通過對差壓法氣密性檢測的工作原理、工藝參數(shù)進行分析，采用正交試驗設(shè)計方法，快速確定差壓法氣密性檢測的關(guān)鍵影響工藝參數(shù)，提高檢測效率及精度。

引言

　　排氣歧管做為汽車發(fā)動機的零部件，需要滿足發(fā)動機高溫高壓的密封條件，對性能有氣密性要求，如果出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，將會影響發(fā)動機的動力性能、排放性能以及整機的噪聲，因此需要對發(fā)動機排氣歧管進行氣密性檢測。傳統(tǒng)的排氣歧管氣密性檢測方法是浸水法和涂抹法，隨著工業(yè)自動化和檢測技術(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方法是差壓法氣密性檢測。在采用氣密性檢測儀的基礎(chǔ)上，輔以定位、自動密封、電氣控制、液壓與氣動系統(tǒng)構(gòu)成試漏機，實現(xiàn)在生產(chǎn)線上批量生產(chǎn)對零件氣密性進行智能檢測的需求。為了滿足整個生產(chǎn)線的節(jié)拍要求，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為氣密性檢測工藝參數(shù)的確定是檢測效率及精度的關(guān)鍵影響因素。

　　本文通過對差壓法氣密性檢測工作原理、工藝參數(shù)進行分析，采用正交試驗設(shè)計方法，可以快速確定差壓法氣密性檢測的關(guān)鍵影響工藝參數(shù)，提高檢測效率及精度。

1、差壓法氣密性檢測原理

　　差壓法氣密性檢測是利用氣體流量公式通過測量容器內(nèi)壓力的變化來計算泄漏量的檢測方法。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，因此可以通過測量容器內(nèi)氣體壓力降低的數(shù)值計算出實際容器泄漏的氣體量。其工作原理見圖1。

圖1 差壓法氣密性檢測原理

　　差壓法氣密性檢測的工作循環(huán)包括4 個過程，即充氣過程、平衡過程、檢測過程和排氣過程。

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

　　(2)平衡過程：關(guān)閉充氣閥、測漏閥，截斷氣源與標(biāo)準(zhǔn)容器、被測工件的通路，由于充氣及關(guān)閉閥的動作會引起容器內(nèi)氣體壓力的脈動，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)容器與被測工件間的差壓不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出無規(guī)則的變化，必須延遲一段時間，待差壓值穩(wěn)定后才能測量差壓變化。

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

　　(4)排氣過程：待測量完差壓的變化值，標(biāo)準(zhǔn)容器、被測工件內(nèi)的剩余氣體通過氣閥排到大氣里，結(jié)束一個檢測過程。

　　標(biāo)準(zhǔn)容器和被測工件的壓差值在檢測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 相對應(yīng)的測試時間，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———被測工件容積，mL;pt———測試壓力，Pa。

2、差壓法氣密性檢測工藝參數(shù)

　　2.1、泄漏率

　　工件的泄漏率實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)及實際工況條件。排氣歧管的泄漏率標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)動機設(shè)計部門根據(jù)發(fā)動機性能而確定的。在實際生產(chǎn)中，從經(jīng)濟角度考慮確定泄漏率是很關(guān)鍵的，檢測應(yīng)該是在必要條件下盡可能精確，而不是越精確越好。

　　2.2、測試壓力

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

　　2.3、溫度

　　對于密閉容器內(nèi)的氣體，當(dāng)溫度升高時其內(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、表面積等都會成為影響溫度效應(yīng)的因素。采用差壓法測量時，當(dāng)采用的標(biāo)準(zhǔn)容器與測量工件具有相同的幾何形狀及內(nèi)腔容積時，由充氣本身引起溫度變化效應(yīng)可被測試系統(tǒng)自身消除。在通常的測量條件下由于測試時間較短溫度的影響不會十分顯著。

　　2.4、充氣時間

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

　　2.5、平衡時間

　　由于沖氣效應(yīng)的存在，在充氣與檢測之間增加一段平衡時間是必要的，平衡時間的長短需要根據(jù)具體的測量對象來確定。

　　2.6、檢測時間

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

　　2.7、其他影響因素

　　(1)工件容積，對于一個特定工件(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，測量時間就需要相應(yīng)增加，所以為保證測量的靈敏度，就要設(shè)法減少工件的容積。

　　(2)試漏機結(jié)構(gòu)設(shè)計，為保證測試精度，氣密性測試對試漏機的密封元件的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封設(shè)計、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�來封堵被測工件，夾緊力應(yīng)該是測試壓力的3倍; 零件的封堵在測量過程中必須保證其位置不發(fā)生改變;夾具支撐框架的強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對被測工件造成損壞或產(chǎn)生新的泄漏點等。

3、正交法確定氣密性檢測工藝參數(shù)

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

　　試驗工件采用某型號汽車發(fā)動機排氣歧管的標(biāo)準(zhǔn)泄漏極限樣件，工件容積415mL。試驗用試漏機由無錫木源機械有限公司生產(chǎn)(見圖2)，氣密性檢測儀采用法國ATEQ F520，試驗壓力0.32bar，測試環(huán)境溫度13℃。

圖2 試漏機及氣密性檢測儀

　　試驗采用L9(34)正交設(shè)計，為充氣時間、平衡時間、檢測時間三因子三水平試驗，因子水平見表1。測試過程中對標(biāo)準(zhǔn)泄漏極限樣件在每個試驗條件下重復(fù)測試6 次(包括樣件的安裝)，計算每個試驗條件下測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，通過泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差來判斷試驗的穩(wěn)定性，進而判斷工藝參數(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，試驗次序隨機處理。試驗結(jié)果見表2。

　　在直觀分析計算表(見表3)中，各均值是各因子三個水平泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差的均值，通過比較三個均值的大小，可以比較各因子水平的好壞。從表3 中可以看出，充氣時間(因子A)的水平2 最好，因為泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差均值最小，同理，平衡時間(因子B)取水平2 好，檢測時間(因子C)取水平2 好，綜上可知測試穩(wěn)定性最好的試驗條件A2B2C2，即充氣時間10s，平衡時間20s，檢測時間10s。

表1 因子水平表

表2 正交試驗結(jié)果表

表3 中的極差表示各因子不同水平對應(yīng)的泄漏量

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

　　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。為驗證正交試驗的可靠性，對測試穩(wěn)定性最好的條件即A2B2C2 進行試驗驗證，驗證結(jié)果見表4，從表中我們可以看到試驗結(jié)果是令人滿意的。

表4 驗證試驗結(jié)果表

圖3 因子各水平對泄漏量標(biāo)準(zhǔn)差的影響

　　需要說明的是： ①在正交試驗設(shè)計過程中各因子水平值應(yīng)當(dāng)根據(jù)工件的測試壓力、檢測容積等因素的變化進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;②由于在生產(chǎn)現(xiàn)場進行試驗，現(xiàn)場條件的波動，特別是氣源壓力的波動，試驗中會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時要剔除處理。③從表2 中我們可以看到測試條件A1B2C2、A2B2C3、A2B3C1、A3B3C2的試驗結(jié)果相對都是比較好的，此時對試驗結(jié)果要根據(jù)檢測的精度及效率的要求進行取舍，或者加大試驗次數(shù)進行重復(fù)驗證。

4、結(jié)束語

　　差壓法氣密性檢測具有檢測靈敏、精度高、受溫度影響等優(yōu)點，同時可以實現(xiàn)整個檢測過程的自動化，大大縮短了檢測周期，在工業(yè)生產(chǎn)得到了廣泛應(yīng)用。氣密性檢測工藝參數(shù)的確定是檢測效率及精度的關(guān)鍵影響因素，通過正交試驗設(shè)計方法，可以快速確定差壓法氣密性檢測關(guān)鍵影響工藝參數(shù)，提高檢測精度及效率。