李 龍 楊春生 肖 鵬余曉曦 陳正龍

（1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院；2.四川大學(xué)）

1 前言

汽車制動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞直接關(guān)系到車輛行駛安全及道路交通安全[1]。手控閥是汽車氣制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，主要用于操縱具有彈簧制動(dòng)氣室的大中型車輛的緊急制動(dòng)和駐車制動(dòng)，其性能將影響車輛的制動(dòng)效果和制動(dòng)距離，因而對(duì)其靜特性和密封性的檢測(cè)具有很高的要求[2，3]。

目前，國(guó)外對(duì)氣制動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件性能參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)極少報(bào)道，并且其相關(guān)檢測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴。東北林業(yè)大學(xué)研制了氣制動(dòng)閥類零部件性能綜合測(cè)試系統(tǒng)[4]，中國(guó)計(jì)量學(xué)院開(kāi)發(fā)了對(duì)汽車制動(dòng)總閥、彈簧制動(dòng)氣室、干燥器等閥類性能綜合測(cè)試的設(shè)備[5]，雖然這些設(shè)備能夠?qū)κ挚亻y的性能進(jìn)行部分參數(shù)檢測(cè)，但主要用于實(shí)驗(yàn)室研究，檢測(cè)效率和自動(dòng)化程度低，無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)手控閥進(jìn)行快速全面檢測(cè)的需要。

設(shè)計(jì)了一種氣制動(dòng)手控閥性能快速檢測(cè)系統(tǒng)，利用伺服電機(jī)[6]控制手控閥手柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度，完成手控閥靜態(tài)特性自動(dòng)測(cè)試，其測(cè)試時(shí)間短，檢測(cè)效率高，滿足了企業(yè)在線對(duì)手控閥快速檢測(cè)的要求。

2 手控閥性能主要測(cè)試項(xiàng)目

2.1 靜特性測(cè)試

手控閥靜特性是指當(dāng)手控閥進(jìn)氣口通入額定氣壓并緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)其手柄角度時(shí)，手控閥出氣口氣壓的變化。通過(guò)對(duì)手控閥靜特性的測(cè)試，能夠?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依據(jù)。

2.2 密封性測(cè)試

密封性是保證制動(dòng)系統(tǒng)擁有足夠制動(dòng)氣壓的前提。由于閥類泄漏過(guò)程十分緩慢，因此可將其視為絕熱過(guò)程，等效為等溫泄漏放氣過(guò)程，因?yàn)殚y的泄漏是閥的密封面上的空隙所致，所以可將所有孔隙等效為一個(gè)有效截面積為S的節(jié)流噴嘴。則在等溫泄漏過(guò)程中，儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力從開(kāi)始放氣（t=0）時(shí)的PS0下降到泄漏結(jié)束時(shí)的PS時(shí)，其前、后氣壓之比與時(shí)間的關(guān)系[7]為：

式中，S為等效節(jié)流噴嘴有效截面積；TS為絕對(duì)溫度；B為常數(shù)系數(shù)；V為儲(chǔ)氣罐容積；t為泄漏時(shí)間。

將泄漏結(jié)束時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣壓變化值Δ引入式（1）中，并根據(jù)節(jié)流噴嘴有效截面積 S將式（1）變?yōu)閇8]：

設(shè)t1為按照相關(guān)規(guī)定在單位容積為V1（1dm3）時(shí)所需測(cè)試時(shí)間，根據(jù)相關(guān)企業(yè)要求，測(cè)試時(shí)間為t2時(shí)，實(shí)際測(cè)試時(shí)采用等效儲(chǔ)氣罐容積為V2。因等效測(cè)試前、后節(jié)流噴嘴有效截面面積相等[9]，則

式中，Δ1、Δ2 分別為規(guī)定測(cè)試時(shí)間（5 min）和等效測(cè)試時(shí)間 （15 s）時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣壓變化值；PS1、PS2分別為規(guī)定測(cè)試時(shí)間Δ和等效測(cè)試時(shí)間時(shí)的初始?xì)鈮褐怠?/p>

將式（3）整理可得:

根據(jù)式（4）計(jì)算測(cè)試結(jié)果包含指數(shù)V2t1/V1t2，如果采用1:1等效測(cè)試，則式（4）中指數(shù)V2t1/V1t2=1，即化簡(jiǎn)為Δ1=Δ2。將等效測(cè)試時(shí)間和規(guī)定測(cè)試時(shí)間帶入 V2t1/V1t2=1中，因 V1=1 dm3，則 V2=V1/20=0.05 dm3，顯然V2容積太小不符合實(shí)際要求。因此，根據(jù)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，采用等效容積V2=0.25V1，測(cè)試時(shí)間t2=15 s。令α=V2t1/V1t2，并根據(jù)規(guī)定容積V1、規(guī)定測(cè)試時(shí)間可計(jì)算得出α：

不同手控閥所規(guī)定的工作氣壓為定值。根據(jù)V2和等效測(cè)量時(shí)間，密封性指數(shù)為等效測(cè)試時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)初始?xì)鈮褐蹬c儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力變化值的函數(shù)，即

因此，在實(shí)際工作和測(cè)試中，可通過(guò)對(duì)等效測(cè)試條件下PS2、Δ2的檢測(cè)并加以補(bǔ)償來(lái)間接完成對(duì)密封性指數(shù)的測(cè)試，以提高檢測(cè)效率。

3 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)主要測(cè)試項(xiàng)目，靜特性測(cè)試為手控閥手柄緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出氣口氣壓變化與手柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系；密封性測(cè)試包括行車狀態(tài)下、部分制動(dòng)狀態(tài)下及停車位置狀態(tài)下進(jìn)氣口和出氣口密封性的測(cè)試。參照《QC/T35—2011汽車與掛車氣壓控制裝置臺(tái)架試驗(yàn)方法》中閥類檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)相關(guān)測(cè)試要求，設(shè)計(jì)了基于工業(yè)控制機(jī)的手控閥性能檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

該系統(tǒng)采用工控機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制和處理核心[10]，數(shù)據(jù)采集卡采用高分辨力的PCI-1716，為16路單端或8路差分輸入、16位A/D轉(zhuǎn)換，其負(fù)責(zé)系統(tǒng)氣路中氣壓傳感器以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角度傳感器的信號(hào)采集[11]；傳感器信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路輸送到數(shù)據(jù)采集卡模擬通道，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡傳輸至工控機(jī)，由工控機(jī)進(jìn)行處理顯示和判斷；同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)固態(tài)繼電器板的繼電器驅(qū)動(dòng)各電磁閥，實(shí)現(xiàn)氣路中進(jìn)氣及排氣過(guò)程；工控機(jī)向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送指令，由數(shù)據(jù)采集卡向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送方向信號(hào)和脈沖控制信號(hào)。

在旋轉(zhuǎn)伺服加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在旋轉(zhuǎn)正、反方向安裝有2個(gè)限位光電開(kāi)關(guān)，以防止旋轉(zhuǎn)角度過(guò)大而使手控閥手柄受力過(guò)大，同時(shí)防止伺服電機(jī)超過(guò)其最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

檢測(cè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了3條測(cè)試氣路，氣源部分包括3條回路，如圖2所示。圖2中，空氣壓縮機(jī)、干燥器和減壓閥用以向氣路提供干燥的氣源。開(kāi)始測(cè)試時(shí)，開(kāi)啟電磁閥1、電磁閥7、電磁閥3、電磁閥5，關(guān)閉電磁閥2、電磁閥4、電磁閥6，20 L儲(chǔ)氣罐向進(jìn)氣口供氣，通過(guò)出氣口1和出氣口2向1 L儲(chǔ)氣罐充氣。測(cè)試完成后，開(kāi)啟電磁閥2、電磁閥4、電磁閥6，將儲(chǔ)氣罐中氣體排向大氣。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用VC++6.0作為軟件開(kāi)發(fā)工具，利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、打印等功能的實(shí)時(shí)操作。測(cè)試程序流程如圖3所示。

為提高數(shù)據(jù)采集與處理速度，采用多線程技術(shù)在程序主線程中分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集線程和數(shù)據(jù)處理線程[12]。采集線程采用硬件中斷觸發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在被測(cè)件測(cè)試完成后，由計(jì)算機(jī)讀取中斷數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的全部數(shù)據(jù)；處理線程完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理分析，并對(duì)數(shù)據(jù)與結(jié)果進(jìn)行保存；主線程負(fù)責(zé)人機(jī)交互、參數(shù)設(shè)置、曲線顯示以及報(bào)表的生成。

5 測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)評(píng)定

5.1 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

在常溫、氣源壓力為700kPa的工況下，對(duì)某型號(hào)氣制動(dòng)手控閥的靜特性、行車狀態(tài)下密封性、部分制動(dòng)狀態(tài)下密封性和停止?fàn)顟B(tài)下密封性分別進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

5.1.1 手控閥靜態(tài)特性測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)打開(kāi)參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)定充氣時(shí)間以達(dá)到足夠的氣壓，并設(shè)定旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角速度等參數(shù)；調(diào)整旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使其與手控閥手柄0°位置相隔10°，以便安裝和拆卸被測(cè)件，從而節(jié)約測(cè)試中調(diào)整旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零點(diǎn)位置的時(shí)間，測(cè)試完成后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自動(dòng)回到起點(diǎn)位置。

靜特性測(cè)試結(jié)果如圖4所示，可知出氣口在手柄旋轉(zhuǎn)到11°時(shí)氣壓開(kāi)始下降，直到手柄旋轉(zhuǎn)到57°時(shí)出氣口氣壓完全降為0，根據(jù)手控閥靜態(tài)特性理論曲線可知，系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，能夠滿足相關(guān)要求。

5.1.2 密封性測(cè)試結(jié)果

5.1.2.1 行車狀態(tài)下密封性測(cè)試

為節(jié)省測(cè)試時(shí)間和提高測(cè)試效率，將國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲(chǔ)氣罐容積和測(cè)試時(shí)間等效轉(zhuǎn)化為0.25 dm3和15 s,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)Δ2，按照式（4）計(jì)算得出其密封性Δ1。向進(jìn)氣口充入700 kPa氣壓，并保壓15 s，當(dāng)氣壓穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)試出氣口1的氣壓值和泄漏值，重復(fù)測(cè)試50次，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 行車狀態(tài)下出氣口1的氣壓值與密封泄漏值 kPa

由表1可知，行車狀態(tài)下出氣口1的泄漏值均在2.5 kPa以內(nèi)，符合常溫環(huán)境下最大密封性泄漏值的規(guī)定。

5.1.2.2 部分制動(dòng)狀態(tài)下密封性測(cè)試

進(jìn)行部分制動(dòng)狀態(tài)下密封性性能測(cè)試時(shí)，向進(jìn)氣口提供720 kPa氣壓，并穩(wěn)壓一段時(shí)間，在等效測(cè)試條件下對(duì)部分制動(dòng)狀態(tài)下出氣口1和出氣口2的氣壓值和泄漏值進(jìn)行測(cè)試，重復(fù)測(cè)試20次，測(cè)試結(jié)果如表2所列。

表2 部分制動(dòng)狀態(tài)下出氣口1和出氣口2的密封泄漏值 kPa

由表2可知，泄漏值均在2.3 kPa以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)定要求。

5.1.2.3 停車狀態(tài)下密封性測(cè)試

在停車狀態(tài)下測(cè)試時(shí)，向進(jìn)氣口充入720 kPa氣壓，并同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手控閥手柄至停車位置，穩(wěn)壓一段時(shí)間后開(kāi)始測(cè)試進(jìn)氣口的氣壓值和泄漏值，重復(fù)測(cè)試20次，測(cè)試結(jié)果如表3所列。

表3 停車狀態(tài)下進(jìn)氣口的氣壓值和泄漏值 kPa

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果可知，密封性指數(shù)都小于3 kPa，測(cè)試結(jié)果滿足在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

5.2 測(cè)試系統(tǒng)評(píng)定

根據(jù)JB/T10633—2006《專用檢測(cè)設(shè)備評(píng)定方法指南》對(duì)檢測(cè)設(shè)備可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，參考系統(tǒng)評(píng)定方法Ⅰ，通過(guò)計(jì)算Cg、Cgk（測(cè)量能力指數(shù)）判斷設(shè)備是否“通過(guò)”。Cg表征被評(píng)定檢測(cè)設(shè)備的重復(fù)性指標(biāo)，反映了隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量過(guò)程的影響；Cgk表征被評(píng)定檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確度指標(biāo)，它綜合反映了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差共同對(duì)測(cè)量過(guò)程的影響。Cg、Cgk是檢測(cè)設(shè)備保證檢測(cè)質(zhì)量能力的定量表征，新設(shè)備必須滿足Cg≥2.0、Cgk≥1.33才能判斷“通過(guò)”。

測(cè)量能力指數(shù)計(jì)算式為：

式中，T為被測(cè)量的公差，即密封性指數(shù)所允許的最大泄漏值，為40 kPa；Sg為標(biāo)準(zhǔn)偏差，即本文實(shí)測(cè)出氣口氣壓值標(biāo)準(zhǔn)偏差；Bi為偏移，即本文出氣口理論值700 kPa與被測(cè)氣壓值平均值之差。

根據(jù)表1中的出氣口1所測(cè)氣壓值計(jì)算出Sg=0.800 8，再根據(jù)式（6）和式（7）計(jì)算得出 Cg=2.498，Cgk=1.792，由此表明該測(cè)試設(shè)備測(cè)量指數(shù)滿足新設(shè)備驗(yàn)收要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種氣制動(dòng)手控閥靜態(tài)特性和密封性性能檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)密封性檢測(cè)進(jìn)行了分析和等效轉(zhuǎn)化計(jì)算，使密封性檢測(cè)時(shí)間從標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的5 min減少為15 s，從而使手控閥性能檢測(cè)時(shí)間周期低于4 min/個(gè)，縮短了測(cè)試總時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。通過(guò)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，參考《專用檢測(cè)設(shè)備評(píng)定方法指南》對(duì)其測(cè)量能力指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明該檢測(cè)系統(tǒng)滿足新設(shè)備驗(yàn)收要求。

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