Автоматизация испытаний изделий на герметичность


Н. И. ЖЕЖЕРА









АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ

Учебное пособие

4-е издание











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 681.5:620.165.29.008.6 (075.8)
ББК 32.965я7
     Ж47






Р е ц е н з е н т ы :

кафедра систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор Н. 3. Султанов);
заведующий кафедрой промышленной автоматики Уфимского государственного авиационного технического университета доктор технических наук, профессор Н. И. Тюков








     Жежера, Н. И.
Ж47 Автоматизация испытаний изделий на герметичность : учебное пособие / Н. И. Жежера. - 4-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 552 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0518-8

      Приведен анализ устройств для испытания изделий на герметичность и показаны разработанные способы, устройства и производственные линии автоматизированных испытаний изделий на герметичность. Рассматриваются теоретические положения по расчету и моделированию динамических свойств измерительных элементов, устройств как объектов автоматического управления, исполнительных устройств и цифровых САУ, обеспечивающих автоматизированный контроль герметичности изделий. Установленные положения являются основой проектирования автоматизированных систем испытаний с контролем герметичности изделий по утечкам пробной среды.
      Для аспирантов и студентов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.04, 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также для научных работников и инженеров при проектировании автоматизированных систем испытаний изделий на герметичность.

УДК 681.5:620.165.29.008.6 (075.8)
                                          ББК 32.965я7




ISBN 978-5-9729-0518-8

© Н. И. Жежера, 2020
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

Содержание


Введение...................................................16
1  Методы, способы и устройства испытаний изделий на герметичность..............................................21
1.1 Изделия, испытываемые на герметичность на промышленных предприятиях...............................................21
1.2 Методы испытаний на герметичность изделий..............24
1.3 Применяемость методов испытаний изделий на герметичность.29
1.4 Способы и устройства контроля герметичности изделий....30
1.4.1 Контроль герметичности изделий по давлению...........30
1.4.2 Контроль герметичности изделий по разности давлений..34
1.4.3 Контроль герметичности при равенстве давлений в испытываемом изделии и эталонной емкости...................41
1.4.4 Контроль герметичности изделий по визуально наблюдаемым цветным газообразным средам.................................45
1.4.5 Контроль герметичности изделий газоанализаторами химического состава газов...................................47
1.4.6 Контроль герметичности изделий при погружении в жидкость..49
1.4.7 Течеискатели, используемые при испытаниях изделий на герметичность...........................................50
1.4.7.1 Газоструйные течеискатели..........................50
1.4.7.2 Масс-спектрометрические течеискатели...............56
1.5 Примеры технологических схем испытаний на герметичность изделий....................................................60
1.6 Взаимосвязь объектов испытаний на герметичность с устройствами контроля и управления систем испытаний изделий....................................................63
2  Статистические исследования герметичности изделий.......65
2.1 Паспортизация неплотностей автотракторных теплообменников при испытаниях на герметичность............................65
2.1.1 Методика проведения паспортизации неплотностей соединений теплообменников при испытаниях на герметичность в условиях массового производства.............65
2.1.2 Основные виды неплотностей теплообменников, влияющих на герметичность...................................67
2.1.3 Утечки сжатого воздуха через неплотности теплообменников при испытаниях на герметичность в условиях серийного производства...............................................68

3

2.1.4 Построение гистограмм эмпирического распределения утечек воздуха при испытаниях на герметичность сердцевин теплообменников и теплообменников в сборе................69
2.1.5 Определение основных статистических параметров утечек воздуха при испытаниях на герметичность сердцевин теплообменников и теплообменников в сборе................70
2.2 Статистические исследования причин негерметичности предохранительных и перепускных клапанов гидравлических систем...................................................81
2.2.1 О случайности расхождения между средними значениями износа перепускных и предохранительных клапанов..........81
2.2.2 Исследование величины и ориентации эксцентриситетов сопряжений клапан-седло предохранительных и перепускных клапанов.................................................88
2.2.3 Определение статистических параметров максимальных значений износа деталей клапанов.........................93
3  Основы теории и совершенствование методов, способов и устройств испытаний изделий на герметичность...........95
3.1 Основы теории и совершенствование пузырькового метода и устройств испытаний изделий на герметичность.............95
3.1.1 Базовый пузырьковый метод с камерным способом реализации испытаний изделий на герметичность............95
3.1.2 Математическое описание статических характеристик устройств пузырькового камерного способа испытаний изделий на герметичность.................................96
3.1.2.1 Влияние диаметра барботажной трубки пузырьковой камеры на потери давления на трение при движении в ней жидкости...........................................96
3.1.2.2 Изменение лапласовского давления от поверхностного натяжения жидкости на срезе барботажной трубки в зависимости от ее диаметра.............................97
3.1.2.3 Потери давления на формирование пузырьков сжатого воздуха на срезе барботажной трубки......................98
3.1.2.4 Влияние диаметра барботажной трубки на размер формируемых пузырьков сжатого воздуха в жидкости пузырьковой камеры.......................................103
3.1.2.5 Влияние типа жидкости в пузырьковой камере на размер формируемых пузырьков сжатого воздуха....................108

4

3.1.3 Математическое описание динамических свойств устройств пузырькового камерного способа испытаний изделий на герметичность............................................109
3.1.3.1 Модель устройства, содержащего пузырьковую камеру и герметичное изделие.......................................109
3.1.3.2 Модель устройства, содержащего пузырьковую камеру и изделие с микрощелью....................................116
3.1.3.3 Модель устройства, содержащего эталонную емкость, пузырьковую камеру и изделие с микрощелью.................119
3.1.4 Совершенствование газового пузырькового камерного метода автоматизированного контроля герметичности изделий..................................................127
3.1.4.1 Совершенствование технологического процесса испытаний изделий на герметичность газовым пузырьковым методом.......................................127
3.1.4.2 Использование гидравлического затвора в устройствах испытаний изделий пузырьковым камерным методом............129
3.1.4.3 Выбор геометрических размеров эталонной емкости при испытаниях изделий пузырьковым камерным методом...........132
3.1.4.4 О пороге чувствительности пузырькового камерного метода....................................................136
3.2 Сравнительная оценка течения газа через микрощели изделий систем испытаний на герметичность.........................139
3.2.1 Определение избыточного давления в микрощелях изделий, погружаемых в индикаторную жидкость, от воздействия поверхностного натяжения жидкости........................139
3.2.2 Расход сжатого воздуха через микрощели изделий в атмосферу..............................................141
3.2.3 Расход сжатого воздуха через микрощели изделий в воздушную камеру с избыточным давлением.................147
3.2.4 Влияние температуры сжатого воздуха и температуры изделия на расход воздуха через микрощели изделия в атмосферу..............................................149
3.2.5 Влияние температуры сжатого воздуха, жидкости и поверхности изделия на расход воздуха через микрощели изделия в жидкость.............................152
3.3 Основы теории и совершенствование манометрического метода и устройств с горизонтальной трубкой испытаний изделий на герметичность.............................................154

5

3.3.1 Базовый способ реализации манометрического метода испытаний изделий с использованием горизонтальной трубки....................................................154
3.3.2 Определение максимального диаметра горизонтальной трубки с жидкостным поршнем...............................156
3.3.3 Определение касательного напряжения в ламинарном пограничном слое горизонтальной трубки с жидкостным поршнем...................................................159
3.3.4 Математическое моделирования расхода газа через горизонтальную трубку при испытаниях изделий на герметичность..............................................163
3.3.5 Проводимость и гидравлическое сопротивление горизонтальной трубки систем испытаний изделий.............166
3.3.6 Статические погрешности контроля герметичности изделий горизонтальной трубкой по утечкам газа и выбор объема эталонной емкости.........................................168
3.3.7 Возможные перемещения жидкостного поршня в горизонтальной трубке в установившемся режиме при испытаниях изделий различных классов герметичности.........169
3.3.8 Время запаздывания перемещения жидкостного поршня в горизонтальной трубке при контроле герметичности изделий...................................................172
3.3.9 Динамические погрешности контроля герметичности изделий устройством с горизонтальной трубкой по утечкам газа..............................................174
3.3.10 Оценка динамических погрешностей контроля герметичности изделий при изменении параметров устройства с горизонтальной трубкой.......................176
3.3.11 Определение объема утечек газа из изделия, которые вызывают начальное движение жидкостного поршня в горизонтальной трубке, преодолевая поверхностное натяжение жидкости........................................182
3.3.12 Испытания на герметичность изделий устройством с горизонтальной трубкой с жидкостным поршнем и гидравлическим затвором...................................184
3.4 Метод автоматизированного контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды............................................186

6

3.4.1 Дифференциальное уравнение движения жидкостного поршня в горизонтальной трубке...........................186
3.4.2 Исследование передаточной функции движения жидкостного поршня в горизонтальной трубке...............191
3.4.3 Исследование влияния поверхностного натяжения различных жидкостей и сил вязкого трения на перемещение жидкостного поршня в горизонтальной трубке...................................................201
3.4.4 Исследование влияния перепада давлений на жидкостном поршне от утечек газа из изделия, который меньше по значению, чем перепад давлений, создаваемый поверхностным натяжением жидкости........................213
3.4.5 Движение жидкостного поршня в горизонтальной трубке без учета инерционных сил и силы вязкого трения..............220
3.4.6 Контроль герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды в устройстве испытаний................................................224
3.5 Основы теории и совершенствование манометрического метода и устройств с дифференциальным манометром испытаний изделий на герметичность.......................228
3.5.1 Типовая схема испытаний изделий на герметичность с использованием дифференциальных манометров...............228
3.5.2 Выбор объема эталонной емкости при испытаниях изделий газом с использованием дифманометров.............229
3.5.3 Разработка способа и устройств испытаний изделий на герметичность с использованием изменяемых дополнительных емкостей..................................233
3.5.4 Разработка устройств испытаний изделий на герметичность без их разгерметизации...................................237
3.6 Основы теории и совершенствование гидростатического метода и устройств испытаний изделий на герметичность....239
3.6.1 Базовый гидростатический метод испытаний изделий на герметичность............................................239
3.6.2 Разработка пузырькового камерного способа реализации гидростатического метода.................................240
3.6.2.1 Пузырьковый камерный способ реализации гидростатического метода при равенстве давлений пробной жидкости и индикаторного газа....................240

7

3.6.2.2 Пузырьковый камерный способ реализации гидростатического метода при неравных давлениях пробной жидкости и индикаторного газа....................242
3.6.2.3 Выбор геометрических размеров эталонной емкости при испытаниях изделий жидкостью пузырьковым камерным способом.................................................243
3.6.3 Совершенствование гидростатического метода испытаний изделий на герметичность с использованием
     дифманометра........................................245
3.6.3.1 Основные причины, препятствующие применению гидростатического метода испытаний изделий на герметичность с использованием дифманометра...............245
3.6.3.2 Разработка эталонной емкости и выбор ее геометрических размеров при испытаниях изделий жидкостью с использованием дифманометра..............................247
3.6.3.3 Испытания изделий на герметичность жидкостью с использованием эталонной емкости и дифманометра с возвратом его показаний в исходное положение..............251
3.7 Разработка и исследование устройств испытаний изделий на герметичность перегретым водяным паром................254
3.7.1 Устройства испытаний изделий на герметичность по наличию водяного пара в окружающем воздухе...............254
3.7.2 Исследование измерительного преобразователя водяного пара в окружающем изделие пространстве...................256
3.7.3 Исследование чувствительности прибора обнаружения водяного пара в воздухе, окружающем изделие..............257
3.8 Разработка устройств испытаний изделий на герметичность с использованием излучателей света.......................258
3.9 Разработка и исследование устройств дегазации пробной жидкости автоматизированных систем испытаний.............260
3.9.1 Акустический деаэратор.............................260
3.9.2 Экспериментальные исследования дегазации жидкости под воздействием ультразвуковых колебаний................262
4  Математическое моделирование устройств и процессов
  испытаний на герметичность как объектов автоматического управления.............................264
4.1 Устройства, содержащие пневматическую емкость и регулирующий клапан на входе газа в емкость...............265

8

4.2 Устройства, содержащие пневматическую емкость и клапаны на входе и выходе газа из емкости........................270
4.3 Математическое моделирование газожидкостных устройств испытаний на герметичность изделий как объектов автоматического управления по давлению газа..............275
4.4 Математическое моделирование газожидкостных устройств испытаний изделий на герметичность как объектов автоматического управления по уровню жидкости............290
4.4.1 Математическое моделирование газожидкостных устройств как объектов автоматического управления по уровню жидкости с учетом расходов газа и жидкости................290
4.4.2 Варианты математического моделирования газожидкостных устройств как объектов автоматического управления по уровню жидкости с учетом расхода жидкости.................297
4.4.2.1 Заполнение емкости газожидкостного устройства жидкостью от нулевого уровня до заданного или максимального значения...................................298
4.4.2.2 Снижение уровня жидкости в изделии от верхнего до нижнего значения......................................300
4.5 Математическое моделирование динамики изделий, испытываемых на герметичность перегретым водяным паром, как объектов автоматического управления...........304
4.6 Методика анализа технологических и конструктивных параметров газа и устройств испытаний изделий на герметичность как объектов автоматического управления....313
4.7 Обобщение мероприятий по математическому моделированию объектов управления автоматизированных систем испытаний изделий на герметичность................319
5  Методы повышения ресурса герметичности клапанных устройств автоматизированных систем испытаний.............320
5.1 Математическое описание воздействия рабочей жидкости на детали сопряжения клапан-седло предохранительных и регулирующих клапанов..................................320
5.2 Теоретический анализ влияния эксцентриситета в сопряжении клапан-седло на работу и гидравлическую плотность предохранительных клапанов...............................338
5.3 Экспериментальные исследования влияния эксцентриситета в сопряжении клапан-седло на работу и гидравлическую плотность предохранительных клапанов.....................342

9

5.4 Теоретические положения о влиянии упругой емкости на работу клапанов гидравлических систем.................346
5.5 Установка для ресурсных испытаний на герметичность клапанов гидравлических систем...........................357
5.6 Экспериментальные исследования влияния упругой емкости на работу клапанов гидравлических систем.................359
5.7 Экспериментальные исследования работы предохранительных клапанов в автоколебательном режиме......................364
5.8 Экспериментальные исследования герметичности предохранительных и перепускных клапанов гидравлических систем...................................................367
5.8.1 Исследование герметичности сопряжения перепускной клапан-седло в переходном режиме..........................367
5.8.2 Исследование герметичности сопряжения перепускной клапан-седло в режиме перегрузки..........................368
5.8.3 Исследование герметичности перепускных клапанов в переходном режиме и режиме перегрузки....................370
5.8.4 Исследование герметичности предохранительных клапанов в автоколебательном режиме предохранения..................371
5.8.5 Исследование герметичности предохранительных клапанов в режиме обычного предохранения...........................371
6  Измерительные преобразователи и исполнительные устройства автоматизированных систем испытаний изделий
  на герметичность........................................378
6.1 Емкостные измерительные преобразователи систем испытаний изделий на герметичность.................................378
6.1.1 Расположение емкостных измерительных
     преобразователей в устройствах испытаний изделий на герметичность....................................378
6.1.2 Вывод исходных уравнений емкостного измерительного преобразователя систем испытаний изделий..................379
6.1.3 Чувствительность емкостного измерительного преобразователя...........................................382
6.1.4 Коэффициент чувствительности емкостного измерительного преобразователя и влияние на него различных жидкостей.......................................383
6.1.5 Суммарная погрешность емкостного измерительного преобразователя...........................................385

10

6.1.6 Передаточная функция емкостного измерительного преобразователя..........................................387
6.2 Контактные измерительные преобразователи систем испытаний изделий на герметичность........................388
6.3 Разработка и расчет исполнительных устройств систем автоматического управления (САУ) амплитудой возмущений давления пробной среды...................................389
6.3.1 Электрическое моторное исполнительное устройство...389
6.3.2 Электромагнитные сильфонные исполнительные устройства...............................................391
6.3.3 Дифференциальное уравнение давления в сильфонном регулирующем органе при перемещении его подвижной части....................................................394
6.3.4 Дифференциальное уравнение давления в сильфонном регулирующем органе, соединенном с изделием..............395
6.3.5 Дифференциальное уравнение давления в сильфонном регулирующем органе, соединенном с изделием, горизонтальной трубкой и эталонной емкостью..............396
6.3.6 Перемещение жидкостного поршня в горизонтальной трубке в зависимости от перемещения подвижного торца сильфона регулирующего органа, соединенного с изделием, горизонтальной трубкой и эталонной емкостью..............398
6.3.7 Выбор сильфона для исполнительного устройства САУ амплитудой периодических возмущений давления пробной среды....................................................401
6.3.8 Выбор электромагнита исполнительного устройства
     САУ амплитудой периодических возмущений давления.....403
6.3.9 Передаточная функция электромагнита исполнительного устройства САУ амплитудой периодических возмущений давления.................................................407
7  Разработка систем автоматизированного контроля герметичности изделий.....................................410
7.1 Принципы управления и построения автоматизированных систем испытаний изделий на герметичность.................410
7.2 Системы автоматизированного контроля герметичности изделий с использованием САУ с электрическим моторным исполнительным устройством...............................415

11

7.2.1 Система автоматизированного контроля герметичности изделий газом с использованием САУ с электрическим моторным исполнительным устройством и пузырьковой камеры...................................................415
7.2.2 Система автоматизированного контроля герметичности изделий газом с использованием САУ с электрическим моторным исполнительным устройством
     и горизонтальной трубки.............................419
7.2.3 Система автоматизированного контроля герметичности изделий газом с использованием САУ с электрическим моторным исполнительным устройством
     и дифманометров.....................................423
7.2.4 Система автоматизированного контроля герметичности изделий жидкостью с использованием САУ с электрическим моторным исполнительным устройством, дифманометров и пузырьковой камеры.......................425
7.3 Системы автоматизированного контроля герметичности изделий с использованием САУ с электромагнитным сильфонным исполнительным устройством....................428
7.3.1 Система автоматизированного контроля герметичности изделий газом с использованием САУ с электромагнитным сильфонным исполнительным устройством и горизонтальных трубок...................................................428
7.3.2 Система автоматизированного контроля герметичности изделий жидкостью с использованием САУ с электромагнитным сильфонным исполнительным устройством и горизонтальных трубок......................433
7.3.3 Система автоматизированного контроля герметичности изделий газом с использованием САУ
     с электромагнитным сильфонным исполнительным устройством и пузырьковой камеры....................434
7.3.4 Система автоматизированного контроля герметичности изделий жидкостью с использованием САУ с электромагнитным сильфонным исполнительным устройством и пузырьковой камеры.........................436
8 Синтез систем автоматического управления амплитудой периодических возмущений давления пробной среды при контроле герметичности изделий............................438

12

8.1 Синтез систем автоматического управления амплитудой периодических возмущений давления пробной среды при контроле герметичности изделий с использованием горизонтальной трубки....................................439
8.1.1 Функциональная и структурная схемы САУ амплитудой периодических возмущений давления пробного газа при контроле герметичности изделий устройствами с горизонтальной трубкой...................................439
8.1.2 Передаточная функция управляемого процесса САУ амплитудой периодических возмущений давления пробного газа при контроле герметичности изделий устройствами с горизонтальной трубкой.................................446
8.1.3 Построение частотных характеристик управляемого процесса и выбор передаточной функции регулятора САУ амплитудой периодических возмущений давления газа при контроле герметичности изделий устройствами с горизонтальной трубкой..................................................455
8.1.4 Переходные характеристики САУ амплитудой периодических возмущений давления газа с выбранным регулятором при контроле герметичности изделий устройствами с горизонтальной трубкой....................463
8.1.5 Частотные характеристики САУ амплитудой периодических возмущений давления газа с выбранным регулятором при контроле герметичности изделий устройством с горизонтальной трубкой...................................475
8.1.6 Реализация выбранного дискретного регулятора для САУ амплитудой возмущений давления пробной среды в виде импульсного RC-фильтра....................................480
8.1.7 Установившиеся ошибки САУ амплитудой периодических возмущений давления газа с выбранным регулятором при контроле герметичности изделий устройствами с горизонтальной трубкой...................................482
8.2 Анализ САУ амплитудой возмущений уровня жидкости в барботажной трубке устройства контроля герметичности изделий с пузырьковой камерой............................484
8.2.1 Влияние коэффициентов дискретного ПИД регулятора на переходные характеристики САУ амплитудой возмущений уровня жидкости в барботажной трубке при периоде возмущений Т =2 с........................................484

13

8.2.2 Влияние коэффициентов дискретного ПИ регулятора на переходные характеристики и устойчивость САУ амплитудой возмущений уровня жидкости в барботажной трубке при периоде возмущений Т =3 с................................486
8.2.3 Влияние коэффициентов дискретных ПИ и ПИД регуляторов на переходные характеристики САУ амплитудой возмущений уровня жидкости в барботажной трубке при периоде возмущений Т=10 с.......................................487
8.2.4 Корневые годографы САУ амплитудой возмущений уровня жидкости в барботажной трубке при периоде возмущений
     Т = 2 с и дискретным П или ПИ регулятором...........492
8.2.5 Реализация дискретных ПИ и ПИД регуляторов для САУ амплитудой возмущений уровня жидкости в барботажной трубке в виде импульсных RC-фильтров.....................494
8.2.6 Реализация на ЭВМ дискретных ПИ и ПИД регуляторов для САУ амплитудой возмущений уровня жидкости в барботажной трубке......................................496
8.2.7 Логарифмические частотные характеристики дискретной САУ амплитудой возмущений уровня жидкости в
     барботажной трубке с П или ПИ регулятором...........497
9  Экспериментальные исследования автоматизированного контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды......................500
9.1 Лабораторная установка автоматизированного контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды..................................500
9.2 Лабораторные исследования автоматизированного контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды...................................502
10 Автоматизированные линии и участки испытаний изделий на герметичность.........................................514
10.1 Автоматизированные линии непрерывного и периодического действия испытаний на герметичность автотракторных теплообменников с использованием устройств с пузырьковой камерой.................................................514
10.2 Автоматизированные линии испытаний на герметичность автотракторных теплообменников с использованием перегретого водяного пара и датчика обобщенного или локального обнаружения пара в воздухе...................518

14

10.3 Автоматизация акустического деаэратора для дегазации пробной жидкости........................................522
10.4 Испытания на герметичность железнодорожных цистерн.523
10.5 Мероприятия по применению микропроцессорных устройств управления при автоматизации испытаний изделий на герметичность...........................................526
10.6 Алгоритм автоматизации процессов испытаний изделий на герметичность........................................532
Основные результаты и выводы работы....................537
Список использованных источников.....................541-550

15

Введение


      Одним из основных направлений научно-технического прогресса является создание и внедрение в производство новых технологических процессов и более совершенных машин и оборудования.
      Полые изделия имеют широкое применение в различных отраслях народного хозяйства: машиностроении, химической, нефтегазовой, пищевой и на подвижных объектах. К полым изделиям относятся трубопроводы для транспортирования рабочих сред и стационарные сосуды различного давления и назначения на промышленных предприятиях, сосуды на подвижной технике, например: автомобильные и тракторные баки для топлива или минерального масла и автотракторные теплообменники, теплообменники в системах отопления и вентиляции, баллоны для сжиженного кислорода, ацетилена или гелия, железнодорожные углеводородные или другого назначения цистерны, запорная и предохранительная арматура, например: вентили, задвижки, шаровые краны и предохранительные клапаны.
      Полые изделия в процессе производства и эксплуатации подвергаются испытаниям на герметичность. Эти испытания сопровождаются тяжелыми условиями труда и недостаточной точностью контроля герметичности. Требования к изделиям по точности контроля герметичности возрастают и для многих типов изделий нормируются государственными стандартами или отраслевыми нормалями.
      Испытания на герметичность изделий является одной из проблем науки и техники. В условиях производства почти полностью отсутствуют апробированные установки и устройства автоматизированных испытаний на герметичность изделий серийного изготовления. Фактически каждое предприятие такие установки проектирует и изготавливает самостоятельно. В научно-технической литературе отсутствуют результаты теоретических и экспериментальных исследований по проектированию устройств и систем для испытаний на герметичность изделий, выбору рациональных соотношений элементов устройств, по методике проведения и оценки испытаний изделий на герметичность.
     Испытания изделий на герметичность во многих случаях проводят путем подвода в изделие сжатого воздуха и погружения изделия в резервуар с водой. По выходящим из изделия в воду пузырькам сжатого воздуха делают заключение о герметичности изделия. В других случаях, например при испытаниях железнодорожных цистерн, вода

16

подается внутрь ее. Однако, как установлено теоретическими и экспериментальными исследованиями, при таком контроле герметичности изделий не могут быть обнаружены микрощели с условным диаметром менее 2,42 мкм при подводе сжатого воздуха внутрь изделия под давлением, равным 0,12 МПа.
      Связано это с возникновением гидравлического затвора в микрощелях от воздействия поверхностного натяжения жидкости и гидростатического давления столба воды. Поэтому в эксплуатацию могут поступать изделия с микрощелями. Причем испытания изделий на герметичность производятся при статических давлениях, а в реальных условиях большинство изделий работают при знакопеременных нагрузках, и утечки через микрощели существенно интенсифицируются.
     В книге обобщен опыт работы автора по разработке и исследованию способов и устройств автоматизированных испытаний на герметичность изделий. В первом разделе приводится анализ литературных источников по испытаниям на герметичность изделий, рассмотрены виды изделий и методы их испытаний, оборудование и технологии, используемые на предприятиях различных отраслей промышленности при испытаниях изделий на герметичность.
     При проектировании автоматизированных систем испытаний на герметичность изделий, например, в условиях серийного производства или эксплуатации необходимо иметь предварительные данные о количестве негерметичных изделий, причинах возникновения и сложности устранения негерметичности изделий. Поэтому во втором разделе приведены результаты статистических исследований и паспортизации неплотностей автотракторных теплообменников при испытаниях на герметичность в условиях производства и предохранительных и перепускных клапанов гидравлических систем испытаний, поступающих в ремонт после потери работоспособности в условиях эксплуатации.
     В третьем разделе отражается развитие теории и совершенствование методов, способов и устройств автоматизированного контроля герметичности изделий при испытаниях пузырьковым, манометрическим и гидростатическим методами. На основе математических моделей проведена сравнительная оценки расхода газа или подогретого газа через микрощели в атмосферу, жидкость или подогретую жидкость, выявлены диапазоны применимости и причины неудовлетворительной работоспособности существующих устройств

17

контроля герметичности, проведено их усовершенствование применительно к автоматизированным системам контроля герметичности. Разработан принцип получения информации и автоматизированного контроля герметичности изделий при периодических возмущениях контролируемого или взаимосвязанного параметра в устройстве испытаний.
     Для пузырькового метода с камерным дифференциальным способом реализации применительно к автоматизированному контролю герметичности изделий исследованы чувствительность и производительность процесса испытаний в зависимости от конструктивных параметров и режимов работы пузырьковой камеры, габаритных размеров и состояния испытываемого изделия, объема эталонной емкости и характеристик жидкости, находящейся в пузырьковой камере. Рассмотрен процесс начальной настройки автоматизированных испытательных устройств путем дросселирования части газа из изделия и сообщения периодических возмущений давления газа в устройстве в процессе испытаний изделий.
     Для манометрического метода испытаний изделий с компрессионным способом реализации с использованием горизонтальной трубки с жидкостным поршнем исследованы: влияние диаметра горизонтальной трубки на формирование жидкостного поршня в ней и касательные напряжения в ламинарном пограничном слое жидкости; расход газа через горизонтальную трубку, ее проводимость и гидравлическое сопротивление; статические погрешности контроля герметичности по утечкам газа и выбор объема эталонной емкости; время запаздывания; оценка динамической погрешности контроля герметичности по утечкам газа с учетом накопления отклонений при контроле; расход газа и уравнения движения жидкостного поршня в горизонтальной трубке; соотношения для устройства испытаний изделий с использованием изменяемых дополнительных емкостей.
     Для гидростатического метода испытаний изделий на герметичность разработаны новые способы реализации гидростатического метода испытаний изделий на герметичность, позволяющие автоматизировать процессы испытаний: пузырьковый камерный, дифференциальный с использованием эталонной емкости, заполненной жидкостью и присоединенной к упругой емкости, заполненной газом, и способ испытаний изделий с использованием перегретого водяного пара. Разработаны соотношения по выбору геометрических разме

18

ров эталонных емкостей, присоединенных камер и упругих емкостей при равных или не равных давлениях пробной жидкости и индикаторного газа.
     В четвертом разделе рассматриваются математические описания основных типовых устройств систем испытаний на герметичность как объектов автоматического управления. Математическое описание объектов автоматического управления, например, работающих на жидкости, рассмотрено с учетом поступления в объект газожидкостной смеси с различным соотношением газовой и жидкостной фаз. Такой теоретический подход позволяет с единых позиций рассматривать большое многообразие изделий, испытываемых на герметичность, как объектов автоматического управления, работающих на газообразной, жидкостной или газожидкостной среде, при проектировании автоматизированных систем испытаний. Полученные дифференциальные уравнения устанавливают взаимосвязь основных технологических и конструктивных параметров объектов управления и особенно отражают взаимосвязь и взаимовлияние уровня жидкости и давления газовой среды в объекте. Разработана математическая модель прогрева изделия перед его испытаниями на герметичность перегретым водяным паром.
     В пятом разделе рассмотрены методы и их математические обоснования, направленные на повышение ресурса герметичности и качества работы элементов автоматизированных систем испытаний на примерах гидравлических затворов, регулирующих и предохранительных клапанных устройств. Проведено математическое моделирование распределения давления в сопряжениях клапан-седло в зависимости от приложенного перепада давления, геометрической формы деталей сопряжения и скорости возвратно-поступательного перемещения клапана относительно седла. Приведены результаты экспериментальных исследований износа и гидравлической плотности сопряжений клапан-седло предохранительных и перепускных клапанов при работе их в различных режимах.
      В шестом разделе приведены теоретические положения по проектированию емкостных измерительных преобразователей и электромагнитных сильфонных исполнительных устройств систем автоматического управления амплитудой периодических возмущений давления пробной среды, используемых в автоматизированных системах контроля герметичности изделий по утечкам пробной среды.

19

     В седьмом разделе рассматриваются предложенные принципы построения автоматизированных систем испытаний изделий на герметичность и разработанные системы автоматизированного контроля герметичности изделий по утечкам пробной среды манометрическим, пузырьковым и гидростатическим методами. В восьмом и девятом разделах рассмотрены примеры синтеза и реализации дискретных (цифровых) систем автоматического управления амплитудой возмущений давления пробной среды с ПИ и ПИД регуляторами, которые обеспечивают автоматизированный контроль герметичности изделий по утечкам пробной среды.
     В десятом разделе приводятся упрощенные схемы разработанных для конкретных промышленных предприятий автоматизированных линий и участков испытаний изделий на герметичность, например автотракторных теплообменников с использованием сжатого воздуха и устройств с барботером и ресивером, а также с использованием перегретого водяного пара и устройств обнаружения следов водяного пара в атмосфере вокруг изделия.
     Микропроцессорные устройства, которые являются центральной информационно управляющей частью систем испытаний изделий на герметичность, в настоящей работе не рассматриваются потому, что подробно изложены в учебных пособиях автора [1, 2].

20

Методы, способы и устройства испытаний изделий на герметичность

     1.1     Изделия, испытываемые на герметичность на промышленных предприятиях

     Ежегодно в стране испытывают на герметичность миллионы разнообразных изделий. На сайтах Интернета можно получить необходимые данные, например: о методах и способах контроля герметичности латунных труб теплообменных аппаратов, дизельной топливной аппаратуры, корпусных деталей двигателей внутреннего сгорания, узлов и деталей трубопроводов из стальных труб, магистральных трубопроводов, трубопроводов газового оборудования автомобилей, газовых заправочных станций пропан-бутаном, газовых раздаточных колонок для заправки автомобилей и газовых баллонов, систем питания автомобилей, двустенных стальных горизонтальных резервуаров, предназначенных для наземного и подземного хранения автомобильных бензинов, дизельного топлива и масел, баллонов сжиженных газов, порошковых огнетушителей, трубопроводной арматуры, кранов, предназначенных для управления потоками молока и молочных продуктов, кранов шаровых на трубопроводах подачи пара, спирта, воды и других жидкостей, контейнеров, используемых в Госатомнадзоре, коробок фильтрующих к противогазам и противогазов, металлической банки, медицинских ампул, топливных баков самолетов, отсеков баллистических ракет, обитаемых многоотсечных космических аппаратов и орбитальных станций, скафандров космонавтов, танков при использовании безвредных или отравляющих веществ, корпусов судов, кораблей и отсеков различного назначения, кузовов легковых автомобилей, автотракторных радиаторов.
     Изделия, контролируемые на герметичность, можно классифицировать по назначению, рабочему давлению, которое обычно принимается в качестве контрольного давления при испытаниях изделия на герметичность, геометрическим размерам и рабочей среде, на которой работает изделие.
     На рисунке 1.1 в качестве примера приведена упрощенная классификация по назначению испытываемых на герметичность изделий, используемых в различных отраслях народного хозяйства.


21

Классификация по назначению изделий, испытываемых на герметичность

    Топливные баки    1 1-8  Легковые и грузовые      
                      2      автомобили и автобусы    
    Теплообменники                                    
                        1-8                           
    Корпусные детали  3      Тракторы и комбайны      
                             Экскаваторы, авто-       
         Фильтры      4 1-8  грейдеры, бульдозеры     
                      5                               
      Трубопроводы      1-8  Самолеты и вертолеты     
                      6 1-8                           
    Арматура трубо-          Ракеты, космические      
    проводная                аппараты, морские суда   
    Клапаны предо-    7  5-7 Магистральные трубо-     
    хранительные, ре-        проводы                  
    гулирующие        8 5-7  Внутризаводские тру-     
        Оболочки        5-7  бопроводы                
    Емкости нефте-           Трубопроводы гидроп-     
    продуктов и ци-          невматических систем     
    стерны железно-     2    Радиаторы отопления      
                             зданий и сооружений      
    Баллоны и их ар-                                  
    матура              8    Железнодорожные ци-      
    ---                 8    стерны и вагоны          
    Огнетушители        7.8       Холодильники        
    Пластмассовые                  Скафандры          
    емкости             7,8                           
                        7.8       Противогазы         
         Ампулы                 Шлемы водолазные      
                        А                             
    Приборы измери-                                  
    тельные                  Нефть        Газ, пар   
                                                     
                                             Спирт   
                                     L               
                                                     
---       Тара               Вода         Молоко     

Рисунок 1.1

22

     На рисунке 1.1 испытываемые изделия: топливные баки, теплообменники, корпусные детали двигателей внутреннего сгорания, фильтры, трубопроводы, арматура трубопроводная, клапаны предохранительные и регулирующие и оболочки обозначены номерами 1 -8. Эти номера проставлены на линиях одиночной связи, которые входят в линию групповой связи.
     Каждый вид изделия, выделенный по назначению и имеющий номер 1-8, входит в такие мобильные объекты, как: автобусы; легковые и грузовые автомобили; тракторы, комбайны и другие самоходные сельскохозяйственные машины и оборудование; экскаваторы, автогрейдеры, скреперы и бульдозеры; самолеты и вертолеты; космические аппараты и ракеты; морские и речные судна.
     Вид изделий, приведенных на рисунке 1.1, может быть классифицирован по различным признакам. Все изделия промышленного применения, например по условному давлению, можно классифицировать по ГОСТ 356-80 [3 ]. Согласно этому стандарту условное давление образует следующий ряд: 0,1; 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 160; 250 МПа.
     Трубопроводную арматуру классифицируют [4] по назначению, давлению, диаметру условного прохода и температуре рабочей среды. По назначению трубопроводная арматура делится на запорную, предохранительную, регулирующую и специальную.
     Запорная трубопроводная арматура делится на задвижки (клиновые, параллельные, с эластичным уплотнением затвора и с выдвижным или невыдвижным шпинделем), вентили (проходные, прямоточные, угловые, диафрагмовые, сильфонные и запорно-регулирующие), краны (конические, цилиндрические, шаровые, сильфонные, запорно-регулирующие и из неметаллических материалов), дисковые поворотные затворы (с эластичным уплотнением на диске, с эластичным уплотнением в корпусе, с эластичной рубашкой в корпусе и с металлическим уплотнением).
     По давлению рабочей среды трубопроводная арматура делится на арматуру низкого давления (Ру до 1,0 МПа), среднего давления (Ру от 1,6 до 6,3 МПа), высокого давления (Ру от 10 до 100 МПа), сверхвысоких давлений (Ру >100 МПа), вакуумную арматуру, арматуру из серого чугуна ( Ру от 0,1 до 4,0 МПа), арматуру из бронзы и латуни (Ру от 0,1 до 25,0 МПа), арматуру из стали (Ру от 0,1 до 100,0 МПа).

23