手制動閥在線檢測系統(tǒng)的研制

羅聿斌，范偉軍，胡曉峰，郭　斌

(中國計量學院計量測試工程學院，浙江杭州　310018)

0　引言

手制動閥用于汽車制動系統(tǒng)應急制動和駐車制動，實現(xiàn)駛行汽車的應急制動和駛停汽車的坡道駐停。目前，國內(nèi)手制動閥的檢測設備多采用0.4級組合式儀表顯示和半自動化操作。檢測方法上，氣密性檢測多采用傳統(tǒng)的氣泡法，受人為因素影響較大。因此，在檢測的精度、效率和可靠性上有很大的不足。

國內(nèi)各科研機構(gòu)對手制動閥測試設備研究較少，主要針對整車制動性能的研究。如東北林業(yè)大學韓銳[1]的《汽車氣制動閥類綜合性能檢測系統(tǒng)》涉及了手制動閥工作原理的介紹，并無性能測試；西安電子科技大學李岳[2]設計了基于PXI總線的整車氣制動模擬試驗系統(tǒng)，獲得了手制動閥靜特性曲線，但是該整車模擬試驗系統(tǒng)在測試節(jié)拍和效率上無法滿足現(xiàn)代工業(yè)在線檢測的需求。

文中設計了手制動閥在線檢測系統(tǒng)，引入伺服電機實現(xiàn)手柄角度的精確控制，實時采集管路氣壓信號，完成對手制動閥的行車位密封性、駐車位密封性、檢查位密封性和靜特性項目的檢測。

1　手制動閥工作原理

手制動閥由手柄、凸輪、活塞、11口進氣腔、21口出氣腔、22口出氣腔組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示，手柄通過凸輪控制活塞上下移動，實現(xiàn)了11口與21口、22口通斷的控制。手柄處于行車位(0～10°)時，手柄與活塞處在最高點，進氣閥門全開，氣體從11口進入，21口和22口全氣壓輸出。手柄轉(zhuǎn)到(10～55°)時，在活塞作用下，21口排氣閥門全關，輸出氣壓隨手柄角度增加而降低，逐步到零，此時處于駐車位。手柄繼續(xù)向右轉(zhuǎn)動時，打開了22口排氣閥門，22口全氣壓輸出，此時處于檢查位。

圖1　手制動閥結(jié)構(gòu)圖

2　測試需求分析

2．1密封性需求分析

由于活塞的上下運動，動態(tài)接觸11口進氣腔和21口、22口出氣腔，存在泄露的可能，需對行車位、駐車位、檢查位的密封性進行測試。

根據(jù)GB12676-1999《汽車和掛車氣壓控制裝置性能要求及臺架實驗方法系統(tǒng)》和企業(yè)中對手制動閥密封性的要求，在800 kPa的工作氣壓下，加載手制動閥手柄至行車位、駐車位和檢查位時，5 min內(nèi)密封性指數(shù)不大于25 kPa，即表征密封性良好。

考慮到工業(yè)上的快速性，基于泄露率不變情況下，上述5 min測試過程可以通過等比例關系換算成15s對應密封性指數(shù)應不大于0.6 kPa．為滿足測試0.6 kPa測試精度要求，采用差壓式密封性測量11口與標準腔的壓差值，可獲取手制動閥各腔室之間和腔室與外界之間的密封性能指數(shù)。

2．2靜特性需求分析

由于手制動閥通過對手柄角度的控制實現(xiàn)行車位、駐車位和檢查位3個位置的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)11口與21口、22口氣壓的通斷，需對手制動閥角度與氣壓隨動關系進行檢測，即靜特性檢測。手制動閥21口、22口的輸出氣壓與手柄角度的標準曲線如圖2所示。

根據(jù)企業(yè)對手制動閥靜特性曲線特征點的要求：手制動閥手柄從初始位置緩慢加載至最大角度過程中，曲線出現(xiàn)2個特征拐點，如圖2中所示，拐點一是氣壓始降點(特性曲線氣壓開始下降點)，要求角度不大于25°。拐點二是氣壓截止點(出氣口的輸出氣壓為零點)，要求角度小于55°。

采用直壓式實時采集11口的氣壓變化，控制手柄角度緩慢變大，從而獲取隨動關系曲線。

圖2　靜特性標準曲線

3　檢測系統(tǒng)設計

3．1系統(tǒng)檢測方案設計

基于測試需求，設計了手制動閥在線檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖3所示，系統(tǒng)由進氣模塊、控制處理模塊、測試模塊構(gòu)成[3]。供氣模塊由氣源1、二聯(lián)件2、氣罐3、電氣比例閥4組成，電氣比例閥選用量程為1 MPa，精度為0.3%FS，滿足測試壓力(800±10)kPa的要求。

測試模塊主要由電磁閥7、8、9、10、11，差壓傳感器12和氣壓傳感器14、16構(gòu)成，壓差傳感器選用SSTCC-3302型號，量程為5 kPa，最小分辨力可達到15 Pa，耐壓1 MPa，滿足0.6 kPa的測試要求。

1-氣源；2-二聯(lián)件；3、13-氣罐；4-兩位五通閥；5-氣缸；6-電氣比例閥；7、8、11-兩位三通電磁閥；10、15、16、17-兩位兩通閥；9、14、16-氣壓傳感器；12-差壓傳感器；18-三孔手制動閥

密封性采用差壓式測量方法，在11口和0.1L標準容器之間裝有差壓傳感器，通過控制電磁閥7、8、10、11的通斷，將測試分為加壓、平衡、測量、泄壓4個過程。測量階段通過差壓傳感器，高精度檢測手制動閥11口的壓降。

基于靜特性測量方法，手制動閥進氣口11、出氣口21和22口安裝量程1 MPa，精度0.3%FS的HUBA氣壓傳感器。通過控制電磁閥7、8，使手制動閥11口處于充氣狀態(tài)，通過11口傳感器實現(xiàn)對進氣氣壓的監(jiān)控。設置伺服電機轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動量來控制手柄從行車位緩慢轉(zhuǎn)至檢查位。采用直壓傳感器實時獲取21口、22口的輸出氣壓，以得到手制動閥的靜特性曲線[4]。

控制處理模塊由工控機、數(shù)據(jù)采集卡PLCD-1711、運動控制卡MPC08組成。系統(tǒng)采用工控機作為控制和處理核心，研華PLCD-1711數(shù)據(jù)采集卡的AI通道采集氣壓傳感器和差壓傳感器信號值，DO信號用于控制外部電磁閥的通斷。伺服電機控制層采用半閉環(huán)方式，運動控制卡發(fā)送指令到伺服電機編碼器，編碼器通過脈沖數(shù)控制伺服電機的位移量來精確控制手柄轉(zhuǎn)動角度。

3．2系統(tǒng)加載機構(gòu)設計

系統(tǒng)加載機構(gòu)由電機、傳動桿、推桿、固定座、氣缸、密封閥塊、滑塊、關節(jié)臂組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示[5-7]。精密伺服電機通過傳動桿帶動推桿轉(zhuǎn)動，推桿推動手柄轉(zhuǎn)動要求的角度。密封閥塊、滑塊、關節(jié)臂和氣缸構(gòu)成手制動閥的密封機構(gòu)。

被測手制動閥通過固定座固定，氣缸充氣，關節(jié)臂拉直，通過傳動機構(gòu)，滑塊向前，推動密封閥塊密封手制動閥21口、22口和11口。

針對手制動閥的產(chǎn)品的多樣性，在各個方向可設計相同的手制動閥密封機構(gòu)，可以密封各類不同型號手制動閥。

圖4　加載機構(gòu)圖

3．3系統(tǒng)測試流程分析

系統(tǒng)動作流程如圖5所示，試驗之前，將手制動閥放入固定座，啟動測試程序，設置加載角度，正向氣缸推動密封閥塊，固定和密封手制動閥。伺服電機緩慢轉(zhuǎn)動至與手柄接觸，系統(tǒng)檢測手制動閥處于行車位的密封性，測試完成后，電機快速轉(zhuǎn)至駐車位和檢查位測試密封性，界面實時采集和顯示差壓傳感器數(shù)據(jù)。密封性測試結(jié)束，電機回位至接觸點，緩慢重新推動手柄至最大角度，界面實時顯示21口和22口的靜特性氣壓變化。

圖5　測試流程圖

經(jīng)測量，測試系統(tǒng)各流程的測試時間如表1所示。

表1　測試流程時間表　s

初始動作時間包括電機推動推桿與手柄接觸和氣缸推動密封裝置的時間；密封性與靜特性測量時間包括測試時間和推桿退回原點的時間。測試所有流程所需的總時間為160 s，滿足企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)的檢測要求。

4　測試結(jié)果及分析

選取國內(nèi)某一類型的手制動閥作為被測對象，在常溫，氣源壓力800 kPa下進行試驗。根據(jù)《測量不確定度的評定與表示》(JJF 1059．1-2012)中對不確定度的定義及評定要求[8]，對各測試量進行不確定度評定。

4．1密封性測試結(jié)果與分析

設置手制動閥密封性測試的平衡時間為15 s，測量時間為15 s，得到密封性曲線如圖6所示。重復10次測量得到的密封性指數(shù)如表2所示。

圖6　行車位密封性

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，手制動閥行車密封性，駐車密封性和檢查位密封性的壓降平均值分別是0.13 kPa、0.14 kPa、0.13 kPa，標準差是0.015、0.024、0.028滿足密封性檢測要求。

表2　密封性測試數(shù)據(jù)　kPa

4．2靜特性測試結(jié)果與分析

設置手柄轉(zhuǎn)速為3°/s，進行靜特性測試試驗，手制動閥的手柄角度與出氣口氣壓的測試曲線如圖7所示。

圖7　靜特性曲線

曲線特征點提取采用斜率法[10]，取某一點與連續(xù)n個點之間的斜率k，若k值都大于某一規(guī)定的值，則該點為一折點。以此類推，求出3個折點，取兩折點間的數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合直線，交點即為所求拐點，如圖2中拐點一和拐點二所示。擬合直線截距b與斜率k如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

采用斜率法求得曲線的氣壓始降點的角度為21°；氣壓截止點的角度為54°，輸出氣壓為0kPa．由圖7可知，初始狀態(tài)手制動閥的出氣口氣壓為進氣口的標準氣壓，待手柄轉(zhuǎn)動21°，氣壓隨著角度快速下降。待角度為55°時，21口和22口氣壓均降為零，待角度為85°時，22口氣壓急速上升至800 kPa．

4．3氣壓采集不確定度分析

根據(jù)評定要求，對測試系統(tǒng)采集氣壓值P，進行不確定度評定。

A類的不確定度計算公式為：

(3)

(4)

設定800 kPa的標準工作氣壓，重復測試10次，測試結(jié)果見表3中數(shù)據(jù)。

表3　測試壓力值　kPa

將測試數(shù)據(jù)代入式(3)、式(4)可得測試重復性引起的不確定度u0=2.65 kPa．

由標定報告可得電氣比例閥的不確定度分量：

u1=1 MPa×3‰FS=3.00 kPa

數(shù)據(jù)采集卡的標準不確定度分量：

u2=2.44 mV×250 kPa/mV=0.61 kPa

氣壓傳感器的標準不確定度：

u3=1 MPa×3‰FS=3.00 kPa

A類、B類合成不確定度：

4．4手柄角度控制誤差分析

由于機械加工和裝配等不可避免因素，電機軸心與手柄的轉(zhuǎn)動的圓心不重合，導致電機轉(zhuǎn)動角度與手柄推動角度不一致。誤差分析圖如圖8所示。

圖8　誤差分析圖

圖8中：O為手柄轉(zhuǎn)動的圓心；P為電機推動手柄轉(zhuǎn)動的圓心；R為轉(zhuǎn)動半徑；L為圓心距；θ為手柄與兩圓心之間的夾角，α為電機轉(zhuǎn)動的角度；β為電機推動手柄轉(zhuǎn)動的角度。

由三角形函數(shù)公式得出輸入角度與輸出角度的關系如式(5)～式(7)所示。

(5)

(6)

β=θ-θ2

(7)

根據(jù)設計和加工誤差，取L最大值為1 mm；R=64 mm;θ變化范圍為0～2π；α變化范圍為0到75°。消去θ1、θ2，可得β最大偏差0.8°。

由上述公式可知，通過減小圓心距L和增加轉(zhuǎn)動半徑R可以減小角度控制誤差。

5　結(jié)束語

文中設計了基于伺服電機加載，PCI總線數(shù)據(jù)采集的手制動閥在線檢測系統(tǒng)，完成手制動閥密封性和靜特性的測試。系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測試數(shù)據(jù)有效，完全符合手制動閥廠商的產(chǎn)品檢測的要求。對系統(tǒng)氣壓進行不確定度分析和對角度控制進行誤差分析，提高了系統(tǒng)準確度，氣壓不確定度為5.03 kPa，角度最大誤差為±0.8°。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)設計合理，設備安全，可廣泛的用于工業(yè)檢測。

參考文獻：

[1]韓銳．汽車氣制動閥綜合性能檢測系統(tǒng)的研究：[學位論文]．吉林：東北林業(yè)大學，2001．

[2]李岳．基于PXI總線的整車氣制動模擬測試系統(tǒng)：[學位論文]．西安：西安電子科技大學，2009．

[3]陸易，郭斌．直動型氣動電磁閥綜合性能測試系統(tǒng)研究．儀器儀表學報，2011，32(4)：795-799．

[4]郭連平，田書林．高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中觸發(fā)點同步技術研究．電子測量與儀器學報，2010，24(3)：224-228．

[5]郭盈，姚飛．一種新的汽輪發(fā)電機組真空系 統(tǒng)漏氣率在線檢測方法．熱能動力工程，2012，27(5)：540-544．

[6]劉寧霞，羅哉．復合式制動氣室性能在線檢測系統(tǒng)設計．組合機床與自動化加工技術，2012(8)：55-58．

[7]羅泉，羅哉，郭斌．離合器助力器性能檢測系統(tǒng)的設計．組合機床與自動化加工技術，2012，11(11)：64-66．

[8]JJF1059-2012測量不確定度評定與表示．

[9]關強，韓玉杰．計算機控制的雙腔氣制動閥密封特性檢測技術．東北林業(yè)大學學報，1993(5)．

[10]黨興菊，吳文良．最小二乘法擬合直線公式的初等推導．重慶科技學院學報，2010，12(4)：185-189．