì)測(cè)試穩(wěn)定性最好的條件即A2B2C2 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表4，從表中我們可以看到試驗(yàn)結(jié)果是令人滿意的。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表

圖3 因子各水平對(duì)泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差的影響

　　需要說(shuō)明的是： ①在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中各因子水平值應(yīng)當(dāng)根據(jù)工件的測(cè)試壓力、檢測(cè)容積等因素的變化進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;②由于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)條件的波動(dòng)，特別是氣源壓力的波動(dòng)，試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)要剔除處理。③從表2 中我們可以看到測(cè)試條件A1B2C2、A2B2C3、A2B3C1、A3B3C2的試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)都是比較好的，此時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果要根據(jù)檢測(cè)的精度及效率的要求進(jìn)行取舍，或者加大試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　差壓法氣密性檢測(cè)具有檢測(cè)靈敏、精度高、受溫度影響等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化，大大縮短了檢測(cè)周期，在工業(yè)生產(chǎn)得到了廣泛應(yīng)用。氣密性檢測(cè)工藝參數(shù)的確定是檢測(cè)效率及精度的關(guān)鍵影響因素，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可以快速確定差壓法氣密性檢測(cè)關(guān)鍵影響工藝參數(shù)，提高檢測(cè)精度及效率。