李孝祿 梁思偉 王文越 趙進慧 朱俊江 李運堂

中國計量大學機電工程學院，杭州，310018

汽車液壓制動系統氣液兩相流流型的識別

李孝祿 梁思偉 王文越 趙進慧 朱俊江 李運堂

中國計量大學機電工程學院，杭州，310018

建立了汽車液壓制動系統中氣液兩相流流型檢測裝置，根據壓差波動信號，利用Hilbert-Huang變換(HHT)對制動液兩相流流型進行識別，并利用高速攝像機采集不同工況下制動液的氣液兩相流流型圖像。結果表明，制動時車輪轉速越高，壓差信號幅值越大，幅值主要集中在0～50Hz區(qū)域；識別制動時的制動液流型為一種泡狀流。高速攝影的結果驗證了液壓制動管路中制動液為泡狀流；制動轉速越高，氣泡越小。結論揭示了制動時汽車制動液的氣液兩相流流型，說明利用測量制動液的壓差波動信號進行HHT就可以識別其流型。

制動系統；氣液兩相流；流型；壓差信號

0 引言

汽車ABS、TRC、ESC是汽車重要的主動安全系統，均要利用汽車液壓制動系統對車輪制動。目前，對這些主動安全系統的研究主要集中在控制算法、動力學、結構等方面[1-3]，較少涉及液壓制動系統內部的兩相流動的研究[4]。事實上，由于制動液吸水、摻入空氣、長時間制動發(fā)熱、夏季溫度過高等原因，制動液極易形成兩相流，嚴重時產生氣阻，影響制動效能和汽車安全[5-6]。具體來說，制動液兩相流對制動系統的危害主要表現形式為：降低制動壓力；延緩制動壓力傳遞時間；產生穴蝕[7]。因此，研究制動液兩相流具有重要意義。

本研究搭建了液壓制動系統兩相流流型識別[8]臺架，利用壓差波動信號對流型進行識別，然后利用高速相機拍攝制動管路中氣液兩相流流型，以此驗證利用壓差波動信號識別制動液流型的正確性。

1 實驗裝置與流型識別方法

1.1 實驗裝置

對桑塔納3000的防抱死制動系統進行改裝，搭建了實驗平臺。該防抱死制動系統前輪采用鉗盤式制動，由1臺7 kW的變頻交流電機驅動前輪轉動。踩下制動踏板對車輪制動，車輪在電機的帶動下按設定的速度轉動，類似于汽車在長距離下坡時，盡管對車輪制動，但汽車還是以恒定的速度行駛。

圖1所示為制動管路中的制動液壓差采集裝置。在與前輪制動輪缸相連的制動管路中安裝兩個壓力變送器。兩個壓力變送器的間隔距離(取壓距離)直接影響實驗結果：取壓距離過大會造成壓力信號中的部分高頻信號丟失；取壓距離過小會造成流型信息不完全。因此，取壓距離設計為9倍管徑。壓力變送器為瑞士KELLER公司生產的PA-25TAB/80087型壓力傳感器，采集頻率為3 kHz。

圖1 制動管路中制動液壓差信號采集裝置Fig.1 Acquiring device for pressure differential signalsof brake fluid in braking pipe

圖2所示為制動管路中的制動液流型采集裝置。透明石英管安裝在靠近制動輪缸的制動管路中，其內徑為4 mm，長度為15 cm。高速攝影系統采用德國Basler公司acA2000-165 um型高速攝像機(200萬像素分辨率，幀率為165幀/秒)，照明光源采用3200～5500K雙色溫平板式LED聚光燈。在石英管后側加裝一層硫酸紙，采用逆光照射來提高照片質量。

圖2 制動管路中制動液流型采集裝置Fig.2 Acquiring device for flow patterns inbraking pipe

為使ABS工作時產生氣液兩相流，制動系統加注DOT3制動液時空氣未排盡。實驗時，踩踏制動踏板，持續(xù)制動一定時間后，分別測量不同制動工況下的制動壓力數據。

1.2 流型識別方法

流型識別方法分為直接測量法和間接測量法。直接測量法包括目測法、高速攝影法、射線吸收法、電導探頭測試法等，間接測量法包括過程層析成像法、壓差波動法、壓力波動法等。由于壓差波動信號的各頻率成分信號能量包含了豐富的流型信息，且壓差信號易于測量，測量時不會對流型的穩(wěn)定性產生影響，故本研究中，間接測量法采用壓差波動法，直接測量法采用高速攝影法。

目前，越來越多的數據處理與分析方法用來對壓差波動信號進行處理和流型識別，如希爾伯特-黃變換 (Hilbert-Huang transform, HHT)、神經網絡、小波分析、支持向量機等，都取得了較好的效果[9-10]。相比其他方法，在對非線性、非平穩(wěn)信號進行線性化和平穩(wěn)化處理時，HHT能夠保留數據自身特征，還可以分析信號局部時頻特性，得到信號的時間-頻率-幅值三維分布，在時域和頻域均具有較高分辨率[11]。

HHT認為任一信號都是由許多固有模態(tài)函數 (intrinsic mode function，IMF)分量組成的，IMF分量同時滿足兩個條件：①全部信號中，過零點的數量和極值點的數量相等或相差一個；②任何一點的信號上下包絡線對時間軸是對稱的。HHT計算過程包括經驗模態(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)分解和HHT變換[11]。

2 實驗結果與分析

2.1 制動液壓力及其壓差波動信號HHT分析

對車輪在不同轉速(300r/min、400r/min、500r/min)下的制動液壓力及其壓差波動信號進行HHT分析。轉速為500r/min時，靠近輪缸的壓力傳感器采集到的制動液壓力數據(連續(xù)制動15min和30min后采集的壓力數據)如圖3所示。

圖3 轉速為500 r/min的制動壓力曲線Fig.3 Curve of brake pressure at 500 r/min

由圖3可以看出，轉速為500 r/min時制動液平均壓力約為200 kPa；連續(xù)制動30 min后的制動液平均壓力比連續(xù)制動15 min后的制動液平均壓力略高，原因在于制動時間越長，摩擦片和摩擦盤溫度越高，摩擦片和摩擦盤變軟，需要更高的制動壓力來維持轉速不變。從測量的制動壓力波形可以看出，制動器出現了制動抖動問題[12]。由文獻[13]可知，制動抖動表現在制動壓力波動和制動力矩波動(BTV)兩方面，影響因素包括制動盤厚薄差(DTV)、制動盤端面跳動(SRO)、摩擦因數變化等。

對轉速500 r/min時的壓差波動信號運用HHT處理，得到IMF分量I1～I6和剩余分量R。圖4、圖5分別為連續(xù)制動15 min和30 min后壓差波動信號的IMF分量圖。

圖4 壓差波動信號IMF分量(t=15 min)Fig.4 Pressure differential wave signal IMF after15 min braking

圖5 壓差波動信號IMF分量(t=30 min)Fig.5 Pressure differential wave signal IMF after30 min braking

由于I6之后的信號波動已經很小，可以忽略，因此分解過程到I6為止。由圖4、圖5可以看出，分解的I1～I6由高頻到低頻依次排列；I1和I2的平均瞬時頻率較大，具有明顯的波動，這基本上反映了高頻噪聲的影響；其他IMF則是信號自身特征的體現。因此，可以去掉代表噪聲成分的I1和I2完成去噪，其他IMF與R相加，得到去噪后的壓差波動信號和邊際譜，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出，去噪后的信號能量(幅值A)主要集中在50 Hz以內的區(qū)域，這與壓差波動信號的特征相符，表明HHT變換能夠很好地保留信號的固有特征。信號邊際譜表征的是頻率f與幅值A的關系，即數據中每個瞬時頻率點幅值的累積分布。由圖6、圖7可以看出，同一轉速下經過不同的制動時間，壓差波動信號的幅值A相差不大，集中在0～0.3之間，且具有相同的特征。

(a)壓差波動信號

(b)邊際譜圖6 制動液壓差波動信號特征(t=15 min)Fig.6 Characteristics of pressure differential wavesignals of brake fluid after 15 min braking

(a)壓差波動信號

(b)邊際譜圖7 制動液壓差波動信號特征(t=30 min)Fig.7 Characteristics of pressure differential wavesignals of brake fluid after 30 min braking

2.2 制動時液壓ABS氣液兩相流流型識別

丁浩等[14]、李強偉等[15]結合大量的實驗結果與相關文獻資料，總結出根據壓差波動信號能量比識別氣液兩相流流型的一般規(guī)律。他們將壓差波動信號IMF分量按照頻率的高低分為3個區(qū)域(25 Hz以上為一區(qū)，其能量比為EH；5～25 Hz為一區(qū)，其能量比為EM；5 Hz以下為一區(qū)，其能量比為EL)，3個頻率區(qū)域分別對應不同的IMF分量。不同流型下各頻率區(qū)域的能量比變化規(guī)律不同，得到一種根據壓差波動信號各頻段能量比的大小來判別流型的準則，其流型識別準確率可以達到90%[14-15]。根據壓差波動信號能量比識別氣液兩相流流型的準則如下：若EH>EM且EH>EL，則為泡狀流；若EM>EH且EM>EL，則為塞狀流；若EL>EH且EL>EM，則為彈狀流。

本研究中，I1和I2具有高頻噪聲的明顯特征被去掉，剩余分量作為信號原有特征構成新的信號。根據文獻[11]中IMF的計算公式，得到不同轉速n和時間t的制動工況下各IMF分量的能量比，如表1所示。

由表1可以看出，各IMF分量所占的能量比與頻率存在正相關關系。從I3到剩余分量R，頻率依次減小，它們的能量比也依次減小。

根據文獻[14-15]中的結果，將壓差波動信號IMF分量分成3個頻率區(qū)域:頻率最高的區(qū)域對應分量為I3和I4，能量比為EH；中間頻率區(qū)域對應分量為I5和I6，能量比為EM；頻率最低區(qū)域對應分量為R，能量比為EL。根據表1中各IMF分量的能量比，得到各區(qū)域對應的能量比，如表2所示。可以看出，各工況下，EH>EM>EL，EH占主導地位。根據上述流型判別準則，得出如下結論：本實驗條件下，制動時制動液為泡狀流。

表2 不同制動工況下各頻率區(qū)域能量比

2.3 流型的高速攝影

對不同剎車盤轉速下的制動管路內的制動液兩相流用高速攝影機放大17倍拍攝，結果如圖8所示?？梢钥闯觯苿庸苈分兄苿右菏且环N氣液兩相流，以泡狀流狀態(tài)存在。

(a)n=300 r/min

(b)n=400 r/min

(c)n=500 r/min圖8 不同轉速下制動液兩相流流型Fig.8 Flow patterns of brake fluid at different speeds

從圖8可以看出，制動液中氣泡分布不均勻，受重力的影響，較大的氣泡都出現在制動管上壁面內，更多微小的氣泡懸浮在制動液中。當轉速為300r/min時，制動液中存在兩個直徑約為幾百微米的氣泡，靠近制動管上壁面，而直徑為幾十微米的小氣泡較多，散布在制動液中。當轉速升高時，ABS制動管路內的制動液氣泡分裂為更小的微小氣泡，這可能是制動液壓力升高和制動液壓力變化更頻繁的結果。當轉速為500r/min時，幾十微米直徑的氣泡個數變得更少，氣泡破裂得更小。

3 結論

(1)利用壓差波動信號和HHT對制動系統中制動時兩相流的流型進行了識別，制動管路中制動液兩相流流型識別為泡狀流。

(2)通過高速攝影對識別結果進行了驗證，驗證了制動管路中制動液兩相流流型為泡狀流。制動轉速越高，氣泡越小，氣泡直徑在幾十微米以下。

(3)研究結果表明，HHT是一種有效判別汽車制動時制動液氣液兩相流流型的方法。

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(編輯 王旻玥)

Identification of Gas-liquid Two-phase Flow Patterns in Automobile Hydraulic Braking Systems

LI Xiaolu LIANG Siwei WANG Wenyue ZHAO Jinhui ZHU Junjiang LI Yuntang

College of Electrical and Mechanical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou,310018

A test rig was completed for gas-liquid two-phase flow pattern identification in automobile hydraulic braking system, where the gas-liquid two-phase flow patterns were identified by Hilbert-Huang transform(HHT) using the pressure differential signals, and the flow patterns of brake fluid were also acquired in the braking pipes by a high speed camera under the different conditions. Results show that as improving the braking speed, the amplitudes of pressure differential signals are higher, which are at the frequency distribution area of 0～50 Hz. The flow patterns of brake fluid were identified as a bubble flow during braking. The photos also show that the brake fluid is a bubble flow in hydraulic braking pipelines, and the sizes of bubbles are smaller as the rotating speed increasing. This paper discloses the gas-liquid two-phase flow patterns in automobile braking system during braking, and also gives a method on identifying the flow patterns by HHT only using the pressure differential signals of brake liquid.

braking system; gas-liquid two-phase flow; flow pattern; pressure differential signal

2015-10-09

2017-01-05

國家自然科學基金資助項目(51275499) ；浙江省自然科學基金資助項目(LY14E050023)

U463.52

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.04.019

李孝祿，男，1968年生。中國計量大學機電工程學院副教授、博士。主要研究方向為汽車電子。發(fā)表論文80余篇。E-mail:lxl2006@cjlu.edu.cn。梁思偉，男，1993年生。中國計量大學機電工程學院碩士研究生。王文越，男，1990年生。中國計量大學機電工程學院碩士研究生。趙進慧，女，1974年生。中國計量大學機電工程學院副教授、博士。朱俊江，男，1987年生。中國計量大學機電工程學院講師、博士。李運堂，男，1976年生。中國計量大學機電工程學院教授、博士。