（机械工程专业论文）缸体水路、油路泄漏检测系统研究.pdf

哈尔滨：1 ：程大学硕士学位论文 摘要 在日常生活及工程实际中，泄漏现象屡见不鲜。生产设备的泄漏会造 成多方面的危害。设备中工作介质泄漏，会造成物料浪费，有时可能污染 环境。易燃、易爆、剧毒等物质的泄漏将危害人身安全，引起设备事故。 环境中的气、水和粉尘等侵入设备会污染工作介质，影响产品质量和缩短 机器寿命。因此，产品的密封性通常是评价机械产品质量的一个重要指标。 既然产品的泄漏会对产品的使用及工作环境产生严重的危害，为了提 高发动机的整体质量，提高曲轴的寿命，我单位设立了课题组，专门进行 缸体水路、油路的泄漏检测系统的研究，本文着重研究了各种泄漏检测方 法的原理及影响泄漏检测精度的各种原因，同时对如何设计检测系统进行 了论述。研究表明，我单位发动机的整体故障率下降了2 ，曲轴的寿命 提高了1 0 ，但同时对缸体的铸造又提出了新的要求，通过本次研究，缸 体的合格率降低了2 。 关键词：“干式”试漏，自动线，封堵系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ne v e r y d a y , l i f ea n dp r a t i c a le n g i n e e r i n g ，l e a k i n gp h e n o m e n ai s c o m m o n l ys e e n t h el e a k a g eo fe q u i p m e n t sw i l lc a u s ed a m a g e si nm a n y a s p e c t s t h el e a k a g eo ft h em e d i u mi nt h ee q u i p m e n tc a l ln o to n l yw a s t et h e m a t e r i a l s b u ta l s op o l l u t et h ee n v i r o n m e n t t h el e a k a g eo fm a t e r i a l sw h i c h a r ef l a m m a b l e e x p l o s i v ea n dt o x i c c a nd oh a r mt os a f e t yo f t h eh u m a nb e i n g t h ew a t e r ，g a s ，a n dp o w d e ro fs u r r o u n d i n g sc a ni n v a d ei n t oe q u i p m e n t ss oa s t op o l l u t et h em e d i u m ，i n f l u e n c et h e p r o d u c tq u a l i t y , a n ds h o r t e nt h es e r v i c e l i f eo ft h em a c h i n e s t h e r e f o r et h e s e a l i n g o ft h ep r o d u c t si sa r t i m p o r t a n ti n d e xo f t h ee n g i n e e r i n gp r o d u c t s i n c el e a k i n go fp r o d u c t ss h a l lb eh a r m f u lt ot h eu s eo o fp r o d u c t sa n d w o r k i n ge n v i r o n m e n t s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e g r a lq u a l i t yo ft h ee n g i n e a n dt h el i f eo ft h ec r a n k s h a rq u a l i t y , w es e t u pt h et a s kg r o u p ，t op r o c e e da s p e c i a l r e s e a r c ho nl e a k a g ed e t e c t i o ns y s t e mo fo i lp a t ha n dw a t e rp a t hi n c y l i n d e r t h ep a p e rl a y e st h es t r e s s e so nt h er e s e a r c ho fa l lk i n d so f p r i n c i p l e s o fl e a k i n gd e t e c t i o na n dt h ec a u s e so f l e a k i n gd e t e c t i o np r e c i s i o n a l s ot h ed e s i g nm e t h o do ft h ed e t e c t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d t h er e s e a r c h i n d i c a t e st h a tt h ee n g i n e sw h o l ef a u l tr a t ed e c r e a s e sb y2 t h e l i f eo ft h e c r a n k s h a f ti n c r e a s e sb y10 ，b u ta tt h et i m et h en e w r e q u e s ti sp u tf o r w a r dt o t h ec a s t i n go ft h ec y l i n d e rs ot h a tq u a l i f i c a t i o nr a t eo ft h ec y l i n d e r sr e d u c e sb y 2 k e yw o r d ：d r yl e a k a g e ，a u t o m a t i cl i n e ，c l o g g i n gs y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师 的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 日期： 铲f o 月2 z 日 第1 章绪论 1 1 泄漏检测方法的分类和特点 在日常生活中，总是存在着泄漏，泄漏检测技术中所指的“漏”的概 念，是与最大允许泄漏率的概念联系在一起的。 泄漏是绝对的，不漏则是相对的。对于真空系统来说，只要系统内的 压力在一定的时间间隔内能维持在所允许的真空度以下，这时即使存在漏 孔，也可以认为系统是不漏的；对于压力系统来说，只要系统的压力降能 维持在所允许的值以下，不会影响系统的正常工作，同样也可以认为系统 是不漏的。检漏就是用一定的手段将试漏物质加到被检测产品器壁的一 侧，用仪器或某一种方法检测出试漏物质的泄漏量及泄漏点。 1 1 1 检漏方法的选择 泄漏检测方法很多，每种方法的特点不同，检漏前应根据具体的检漏 要求选择合适的检漏方法。 选择泄漏检测方法要考虑以下几个方面因素： 灵敏度：检漏方法的灵敏度可以用该方法可检测到的最小泄漏率来表 示。选择检漏方法是应考虑各种方法的灵敏度，即采用那种方法可以检测 出那一级的泄漏。例如要检测l o “m s 的泄漏率时采用灵敏度为1 0 8 m 3 s 的方法就无法实现。反之，检测1 0 1 m 3 s 的泄漏时，采用灵敏度为l o 。1 2 m 3 s 的方法，原理可行，但不经济。 响应时间：不论采用什么方法，要检测出泄漏率，总要花费一定的时 间。响应时间的长短会影响检漏的精度和灵敏度。通常，延长检测时间会 提高灵敏度，但是，检测时间过程，由于环境条件的改变，可能降低检测 精度，而且，在批量生产的生产线上的检测中，过长的检测时间还会影响 生产节拍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 稳定性：泄漏检测是一种计量和测试的综合技术。如果测试得到的数 据不稳定，就失去了检漏的意义，正确的检漏方法不仅需要检测仪器具有 稳定性，而且需要检测方法本身具有稳定性。 可靠性：采用某种方法进行检漏时应考虑该方法是否可靠，检漏结果 的可靠性与检漏的稳定性等因素有关。 经济性：经济性是合理的选择检漏方法的关键之一，检漏方法的经济 性要考虑到所需的检漏系统、对操作人员的技术要求、操作的劳动强度、 检测结果的可靠性等多方面因素。例如，涂肥皂水检漏是一种很经济的方 法，但是，使用这种方法无法检查出较小的泄漏，而且操作不便，时间长， 因而，在对泄漏率要求较高的场合无法使用。 此外，选择检漏方法时还要考虑到泄漏点的判断、检测结果的一致性 等因素。 1 1 2 检漏方法的分类 检漏方法和仪器很多，根据所使用的仪器可分为空气检漏法、氦质谱 检漏法、卤素检漏法、真空计检漏法等；按照所采用的检漏方法所能检测 出泄漏的大小又可分为定量检漏方法和定性检漏方法；根据被检测产品所 处的状态又可分为压力检漏法和真空检漏法。下面是几种常用的检漏方 法： 水压( 油压) 法： 对产品进行试验时，先将产品的内腔注满水( 油) ，然后再用水泵( 油 泵) 向内注水( 油) ，观察周围有无水( 油) 漏出。这种检测方法检测时 间长，需耐心等待。根据被检表面是否有水( 油) 渗出，很容易判断出泄 漏点，但结构复杂的产品，肉眼可能无法直接观察到泄漏点，而且，还会 受到操作者人为因素影响。 气体压降法： 时关闭阀门，放置一段时问。在放置时间内如果压力下降，就可判断出泄 2 0 0 0 图1 1 泄漏与无泄漏随时间的示意图 漏率的大小。这种方法简便，使用普遍，是检测泄漏的一种最基本的方法。 气体压降法又分为直接表压压降法和差压压降法两种： 表压压降法：如图1 - l 所示，所测得的压降是特定测试压力的下值。 在加压过程和检测过程所使用的是相同的压力单位，在一定的检测时问 内，对于泄漏量较小的产品泄漏线与不泄漏线几乎无法分别。例如测试压 力是2 0 0 0 0 0 p a ，被测产品在5 s 内下降了2 0 0 0 p a ，相当于压力表全范围的 l ，这样就很难准确的检测出产晶的泄漏率。 差压压降法：如图1 2 所示，压降值一般是从被测试产品与无泄漏的 标准品间的差压改变而测得的，加压时的压力单位与检测时的压力单位是 不同的，这样就可以按照被测产品的泄漏率要求选择一个合适的、精度高 的检测仪表，因此，检测时所用的检测仪表不会受到测试压力等其它因素 的影响，且泄漏线与无泄漏线差别大，很容易判断出产品的微小泄漏。例 如产品的测试压力是1 9 6 0 0 0 p a ，被测产品在5 s 内下降了2 0 0 0 p a ，差压检 测仪表的检测范围为5 0 0 0 p a ，压降值相当于整个范围的4 0 ，这样就很 1 容易判断出产品的泄漏率。 压降法的灵敏度与被检测产品的容积大小、检测时间长短和压力检测 元件( 压力表、压力传感器) 的灵敏度有关，此外，还要考虑到气体的温 度变化，压力变化等。压力检测元件的灵敏度对泄漏检测的灵敏度影响非 常大，例如采用分辨率为1 0 0 0 0 p a 的压力表与采用分辨率为1 0 0 0 p a 的压 2 0 0 0 0 r 幽 擅 聪 图1 2 泄漏与无泄漏随时问的示意图 力传感器，泄漏检测的灵敏度差别大得多。压降法很容易检测到产品的总 泄漏率，结果可靠，但不能具体判断出泄漏点。 气泡检漏法： 在被检测件内充入一定的试漏气体后放入水或其它液体中，如果产品泄 漏，气体就会通过漏孔进入周围的液体内形成气泡，气泡形成的地方就是 泄漏的位置。 气泡检漏法的灵敏度与诸多因素有关。液体表面张力越小，试漏气体 压力越高，漏孔距离液面越近，可检测出来的漏孔就越小，则灵敏度就越 高；试漏气体的粘度越小，分子量越小，灵敏度也越高。在实际应用中， 通常用空气作为试漏气体，用水作为显示液体。此时，该方法的灵敏度可 达i x i o “i x l o 。1 0 m v s 。 这种方法是通过肉眼进行观测，无法进行定量的检测，对于微小的泄 漏观察困难，容易受到人为、环境和压力等因素的影响，例如，被测件先 放入水中再充气或水面不够稳定就很难判断微小的泄漏；但因这种方法简 单、方便、直观、经济、检测精度较高，因而，也常用于工业生产中。 皂泡法： 对不方便或不能放入水槽中检测的产品，可先在被检件内充入一定压 力的气体，然后在怀疑有泄漏的地方涂肥皂液，观察是否有肥皂泡出现， 这种检漏方法就是皂泡法。这种方法的灵敏度能够达到l x l o 。1 。m 3 s 。 以上所介绍的是几种常见的检测方法，此外还有广泛应用于密封元件 泄漏检测的集漏孔腔增压法及应用于化工、航空、航天等重要工业领域的 氨气检漏法、卤素检漏法、放射性同位素法、氦质谱检漏法等。 1 2 在汽车发动机生产中泄漏检测系统设计研究的意义 近年来随着我国经济的飞速发展和国外先进技术的引进，我国工业 现代化技术水平大幅度提高，以汽车工业为例，目前我国国内主要的汽车 生产厂，其生产线的自动化水平已达到了国际先进水平。我公司是航空工 业总公司直属的航空发动机及直升机减速器定点生产企业，自公司成立至 今，已生产了多个品种的直升机减速器及发动机。近年来随着公司产业结 构的调整及国防、民用两方面的需要，我公司的民品也得到了迅速发展， 我公司在八十年代初开始研制d a 4 6 2 系列微型汽车发动机，目前已生产出 d a 4 6 2 、d a 4 6 5 系列微型发动机马上还要生产d a 4 6 8 系列发动机，d a 4 6 2 、 d a 4 6 5 系列微型发动机己成为中国名牌产品，近几年在国内微型汽车发动 机市场中占有率不断扩大，占领了国内微车发动机市场的半壁江山；与此 同时，市场竞争也日趋激烈，在这种情况下，为提高产品质量，发动机产 品特别是缸体的泄漏检测系统的研制也变得更为重要a 1 3 国内外汽车发动机生产中缸体油路、水路泄漏检测系统的 发展 过去汽车发动机生产厂，其发动机生产线上所使用的缸体水路和油路泄漏 检测系统都是国产的沉水法，就是把缸体用专用的夹具密封起来，密封后向缸 体内充入一定压力的空气，然后把缸体侵入水槽中观察，观看水中的气泡，用 这种方法测试受人为因素影响比较大，而且通过这种方法检测的缸体的质量也 不稳定。 随着汽车业的发展，沉水检测方法逐渐被干式检测方法所代替，1 9 9 6 年 我们为微发股份设计了单机形式的沉水检测系统，2 0 0 0 年我们为微发股份设 计了自动线形式的干式检测系统，当时的检测系统只是简单的检测系统，系统 不太稳定，测试的参数经常变化，2 0 0 4 年我们接到汽车事业部的委托为他们 设计自动线形式的干式检测系统，要求系统稳定、可靠，使用世界上先进的泄 漏检测仪器。 汽车产品零部件特别是缸体的泄漏会降低发动机的使用寿命，污染环境， 影响汽车的安全性，严重的还会造成车毁人亡。因此，对汽车产品中各零部件 特别是缸体的检测非常重要。缸体的泄漏检测方法很多，在汽车发动机生产线 上，发动机缸体的泄漏检测过去采用的方式是沉水气泡法，随着测漏技术的提 高，沉水气泡法逐步被采用专用仪器的“干式”检测方法取代( 所谓“干式” 检测是指以一定压力的纯净空气为介质，通过测量空气压降或压差降的方法对 测试件进行无损测量的形式，以下简称“干式”检测。) ，由于“干式”检测 是定量检测易于实现自动控制，泄漏检测系统也由单机形式发展到自动形式。 目前国外生产线上一般采用的是自动形式的泄漏检测系统，在国内自动形式的 泄漏检测系统大部分都是进口产品，国产自动形式的泄漏检测系统的可靠性和 稳定性还有待于进一步提高，特别是在高负荷工作条件下设备可靠性和稳定性 低，故障率高。 1 4 课题来源 随着汽车产业的发展，汽车发动机制造业也逐步开始大规模的兴起，我单 位是生产发动机的专业厂，随着发动机产量的逐步提高，发动机的质量也要逐 步提高，在这种情况下，如何提高发动机的整体质量的提出显得尤为必要，为 了提高发动机的熬体质量，必须提高缸体的质量，因为缸体是发动机的核心部 件，通过提高缸体的质量，就可以提高曲轴和连杆的寿命，从而提高整个发动 机的质量，在这种情况下，汽车事业部委托我单位设计研究d a 4 6 8 缸体水路、 油路泄漏检测系统，从而提高发动机的质量，提高市场竞争力，我单位配备了 专业的技术人员进行研究，本文着重对缸体的水路、油路的泄漏检测系统进行 了研究。 1 5 本文的研究内容 本文主要研究了各种泄漏检测方法的原理及影响泄漏检测精度的各 种原因，同时对如何设计泄漏检测系统进行了论述。具体内容：主要讲述 空气压差式检测法原理、空气试漏仪的工作原理、影响空气试漏检测精度的主 要因素及解决方法、“干式”检测中有关参数的计算、密封技术的介绍、密封 垫材料的选择、封堵压力的计算、泄漏检钡4 系统封堵系统的设计研究、泄漏检 测系统的分类及优缺点对比、单机形式泄漏检测系统、自动形式的泄漏检测系 统。 第2 章泄漏检测技术及空气检漏法的参数计算 2 1 空气压羞式检漏法 图2 1 压差式检漏工作原理图 根据前面的叙述，气压压降检漏法( 也称“干式”检测) 由于比较经 济方便、不影响产品的清洁度、响应时间短、检测精度较高、可靠性好、 且能够实现定量检测等诸多优点，因而被广泛应用于现代工业生产中，这 种检测方法的缺点是无法检测出产品的泄漏点且检测稳定性容易受到外 界因素的影响。 气压压降检测又分为赢接压降式和差压压降式两种，由于差压压降式的检 测精度高而被广泛应用于工业生产中，在以下所说的“干式”检测均是差 压压降的检测方法而言的，f r o e h l i c h 、c o s m o 、a t e q 等公司的空气试漏 仪均是采用差压式的检测方法。差压压降式又大致分为“压差式”和“流 量式”两种。所谓“压差式”是指采用标准品比较的检测方式( 如图2 1 所示) ，即采用一个与被测试件的测试内腔形状一样的且不漏的标准品， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过比较标准品与测试品之间的微小压差变化来检测测试品的泄漏率，这 种方法主要用于检测泄漏率较少的产品；所谓“流量式”是指采用一个层 流管，通过比较层流管两端的压差来测量层流管中的流量，从而进行泄漏 检测的方法，如果被检测工件有泄漏孔，气体通过层流管的流量发生变化， 就会在层流管两端产生压差，从而检测出产品的泄漏率。流量式的检测方 法的工作原理图如图2 2 所示。 图2 2 流量式检测方法工作原理图 这种方法主要应用于泄漏率较大的产品的检测，如缸盖气门孔检测、 发动机整机检测等，而在一般的产品泄漏检测中，采用压差式的检测方法 的比较多，在下面的叙述中我们以压差式检测方法为例，详细的介绍了“干 式”检测的原理、参数计算、空气试漏仪的工作原理及检测中的注意事项。 2 1 1 压差试漏检测的原理 在前面我们简单的介绍了压差式试漏检测的工作原理，工件泄漏产生 微压差变化是由安装在标准件和测试件之间的压差传感器测量的。如图 2 1 是压差式试漏检测的工作原理图。 一般而言，压差式的测漏工作分三个过程，第一过程为“加压”，即 9 向被测试件和标准件充气加压或抽真空，当工件达到合适的测试压力时， 便截断气源以便在测试端形成一个封闭的测试系统；接下来的过程是“平 衡”，这个过程可排除因关闭气源和气体在复杂的内型腔形成的紊乱而发 生在封闭系统中的压力波动，此时可检测出大泄漏的工件；第三个过程是 “检测”，在这个过程检漏仪器先归零然后对工件进行检测，以便检测出 小泄漏量的产品。这三个过程的时间设定会影响泄漏检测的精度和稳定 性，不同内容积工件的设定时间不同。一般来讲，理想的充气时间应为对 工件充气到测试压力后再加3 0 的时间。如果充气时间过短，测试件则达 不到设定压力；平衡时间的设定，从实验中获得，平衡稳定时间过短，最 后的测量结果将包含了压力不稳定的因素，平衡稳定时间的设定设得长一 些，在稳定时间越容易消除工件充气过程中产生的“断热效应”( 断热效 应将在下面的叙述中介绍) ，测试结果越准确。理论上讲，检测时间越长， 检测结果越可靠，但过长的检测时1 、日j 可能使工件受到外界因素影响，检测 时间的设定可在实验中获得也可以按用以下公式估算，但一般不低于 1 1 s ： t = ( v x3 ) ( 1 0 3 3 2 q 。) v 一一( m 3 ) 测试件( 标准件) 内容积，包括配管及试漏仪内部容积； q 。一一( m 3 s ) 产品泄漏极限值 t 一检测时间( s ) 例如：要测试一件内容积为2 5 1 0 。4 m 3 ，要求泄漏极限值为5 0 x 1 0 1 m v s 的工件，经估算t = ( 2 5 x 1 0 “x3 ) ( 1 0 3 3 2 5 0 x 1 0 “) = 1 5 s ，则检 测时间可设定为2 s 或更大。在能够满足生产节拍需要的情况下，尽量延 长三个过程的时间，特别是平衡稳定时间。三个过程的动作如表2 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 泄漏检测动作表 工作过程动作 加压将工件加压到所需的测试压力 平衡( 稳定)将测试端密封系统的压力稳定 检测自动归零后检测小漏 2 1 2 空气试漏仪的工作原理 压力表g l 掣1 气、源、霎阀- 睦 妒一l j 1 _ l - ! 过滤器 换向阀 图2 3 空气试漏仪气动原理图 标准件 测试件 如图2 3 是典型的空气试漏仪( 压差式) 气动原理图，当泄漏检测开 始时，气阀a v 。和a v ：同时动作，同时对一个没有泄漏的标准件和一个待测 的测试件充压，达到试验压力后，a v l 关闭，将标准品和测试品与气源隔 断，再由两者之间的差压感测器d p s 检测出压降值，检测完了后a v 2 打开 排气，工作结束。一个测试品的检测将重复以上过程。 2 1 3 主要的检测方法 使用空气试漏仪的“干式”泄漏检测按测量方法分为：直接测量法、 间接测量法两种方式。 ； 堕尘鎏；! ：堡盔娑差堡篁耋一。；。；。 直接测量法或压降法 图2 4 为直接测量法原理图，空气试漏仪与一罩体相联，把待测件放 在罩体内，向被测件中充入高压气体，此时罩体内气体相对为低压，如果 图2 4 直接测量法原理图 被测件泄漏，则罩体内气压上升。 该法常用于测试压力高且在高压下不受影响且不变形的工件，空气试 漏仪检测罩体内气体与外界大气的压差。如果泄漏过大，压力传感器监测 系统将中止测量，以保证仪器的安全。 间接测量法或压升法 图2 5 为间接测量法原理图，对被测件和基准件同时充气结束后。空 气试漏仪关闭平衡阀将二者分开，测量二者的压差，测量结束后，通过排 气阀排出二者中的充压气体。什么样的应用决定了选用什么样的测量方 法。这两种方法均可在充压或负压下工作。 按照使用时工件的连接方式又可分为使用基准件，和同时接两个工件 ( 中心零法) 两种方式。 充气阀 平衡阀 排气阀 带基准件测试 图2 5 间接测量法原理图 图2 6 为带基准件测试原理图，仪器测量被测件与基准件间的压差。 其理想的环境是：被测件与基准件一样，空气试漏仪与二者相联的管路一 样( 长度，尺寸，材料) 。带基准件进行测试可以省时，因为两测试端的 环境一致，内部气压平衡比较快。 哈尔滨一f ：程人学硕士学位论文 不带基准件测量 标准件 图2 6 间接测量法原理图 测试件2 图2 7 不带基准件测试原理图 图2 7 为不带基准件测试原理图，仪器测量两被测件间的压差。这就 要求两个工件同时是坏件的几率要小。 该法在测试形状不规则或温度与周围不一样的工件时很有利。因可同 时测量两个工件，故用此法也可节省大量时间。 这样，仪器可以同时测试两个工件，一个工件接在测试端，另一工件 接在基准端。此外，如果被测试工件的内容积过大，会使测试时间延长， 对这样的工件进行测试，可设计一个专用夹具，如图2 8 所示。 图2 8 专用夹具示意图 在检测夹具上设计一个凸起，减小被测工件的内容积，可缩短检测时间。 2 1 4 影响空气试漏检测精度的主要因素及解决方法 虽然采用空气试漏仪的“干式”检测方法的优点很多，但是，这种检 测方法也容易受到外界因素和工件本身因素的影响。影响测试精度的因素 主要有以下几种： 断热变化效应 断热变化效应是对工件充气加压所产生的温度效应。工件加压后，工 件内部的空气温度会上升，此温度籍着工件表面向外散发，造成工件内部 空气温度下降，而这种温降会造成看似泄漏的压降，从而影响检测的结果。 1s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这种现象在内型腔越复杂的工件中表现越明显。 解决这种变化的有效手段是采用标准件比较法，因为标准件与测试件具有 同样的内型腔，充气加压后产生基本上相同的效应。 测试件容积的影响 测试件的内容积在泄漏检测中会直接影响压降的变化。例如：在一固 定的测试时间内，1 1 0 。6 m 3 的内容积所产生1 p a 压降的泄漏量与1 1 0 。5 m 3 的内容积所产生1 p a 压降的泄漏量是不相同的。因此，在空气试漏仪的参 数设定时要根据要求的泄漏率及测试件的内容积，精确计算。 温度效应 因为温度对压力有直接的影响，所以温度的变化会直接影响到泄漏测 试。例如：在对一个工件进行测试时，检测过程中温度变化了l ，就会 使气体的压力产生几十p a 的变化。因此，在检测过程中务必使测试件的 温度与环境没有温差。在测试件的坏件几率很小的情况下，也可采用“中 心零法”的检测方法。这样可以提高检测效率。在实际的泄漏检测工作中， 温度效应是影响检测结果的最大因素，在检测工作中既要保证工件与环境 没有温差，还要保证泄漏检测系统周围的环境温度没有变化。例如：系统 受到阳光直射、系统摆放到通风口处或周围有空调都会对检测结果产生较 大的影响。 当气体向密封腔充气结束时，此时体积不变，根据理想气体状态方程： p = n r t v( 2 - i ) p i = n r t l v( 2 - 2 ) p 2 = n r t 2 v( 2 - 3 ) p i p 2 = t 1 t 2 ( 2 4 ) 文献 3 3 3 当温度t 变化时，压力也随着变化 i 当温度升高时压力增加，对于有泄漏的缸体可能测出是不漏的： 2 当温度降低时压力降低，对不漏的缸体可能测出是泄漏的 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 5 “干式”检测中有关参数的计算 在理想的工作条件下，即没有温度变化的场合，“干式”检测的参数 可以用“波以耳”定律来计算。“波以耳”定律：理想的气体，如果温度 为一常数，则压力乘以容积为一常数，公式如下： p v - - - - 常数( p 为绝对压力)( 2 5 ) 泄漏量的计算 根据“波以耳”定律： p v - - - - ( p 一p ) x v - f p a t m xa v = 常数( 2 - 6 ) a v = v xap p a t m ( 2 - 7 ) 式中：v ：测试件( 标准件) 内容积，包括配管及试漏仪内部容积； p ：泄漏的压降； p a t m ：大气压力 p ：测试压力( 绝对压力) av ：泄漏量 泄漏率的计算 如果从工件泄漏出去的空气量和测试时间已知就可计算出泄漏率。 q t = av t ( 2 - 8 ) 则q f v xap ( p a t m xt ) ( 2 9 ) 文献 3 3 其中q 。为单位时间内的泄漏率。 根据前面的叙述，一个产品的不漏是相对而言的，同一测试件对不同 介质的不漏的标准不同，例如，一个测试件充入一定压力的水，该测试件 不漏，但如果充入同样压力的气体，该测试件可能是漏的。在发动机产品 的泄漏检测中，根据我们查找资料，同一工件用纯净的空气做泄漏检测， 对于不同的工作介质不漏的标准如下： 对汽油不漏的空气泄漏率：q 。= 1 6 7 x1 0 1 6 7 1 0 * 一s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对机油不漏的空气泄漏率：q l = 5 0 1x1 0 1 8 3 5 1 0 1 m 3 s 对水不漏的空气泄漏率：q l = 8 3 5 1 0 。6 1 7 7 1 0 “m 3 s 因此，根据不同的使用要求我们可以通过上面的泄漏率计算公式初步 设定出空气试漏仪的泄漏极限参数( 一般以压力单位的形式设定，如 m m h 2 0 、p a 等) ，例如，对d a 4 6 2 发动机缸体水套的泄漏极限设定参数计算 如下： 已知：q 。= 8 3 5 1 0 “1 7 7 x1 0 5 m 3 s 取q l - - 8 3 5 1 0 6 m 3 s ： 泄漏检测时间t 为1 5 s ： 缸体水套的测试内容积经测漏为2 5 i 0 1 m 3 ： 配管内径6 i 0 m ，长度0 i m ，经计算内容积为5 0 2 6 1 0 5 m 3 ： 试漏仪内部容积取1 o 1 0 6m 3 ： 缸体水套总的测试内容积为3 1 0 2 6 x1 0 。m 3 ： 根据式p = q 。p a t m xt v ( 2 1 0 ) p = 5 x 1 0 1 3 1 0 6 1 5 ( 3 1 0 2 6 6 0 ) = 4 0 3 p a 根据计算结果空气试漏仪的泄漏极限值可初步设定为4 0 p a ，检测时间 设定为1 5 s 。在实际测试中，工件合格极限值的确定还应根据多次的工件 测量试验，用户反馈以及合格工件的使用寿命来定，同时，在以压力单位 的泄漏极限值确定以后，检测时间越长，其泄漏率值越小，工件的合格等 级就越高。 2 2 本章小结 本文主要研究了各种泄漏检测方法的原理，同时对压差试漏检测原 理进行了分析，对影响泄漏检测精度的原因进行了分析，同时对干式检测 的容积及泄漏极限进行了计算。 第3 章泄漏检测系统的封堵系统 3 1 密封技术的介绍 以干燥空气为介质的泄漏检测系统，不仅适用于对缸体进行泄漏检测 同时也被其它领域所采用，如制冷行业、医疗行业、燃器具电子产品等。 以其经济、可靠、且对于自动化工业流程的优良的可适性而被广泛应用。 泄漏检测的关键在于封堵系统即密封部件，而封堵系统的密封效果取决于 密封件材料的选择、制造工艺、密封方式、夹具刚性、夹紧力的大小等多 方面因素影响。 3 1 1 垫片密封 在试漏检测中对零部件的密封通常采用垫片形式密封，所谓“垫片” ，一、 。7 界面泄痛 _ _ _ _ _ _ _ _ 一一一! = 一一_ _ _ _ = _ i p 哆 j 密封介质一一一一r 一_ ，每峥 厂一。1 i 封严垫片、渗漏 一= = = 。2 2 = 、二= 二j 图3 1 密封介质的泄漏形式 是指夹持在密封部件和零件之间的材料，其作用是保持两者之间的密封。 要实现对产品的泄漏检测，垫片必须能够密封结合面，并对密封介质( 干 燥空气) 不渗漏，能经受压力等的作用。 1 垫片密封的泄漏方式： 就垫片密封而言，通常密封介质在垫片结合面处的泄漏方式有以下三 种情况，如图3 1 所示。 ( 1 ) 密封面泄漏，从机械加工的微观文理来看存在着粗糙度和 变形，他们于垫片之间存在着泄漏通道，由此产生的泄漏 称界面泄漏。 ( 2 ) 对于空气介质的密封我们通常采用的是橡胶等非金属材 料的垫片，从材料的微观结构来看本身存在微小缝隙或细 微的毛细管，具有一定压力的空气自然容易通过它们渗漏 出来，这种泄漏称渗漏泄漏。 ( 3 ) 当夹紧力不足垫片因受密封介质的压力而导致密封面的 分离，引起大量的泄漏，这种泄漏称吹出泄漏。 在以上三种形式的泄漏，第( 2 ) 种通常可通过改变密封垫的材料或 使用较大的夹紧力使材料更加密实从而减少或消除泄漏；而( 1 ) 、( 3 ) 与 密封垫的材料性质、密封部件的机械特征、密封面的性质和状态及夹紧力 大小有关。它们是解决泄漏检测系统封堵部件设计、使用的关键。 2 密封机理 在理论上，如果密封处的密封面完全光滑、平行，并有足够的刚性， 它们可以依靠足够的压力夹持在一起，无需垫片而达到密封的目的。但在 实际中由于密封部件和产品在加工中存在着粗糙度和变形，两者也不能够 绝对平行，刚度也有限，因此为了消除这种不均匀的缺陷和相应的变形， 在两者之间放入一垫片，使之适用密封面的不规则性。显然，要保持密封 效果的基本要求就是压缩垫片，使其与密封面之间产生足够的压力，阻止 空气通过材料本身渗漏，同时保证垫片对密封件有较大的顺应性，使垫片 受到压缩后产生的弹性变形能够填满密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞 界面泄漏的通道。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通常在垫片密封中产生的泄漏主要是界面泄漏，密封面在受到检测空 气的压力作用下，密封面被迫发生分离，这时垫片能够释放足够的弹性变 形能，以补偿这一分离量，并且留下足以保证密封所需要的垫片应力，维 持允许的密封度。可用下式表示上述关系： og o = ( og l a - p b ) a ( 3 1 ) 式中： 盯。一工作时保证允许密封度的垫片应力； p 一检测空气的压力； b 一检测静压力作用面积； a 一垫片压缩面积； 仃一垫片预压紧应力； 3 封堵部件密封面表面对密封度的影响 密封面的表面形貌对密封度的影响较大，理想的密封面是一个完全 光滑、没有变形且有足够刚性的表面，而实际的密封面由于存在着加工误 差，表面有一定的粗糙度和变形，这就会对密封产生一定的影响。不同形 式的垫片对粗糙度的要求不同，在泄漏检测系统的设计中我们通常采用橡 胶垫进行密封，经过查阅资料及实际经验，对于大平面的橡胶垫片密封， 粗糙度应达到3 2 ，而对于0 型槽密封则应达到o 8 一1 6 。同时，机械加 工后的密封表面的切削纹路对密封也有一定的影响，通常同心圆线等一些 封闭的切削纹路对密封是有力的，但不容易做到。在实际加工中不允许有 横跨内外的径向划痕，这样会形成直接的泄漏通道。通常密封部件表面的 粗糙度会对密封过程中所施加的预压力产生一定的影响，较差的加工表面 会使预压力增大。 3 1 2 密封垫材料的选择 目f j 在工业上常用的垫片主要有非金属垫片、半金属垫片和金属垫 片，通常我们在泄漏检测系统中采用非金属的橡胶垫片。 2 i 1 橡胶垫片的重要特性 橡胶垫所受载荷与变形的关系 橡胶垫片通常是不完全弹性的，垫片的压应力口，。与以是成非线性 的，如图3 2 所示，在图形上表现出滞回曲线的特性，存在着残余变形。 o r 翻 止 剥 7，丌 一， ，t j j 户 垫片变形6 。 图3 2 滞回曲线的特性 这种变形需要经过一段时间才会消除。 橡胶的回弹性与压缩性 压缩性指初始压缩后垫片厚度的改变量，表征了垫片刚性的大小，压 缩性越小，越容易变形。而回弹性的定义是指压缩载荷卸除后垫片厚度的 恢复量，它对密封面因介质压力而引起的分离进行补偿，保持密封面的密 封度，在实际应用中这一项特性更重要。不同材质的橡胶压缩性和回弹性 是不同的，即使同一材质的橡胶在硬度和制造工艺不同的情况下，其压缩 性和回弹性也不相同。橡胶垫片的回弹性越好，垫片的弹性补偿能力就越 大，垫片应力的损失越小，在循环作用的密封中稳定性越好。在生产线上 工作的泄漏检测系统，每天需要检测大批的零部件，例如我公司微发生产 高峰期缸体生产线上每天需要检测1 2 0 0 - 1 4 0 0 件左右的缸体，在这种情况 下就对泄漏检测系统上密封部件的橡胶垫的回弹性和压缩性要求较高。 橡胶垫的拉伸强度和压缩强度 橡胶垫片主要受压缩作用，理论上讲没有拉伸强度的垫片也不会有问题， ；一；一丝坠誊基三兰堡，鹜茎一。；一 但在实际应用中由于密封表面的不规则性并受到循环作用，同时，受到压 力介质的吹出作用，这就需要垫片有一定的拉伸强度。垫片的应力越大， 泄漏就会越少，但是垫片的压应力太大时，就会将垫片压溃造成泄漏，因 此，在选材时我们还需要考虑挚片的压缩( 溃) 强度。 橡胶的蠕变松弛 作用在垫片上的压缩应力使垫片厚度减薄，在长期循环作用下，垫片 的厚度将逐渐减少，垫片的压缩性和回弹性及拉伸强度也变小，造成垫片 的老化，这个过程就是橡胶的蠕变过程。在实际应用中，这一行为会改变 密封面的密封度，因此，在泄漏检测系统的设计研究中要选择抗蠕变能力 较好的橡胶。 2 泄漏检测系统中密封部件橡胶垫材料的选择 密封材料应满足密封功能的要求，对密封材料的要求一般是： ( 1 ) 材料致密性好，不易泄漏介质： ( 2 ) 要有较高的机械强度和适当的硬度，抗撕裂性好； ( 3 ) 压缩性和回弹性好，永久变形小； ( 4 ) 抗腐蚀性好，在酸、碱、油类介质中能长期工作，其体 积和硬度变化小： ( 5 ) 具有与密封面结合的柔软性； ( 6 ) i f i 4 老化性好，经久耐用； ( 7 ) 加工制造方便，价格便宜，取材容易。 显然，任何一种材料要完全满足上述要求是不可能的但具有优异密封 性能的材料能够满足上述大部分的要求。橡胶是最常用的密封材料，主要 有普通橡胶、硅橡胶和聚氨脂橡胶等。在使用中应根据环境及介质的具体 情况，有针对性的选择合适的材料。 在“干式”泄漏检测系统中，密封垫主要接触的是油类介质，并且由 于长期反复受压作用，其抗撕裂性要好、不易老化。根据以上所述及我们 2 3 查找资料，我们在泄漏检测系统中选用了邵氏5 0 一5 5 。的聚氨脂作为密封 垫的材料，这种材料具有优良的压缩性、回弹性、耐油性和抗撕裂强度， 同时不易蠕变松弛，抗老化性好并可浇铸成型。如表3 1 列出了几种常用 密封用橡胶的特性对比。 表3 1 几种常用橡胶材料性能的对比 名称抗拉强扯断伸长抗撕裂 耐油性耐老化耐磨性 度m p a 率 性性 普通橡 7 - 2 1 4 0 0 低 由凼 低 胶 硅橡胶 2 1 0 1 5 0 低中 由 低 氟橡胶 3 5 1 7 3 5 0高局高高 聚氨脂达7 05 0 0 1 0 0 0高高 高 高 3 1 3 封堵压力的计算 在泄漏检测系统的设计中封堵压力的计算非常重要，理论上讲封堵压 力越大，密封面的密封度越好，泄漏率越少，但是过大的封堵压力对整机 的刚性、橡胶垫的性能就要求较高，同时还会提高整机成本造成不必要的 浪费，因此如何选择一个合适的封堵压力是个很重要的问题。 密封力的简化计算方法 通过以上对密封挚应力的讨论可见，工作中密封垫必须能够达到允许 泄漏率所必须的最小工作垫片应力，在工作中封堵的压力载荷决定于密封 垫的密封性能，由于对密封垫的性能缺乏完全的了解，传统的做法是采取 理论假设、简化计算以及实际经验来判断。密封部件在实际工作中的受力 简图如图3 3 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定。 f 2 = o 。o a f l ：p b 图3 3 密封部件在实际工作中的受力简图 通过对图3 3 的分析，在工作情况下需要的最小压力载荷f 由下式确 f = p b + c r g o 彳 ( 3 2 ) 式中：p 一试验介质( 空气) 的压力； b 一试验压力的作用面积： 吒。一维持密封的密封垫最小应力； a 一密封垫应力作用面积： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中o g 。与密封垫的材料、硬度、制造工艺及工作环境有关，根据查找资 j 一 窬开f 碗肚一一意t 箨耩一 h 寸r o 、 1f j 。1l 、l 叫e 趸l 酗| i | b 一i 口 、 图3 4 缸体水套上面形状图 料，在产品和封严部件的粗糙度较好并选用较硬橡胶垫的情况下，盯。一 般取0 8 - 1 m p a 密封效果较理想。例如我们为d a 4 6 8 发动机缸体生产线设 计的“缸体检测系统”中对缸体上面水套的封严计算如下( d a 4 6 8 缸体水 套上面形状如图3 4 ) ： 缸体整个上表面的面积，s = 1 0 4 x3 1 1 0 。4 ：0 0 0 3 2 2 4 州2 去除4 个缸孔后上表面的面积， s = 0 0 0 3 2 2 4 4x0 0 0 3 6 3 = 0 0 1 7 7 2 m 2 缸体水套孔的面积，bas i 兰：0 0 0 7 0 8 8 加2 ) 密封垫应力作用面积( 假设采用大平面密封) ，4 * s 寻：0 0 1 0 6 3 2 坍2 ) 试验压力p 按照图纸技术要求取2 5 0 0 0 0 p a 工作中橡胶垫密封度的垫片应力取9 0 0 0 0 0 p a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据以上数据缸体上平面水套的封堵压力f 计算结果如下： f = 1 2 ( 2 5 0 0 0 0 0 0 0 7 0 8 8 + 0 0 1 0 6 3 2 9 ) = 1 1 3 4 0 8 n ，( 1 2 为 可靠性系数) 由此可计算出缸体上表面封堵油缸的缸径大小： p 。= 2 5 0 0 0 0 p a ，p ，为封堵油缸液压系统压力。 d ：坚! 一：o 0 7 6 聊，d 取0 0 8 m 缸径的油缸。 v3 1 4 2 5 0 0 0 0 在设计中为保证上表面各点夹紧压力的平衡我们采用了3 个夹紧油缸 的封严方式，经过计算，我们采用1 个0 0 8 m 缸径的油缸和两个0 0 6 3 m 缸径的油缸来夹紧封严。 以上的计算是假设采用整块橡胶垫大平面密封的情况下的计算结果， 在实际设计中如果按缸体上平面水套外形用模具仿形压制封严胶垫，则由 于橡胶垫应力作用面积减少封堵油缸缸径也能减小，但是由于可能受到封 堵部件表面的粗糙度和橡胶垫的硬度等因素的影响，为了提高可靠性在实 际设计中还是采用1 个0 0 8 m 缸径的油缸和两个0 0 6 3 m 缸径的油缸来夹 紧封严。 在实际封堵部件的设计中，由于产品密封面的形状复杂、形状各异， 封堵部件密封垫的设计形式也不同，因此所需要的封堵压力差别较大，例 如采用0 型圈密封，由于密封垫应力作用面积小其密封压力也很小。在泄 漏检测系统封堵系统的设计中，我们对这一问题进行了详细的分析。 p r v