李 龍 楊春生 肖 鵬余曉曦 陳正龍

（1.中國測試技術(shù)研究院；2.四川大學(xué)）

1 前言

汽車制動系統(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系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，主要用于操縱具有彈簧制動氣室的大中型車輛的緊急制動和駐車制動，其性能將影響車輛的制動效果和制動距離，因而對其靜特性和密封性的檢測具有很高的要求[2，3]。

目前，國外對氣制動系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件性能參數(shù)的檢測技術(shù)極少報道，并且其相關(guān)檢測設(shè)備價格昂貴。東北林業(yè)大學(xué)研制了氣制動閥類零部件性能綜合測試系統(tǒng)[4]，中國計量學(xué)院開發(fā)了對汽車制動總閥、彈簧制動氣室、干燥器等閥類性能綜合測試的設(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，但主要用于實驗室研究，檢測效率和自動化程度低，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)中對手控閥進(jìn)行快速全面檢測的需要。

設(shè)計了一種氣制動手控閥性能快速檢測系統(tǒng)，利用伺服電機(jī)[6]控制手控閥手柄轉(zhuǎn)動角度，完成手控閥靜態(tài)特性自動測試，其測試時間短，檢測效率高，滿足了企業(yè)在線對手控閥快速檢測的要求。

2 手控閥性能主要測試項目

2.1 靜特性測試

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)動其手柄角度時，手控閥出氣口氣壓的變化。通過對手控閥靜特性的測試，能夠為產(chǎn)品設(shè)計及改進(jìn)提供理論依據(jù)。

2.2 密封性測試

密封性是保證制動系統(tǒng)擁有足夠制動氣壓的前提。由于閥類泄漏過程十分緩慢，因此可將其視為絕熱過程，等效為等溫泄漏放氣過程，因為閥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有效截面積為S的節(jié)流噴嘴。則在等溫泄漏過程中，儲氣罐內(nèi)壓力從開始放氣（t=0）時的PS0下降到泄漏結(jié)束時的PS時，其前、后氣壓之比與時間的關(guān)系[7]為：

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

將泄漏結(jié)束時儲氣罐內(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）時所需測試時間，根據(jù)相關(guān)企業(yè)要求，測試時間為t2時，實際測試時采用等效儲氣罐容積為V2。因等效測試前、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)定測試時間（5 min）和等效測試時間 （15 s）時儲氣罐內(nèi)氣壓變化值；PS1、PS2分別為規(guī)定測試時間Δ和等效測試時間時的初始?xì)鈮褐怠?/p>

將式（3）整理可得:

根據(jù)式（4）計算測試結(jié)果包含指數(shù)V2t1/V1t2，如果采用1:1等效測試，則式（4）中指數(shù)V2t1/V1t2=1，即化簡為Δ1=Δ2。將等效測試時間和規(guī)定測試時間帶入 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，測試時間t2=15 s。令α=V2t1/V1t2，并根據(jù)規(guī)定容積V1、規(guī)定測試時間可計算得出α：

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

因此，在實際工作和測試中，可通過對等效測試條件下PS2、Δ2的檢測并加以補(bǔ)償來間接完成對密封性指數(shù)的測試，以提高檢測效率。

3 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

該系統(tǒng)采用工控機(jī)作為整個系統(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)角度傳感器的信號采集[11]；傳感器信號通過信號調(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；同時數(shù)據(jù)采集卡輸出開關(guān)量信號，通過固態(tài)繼電器板的繼電器驅(qū)動各電磁閥，實現(xiàn)氣路中進(jìn)氣及排氣過程；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)動器發(fā)送方向信號和脈沖控制信號。

在旋轉(zhuǎn)伺服加載機(jī)構(gòu)設(shè)計中，在旋轉(zhuǎn)正、反方向安裝有2個限位光電開關(guān)，以防止旋轉(zhuǎn)角度過大而使手控閥手柄受力過大，同時防止伺服電機(jī)超過其最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

檢測系統(tǒng)中設(shè)計了3條測試氣路，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。開始測試時，開啟電磁閥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儲氣罐向進(jìn)氣口供氣，通過出氣口1和出氣口2向1 L儲氣罐充氣。測試完成后，開啟電磁閥2、電磁閥4、電磁閥6，將儲氣罐中氣體排向大氣。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用VC++6.0作為軟件開發(fā)工具，利用多線程技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、打印等功能的實時操作。測試程序流程如圖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，在被測件測試完成后，由計算機(jī)讀取中斷數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的全部數(shù)據(jù)；處理線程完成對測試數(shù)據(jù)的處理分析，并對數(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、曲線顯示以及報表的生成。

5 測試結(jié)果與系統(tǒng)評定

5.1 測試數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

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

5.1.1 手控閥靜態(tài)特性測試結(jié)果

測試時打開參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)定充氣時間以達(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件，從而節(jié)約測試中調(diào)整旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零點位置的時間，測試完成后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)自動回到起點位置。

靜特性測試結(jié)果如圖4所示，可知出氣口在手柄旋轉(zhuǎn)到11°時氣壓開始下降，直到手柄旋轉(zhuǎn)到57°時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 密封性測試結(jié)果

5.1.2.1 行車狀態(tài)下密封性測試

為節(jié)省測試時間和提高測試效率，將國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的儲氣罐容積和測試時間等效轉(zhuǎn)化為0.25 dm3和15 s,根據(jù)測試數(shù)據(jù)Δ2，按照式（4）計算得出其密封性Δ1。向進(jìn)氣口充入700 kPa氣壓，并保壓15 s，當(dāng)氣壓穩(wěn)定后開始測試出氣口1的氣壓值和泄漏值，重復(fù)測試50次，測試結(jié)果見表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 部分制動狀態(tài)下密封性測試

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

表2 部分制動狀態(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)下密封性測試

在停車狀態(tài)下測試時，向進(jìn)氣口充入720 kPa氣壓，并同時轉(zhuǎn)動手控閥手柄至停車位置，穩(wěn)壓一段時間后開始測試進(jìn)氣口的氣壓值和泄漏值，重復(fù)測試20次，測試結(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

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

5.2 測試系統(tǒng)評定

根據(jù)JB/T10633—2006《專用檢測設(shè)備評定方法指南》對檢測設(shè)備可靠性進(jìn)行驗證，參考系統(tǒng)評定方法Ⅰ，通過計算Cg、Cgk（測量能力指數(shù)）判斷設(shè)備是否“通過”。Cg表征被評定檢測設(shè)備的重復(fù)性指標(biāo)，反映了隨機(jī)誤差對測量過程的影響；Cgk表征被評定檢測設(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)誤差共同對測量過程的影響。Cg、Cgk是檢測設(shè)備保證檢測質(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”。

測量能力指數(shù)計算式為：

式中，T為被測量的公差，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，即本文實測出氣口氣壓值標(biāo)準(zhǔn)偏差；Bi為偏移，即本文出氣口理論值700 kPa與被測氣壓值平均值之差。

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

6 結(jié)束語

設(shè)計了一種氣制動手控閥靜態(tài)特性和密封性性能檢測系統(tǒng)。針對密封性檢測進(jìn)行了分析和等效轉(zhuǎn)化計算，使密封性檢測時間從標(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時間周期低于4 min/個，縮短了測試總時間，提高了檢測效率。通過企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場試驗測試，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，參考《專用檢測設(shè)備評定方法指南》對其測量能力指數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果表明該檢測系統(tǒng)滿足新設(shè)備驗收要求。

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