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        商用車EBS比例繼動(dòng)閥性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-05-14 19:44:04陸藝盧潔袁月峰郭斌
        中國(guó)測(cè)試 2018年2期
        關(guān)鍵詞:性能測(cè)試不確定度自動(dòng)化

        陸藝 盧潔 袁月峰 郭斌

        摘要:針對(duì)傳統(tǒng)繼動(dòng)閥檢測(cè)裝置已無(wú)法滿足新型EBS比例繼動(dòng)閥檢測(cè)需求的現(xiàn)狀,基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、采用高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù),設(shè)計(jì)EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在電子制動(dòng)/氣制動(dòng)、緩慢制動(dòng)/快速制動(dòng)工況下,對(duì)閥的遲滯特性、靜特性、動(dòng)特性、密封性等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。其中,采用電氣比例閥伺服控制方式,可實(shí)現(xiàn)0~1.0MPa的氣壓控制,控制絕對(duì)誤差為±0.01mPa;采用可編程電流源電流伺服控制方式,可實(shí)現(xiàn)0-1.4A電流控制,控制絕對(duì)誤差為±0.01A。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評(píng)定,實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)重復(fù)性良好。測(cè)試結(jié)果表明:商用車EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的性能穩(wěn)定,滿足測(cè)試要求。

        關(guān)鍵詞:電子控制制動(dòng)系統(tǒng);比例繼動(dòng)閥;性能測(cè)試;自動(dòng)化;不確定度

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號(hào):1674-5124(2018)02-0134-06

        0引言

        目前,國(guó)內(nèi)商用車開(kāi)始引入電子控制制動(dòng)系統(tǒng)(EBS),比例繼動(dòng)閥作為EBS的核心部件之一,較傳統(tǒng)氣制動(dòng)繼動(dòng)閥,有電控和氣控兩種方式,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢測(cè)項(xiàng)目繁多。EBS比例繼動(dòng)閥是新一代商用車電子控制制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其根據(jù)控制信號(hào)比例輸出商用車前橋的制動(dòng)壓力,采用比例電磁閥加繼動(dòng)閥復(fù)合的機(jī)構(gòu)形式工作,其嚴(yán)重的電流遲滯和響應(yīng)延遲無(wú)疑是導(dǎo)致制動(dòng)故障甚至失效的最危險(xiǎn)因素之一,會(huì)造成嚴(yán)重的交通事故。由于EBS比例繼動(dòng)閥性能直接關(guān)系到整車制動(dòng)的安全性。為保證其正常工作,遲滯特性、靜特性、動(dòng)特性和密封性是EBS比例繼動(dòng)閥檢測(cè)的重要項(xiàng)目。

        目前,由于EBS比例繼動(dòng)閥屬于新型電子制動(dòng)部件,國(guó)內(nèi)尚未出現(xiàn)成熟的檢測(cè)設(shè)備。國(guó)內(nèi),中國(guó)計(jì)量大學(xué)安志敏等針對(duì)傳統(tǒng)繼動(dòng)閥的靜特性,研制了傳統(tǒng)氣制動(dòng)繼動(dòng)閥檢測(cè)臺(tái):吉林大學(xué)韓正鐵等針對(duì)電控方式下的EBS比例繼動(dòng)閥的遲滯特性和動(dòng)特性進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備控制精度低、工業(yè)實(shí)用性不強(qiáng)、檢測(cè)項(xiàng)目單一無(wú)法為EBS比例繼動(dòng)閥生產(chǎn)廠商直接使用。而國(guó)外,EBS為商用車主流制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)趨于完善。EBS制動(dòng)部件如比例繼動(dòng)閥生產(chǎn)制造、檢測(cè)核心技術(shù)掌握在國(guó)外大型商用車制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商如德國(guó)WABCO公司及Knorr公司手中。由于技術(shù)堡壘,測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試指標(biāo)都對(duì)外封鎖,國(guó)內(nèi)企業(yè)難以借鑒。

        基于此,通過(guò)對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥工作原理的仔細(xì)剖析,在借鑒汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 37——2015《汽車與掛車氣壓調(diào)節(jié)保護(hù)裝置技術(shù)要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12676——2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》的基礎(chǔ)上,根據(jù)廠家實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)要求,設(shè)計(jì)了一套商用車EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。

        1測(cè)試需求分析

        選取國(guó)外WABCO公司生產(chǎn)的EBS比例繼動(dòng)閥為檢測(cè)樣本,其組成包括比例電磁閥、繼動(dòng)閥和壓力傳感器。結(jié)構(gòu)如圖1所示,閥體上設(shè)有輸入口P0、輸出口P2、氣控口P4,另外還設(shè)有電控口P3,簡(jiǎn)圖未標(biāo)出。

        EBS比例繼動(dòng)閥的工作方式有電控和氣控兩種,與氣控方式不同,在電控方式下由于先導(dǎo)級(jí)比例閥閥芯的作用、電磁鐵芯部分磁滯等因素的影響,導(dǎo)致閥遲滯特性明顯。參考上述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)廠家測(cè)試要求,制定的EBS比例繼動(dòng)閥測(cè)試項(xiàng)由密封性測(cè)試、遲滯特性測(cè)試、靜特性測(cè)試、動(dòng)特性測(cè)試組成。為滿足上述測(cè)試需求,測(cè)試系統(tǒng)中的主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo),如表1所示。

        1.1密封性需求分析

        任何閥均存在泄漏的可能,需要對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥的密封性進(jìn)行測(cè)試。傳統(tǒng)采用的氣泡法,難以定量分析實(shí)際氣壓泄漏值,效率和精度低下。經(jīng)比較,本文采用能檢測(cè)到微小泄漏、精度高,可以快速檢測(cè)的差壓法。

        測(cè)量時(shí)打開(kāi)相應(yīng)電磁閥同時(shí)給閥口、基準(zhǔn)腔充氣一段時(shí)間后關(guān)閉電磁閥,打開(kāi)平衡閥,平衡時(shí)間為15s,測(cè)量時(shí)間為30s,根據(jù)差壓傳感器得出閥口泄漏量。

        測(cè)試項(xiàng)包括輸入口、氣控口非工作狀態(tài)以及輸入口全工作、半工作狀態(tài)氣密性。

        1.2功能特性需求分析

        遲滯特性測(cè)試:規(guī)定遲滯電流Ic為遲滯特性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),需對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。同一輸出氣壓值在增壓、減壓過(guò)程中會(huì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)控制電流信號(hào)值,其最大差值的絕對(duì)值定義為遲滯電流,根據(jù)企業(yè)要求遲滯電流值應(yīng)不大于0.28 A。

        靜特性測(cè)試:為了評(píng)價(jià)輸出氣壓隨控制信號(hào)緩慢上升的隨動(dòng)平衡性能,需要對(duì)輸出氣壓特征點(diǎn)值進(jìn)行測(cè)試。輸出氣壓值開(kāi)始明顯上升時(shí)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)值為開(kāi)啟電流/氣壓:根據(jù)相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及生產(chǎn)廠家規(guī)定,控制信號(hào)在不同檔位時(shí),測(cè)試的輸出氣壓特征點(diǎn)值需達(dá)到以下要求:1)電控方式下,開(kāi)啟電流I0滿足0.45 A≤I0≤0.55 A,特征點(diǎn)T1(0.7 A)滿足200kPa≤T1≤240kPa,特征點(diǎn)T2(0.9A)滿足440kPa≤T2≤480kPa,特征點(diǎn)T3(1.1A)滿足680kPa≤T3≤720kPa。2)氣控方式下,開(kāi)啟氣壓S0滿足50kPa≤S0≤70kPa,特征點(diǎn)S1(200kPa)滿足140kPa≤S1≤180kPa,特征點(diǎn)S2(400kPa)滿足380kPa≤S2≤420kPa,特征點(diǎn)S3(600kPa)滿足590kPa≤S3≤630kPa。

        動(dòng)特性測(cè)試:為了評(píng)價(jià)閥快速制動(dòng)或解除制動(dòng)的性能,需測(cè)試閥的響應(yīng)時(shí)間和釋放時(shí)間。在接受控制信號(hào)后,輸出氣壓值從0上升到額定輸出氣壓值的75%所經(jīng)歷的時(shí)間為響應(yīng)時(shí)間,額定輸出氣壓值下降到該值的15%所經(jīng)歷的時(shí)間為釋放時(shí)間。規(guī)定要求響應(yīng)時(shí)間≤0.4s,釋放時(shí)間≤0.6s。

        2檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1裝夾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

        為了提高實(shí)驗(yàn)效率,方便人員操作過(guò)程中對(duì)被測(cè)閥的快速更換,設(shè)計(jì)了EBS比例繼動(dòng)閥裝夾機(jī)構(gòu),裝夾機(jī)構(gòu)中的頂蓋、底座和3根支撐桿在測(cè)試中對(duì)被測(cè)閥起到固定作用;選用結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、占用空間小的3組薄型氣缸來(lái)推動(dòng)推桿對(duì)閥口進(jìn)行夾緊、連通并利用堵頭對(duì)被測(cè)試閥的閥口進(jìn)行密封。裝夾機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

        2.2系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

        基于以上測(cè)試需求分析,為保證測(cè)試系統(tǒng)正常運(yùn)行,該系統(tǒng)應(yīng)該具有穩(wěn)定干凈的氣壓源和電流源,控制管路氣體流向的通斷裝置和實(shí)時(shí)監(jiān)控電流、氣壓大小的檢測(cè)裝置?;诖嗽O(shè)計(jì)了EBS比例繼動(dòng)閥測(cè)試系統(tǒng)管路,如圖3所示。

        二聯(lián)件由空氣過(guò)濾器和減壓閥組合而成,起過(guò)濾氣源雜質(zhì)以及粗調(diào)氣源壓力的作用,氣源的進(jìn)氣壓力設(shè)置為1.0mPa;40L儲(chǔ)氣罐可以穩(wěn)定氣源壓力給眾多氣路供氣:為達(dá)到更好的測(cè)試效果,除測(cè)試閥P1口、P4口氣密性的支路上采用兩位兩通電磁閥外,其他管路為滿足陜速充排氣的要求,統(tǒng)一采用通徑更大的氣控閥,并獨(dú)立于氣密性的測(cè)試管路:為了兼顧測(cè)試閥在氣控方式下靜特性的特殊供氣需求,測(cè)試氣控口P1氣密性的支路上采用FESTO的電氣比例閥,可以精確、連續(xù)無(wú)極調(diào)節(jié)控制氣壓,壓力范圍為0~1.0mPa;采用RIGOL的可編程電流源為電控口P3提供連續(xù)穩(wěn)定的電流信號(hào)并監(jiān)控讀取測(cè)試回路實(shí)時(shí)電流值,可調(diào)電流范圍為0~1.4A,滿足閥工作所需的電流信號(hào);閥的輸入口P1、輸出口P2、氣控口P4均裝有HUBA系列高精度氣壓傳感器,可實(shí)時(shí)監(jiān)控氣壓變化:采用偉岸系列差壓傳感器可在差壓法測(cè)量密封性時(shí)檢測(cè)到閥口微小泄漏。閥的輸出口P2連接1L儲(chǔ)氣罐,負(fù)責(zé)模擬實(shí)際車輛負(fù)載的工況。

        2.3數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)以研華工控機(jī)為數(shù)據(jù)處理和控制核心,結(jié)合研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1711和RIGOL可編程電流源組成的控制器進(jìn)行信號(hào)分析與處理。研華數(shù)據(jù)采集卡具有2通道12位模擬量輸出與16通道數(shù)字量輸入輸出以及12位A/D轉(zhuǎn)換器,采樣速率可達(dá)100kHz,可以滿足高速實(shí)時(shí)、高精度采樣的要求。數(shù)據(jù)采集卡的AI通道用于采集氣壓傳感器的電壓信號(hào):AO通道輸出可調(diào)電壓控制電氣比例閥輸出氣壓值:DI通道用于處理用戶操作和系統(tǒng)故障判斷:DO通道用于控制電磁閥動(dòng)作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制原理圖如圖4所示。

        2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件采用IabVIEW編寫,采用模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件主要由初始化配置模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊、性能測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)報(bào)表與打印模塊組成。系統(tǒng)軟件測(cè)試流程如圖5所示。

        3測(cè)試數(shù)據(jù)分析

        根據(jù)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試原理分析,首先將被測(cè)產(chǎn)品固定在裝夾結(jié)構(gòu)上,然后進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試,設(shè)置氣壓供氣壓力為典型值0.8MPa,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后退出裝夾、關(guān)閉電源并切斷氣源。

        3.1密封性測(cè)試分析

        采用差壓法對(duì)控制口、輸入口氣密性測(cè)試10次后取平均值,測(cè)試結(jié)果如表2所示,各項(xiàng)數(shù)據(jù)均不大于0.2kPa,符合測(cè)試要求。

        3.2特性測(cè)試分析

        3.2.1遲滯特性測(cè)試分析

        可編程電流源以0.01A電流幅度、100ms時(shí)間間隔,從0緩慢加載到額定最大電流1.4A后再緩慢降為0。電控遲滯特性測(cè)試曲線如圖6所示,相關(guān)測(cè)試參數(shù)值如表3所示。分析可知:開(kāi)啟電流I0為0.5A,遲滯電流Ic為0.23A,特征點(diǎn)T1、T2、T3值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),達(dá)到測(cè)試要求。

        3.2.2靜特性測(cè)試分析

        電氣比例閥以0.1V電壓幅度、100ms時(shí)間間隔,從0緩慢加載到額定最大電壓10V后再緩慢降為0。氣控靜特性測(cè)試曲線如圖7所示,相關(guān)測(cè)試參數(shù)值如表4所示。分析可知,開(kāi)啟氣壓為58.98kPa,特征點(diǎn)S0、S1、S2、S3值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),達(dá)到測(cè)試要求。

        3.2.3動(dòng)特性測(cè)試分析

        電控方式下,0時(shí)刻可編程電流源給到最大額定電流1.4A或氣控方式下,電氣比例閥設(shè)置最大額定電壓為10V,待輸出氣壓穩(wěn)定4s后撤去控制信號(hào),動(dòng)特性測(cè)試曲線如圖8、圖9所示,表5為實(shí)驗(yàn)10次,取平均值得到的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。結(jié)合圖表分析可知:閥在電控方式的動(dòng)特性要優(yōu)于氣控方式:電控方式下,響應(yīng)時(shí)間為0.19s,釋放時(shí)間為0.17s;氣控方式下,響應(yīng)時(shí)間為0.31s,釋放時(shí)間為0.3s,響應(yīng)時(shí)間、釋放時(shí)間均在規(guī)定范圍內(nèi),達(dá)到測(cè)試要求。

        3.3不確定度分析

        根據(jù)JJF 1059——2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》中不確定度的定義及評(píng)定要求對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥性能檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評(píng)定。對(duì)電控/氣控方式下,各項(xiàng)參數(shù)分別測(cè)試10組數(shù)據(jù)記錄如表6、表7所示。

        測(cè)試系統(tǒng)的誤差主要由測(cè)量重復(fù)性、可編程電流源、氣壓傳感器與數(shù)據(jù)采集卡引起。測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量uA用A類評(píng)定;氣壓、差壓傳感器帶來(lái)的不確定度分量u1與數(shù)據(jù)采集卡帶來(lái)的不確定度分量u2采用B類評(píng)定。

        根據(jù)A類評(píng)定公式uA=s/根號(hào)n可以求得,I0、Ic、T1、T2、T3、S0、S1、S2、S3由測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量分別為0.001A,0.001A,0.160kPa,0.200kPa,0.133kPa,0.186kPa,0.244kPa,0.230kPa,0.215kPa。

        可編程電流源、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等引起的不確定度使用B類方法評(píng)定。查閱相關(guān)資料可得,可編程電流源的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1約為0.006A,氣壓傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2約為0.461kPa,數(shù)據(jù)采集卡對(duì)氣壓采集系統(tǒng)造成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3約為0.623kPa,系統(tǒng)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uc。

        根據(jù)公式計(jì)算各合成不確定度如表8所示,實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好,滿足測(cè)試要求。

        4結(jié)束語(yǔ)

        本文通過(guò)對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥工作原理的仔細(xì)剖析,在借鑒汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 37——2011和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12676——2014的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套商用車EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確地對(duì)EBS比例繼動(dòng)閥綜合性能進(jìn)行評(píng)判,對(duì)我國(guó)商用車EBS產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)制定具有一定參考意義。

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