一種新型的客車氣管路氣密性測試系統(tǒng)方案

周 翔， 孫長存， 王 凱， 鄭樂鍇， 黃泓茗

(江西博能上饒客車有限公司， 江西 上饒 334000)

客車采用的氣壓制動管路和氣閥較多，結構較為復雜[1-2]。若整車氣管路系統(tǒng)存在異常泄漏，可能出現(xiàn)制動壓力不足；車輛熄火停止一段時間后使用，需要花較長時間來等待打氣泵打氣。若不及時排除，不僅給用戶帶來不便，甚至嚴重影響行車安全。本文提供一套整車氣管路氣密性測試系統(tǒng)的設計方案，能夠快速并準確地在整車出廠前對整車氣管路氣密性進行科學地評判。

1 客車氣管路檢漏原方案及不足分析

1.1 方案介紹

客車氣管路包含氣制動、氣動門、尾氣后處理尿素噴射用氣等部分。我公司目前氣管路檢漏僅針對底盤上氣制動管路系統(tǒng)的氣密性測試。其方法為：底盤制動部分安裝完后，將制動總泵進氣管路處旁通的、預留給儀表氣壓表的測壓口，用于連接泄漏測試用氣壓表。未能在底盤上安裝的部件，如手制動閥需要在副儀表臺安裝完后進行，手制動閥的進氣和出氣管需通過直通接頭連接；制動總泵需要在車廂地板安裝完成后進行，測試時需連接臨時測試用制動總泵。將空氣干燥器進氣端拆開并連接車間氣源，當制動管路系統(tǒng)壓力充至0.8 MPa時將車間氣源的閥門關閉，讀取此時的壓力表度數(shù)并記錄時間。經(jīng)過15 h保壓后，氣壓降低值不得大于0.3 MPa，此要求為本公司依據(jù)GB 7258—2017[3]中對氣制動管路保壓性能的要求制定的企業(yè)檢驗標準。測試原理如圖1所示。

1—ABS電磁閥； 2—制動總泵； 3—前制動儲氣筒； 4—后制動儲氣筒； 5—繼動閥； 6—彈簧制動缸； 7—雙向單通閥加快放閥; 8—干燥器； 9—手制動閥； 10—輔助儲氣筒； 11—四回路保護閥； 12—手制動儲氣筒； 13—快放閥。圖1 原方案測試系統(tǒng)原理圖

1.2 不足分析

1)該測試方法不能反映整車氣管路的氣密性。因為現(xiàn)測試方案不能對整車氣管路系統(tǒng)的其他部分，如氣動門、尾氣后處理用氣等進行氣密性測試[4]。若這些部分出現(xiàn)漏氣將會影響整車氣管路氣密性，也可能會影響車輛行駛安全。此外，測試時需要拆開和改變整車自身管路，不能反映整車最終狀態(tài)的氣管路氣密性。

2)測試方法繁瑣且時間長。需要拆解和改變原車氣管路，操作繁瑣。每輛車測試至少需要15 h，若是非工作時間還需要安排人員加班觀察測試結果。

3)測試精度低。目前使用的氣壓表為指針式，自身誤差和測量誤差較大。

4)測試方法不科學。GB 7258—2017對氣管路在制動踏板未踩下和踩下兩種情況的氣壓降低值均有要求[3，5]，而原測試方案僅針對制動踏板未踩下的情況，無法對制動總泵后段氣管路的氣密性進行評估。

2 測試系統(tǒng)新方案

2.1 測試系統(tǒng)原理

新型測試系統(tǒng)主要由氣密性測試儀(包含數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、應用軟件、氣壓傳感器等)、外接管路、連接接頭、掃碼槍等組成。該方案與原測試方案的區(qū)別在于：原測試方案需要拆除整車制動管路中干燥器(圖1中8)的前端管路并連接至車間氣源，需要用直通接頭代替整車制動管路中的手制動閥(圖1中9)，需安裝臨時的測試用制動總泵(圖1中2)；而新測試方案免去上述過程，采用快速連接器將車間氣源與整車氣管路中的一儲氣筒(見圖2)連接，提高了測試效率，更加真實地反映了整車氣管路氣密性水平；原方案采用指針式氣壓表讀取氣管路壓力，測試耗時且精度低；新方案采用專用的高精度氣密性測試儀，能記錄氣壓降低值并在很短的測試時間內(nèi)判定整車氣管路氣密性的好壞；新方案新增的制動踏板保持桿(見圖4)能更科學地按照國標[3]要求，對未踩下制動踏板和踩下制動踏板兩種情況分別進行氣密性測試。新型測試系統(tǒng)的原理如圖2所示。

考慮到整車氣管路結構復雜，并忽略儲氣筒、氣閥、管路充氣后的容積變形，選擇直壓式測量。氣密性測試儀需要接車間氣源以便給整車氣管路系統(tǒng)充氣。車間氣源經(jīng)電磁閥、氣壓傳感器、氣制動管路在儲氣筒的測壓接頭充至整車氣管路系統(tǒng)。當整車氣管路壓力充至測試所需壓力時，電磁閥關閉。經(jīng)過一定的穩(wěn)定時間后，氣壓傳感器數(shù)值波動在允許范圍時開始進行氣密性測試[6]。因氣密性測試儀內(nèi)部的壓力傳感器精度高達5 Pa，所以可以通過短時間的測試系統(tǒng)的氣壓降低值估算出系統(tǒng)的氣密性能否達到企業(yè)和國標的要求。

圖2 新型測試系統(tǒng)原理圖

2.2 氣密性測試儀

新型測試系統(tǒng)選用某公司生產(chǎn)的超高壓型泄漏測試儀，測試壓力范圍100～1 200 kPa，測試精度5 Pa。該新型測試系統(tǒng)具有如下功能。

1)充氣自動控制和調(diào)節(jié)功能。設置測試壓力后，當系統(tǒng)充氣至設定壓力后測試儀充氣電磁閥能自動關閉，若壓力高于設定壓力范圍時，排氣電磁閥會自動開啟并排氣。

2)試驗數(shù)據(jù)的記錄與導出功能。能連接電腦或通過U盤導出試驗過程數(shù)據(jù)，并可以通過Excel工具查看。

3)一鍵測試功能。在管路連接完畢后，只需在設備人機交互界面設定測試開始壓力、測試時間和允許氣壓降低值等參數(shù)并確定開始，就能自動運行測試流程并自動判定測試結果。

4)修改后臺參數(shù)的功能。能修改測試壓力、壓力容許偏差、允許氣壓降低值等參數(shù)來應對不同情況的使用。

2.3 附屬裝備的設計方案

1) 整車測試口的連接方案。車輛應滿足GB 7258—2017的要求，每個儲氣筒和制動氣室都應具有可用于測試制動管路壓力的連接器。我公司普遍選用圖3所示的測壓接頭，接頭頂部閥針被按壓時接頭內(nèi)部與外部導通，常態(tài)為關閉。為實現(xiàn)測壓接頭與系統(tǒng)的快速連接，專用連接器與測壓接頭采用端面密封形式，通過螺紋擰緊后壓緊中間的復合墊圈密封，同時連接件將閥針頂開，車輛氣路與測試部分氣路導通。測試口連接詳細結構如圖3所示。

1—專用連接器； 2—閥針； 3—復合墊圈； 4—測壓接頭。圖3 測試口連接詳細結構圖

2) 制動踏板保持機構的設計方案。按照GB 7258—2017中7.7條款的要求，需要分別對整車制動踏板踩下和未踩下兩種情況的氣管路系統(tǒng)氣壓降低值進行檢測，所以在測試過程中針對制動踏板踩下的情況，需要有制動踏板踩下的保持裝置[3]。該裝置結構如圖4所示，為伸縮桿結構，一端與制動踏板面接觸，另一端可以依照車輛情況頂在駕駛員座椅處或儀表臺內(nèi)支架處。伸縮桿中內(nèi)桿為棘齒結構，外桿側壁通過導桿固定一鋼球，鋼球受彈簧力被壓在棘齒上，當測試人員將制動踏板踩下后可直接將保持桿拉長，因棘齒的作用保持桿受壓縮力后不會被縮短，此時可以進行測試。測試完成后，拉出外露手柄伸縮桿即可收縮[7-8]。

1—支撐平板； 2—外桿； 3—手柄； 4—導柱； 5—彈簧； 6—棘齒內(nèi)桿； 7—鋼球。圖4 保持桿結構圖

3 測試及效果

3.1 測試過程

首先將系統(tǒng)氣管路連接、制動踏板保持機構安裝、掃碼槍掃描整車編碼等準備工作做好。然后開啟進氣閥將車間氣源充入整車氣管路系統(tǒng)直至測試要求的起始壓力。整車氣管路被加壓到測試氣壓后，泄漏測試儀切斷整車氣管路的氣體供應，這段時間內(nèi)整車氣管路內(nèi)的氣體壓力會抖動，并慢慢達到平衡。如果測試壓力有異常，例如整車氣管路大量漏氣，則測試壓力會快速降低，泄漏測試儀報警。

整車氣管路內(nèi)氣壓平穩(wěn)后進入測試階段。該階段實際就是整車氣管路的保壓測試時間，這段時間內(nèi)，壓力傳感器一直在監(jiān)測氣管路內(nèi)的壓力變化。如果保壓時間達到后，壓力變化還在設置的范圍內(nèi)，說明整車氣管路氣密性是合格的，反之則不合格[9-10]。

排氣階段為測試完畢后，通過排氣閥將整車氣管路中的壓縮氣體排空。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析及應用

為了縮短測試時間，期望新的測試系統(tǒng)在3 min內(nèi)完成原方案需要15 h完成的測試過程，需要另外確定被測車型氣壓降低的變化規(guī)律即壓降函數(shù)。通過求得恰好能滿足測試要求的壓降函數(shù)(即臨界合格壓降函數(shù))，則可以計算出原方案“15 h氣壓降低值小于0.3 MPa”的要求對應到“3 min的氣壓降低值”要求。臨界合格壓降函數(shù)需要測試人員另外借助計算機擬合計算得到，目前該新測試系統(tǒng)還未集成此項功能。

1) 求得臨界合格壓降函數(shù)。此處舉例應用該新型氣密性測試系統(tǒng)對我公司50輛量產(chǎn)車型SR6520DXV在氣管路保壓過程中氣壓隨時間變化的數(shù)據(jù)進行測試，時間的采集精度為0.1 s，即每 0.1 s對當前壓力值進行記錄，記錄結果為y隨x變化的數(shù)據(jù)表(x為時間，單位h；y為壓力值，單位kPa)。依據(jù)本公司判定標準：保壓15 h后，由起始壓力0.8 MPa降至0.5 MPa為臨界合格點。選取每輛車中氣管路壓力值從0.8 MPa變化至0.5 MPa區(qū)間段的數(shù)據(jù)為研究對象，提取每輛車記錄中0.5 MPa壓力值對應的時間值，即x坐標數(shù)值。

為避免氣管路泄漏較大或過小的車輛氣壓降低數(shù)據(jù)對需求解的臨界合格氣壓降低數(shù)據(jù)的影響，選取x目標值(即15 h)附近(此處取8～23 h)的有效樣本進行分析，有效樣本個數(shù)記為n(n一般要求大于10)，本文n=18。對每個有效樣本的所有x值(即時間值)進行一定的比例縮放，使x=15 h時，y=0.5 MPa。比如某有效樣本x=22.4 h時y=0.5 MPa，則對該樣本所有時間數(shù)據(jù)縮小22.4/15倍，而對應的y值不變，由此得到新的氣壓降低數(shù)據(jù)。將所有有效樣本的新氣壓降低數(shù)據(jù)導入Matlab使用polyfit函數(shù)進行擬合，求得n個壓降函數(shù)，函數(shù)格式為y=anx2+bnx+cn(n=1,2,3…n)，對n個壓降函數(shù)等式右邊進行求和后求平均，最后得臨界合格壓降函數(shù)為：

(1)

經(jīng)測試并計算，該型號客車的臨界合格壓降函數(shù)為y=0.714 3x2-30.714 3x+800。

2) 測試應用。將期望的測試時間x=0.05 h(即3 min)帶入式(1)，得出3 min時該車型的臨界合格壓力值為798.47 kPa，與x=0 min時的差值，即臨界合格氣壓降低值為1.53 kPa。用該新型系統(tǒng)測得，若3 min氣壓降低值小于1.53 kPa，則可判定該整車氣管路從0.8 MPa開始進行15 h保壓后氣壓降低值小于0.3 MPa的要求。為驗證該方法的可靠性，將這50輛車的氣壓降低數(shù)據(jù)按照保壓15 h進行測試，將其測試結果按氣壓降低0.3 MPa內(nèi)合格的要求進行判定；再利用該新型測試系統(tǒng)依照上述方法測量3 min臨界合格氣壓降低值，再按“1.53 kPa的要求”進行判定。兩種方法的判定結果完全一致。

依據(jù)以上結論，今后在批量測試中使用該新型氣密性測試儀進行測試時，一般選取800 kPa±20 kPa開始測試，若3 min后氣壓降低值不高于1.2 kPa即可判定為合格。對比原方案每輛車需要耗時15 h，新方案大大縮短測試時間。按照GB 7258—2017及公司標準的要求，當使用制動踏板保持器將制動總泵完全開啟時，要求從0.8 MPa開始進行7.5 h保壓后氣壓降低值小于0.3 MPa，只需針對該要求重復上述過程，求出制動踏板踩下時的臨界合格壓降函數(shù)。經(jīng)測試并計算得3 min后氣壓降低值若不高于2.5 kPa可判定為合格。其他車型經(jīng)過上述相同測試并計算，得出其臨界壓降函數(shù)與該案例相差甚微，所以上述測試判定標準也可適用于其他車型。

4 結束語

本文提出了一種針對客車氣管路氣密性測試的方案，并提出一套完備的測試流程。不論是操作便捷性或準確性都優(yōu)于原測試方案，并且能夠真實反映整車狀態(tài)下的氣管路氣密性水平。