范偉軍 張?zhí)扃? 漢攀杰 郭斌

摘要：依據國家汽車制動系統(tǒng)行業(yè)相關標準研制汽車空氣干燥器干燥效能自動化試驗系統(tǒng)。設計加熱裝置、飽和裝置、汽水分離裝置、混合裝置，實現溫度、濕度、壓力自動可調的高溫高濕高壓模擬氣源，采用P1D控制反饋加熱器、電動調節(jié)閥、電氣比例閥實現對氣源溫度（室溫～80℃）、相對濕度0～100%、壓力0～1.6MPa的精準控制，滿足干燥效能測試所需的氣源條件;基于比例流量閥設計自動可調節(jié)負載氣容45.7～2156.14L，實現對露點降、干燥器負載率的控制，滿足干燥器干燥效能測試要求，計算機實時控制，測量壓力、流量、溫濕度等參數值，自動分析處理測試數據，實現全過程自動化。試驗表明，該系統(tǒng)能夠準確地檢測空氣干燥器的干燥效能，不確定度小于0.05，滿足工業(yè)現場的要求。

關鍵詞：空氣干燥器;自動化檢測;高溫高濕高壓;干燥效能

中圖分類號：TH138 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0088-08

收稿日期：2018-09-16;收到修改稿日期：2018-10-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51405463）;浙江省基礎公益研究計劃項目（LGG18E050009）

作者簡介：范偉軍（1973-），男，湖南邵陽市人，副教授，博士，主要從事汽車零部件檢測及仿真研究。

0 引言

汽車空氣干燥器是利用分子篩的物理吸附效應，去除來自空壓機壓縮氣體中的水分、油、灰塵等雜質，保證進入氣制動組件中的空氣干燥、干凈，有效防止制動系統(tǒng)中各零件因生銹或凍結造成的制動系統(tǒng)失效，從而保證行車安全。美國機動車工程師學會制定的SAE J2384-1999標準規(guī)定了應用于汽車氣制動系統(tǒng)的空氣干燥器的性能要求和測試方法，保證了空氣干燥器生產與使用的正常秩序。但國外的關鍵技術參數及具體測試指標都對外實行技術封鎖，很難借鑒。而我國對于汽車空氣干燥器的檢測認知起步緩慢，直至2010年才出臺了空氣干燥器性能要求及臺架試驗方法（初稿），對國內的空氣干燥器使用與制造提出了一定的行業(yè)規(guī)范。

根據汽車制動部件行業(yè)標準QC/T996-2015《汽車空氣干燥器性能要求及臺架試驗方法》，汽車空氣干燥器的干燥能力及干燥效率檢測對測試氣源有較高要求，需高溫高濕高壓氣源，目前為止國內還沒有設計出能成功完成該項測試的檢測設備。重慶凱裝自動化設備有限公司的唐國義針對干燥能力測試臺架提出了一種對壓縮空氣加濕加熱的方法，但未研制出具體的檢測設備，無法提供試驗驗證數據;浙江萬安科技股份有限公司的李小攀等[1]只針對標準提出了干燥效能檢測方法和設備的優(yōu)化改進措施，也未提出具體檢測方案和檢測裝置的研制，無法滿足用戶對汽車空氣干燥器干燥效能的檢測要求以投入工業(yè)使用[2-6]。

本文根據汽車制動部件行業(yè)標準QC/T996-2015，研制國內首臺滿足大型貨車和客車精度要求的干燥器干燥效能自動化試驗系統(tǒng)，具有重要的實際意義。

1 干燥效能試驗系統(tǒng)需求分析

汽車空氣干燥器干燥效能試驗要求在干燥器被通人氣源溫度不低于73℃、相對濕度97%～100%、流量330～350L/min的測試條件下，使干燥器以小于33%的負載率加壓和卸壓（即卸壓時間為加壓時間的2倍以上），通過加大與干燥器出氣口相連的貯氣筒體積，使干燥器加壓時間延長，從而一個循環(huán)所處理的空氣增多，干燥度降低，貯氣筒內部露點溫度升高。當貯氣筒露點降（DPD22）為17℃時，干燥器一個循環(huán)所處理的空氣體積為其干燥能力，對于系統(tǒng)沖洗式干燥器，應減去沖洗體積。干燥效率為式中：η——干燥器干燥效率;

V_D——干燥器一個循環(huán)的干燥體積;

V_P——干燥器沖洗體積。

為滿足干燥效能試驗對進氣口測試氣體高溫、高濕、流量恒定的試驗要求，同時兼顧干燥器低溫環(huán)境試驗進氣口空氣相對濕度40%～60%的測試條件，需設計一個溫度控制（室溫～80℃）、相對濕度控制0～100%、壓力控制0～1.6MPa的環(huán)境模擬氣源。通過設置進氣口壓力≥1.2MPa保證氣源流量的穩(wěn)定性，并采用電氣比例閥實現精準調控。

考慮到對干燥效能測試時，一個33L的標準貯氣筒無法滿足露點降低至17℃，采用串并聯貯氣筒的方式來加大貯氣筒體積，控制露點降變化。但固定容積的貯氣筒只能保證體積間斷性變化，無法實現體積連續(xù)可調，特在出氣口處增加比例流量閥，通過調節(jié)比例流量閥來控制出氣口空氣流量，允許在加壓期間從貯氣筒有一個可控制的泄漏量，以模擬一個容量大于固定容積且連續(xù)可調的負載氣容;而卸壓時比例流量閥可以使得氣體以較小的流量流向大氣，延長卸壓時間，以保證卸壓時間為加壓時間的兩倍以上。

結合上述試驗系統(tǒng)的需求分析，提出汽車空氣干燥器干燥效能試驗系統(tǒng)中的主要技術參數和性能指標，如表1所示。

2 干燥效能試驗系統(tǒng)設計

基于以上試驗需求分析，設計干燥效能試驗系統(tǒng)的測試管路、高溫高濕高壓模擬氣源和自動可調負載，再根據系統(tǒng)管路設計數據采集與控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)測試管路設計

為保證試驗系統(tǒng)正常運行，該系統(tǒng)應該具有穩(wěn)定干凈且滿足規(guī)定中試驗要求的高溫高濕氣壓源，監(jiān)控氣源的檢測裝置以及控制氣體流向的通斷裝置?；诖嗽O計了汽車空氣干燥器干燥效能試驗系統(tǒng)，管路原理圖如圖1所示。

氣源的進氣壓力設置為1.2MPa，通過電氣比例閥精準控制，為試驗裝置提供高壓氣源。電氣比例閥采用NORGREN系列，量程為0～16bar（1bar=0.1MPa），可以實現氣源氣壓的連續(xù)和無極調節(jié)以保證流量恒定在330～350L/min;進出氣口處安裝有流量傳感器、溫濕度計和氣壓傳感器，用來實現進出氣空氣口流量、溫濕度和氣壓的實時監(jiān)控和采集，流量傳感器采用矽翔MF5000系列氣體流量計，進氣口流量計量程8～800L/min，出氣口流量計量程3～300L/min，準確度1.7%;溫濕度計量程0～100%，準確度0.8%;氣壓傳感器采用HUBA系列傳感器，量程0～16bar，準確度為0.25%，滿足測試需求;旁通電磁閥的目的是允許壓縮空氣連續(xù)流動，幫助保持干燥器進氣口空氣溫度恒定。在加壓期間，該閥關閉，壓縮空氣流過干燥器;在卸壓期間，該閥打開，壓縮空氣流向大氣中[1]。出氣口處的調壓閥采用SMC AR系列，用于實現對出氣口壓力的精準調控。

設計采用50L和100L貯氣筒串聯的方式加大貯氣筒體積，實現貯氣筒內部露點降的控制，分別由氣控閥14、15控制通斷;實時采集露點溫度的露點傳感器采用CS系列，量程-60～20℃，準確度2℃，滿足測試需求;考慮到增加150L體積無法滿足露點降低至17℃的可能，預留了一條支路用于添加其他容積的貯氣筒，由氣控閥16控制通斷;比例流量閥通過控制出氣口空氣流量，在加壓期間模擬一個連續(xù)可調的負載氣容，在卸壓期間控制卸壓時間，確保負載率小于33%。比例流量閥采用DURAY系列DFCV35-02，接口G3/8，操作壓力最高達10bar（1bar=10⁵Pa），氣體流量270L/min，孔徑3mm，滿足測試要求。高溫高濕模擬氣源用來實現進氣口氣源溫濕度的精準調控。

2.2 高溫高濕模擬氣源設計

考慮到將加熱、加濕放在一起對出口空氣的質量控制難度較大，故將模擬氣源的溫濕度分開調控。因空氣含濕量只與溫度相關，采取對空氣加熱處理后再等溫加濕的方式，即加熱到同溫度下的飽和濕空氣和干空氣混合，通過調節(jié)干濕空氣的流量比，來控制所需工作氣體的相對濕度。

混合后氣體的相對濕度為混合氣中所含的水汽壓強與同溫度下飽和水汽壓強之比[7]。假設干氣、飽和氣以及混合氣溫度相同，飽和濕空氣的水蒸氣分壓為P_b，干氣與飽和氣的流量比為χ_wd，則混合后氣體的相對濕度φ為：

基于以上分析，高溫高濕模擬氣源管路設計如圖2所示。

系統(tǒng)包括由加熱裝置、飽和裝置、汽水分離裝置構成的純濕路支路，用于產生一定溫度的飽和濕空氣，由氣控閥1控制通斷;由電動調節(jié)閥、加熱裝置構成的純干路支路，用于產生一定溫度的干空氣，由氣控閥2、3控制通斷;氣控閥4控制兩支路混合狀態(tài)。電動調節(jié)閥8控制干濕空氣流量分配，即溫濕度計22采集混合氣的濕度值，PID反饋電動調節(jié)閥控制干空氣流量，以此建立濕度PID控制回路23，實現對測試氣體濕度的精準調控。

測試氣體在純濕路支路中經加熱裝置A空氣加熱后進入飽和裝置B進行濕熱交換達到飽和，多余的液滴經過汽水分離裝置C去除，溫度傳感器19數據采集當前溫度輸送給工控機，由計算機控制系統(tǒng)內的PID控制算法，將控制信號輸出給加熱裝置提供濕熱交換所需的熱量，形成溫控回路24;純干路支路主要實現空氣加熱，溫度控制通過加熱裝置自身溫控回路25實現。加熱裝置、飽和裝置、汽水分離裝置和混合裝置具體設計如下。

1）加熱裝置設計

加熱裝置采用設計空氣加熱器.如圖3所示。

加熱罐內發(fā)熱元件為電加熱管，不銹鋼304無縫管裝入Cr20Ni80電阻絲，空隙部分填滿氧化鎂粉后縮管而成，電流通過電阻絲向外擴散足夠多的熱量加熱空氣;罐內設置迷宮式折流板，保證空氣充分加熱;罐外加裝厚度≥100mm的保溫層，保證空氣加熱到很高的溫度，殼體溫度≤35℃;加熱器出口處設置出氣溫度測點，采用分度號為PT100的愷裝鉑電阻，用于加熱器溫度的反饋調控。

加熱器設計功率P為[8]：

P=η₁（L×△t）/3000（3）式中：L——送風量，m³/h;

△t——空氣溫升，℃;

η_-——加熱器熱效率（一般取85%）。

按流量傳感器可監(jiān)測的最大進氣口流量600L/min和-50～250℃的工作溫升算得最大加熱功率需3.06kW。

加熱器配置控制箱，用來實現開關電源、溫控、超溫報警等控制;控制箱內設端子排用于連接電加熱管的接線端和溫度傳感器信號線，溫度傳感器采集當前溫度值，通過溫控儀內部PID控制算法反饋給電加熱管，改變其電阻絲的加熱功率實現對加熱溫度的精準控制;控制箱通過485串口連接工控機，實現加熱器的在線調控。

2）飽和裝置設計

通過飽和裝置對加熱處理后的空氣充分加濕，以得到100%的飽和濕空氣。飽和器方案如圖4所示，加熱器提供熱量來源，由水泵提供的高壓水在濕熱交換腔內通過霧化噴頭均勻霧化噴入過量水霧，熱空氣與水霧長時間接觸含濕量增加最終達到飽和。

具體濕熱交換過程涉及的加濕量和熱補償計算如下。

①加濕量計算

濕熱交換腔絕熱，水霧液滴遇到熱空氣后吸熱汽化，空氣溫度降低，二者總焓值不變，屬等焓加濕。其中需噴入過量水霧以保證空氣飽和所需的加濕量。

對質量流量為Q（t），溫度為t的干空氣進行加濕達到飽和，所需的加濕量為[9]：

E（t）=ρ·Q（t）·k·（d₂-d₁）（4）式中：ρ——空氣密度1.2kg/m³;

k——安全系數，取1.1～1.2;

d₁、d₂——加濕前后空氣含濕量，kg/kg。

那么水泵所需達到的噴霧量W則為[9]：

W（t）=E（t）÷η₂（5）其中η_溝為加濕效率，一般取30%～40%[9]。

裝置選用ULKA的EP5電磁泵，平均流量650mL/min，功率48W，工作壓力15bar，試驗表明滿足需求。

②熱補償計算

等焓加濕后濕熱交換腔內空氣溫度降低，需加熱器增加功率（即增加干空氣輸入濕熱交換過程中的熱量），以保證氣體達到飽和的同時滿足測試溫度要求。用PID反饋控制空氣加熱器實現自動匹配濕熱交換所需的熱量補償Q_熱（忽略水霧焓值影響）[10]。

Q_熱=C·M·△T（6）式中：C——空氣的比熱容1.01kJ/（kg·℃）;

△T——加濕前后空氣的溫度差，℃;

M——為空氣質量，kg，可表示為：其中t₀、t是溫度發(fā)生變化前后的時刻，min。

設體積流量為340L/min的空氣在加濕1min前后溫度變化5℃，加熱器需提供的補償熱量為2.06kJ。

3）汽水分離裝置

經加濕處理后的飽和濕空氣，由于溫度或壓力的改變，部分氣態(tài)水分子會轉變?yōu)橐簯B(tài)，以水滴狀態(tài)凝結而從濕空氣中分離出來，因此需將該氣液兩相混合物經過汽水分離裝置，將水滴分離。設計采用離心式汽水分離器，如圖5所示。

大量含水的濕空氣進入汽水分離器，并在其中以離心向下傾斜式運動，夾帶的水份由于速度的降低而被分離出來，被分離出來的液體流入下部經疏水閥排出體外，干燥清潔的飽和氣體從分離器出口排出。閥體材料選用不銹鋼304，進出氣口管徑DN25，疏水口DN15，容量6L，工作壓力1.0MPa，工作溫度最高325℃，分離效率可達99.9%，壓降約為5%。，滿足試驗需求。

4）混合裝置設計

為保證飽和濕空氣和干空氣的均勻混合，首先要使引入的空氣形成良好的主體擴散，即分裂成尺度盡可能小的微團（湍流擴散），以增大接觸面積，然后通過分子擴散完成混合。設計采用靜態(tài)混合器，通過固定在管內的混合單元內件，使二股或多股流體產生切割、剪切、旋轉和重新混合，達到流體之間良好分散和充分混合的目的。結構如圖6所示。

混合單元是由一定規(guī)格的波紋板組裝而成的圓柱體，最高分散程度1～2μm，混合不均勻度系數≤5%，能夠滿足干空氣與飽和濕空氣氣液兩相流的均勻混合，其單位長度的壓力降△P為[11]：式中：ρ_c——工作條件下混合氣密度，kg/m³;

u——混合氣工作條件下流速，m/s;

L——靜態(tài)混合器長度，m;

dh——水力直徑，mm。

設計L=1000mm，dh=5mm，管徑100mm的靜態(tài)混合器，混合氣流量按340L/min，密度取1.2kg/m³，可算得△P為6.976Pa，壓力損失小，能夠滿足試驗需求。

2.3 自動可調負載控制

基于比例流量閥控制設計的自動可調負載主要用于在干燥效能試驗加壓期間實現貯氣筒體積的連續(xù)增大，卸壓期間實現對負載率小于33%的精準控制。

1）負載氣容

加壓過程中，比例流量閥通過控制出氣口流量來模擬一個容量大于固定容積貯氣筒的負載氣容V_i滿足體積的加大，可通過對進氣口流量進行加壓時間的積分計算：式中：Q_a（t）加壓時進氣口流量;

t₁——回座壓力（干燥器一個循環(huán)加壓開始）的時刻;

t₂——切斷壓力（干燥器一個循環(huán)加壓結和的時刻。

對于反吹式干燥器，反吹體積根據產品性能計算：式中：P_切——干燥器切斷壓力;

P_吹——干燥器反吹壓力;

V_吹——反吹容積;

P_c——標準大氣壓。

那么干燥能力，即干燥器一個循環(huán)所處理的干燥體積V_D為：

V_D=V_i-V_P（11）

2）負載率控制

在卸壓過程中比例流量閥控制出氣口氣體以較小的流量流向大氣，延長卸壓時間，實現卸壓時間為加壓時間的兩倍以上。

①加壓時間計算

設干燥器在進出氣口流量恒定的理想狀態(tài)下，以P=（140±10）kPa的壓差向固定容積貯氣筒Vo加壓，那么一個循環(huán)所處理的標況體積V為：式中：Q_a——加壓時進氣口流量值;

Q_b——加壓時出氣口流量值;

t₀——一個循環(huán)加壓時間。

其中貯氣筒加大的體積AV滿足：

△V=Q_bt₀（13）

結合公式（12）、式（13）可得加壓時間to：

②卸壓時間計算

設干燥器在出氣口流量恒定的理想狀態(tài)下以P=（140±10）kPa的壓差卸壓，一個循環(huán)所排出的標況體積V為：式中：Q_b'——卸壓時出氣口流量值：

t₁——個循環(huán)卸壓時間。

則可得卸壓時間t，：

為保證負載率小于33%，需21₀≤t₁，即：

可得卸壓時出氣口流量的控制公式為：

當△V=0時，即加壓過程中出氣口流量Q_b=O，固定容積貯氣筒最小取V_0min=33L，壓差取P=140kPa，則根據式（14）可算得最快加壓時間t_0min=8.07s，根據式（18）可得卸壓時出氣口流量Q_b'控制不得高于170L/min。

③負載容量計算

當V₀=33L，Q_b=0時，負載氣容容量最小，壓差取P=140kPa，則最小容量為：

由于出氣口設置的流量傳感器量程為3-300L/min，即加壓過程中允許泄露的最大流量Q_bmax=300L/min，固定容積貯氣筒最大體積取V_0max=33+50+100=183L，壓差取P=140kPa，則根據式（14）可算得最長加壓時間t_0max=6-34min，此時負載氣容容量最大，最大容量為：

所以負載氣容的容量范圍為45.7～2156.14L。

2.4 數據采集控制系統(tǒng)設計

數據采集控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構成，結構原理圖如圖7所示。

數據采集卡通過接線端子板、功率放大板以及調理電路、轉換電路與系統(tǒng)中的氣壓傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、露點計、溫濕度計、操作按鈕等進行數據交換。PCI-1716采集傳感器、操作按鈕等輸出的AI，DI信號，送交工控計算機分析處理，并同PCI-1730輸出AO信號給電氣比例閥、比例流量閥，DO信號給氣控閥，控制測試氣路狀態(tài)，從而實現測試過程，DO信號同時控制指示燈進行聲光報警以及不合格提示。

軟件部分負責協調各個硬件模塊，處理數據以及人機交互。基于LabVIEW平臺，采用模塊化設計，將不同的功能模塊分裝成獨立的子VI，主程序通過靜態(tài)連接或動態(tài)加載的方式調用子VI。根據軟件功能需求分析，設計的系統(tǒng)軟件分為6個模塊，分別為主程序模塊、參數配置模塊、數據采集模塊、性能測試模塊、數據處理模塊、報表生成模塊。

3 試驗結果分析及不確定度評定

3.1 試驗結果

選取一個內置反吹的干燥器總成樣品A連接到圖1所示的試驗裝置上進行長時間測試，共測試10次，其中1次測試詳情如下。

啟動高溫高濕模擬氣源系統(tǒng)，待測試氣體達到進氣口試驗要求后，干燥器以（140±10）kPa加壓和卸壓，使出氣口壓力在680～840kPa范圍內進行周期性循環(huán)，壓力、流量、溫濕度變化曲線如圖8所示。

試驗結果顯示，當樣品循環(huán)至58周期時露點溫度基本穩(wěn)定下來，測試穩(wěn)定露點降為24℃，此時貯氣筒的標況體積為45.7L;調節(jié)比例流量閥電壓系數為4，出氣口流量為137L/min，加大的體積AV為30.8L，此狀態(tài)下循環(huán)至147周期露點降穩(wěn)定在22℃;繼續(xù)調整電壓系數為4.2，出氣口流量為144L/min，AV為33.61L，循環(huán)至350周期露點降基本穩(wěn)定在17℃，此時反吹體積為18.2L，干燥體積V_D為64.64L，干燥效率按式（1）計算得78.03%，測試結束。試驗過程中露點降變化調整圖如圖9所示。

3.2 試驗結果分析

同一個干燥器一次測試過程中，負載氣容體積與露點降成反比，即負載氣容體積增大，露點降下降，反之上升。通過加壓期間調節(jié)比例流量閥控制出氣口流量實現對負載氣容體積的連續(xù)可調，進而實現對露點降的控制。

同一個干燥器進行多次測試過程中，初始露點降每一次測試時并不相同，不能確定其值，達到目標露點降增加的體積也有所不同，比例流量閥的調整依試驗時露點降情況而定。因此，只記錄對調整后露點降穩(wěn)定在17℃時的最終數據進行結果分析。試驗數據如表2所示。

樣品A的10次測試反吹體積標準差s（V_P）為0.37L，干燥體積標準差s（V_D）為1.77L，干燥效率標準差為0.77%，均在合理偏差范圍內。試驗結果表明，隨著測試次數的增加，樣品的干燥能力及干燥效率呈下降趨勢，原因是每測試一次，樣品內部的分子篩都要對濕空氣進行脫水干燥，增加了分子篩內部的含水量，使得干燥性能有所下降。多次試驗表明，樣品A的干燥能力滿足產品設計要求，干燥效率不低于70%，產品合格。

3.3 不確定度評定

由干燥體積和反吹體積測量重復性引起的標準不確定度u₁，u₂用A類方法評定。

數據采集卡、傳感器等引起的不確定度使用B類方法評定。查閱相關資料可得[12-16]，氣壓傳感器的標準不確定度分量u₃約為0.036MPa，數據采集卡對氣壓采集系統(tǒng)造成的標準不確定度分量u₄約為0.006MPa;溫度傳感器的標準不確定度分量u，約為0.021℃，濕度傳感器的標準不確定度分量u₆約為0.0195%，流量傳感器的標準不確定度分量u₇約為0.014L/min，露點計的標準不確定度分量u₈約為0.029℃。

系統(tǒng)測量合成標準不確定度u_c為：

由此可知，該設備試驗不確定度小于0.05，重復性好，滿足實驗要求。

4 結束語

根據汽車制動系統(tǒng)行業(yè)標準，本文設計了國內首臺自動化汽車空氣干燥器干燥效能試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠成功產生壓力可控0～1.6MPa、室溫～80℃溫度可調、相對濕度0～100%可控的高溫高濕高壓測試氣源，滿足干燥效能的測試要求;設計容量45.7～2156.14 L連續(xù)自動可調負載氣容實現對露點降及負載率的控制，確保汽車空氣干燥器干燥效能試驗的完成。計算機全過程實時控制與測量，高效、智能、便捷。試驗結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測試數據可靠，已成功投入企業(yè)中使用。

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（編輯：劉楊）