定速摩擦試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的升級(jí)改造研究

李增松，鄧景泉，王波，王志樂(lè)

(滁州學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

0 引言

摩擦溫升是影響閘瓦、剎車(chē)片等摩擦襯片性能的重要因素，故溫升試驗(yàn)是閘瓦、剎車(chē)片等摩擦襯片產(chǎn)品的必要性能檢測(cè)試驗(yàn)之一.摩擦襯片產(chǎn)品在出廠上市前，往往需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的溫升檢測(cè)試驗(yàn)，以確保其在高溫條件下的摩擦性能.然而，現(xiàn)有的X-DM等型號(hào)定速摩擦試驗(yàn)機(jī)因存在中間停機(jī)環(huán)節(jié)，無(wú)法連續(xù)開(kāi)展不同摩擦轉(zhuǎn)速下的溫升試驗(yàn).例如，文獻(xiàn)[1]曾指出在開(kāi)展摩擦溫升試驗(yàn)時(shí)，因停機(jī)耗時(shí)使得溫升曲線出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)；黃健萌、林謝昭等人[2-3]在開(kāi)展盤(pán)式制動(dòng)器連續(xù)摩擦試驗(yàn)時(shí)，其摩擦系數(shù)、摩擦溫升也因試驗(yàn)停機(jī)間隔存在較大的波動(dòng)；Yin[4]則在研究盤(pán)式制動(dòng)器的摩擦溫升特征時(shí)指出，在連續(xù)制動(dòng)摩擦過(guò)程中，由于停機(jī)階段的存在使得溫升出現(xiàn)一定幅度的下降；胡昌斌[5]在對(duì)貨車(chē)鼓式制動(dòng)器摩擦襯片的溫升規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)，也有類(lèi)似現(xiàn)象出現(xiàn)，等等.

為此，本文以PLC為控制單元，以在摩擦試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)溫升試驗(yàn)的連續(xù)開(kāi)展為目標(biāo)，深入研究定速摩擦試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造，以期使現(xiàn)有定速摩擦試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)開(kāi)展溫升試驗(yàn).

1 摩擦溫升試驗(yàn)的工況分析

結(jié)合實(shí)際工程背景可知，摩擦溫升試驗(yàn)可分別用來(lái)模擬車(chē)輛行車(chē)減速制動(dòng)過(guò)程、車(chē)輛緊急制動(dòng)過(guò)程中的溫升現(xiàn)象.其中，緊急制動(dòng)過(guò)程指車(chē)輛突遇緊急情況，借助于剎車(chē)片和制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦作用使車(chē)輛由高速狀態(tài)迅速降為零轉(zhuǎn)速，即實(shí)現(xiàn)停車(chē)制動(dòng)；而車(chē)輛行車(chē)減速制動(dòng)過(guò)程則指因路況、車(chē)況發(fā)生變化，需借助于剎車(chē)片和制動(dòng)盤(pán)之間的持續(xù)摩擦，將車(chē)輛由高速狀態(tài)轉(zhuǎn)為低速狀態(tài)行駛的過(guò)程.由于較高的摩擦溫升會(huì)使剎車(chē)片表面發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，故行車(chē)減速制動(dòng)過(guò)程中的持續(xù)摩擦過(guò)程會(huì)不僅會(huì)使摩擦溫升持續(xù)升高，還會(huì)使得剎車(chē)片的制動(dòng)摩擦性能衰退，對(duì)后續(xù)行車(chē)過(guò)程造成潛在的故障危險(xiǎn)，甚至引發(fā)制動(dòng)事故.故本文著重研究摩擦溫升的為車(chē)輛行車(chē)減速制動(dòng)過(guò)程中的溫升現(xiàn)象，一般借助于如圖1所示的定速摩擦試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展摩擦溫升試驗(yàn).

圖1 X-DM型塊-盤(pán)式摩擦試驗(yàn)機(jī)

此類(lèi)試驗(yàn)機(jī)的摩擦配副為摩擦盤(pán)和閘瓦(剎車(chē)片)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)摩擦盤(pán)旋轉(zhuǎn)，閘瓦試樣則通過(guò)氣缸被壓在摩擦盤(pán)表面，進(jìn)而通過(guò)兩者間的摩擦作用研究閘瓦試驗(yàn)的溫升特性及熱衰退特性.然而，此類(lèi)試驗(yàn)機(jī)僅可設(shè)定一次摩擦試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速與摩擦總?cè)?shù)，當(dāng)開(kāi)展不同轉(zhuǎn)速下的溫升試驗(yàn)時(shí)，需待前次溫升試驗(yàn)結(jié)束停機(jī)后，才可進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)速的設(shè)定，從而造成不同轉(zhuǎn)速下的摩擦溫升試驗(yàn)間存在非摩擦過(guò)程間隔，使得各次試驗(yàn)不具有一致性.

另外，摩擦溫升試驗(yàn)工況的設(shè)定在考慮不同轉(zhuǎn)速以模擬不同行車(chē)速度的同時(shí)，還應(yīng)考慮各轉(zhuǎn)速持續(xù)的時(shí)間以模擬制動(dòng)摩擦?xí)r長(zhǎng)，從而充分表征摩擦溫升現(xiàn)象.故根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《轎車(chē)制動(dòng)器臺(tái)架試驗(yàn)方法 QC/T 564-2008》中效能試驗(yàn)的相關(guān)要求，本文初步選取60km/h (1060r/min)、80km/h (1415r/min)、100km/h (1770r/min)三種速度作為恒速摩擦速度；至于每個(gè)速度所對(duì)應(yīng)的摩擦?xí)r長(zhǎng)，為與原有恒速摩擦類(lèi)試驗(yàn)機(jī)保持一致，本文采用各速度下對(duì)應(yīng)的摩擦總行程(即摩擦總?cè)?shù))近似代替摩擦?xí)r長(zhǎng)，并初步將上述四種摩擦速度對(duì)應(yīng)的摩擦總?cè)?shù)分別設(shè)定為4500、5000、4500轉(zhuǎn).對(duì)應(yīng)地，本文初步擬定的不同轉(zhuǎn)速下的摩擦溫升試驗(yàn)流程如圖2所示.

圖2 不同轉(zhuǎn)速下的摩擦溫升試驗(yàn)流程圖

2 定速摩擦試驗(yàn)機(jī)的升級(jí)改造

現(xiàn)有定速摩擦試驗(yàn)機(jī)多采用普通三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用設(shè)置在主軸附近的接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)圈數(shù)檢測(cè).然而，由于普通的三相異步電動(dòng)機(jī)斷電停機(jī)后仍有數(shù)圈的空轉(zhuǎn)，使得實(shí)際的總?cè)?shù)與設(shè)定的摩擦總?cè)?shù)存在偏差，故本文改用調(diào)控性能更好的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī).對(duì)應(yīng)地，本文選用西門(mén)子S7-200型PLC對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、啟動(dòng)/停機(jī)的控制[6-8]，其PLC主機(jī)輸入/輸出端口分配如圖3所示.

圖3 PLC的輸入輸出端口配置電路圖

2.1 典型摩擦溫升試驗(yàn)的程控化設(shè)計(jì)改造

如前所述，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，本文建立了圖2所示的摩擦溫升試驗(yàn)流程.為表述簡(jiǎn)潔，本文將其定義為典型摩擦溫升試驗(yàn).進(jìn)一步地，按照上述流程圖開(kāi)展摩擦溫升試驗(yàn)，當(dāng)由一種轉(zhuǎn)速切換到另一種轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)保持閘瓦(摩擦片)表面與摩擦盤(pán)表面處于貼合狀態(tài)，即通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的PLC程序化控制，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速間的無(wú)縫銜接.

由文獻(xiàn)[9]可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與電脈沖數(shù)成正比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，故對(duì)摩擦轉(zhuǎn)速、摩擦圈數(shù)的控制實(shí)際轉(zhuǎn)化為對(duì)脈沖頻率、脈沖數(shù)量的調(diào)節(jié)與控制.典型摩擦溫升試驗(yàn)中的摩擦圈數(shù)分別為4500轉(zhuǎn)、5000轉(zhuǎn)、4500轉(zhuǎn)，且考慮到步進(jìn)電機(jī)的步距角為30°，對(duì)應(yīng)地，其脈沖數(shù)應(yīng)分別為54000、60000、54000.另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作的工作過(guò)程一般包含“加速→恒速(高速)→減速”三個(gè)階段，其控制脈沖也應(yīng)以三段式定義脈沖包絡(luò)表.以轉(zhuǎn)速80km/h (1415r/min)為例，其控制脈沖特征如圖4所示.

圖4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制脈沖特征示意圖

西門(mén)子PLC主要通過(guò)PLS函數(shù)盒生成控制脈沖[10-11]，并借助于三段式包絡(luò)表設(shè)定脈沖數(shù)量及脈沖頻率.結(jié)合典型摩擦溫升試驗(yàn)中的工況參數(shù)(摩擦速度、摩擦圈數(shù))，本文設(shè)計(jì)了如圖5所示的程控框圖.

圖5 典型摩擦溫升試驗(yàn)的PLC控制流程圖

典型地，當(dāng)80km/h (1415r/min)、5000轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的程序執(zhí)行完畢后，PLC程序?qū)⒆孕醒b填100km/h (1770r/min)所對(duì)應(yīng)的包絡(luò)表參數(shù)(脈沖個(gè)數(shù)、脈沖頻率)，從而實(shí)現(xiàn)非停機(jī)狀態(tài)下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速切換.其部分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序如圖6所示.

圖6 典型溫升試驗(yàn)中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序框圖

2.2 非典型摩擦溫升試驗(yàn)的程控化設(shè)計(jì)改造

除典型摩擦溫升試驗(yàn)外，在剎車(chē)片、閘瓦等摩擦襯片的研制過(guò)程中，往往需根據(jù)配方的不同而設(shè)定不同的摩擦溫升試驗(yàn)參數(shù)(摩擦轉(zhuǎn)速、摩擦總?cè)?shù)).因此，為進(jìn)一步增強(qiáng)程控化改造的適用性，本文借助于TD200的過(guò)程參數(shù)顯示和修改、輸入輸出存儲(chǔ)器讀寫(xiě)的功能，將原本需在程序中內(nèi)置的試驗(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)為用TD200進(jìn)行預(yù)先輸入控制.即試驗(yàn)前，各摩擦轉(zhuǎn)速及其摩擦圈數(shù)所對(duì)應(yīng)的三段式脈絡(luò)表通過(guò)TD200進(jìn)行設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)摩擦溫升試驗(yàn)參數(shù)的自由化設(shè)定，控制框圖如圖7所示.其具體PLC程序在典型溫升試驗(yàn)控制程序的基礎(chǔ)上，增加與TD200對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)存寄存器即可.

圖7 非典型摩擦溫升試驗(yàn)的PLC控制流程圖

2.3 設(shè)計(jì)檢驗(yàn)

借助于如圖8所示的THSMS-A型綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，本文對(duì)上述的摩擦溫升試驗(yàn)程控程序進(jìn)行了檢驗(yàn).結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的摩擦溫升試驗(yàn)控制程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、摩擦圈數(shù)的準(zhǔn)確控制，滿足試驗(yàn)要求.

圖8 基于THSMS-A型綜合試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)示意圖

3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)模擬車(chē)輛行車(chē)減速制動(dòng)過(guò)程、車(chē)輛緊急制動(dòng)過(guò)程的摩擦溫升試驗(yàn)工況進(jìn)行分析，指出了現(xiàn)有X-DM型摩擦試驗(yàn)機(jī)在開(kāi)展摩擦溫升試驗(yàn)時(shí)，存在停機(jī)設(shè)定試驗(yàn)工況參數(shù)的缺陷，進(jìn)而擬定了不同轉(zhuǎn)速下測(cè)試摩擦溫升的試驗(yàn)方案，并制定了典型試驗(yàn)流程.以PLC為控制單元，分別進(jìn)行了典型、非典型摩擦溫升試驗(yàn)的程控設(shè)計(jì)改造，并通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的摩擦溫升試驗(yàn)控制程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、摩擦圈數(shù)的準(zhǔn)確控制，滿足試驗(yàn)測(cè)控要求，為開(kāi)展連續(xù)溫升試驗(yàn)提供了一種技術(shù)參考.