（载运工具运用工程专业论文）汽车气制动卸荷阀性能测试系统的研究与应用.pdf

摘要 本文主要研究内容是汽车气制动卸荷阀性能测试系统的传递函数的辨识方法及不 同的加乐方式对系统压力平衡时间的影响并进行了相应的试验验证。其主要目的是为 r 实现对卸荷阀测试中加压压力的精确控制，以缩短生产恤拍，提高在线测试效率。 以卸荷阀性能测试系统作为研究对象，利用阶跃响麻法获得系统的阶跃响应曲线 j f 求甜了系统的传递函数。深入客观地探讨了不同的加压速率羽l 力口压幅值以及分阶段 mu j l 、州卸荷埘性能测试系统乐力平衡时间的影响，获得了有实践指导意义的结果。 不同输入信号对压力平衡时间的影响的研究，对汽乍气制动阀类件性能测试系统 的开发具有重要的理论意义，同时也为其它测试系统的研制提供了有参考价值的实践 依据。 关键词：汽节气制动卸荷阀性能测试 辨谚吵尤 a b s t r a c t t i l ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o di ss t u d i e da n dt h et r a n s f e rf u n c t i o no f t h ea u t o m o b i i ea i rb r a k e u n l o a d i n gv a l v e st e s ts y s t e mi sa c q u i r e d ；t h ep r e s s u r eb a l a n c et i m eo ft h et e s ts y s t e mo ft h e u n l o a d i n gv a l v e i ss t u d i e d b yt h ei n c r e a s i n gp r e s s u r ei nd i f f e r e n ts p e e da n ds c o p e t h e p u r p o s ei s t oe x a c t i t u d ec o n t r o lt h ep r o c e s so f p r e s s u r ei n c r e a s i n gi nt h et e s t ，a n dt or e d u c e l e s tt i m es ot h a ti tc a ni m p r o v et h ep r o d u c t i v ee f f i c i e n c y b a s e do nt h et e s ts y s t e mo f u n l o a d i n gv a l v e ，t h es t e pr e s p o n s em e t h o di su s e dt oa c q u i r e t h es t e pr e s p o n s ec u r v eo f t h i ss y s t e m t h es y s t e m st r a n s f e rf u n c t i o ni sa c q u i r e da c c o r d i n gt o t h es t e pr e s p o n s ec u r v e t h ei n f l u e n c eo ft h es y s t e m sp r e s s u r eb a l a n c et i m ea f f e c t e db yt h e s t e a d ) a n du n s t a b l es t a t e si n c r e a s i n gi sd i s c u s s e d ，t h ec o n c l u s i o nh a sp r a c t i c em e a n i n g s t u d yo nt h ep r e s s u r eb a l a n c et i m ea f f e c t e db yt h ed i f f e r e n ti n p u ts i g n a lw i l lh a v ev e r y i m p o t t a n tm e a n i n g i n t h e o r y a n d p r a c t i c e f o rt h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o nt h e p e r f o r m a n c et e s ts y s t e mo fa u t o m o b i l eb r a k ev a l v e s a tt h es a m et i m e ，i tm a k e si n s t r u c t i n g r e f e f e n c et od e v e l o po t h e rt e s ts y s t e m s k e y 、v o i _ d s ：a u t o m o b i l e a i rb r a k e u n l o a d i n gv a l v e p e r f o r m a n c et e s t i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d 汽午气制动卸荷阀测试系统的1 i l 究引 l f 用 1 综述 近1 0 年来，我国汽下产龉平均年增k 率保持在1 3 左右，保有最平均年增k 率保 持住1 2 左止，目前汽车保有量已达到1 6 0 0 多万辆。据预测，2 0 0 5 年利2 0 1 0 年我国 的汽乍 会保有蠡| = 将分别达到2 6 0 0 万辆和4 0 0 0 万辆1 4 7 j 。随着汽车保有量的日益增加， 交通安全问题也随之突出，汽车零部件的产品质量直接关系着汽车运行安全。据交通事 敞研究机构提供的调奄报告，由于汽车相关零部件的质量问题所引起的交通事故占6 在亿而且由此引起的交通事故绝人多数是恶性的口q 。因此，汽车零部件生产厂家如何 保址零部的生产质鼙是减少交通事故发生，保证国家财产和人比的生命安全的重要问 题之- o 与此同时，汽乍生产的进一步社会化使得竞争日茹激烈，这对厂家提高生产效 率、降低生产成本也提出了更高的要求。 汽车1 ：业化生产特别重视产晶测试试验工作，无论是新产品设计还是现生产产品， 虽然在设计制造上考虑得很周密，但也必须经过测试试验。通过测试试验来检验设计思 想是否d i 确，设计意幽是否能实现，设计产品是否适合使h j 要求。同时，由于汽车的使 j i j 条俐复杂，汽下i 业所涉及的技术领域义极为j 泛，许多理论问题研究得还不够深入， 不少| 殳计问题还不能根据现有的理论，作出可资信赖的预期，这也是汽车j ：业特别重视 测试试验的原冈。 1 1 汽车气制动阀类产品质量检测技术现状 测试试验技术的发展与试验设备的完善有密切的关系。由丁电子技术的发展，出现 r 各种数据采集、变换、放大、贮存、处理，控制等方面的仪器，例如，电测量技术在 现代汽下测试试验中就占有十分重要的地位。电测量技术是指利用各种电子测量线路和 仪器对非电物理量进行测最的方法。它借助于变换器将各种非电量信号，如应力、力、 力矩、压力等物理颦变换为电信号，然后对此电信号进行测量，以确定待测非电量的物 理昔值【3 5 1 。 电测苗系统具有很高的灵敏度和测茸精度，能够测龌变化速率很高的物理量，因而 刈1 i 同特，址的被测信号具有良好的适应性易于实现多参精集中同步测量所使刚的变 换器尺寸小、重鬣轻，易丁安装。由丁| 变换成电量，所以便于传输、放火、记录，特别 是记录信号可以直接输入计算机进行各种处理。 计算机的应州对汽车测试试验起了巨大的促进作用。计算机在汽车的性能预测、强 度计算上提供了快速、准确的运算一l ：具。从而代替了大量多方案比较试验计算机既是 计算i 具，也是检测试验的主要技术手段。计算机进行数据的采集、处理，为试验数据 分析提供了有力i 具。在汽币测试试验中，不少设备将计算机作为设备的组成部分。测 试过程的计算机控制使检测试验l ：作高度自动化。使汽午试验技术无论在方法上，或是 东北林业大学硕七学位论文 址箭l 拘；达j 、0j - 空前完善的稗度。 随着我幽汽下i 业技术的进步和发展，我国汽车测试试验l ：作从学习国外经验到刨 、f l 的b 验h - 法标准、建立自己的试验基地方面都进行了人域i ：作。围绕国产汽车的 牛产，开胜了人封强度、寿命和性能方面的试验以及制定试验方法国家标准的研究，还 进行了不少基础性的研究】：作，如有限元计算法、路丽谱、载荷谱、卞辆地面力学、操 纵稳定性、随机数据处理等。 除引进国外先进测试试验设备外，我国汽车行业及相关行业还开发了不少有自己特 j l i 的测试试验仪器设备，为国产汽车的人发展创造了条什。但是，目前我国火部分汽车 m j 动心类仆生产厂家对产揣的质蟮检测仍采坩精度低、测试效率低、结构复杂的手控 r o “l 山菜，【! j j 时刈上婴参数进行人i 记录并糨略计算。这样的洲试方法劳动强度人，无 法完成对动态特性及密封指数要求较高的试验，无法严格按照制造标准保证汽车阀类件 盼瞄：能承i 质量。这不仅直接关系到汽车运行的安全性，而且也严重影响着我国汽车工业 的发展。 为r 准确学握国内对汽下气制动阀类产品质量测试系统的研究现状，笔者分别对国 i 仃) 之文献数据库：中国朋刊网全文数据库、中国科技成果库进行联机检索，根据 愉索结果可以知1 道。国内开展气制动阍类测试系统的研究相对较少，但是采用的手段比 较先进。 其中彳代表性的研究是： 由向富林、朱国玺于1 9 9 2 年发表的气制动阀密封特性测试技术的研究p o 。该 文章讨论了密封特性压力测试法的局限性，论述了压差测试法的优越所在及实现方法。 譬爪法比传统的乐力法，可提高气制动涮密封性能测试精度达1 0 0 倍。差乐法不仅适刚 j 。t 制动阀密封特性测试，而且还可应川丁一般气动系统的i l l 漏量测试。 巾天姒、韩玉杰等于19 9 3 年发表的计算机控制的双腔气制动阀密封特性检测技 f ：j 8 j 。陔文章阐述了汽下制动i j j ；i 微机集散检测系统的关键技术之密封特性的检测 疗法及其技术实施。这一技术方法较好地解决了当前汽车研究开发、生产制造、维护修 理等行业急待攻克的“密封性指数”实用检测技术的难关，可将汽车行业标准q c t 3 5 - 9 2 - ，32 1 规定的测封时间由5 m i n 缩短到1 5 s ，满足在线生产的j ：艺要求此外，还简要 介纠j ，使测鲑精度达到0 5 的计算机i ：业控制模板组合等高新技术的虑朋该设备在 i 业环境i 、n 有自动检测、统计汇总，数据分析、通讯传输等项功能，实现了机、电、 淑( l ) 一体化可扩展性强的测试系统结构。 由笑强、韩玉杰等于1 9 9 4 年发表的双腔气制动阀动静特性的微机测试系统h 。 浚文章介幺f 了汽乍制动阀性能的测试方法及其技术实施。该制动阀微机集散检测系统是 i ：业环境卜的机、电、液( 气) 一体化的机构组合，可满足在线生产的工艺检测要求， 测簧精度可达0 5 。 由科军、千涛丁i1 9 9 4 年发表的用于气制动阔类性能试验的计算机系统0 o 该文 帝系统地介? “了构造一个用丁阀试验台计算机应用系统的方法。着重讨论了采集系统的 、2 i 、曲线艟j i 的实现及菜单框架的构造。 汽4 ：气制动卸荷阀测试系统的研究j 心用 由臧杰，夏怀成等1 ：1 9 9 6 年发表的汽乍紧急继动阀检测系统气体压力的测量p q 。 该史章阐述的是通过理论推导、数据计算和实验对比，确定了_ i _ l j “气体绝对压力测量法” 取代传统的“差压法”进行气制动阀密封特性测试的原理。并指出这种方法具有成本低、 洲试精度高，f ：具有泄漏补偿功能等一系列优点。 由韩玉杰、丛宪尔等丁1 9 9 9 年发表的单管路保护f f 皂| 及气压调7 什阀的密封性测试 实验台的研制【1 w 。该文章介奎f 了单管路保护 i l ；| 和气压凋1 ，阀密封性般j ：位的测量技术 及其技术实随，检测应用汽下技术、现代j 。业控制技术及气动技术可满足在线生产的 i 艺检测要求。该实验台由气压实验台和计算机控制系统两部分构成。 从检索结果可以看出，我国在汽乍气制动阀的测试研究中，引入r = 业控制计算机为 系统的控制核心使系统具备了实时动态数据采集、实时绘制压力变化曲线、产品等级 白动削别、数据存储、产品质鼙统计分析及系统自检等功能。但是，对于比例阀和传感 器等元件对测试系统精度及动态特性的影响等方面的研究却很少。 1 2 阀类产品质量检测的分类及特点 阀类产品的质量检测分类很多，按检测性质可以分为：定性检测和定量检测；按检 测方法可以分为：干式检测和湿式检测；按检测操作方式可以分为：手动和自动。 卜面以卸荷阀装配过程所采j = 】的检测方式为例对各种检测方法简单的做以介绍和 分析。 ( 1 ) 阀体密封性检测 在卸荷阀开始装配之前，首先用湿式试验台对f 嘲体进行密封性检测，以确定阀体是 否有沙眼或其它加i ：缺陷。将阀体用夹具夹紧后放入水中，输入高压气体，观察是否有 气体从阀体溢出。如果有溢山。表现为连续的气泡从水中升起，j j l 0 判定该阀体不合格。 这个检测过程的生产节拍为3 0 s 。 检测性质属，定性检测、湿式试验和手动控制。 优点：检测的结果直接，明了；检测试验台结构简单、操作方便开发维护费用低， 而h 般的技术 人只需参考试验台使用维修手册即可对试验台进行维护维修。 缺点：对泄渊缺陷的人小判断不精确：夹具松开时，水会四处b 溅，操作环境较差； 阀体内部会进水，即可能产生腐蚀，又对后面的二【：序产生影响。 ( 2 ) 小阀口和阀体内部的密封性能检测 住装配膜片、柱塞及单向阀前。需要应用密封试验台对小阀口和阀体内部的密封性 能进行检测。将装配好的总成用夹具夹紧后输入高压气，观察指示杯中是否有气泡溢出， 如宋仃，就证明该总成密封性能不合格。 这个检测过程的生产1 ，拍为3 0 s 。 检测性质属于定性检测、干式试验和手动控制。 优点：检测的结果直接从指示杯就可以观察到：试验台的结构简单、操作维护方便， 技术人员参考试验台使用维修手册即可对试验台进行维护维修 二 查韭丛些叁兰塑! ：兰堡垒兰 缺点：小能对 世露部能进行判断。 e 3 ) 卸荷i 7 j ； 总成性能检测 卸荷悯总成裟配完成后，需要对总成进行耗体的密封测试( 静特性) 平| 嘲j 荷起始、 终i f ：压力的测试( 动特性) 。这个测试过i ￥可采_ l j 两种测试方法，一种是手动控制试验台， - j 一种是川计算机控制的卸荷湖性能测试系统进行。 ( a ) 手动控制试验台 手动控制试验台完全按照测试原理没计，选用的压力表为1 5 级，截止阔为手动阀。 进行试验时，葫先对卸荷阀的卸荷起始、终j h 压力进行调节，对于超出卸荷压差范甬的 卸荷阀t 判定为不合格。对丁i 合格的卸荷阀，将其j ! i ；j 夹具夹紧，加商压气然后将其放 八水中，观察压力表指针0 。5 15 r a i n 。同时观察水中是否直有气泡溢出，对丁超出技 术条仆规定的压力范酮的卸荷阀判定为不合格。 这个检测过释的生产节拍为1 5 ，3 5 m i n 。 检测性质属丁定量检测、湿式试验和手动控制。 优点：该试验台结构简单，操作方便，维护维修方便，占崩空间小，操作人员即可 根据技术条州中的测试原理圈进行维护维修。 缺点：由 ：所采_ j 的压力表精度低，所以钡0 量结果系统误差人。同时，由于人l ：读 数可能引入过火误差。另外该测试方法的劳动强度大。 ( b ) 汁算机控制的卸荷阀性能测试系统 卸荷阀性能测试系统按照测试原理设计，选用高精度传感器及高性能气动元件构成。 列传感器的标定选用0 4 级精密压力表。进行试验时，首先对卸荷阔的卸荷起始、终e 压力进行调节，对丁超出卸荷压著范阐的卸荷闽，判定为不合格。然后进行低压及高压 密封性能测试，对丁超出技术条什规定的压力范围的卸荷阀判定为不合格。 这个检测过程的生产博拍为2 5 3 r a i n 。 检j 9 1 | j 性质属丁定量检测、干式试验和白动控制。 优点：臼动化 g 度高，测试精度高，自动跟踪设定参数，全过程实时监控。自动判 定产品等级：操作人员劳动强度低。 缺点：测试系统结构复杂成本高，技术人员需要经过专门的培训才能对系统进行 维护与维修。 从以上的阀类产品检i 1 1 4 手段及设备的分析中可以看出，并非所有的测试过程都需要 ，：0 精度、自动化程度高的测试系统，其主要的选择标准是：该测试过穰是定性检测还是 定鞋检测。对丁定性检测的测试过样，简单的检测设备即可满足要求。而对丁j 定鲥检测 的测试过程| l | i j 需要高精度、自动化程度高的检测设备。 1 3 课题研究的目的和意义 汽车的安全性能一赢是汽车l ：业和全社会普遍关心的问题之一。在影响汽车运行安 个的潇多客观阅素中，制动性能对行车安全起决定性作用。而制动系统中的各个零部f l ： 汽乍气制动卸荷阀测试系统的删究j 戍用 晌质过帚i 性能直接决定系统的制动性能。住国内，中等吨位( 总质蟮人丁1 0 0 0 0 k g ) 以 的拽亚汽下雨 人客下彩采州气制动系统。在气制动系统中备种捌类t 的质培和性能 今戈重要，随接决定着气制动系统的可靠性。冈此，提高气制动系统中各零部什的质量 柑陛能，是保障汽车运行安全性的关键。 先进的检测设备和检测方法是对气制动阀类总成进行严格的定蜮检测的重要前提条 ，没有亢进的检测设备和检测方法，就无法严格保证气制动阀类产品的质量。因此， 果川腿代高新技术和检测方法，研制一套能对制动阀类产品的质量和性能进行全面检测 的t ! j ! | l 试系统，对产鼎逐一一进行出厂前的性能检测是提高产品质量及保障交通安全的需 要。n 此研制先进的检测殴备，提高气制动阀类产品的质量，保证安全行乍，减少交通 审故是本课题的壤终目的。 本课题开发研制的卸荷阀性能测试系统，应用高精度传感器、数字转换装置和计算 机及其外部没备进行白动测量、试验和数据处理，自动化程度高、测试精度好、结构简 单、适应l 。业现场流水作业需要。测试系统有机地融合了现代检测手段、计算机控制技 术、白动化技术和可靠性理论，使测试与试验摆脱小规模、单参数禾i 单功能的状态，向 l ：稃规模发展，满足了汽下气制动卸荷阀总成在1 ：业现场进行性能测试和产品质量监测 n 0 需璎，成为汽下零部1 ，| = 产f l i ! i 检测应用现代综合技术的重要方面。另外，由丁卸荷阀性 能测试系统的使川，提高了测试效率和测试精度，而且发现了该产品在设计上存在的一 些问题( 由丁以往检测手段的落后一直没有被发现) ，为产晶设计及产晶性能的进一步完 善提供了技术基础。 1 4 课题研究的主要内容 本课题在汽下气制动卸荷阀性能测试系统研制开发的基础上，将利片 阶跃响应法测 取测试系统的阶跃响应曲线，然后利用高级语言m a f l a b 对测试数据进行计算分析， 从而辩识山卸荷阀测试系统的传递函数。在获取系统的传递函数后，就可以运用m a t l a b 中对动态系统建模、仿真和分析的软件包进行系统的仿真。 本课题将对比例减压阀的线性度以及不同的加压方式等方面对测控系统性能的影响 进行有益的探索。对阶跃加压方式、两阶段加压方式希i 等步& ( 01 v ) 连续加压方式进 比较从中分析出加压过 g 平稳、加压速度快、压力平衡时间短的加压方式。对两段 j j i | f j ， 水阔的第一段加乐幅值以及不同的加压时间间隔进行比较，从中获得最好的 加压过程。利坩面向科学与l ：程计算的高级语言彻a d a b 对测试数据进行计算分析， 为进一步优化测试系统。缩短生产节拍，提高生产效率提供一定的理论依据和技术基础。 测试系统的戍用可对产品进行质量监控。提高测试精度及生产效率，降低检测劳动 强度不仅可售接给企业带来经济效益，而且也间接带来巨大的社会效益。 东北林业夫举坝i 学位论文 2 检测系统构建 住g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动乍运行安全技术条件中对气压制动系统做了如f 规定： ( a ) 采用气压制动的机动车当气压升至6 0 0 k p a 且不使_ h j 制动的情况f ，停j r 空 气乐缩机3 r a i n 扁t 其气乐的降低值虑不人丁1 0 k p a 。在气压为6 0 0 k p a 的情况f ，将 制动踏板踩剑底，待气压稳定后观察3 m n 单车气压降低值不得超过2 0 k p a ：列车气 弁低“j 小f ：趔过3 0 k p a 。 ( b ) 气压制动系必须装有限压装置，确保贮气筒内气压不超过允许的最高气压。 为了保证制动供能管路的压力的微小变化不引起制动力的较大变化，制动系统设置 了卸荷阀。卸荷阀能自动调节气制动系统的一作压力，并将部分凝聚水和杂质排入大气， 以保e 气蹄消沽。卸荷阀质量的好坏直接关系到汽车的制动效能。利_ h j 测试系统对卸荷 l q j ：能进行f l ：线逐一检测，可以保证卸荷阀的产品质量。 2 1 测试原理 卸荷阀总成装配完成后，每一个卸荷阀都在测试试验台上进行调整与试验。试验气 路原理幽地图2 1 。 b9 圈2 - 1 试譬气路景毽圈 1 气源2 涮雕阀3 、8 町调式节流阀4 、7 压力表5i l 贮气筒6 试件9 消音器 测试步骤如r ： ( 1 ) 芙盼霄流阀8 ，打开节流阀3 调整调压阀2 ，向试什输入压缩空气旋转卸 荷删调整螺钉。肖压力表7 达到0 8 6 0 0 1 m p a 时。卸荷阀开始卸荷。调摧节流阀8 ， 使开i 力表7 读数慢慢f 降，。f 降至0 7 8 0 0 5 m p a 时。卸荷阀终止卸荷。调整结束，调 牲螺钊点漆、锁定。 ( 2 ) 戈川h 流 | 】8 ，开启节流阀3 ，调褴调压阀2 ，使压力表7 的压力为0 2 m p a ， j ：川1 ，流闷3 历时5 r a i n ，赝力表4 、压力表7 气压f 降不得人丁0 0 2 m p a 。 ( 3 ) 开启i ，流阀3 ，调整调压阔2 使压力表7 的压力为0 8 4 m p a ，关伢j 节流阔3 ， 一 塑! ! 型望塑堑塑型堕至堑堕! ! 塾! ! 坐塑 ! 1 5h ；j - 5 r a i n ，乐力表4 、压力表7 气压r 降不得人于o 0 5 m p a 。 2 2 系统组成 实际测试中，由r 被测信号的人小、随时间变化的快慢不同和对测试结果精度的要 求不同，组成测试系统在繁简程度和中间环付的多少上是有很人筹别的。在卸荷阀性能 测试系统中采川压力数字测控系统。压力数字测控系统的般结构见图2 - 2 所示。 爪 对象 各种指示 仪表、记录 仪器或控制 装氍 田2 2 压力数字控系统的般组成 本测控系统采用分体组合的结 构绸态方式即由主控机柜和j ：装夹 具台两部分组成。见图2 3 。 e 控机柜内有： j ：业控制计算机组； 开关式r 。业电源： 净化式不间断电源： 数模采样预处理部分； 电源总开芙及漏电自保装 置。 i ：装夹具台布置： 气动元件组合； 无损伤密封接口气动夹具； 安全测试按扭及瞬时中断 按士h 。 卸荷阀测试系统的电路原理图、 气路原理图见图2 - 4 和图2 5 。 东北林业人学倾l 学位论史 孵唧塔霹峰墓遐鹾2水敞2“一一 水嫩r斟h雄霸警哩骐一 g一齄诤塔埘jl d鞋幽攥举越卜稚愫担2一q-ucin巴=u山甘器卜ju山n雌删煤n露篦钟l 墨喇蛙蟹粤撼幡筇冀缸曩 汽下气制动卸衙阀测试系统的驯究j 成用 9 l 厂 一。j 墨誓蟹r琳懈筇靠t槔霹，n墨 竺一一茎韭堡些叁兰塑! ：兰笪笙壅 2 3 主要特点及技术参数 2 31 主要特点 本系统土要h j1 - 汽车卸荷测总成( d 2 c j 3 5 1 2 5 s 一1 ) 的j ：业现场性能试验和产品的 顷罐监控。 本系统采h 高新机电一体化技术，主要特点有： 采h 德1 日f e s t o 公司和日本s m c 公司气动元件。符合国家相笑的l ：业标准； 采川p e n t i u mc p u 的l 业控制技术，适合j ：业现场环境条什： 采刚1 0 0 k h z 的高精度采样处理板# ，单次测试过程小丁1 8 0 s ，可_ j 丁- 在线过程 的流水实时检测作业。 采刖压力比例技术、动态特征点描述、自动跟踪设定参数、全过程实时监控、关键 数据自动记录，并提供有设备的数字量和模拟量自检、自控软件： 动态显示过程参数、自动判定产晶质鬣； 晓好的人机界面及安全性设计，使操作简单、可靠： 分体式总成布置，维修方便。 本系统乱进行常规性能、密封测试等过程中，综合采用全密封测试过程、可控加载 试验、按钮安全模式、紧急安全中断方式等项先进技术方案。 23 2 技术参数 卸葡l j ；性能测试系统的主要技术参数见表2 i 。 衰2 - 1 卸荷性能试熏统的主要拉木参数 压力测量参数工作环境 测量范mo 卅8 5 m p a ( 气动)气源o9 一1 0 m 3 。a 无腐蚀性洁净压缩空气 精度 04 k p a 也源a c 2 2 0 v 士j 0 5 4 湿度2 5 9 0 ( 尤簖点) 厦离使用佳力 ld m p a 温度o 5 0 2 4 主要技术问题的解决方案 2 41 等效密封测试技术 在研制、生产、维修汽毒 - o j 动产品时，都把产品的密封特性、性能参数作为必捡项 汽车气制动卸荷阀测试系统的研究与成用 目。为此，中国汽车工业总公司颁布了q c f f3 5 9 2 汽车与挂车气压控制装置台架试 验方法、q c t3 6 9 2 汽车与挂车气压控制装置通用技术条件。两个标准中均规定 了r ：要测麓指标一“密封性指数”，但其批量生产的测嚣却比较困难，尤其是批量流水 作业的生产宵拍难以满足标准的要求。因而探求解决上述棘手问题的技术方法就成了 当前汽车制造、维修业急需攻克的难关。 通过研究试验，利用微机测控技术可良好地解决这难题。气制动产品的密封特性 检测系统将标准规定的密封性指数测量时间由5 m i n 缩短到1 5 s 内完成，达到了实用化 的程度。 所谓密封性指数，q c 厂r 3 6 9 23 21 中的规定为： 在单个测试回路中，贮气罐内每立方分米的气体在 5 m i n 内的气压下降值以“k p a ”表示。 为方便计算，设圈2 6 所示的系统为等温泄漏过 程，即压缩空气开始由( p s o 、t s o ) 容积矿中，缓慢 地向外界泄漏。并保持放气侧压力b 一定，直到贮气 罐内压力变为p s 为止，而贮气罐内部气体温度始终不 变，即t s o = 瓦= 是的泄漏过程。 在等温泄漏的过程中，贮气罐内空气压力由 s o 向外界泄漏到p s 的时间t 可按下式计算： k0 0 5 6 1 9 ：k 轴 ( 2 1 ) k 裔k 斧 曙 式中：卜气容容积，甜， 卜节流喷嘴( 泄漏口) 有效截面积。一； n 一一绝对温度，k ： 尸s 厂贮气罐内气体开始泄漏时( 婷o ) 的压力，p a ： | p s 池漏结束时贮气罐内气体压力。p a 。 其中，系数0 0 8 6 1 9 是按多变指数n = 1 4 ，气体常数r = 2 8 7 1j ( k g k ) 计算获得 的。将( 2 1 ) 式变换为节流喷嘴有效截面积： 删o s s ，嚆t 昏 c z 彩 t 、l t s p s 若按q c t3 5 - 9 2 的规定。设单位容积( i d m ) 为规定时间( 5 m i n ) 为f l o 实 际测试系统中采用等效贮气罐容积为等效测量时间( 如1 5 s ) 为七。采用模拟装置 使实际测试系统与标准规定的节流喷嘴有效面积相同，( 2 - 2 ) 经变换后有 s 0 0 8 6 1 9 击呱矗p s ， = 一l n ( 二l _ ) ，。乃 。一。 一o 。姗击td t st 呱老a q 。 。丹一 东北林业人学 填i 学位论义 。 ，：以单化容积，m4 ： 以等效贮气罐容积，m 3 ； ，。规定时间，s ； k一等- 效测耸时间，s ； | d s 。一规定时间贮气罐内气体开始泄_ 2 i i ；时的压力，k p a ： p s 广一等效测量时间贮气罐内气体开始泄i i j ；时的压力，k p a ； 。规定时间的贮气罐内气体压力降，k p a = 厶。一一等效测龋时间的贮气罐内气体压力降，k p a 。 小取 1 _ ( 矗 邓 c z 4 ， 其中 口：! 上 v 。t 。 ( 2 - 5 ) 代入标准规定的单位容积和规定时间值，式( 2 - 5 ) 演变成 卢= 击等 c 由此可见，对丁不同型号的气制动产品，其规定的j ：作气压风为定值，而在测试 系统没计方案时义可对等效贮气罐容积k 、等效测量时间f e 视具体结构适当选取。因此， 住实际的密封特性测量过程中，通过对状态参数，s 。、厶。的监测及采用适当的修正方法， 即可间接得标准规定的测鬣指标。 采刖l 二述变换的方法，可良好的解决标准规定时间与实际生产过程1 ：作节拍的矛 孵。若取等敛时间为1 5 s ，显然可提高生产率2 0 倍。 2 42 闭环测控原理 图2 7 示出了含有采样和控制的典型电控气测试系统。 汽午气制动卸衙阀澳4 试系统的研究l j j , , i 用 由幽2 7 町知，系统一方面由计算机d a 通过“电气比例调1 ，( 比例减压阀) ”控 制卸荷f f 】；| 输入口的调1 ，压力另一方面测试压力经传感器雨j 信号调理后输入计算机a d 进行采样处理，构成典型的国j 习：压力控制回路。因此测试精度与最小测量压力单位d p 及其调理方式、电气比例调节压力变化精p 密切相关( 忽略传感器精度、温漂等影响 冈素时) 。 2 43 信号调理单元 f e s t o 公司s d e 一1 6 - 1 0 v 2 0 m a 压力传感器的输出信号的电压范围是0v 1 0 v ，而 p c l 7 1 1 b 采样卡要求的输入信号的电压范围是5v t - 5 v ，为使传感器输出的电量信号 易r 传输，增强传感器输出信号的抗干扰能力并减少噪声。利用信号调理单元对信号进 行处理。调理信号单元如图2 - 8 所示。 圈2 - 8 信号调理单元 幽2 - 8 中p 1 、p 2 为信号输入端，o u t a 、o u t b 为信号输出端。虚线左侧部分是 一个差动输入的减法运算电路，起减小零点漂移和抑制干扰信号的作用。其同相端输入 电路等价于r c 滤波电路。 输出调节步骤： ( 1 ) 将p 1 、w l 短接，调整w 2 ，使r 6 在6 点对地的输出电压值( 以后简称v 0 1 ) 为0 v ； ( 2 ) 将p 1 、p 2 短接，调攘w l ，使v 0 1 的值为5 v ； t 3 ) 重复第一步。 由图2 8 知 东北林业人学硕 学位论文 尊等蔫堋s ， r ，+ 旦主一r ，+ 击。 r + 上 ( 2 7 ) r _ ，：1 ，口( s ) 一p 1 、p 2 两点间电乐 h ( s ) 一o p 一0 7 第3 管脚电乐 而反相输入端为一个调偏电路，它的输入电压由可变电阻器矾决定。变化范围由 稳压管决定。在0 7 5 v 之间移动。通过调节( r 2 前断对地电压) 的范围，使差动输 入的电压值很小，使运算放人器】：作在线性区。o p - 0 7 具有很低的输入失调电压( 对y - o p 一0 7 a ，2 5i jv 最大) ，并且在晶片级上进行微调。宽的输入电压范同( 1 3 v 晟小) j 高的共模抑制比( 1 1 0 d b ) 和高的输入阻抗相结合使之具有高的运算精度。 由丁运锋放人器的输出电流一般不人，所以在输出端加上了一个三极管电流放大电 路，以增强输山信号的抗干扰能力。同时二极管电流放大电路还起到短路保护的作用， 以避免信号调理单元由于短路而损毁。 加入信号调理单元后，对溯控系统中的压力传感器进行标定。标定过程中使用的是 0 4 级精密乐力表。其精度为 0 3k p a 。标定后的线性拟合方程为： p = ( 1 6 0 0 x ( 5 + u ) ) l o + 2 6 ( 2 - 8 ) 式中：j p 输出的压力( k p a ) ； “传感器输出电压( v ) 。 汽车气制动卸 ； f 阀测试系统的研究1 j 心用 3 比例控制技术及其应用 随着l ：业自动化程度的不断提赢，许多气压、液压系统要求作介质的压力和流量 能连续地或按比例地跟随控制信号而变化。若仅用普通的控制阀很难实现这种控制，即 使实现了这种控制，控制精度和动态性能也人大超过了系统的要求，而且系统复杂、成 本高、制造和维护困难。为了满足生产中对这类气压、液压系统的要求，比例伺服控制 技术得到了深入的研究和广泛应用，以此组成开环比例控制系统或闭环比例控制系统。 气动压力比例控制技术在i ：业自动化中的应用越来越f “泛和重要。比例技术从控制 方式剑结构形式都在不断地改进和提高。由于比例控制阀实现了电信号控制，因此它具 有传递功率大，反应快，电气设备易操纵控制，电信号易放火、传递和检测的优点。对 丁远程压力控制而言，采用比例控制技术是一种经济的解决方案。尤其是对分时分段加 压的测试系统( 例如卸荷阀性能测试系统) 。由予比例阀的加压过程可以由计算机控制， 冈此，其控制过程是柔性的，压力调节是连续的。 3 1 气动比例控制元件的工作原理 气动系统中应用最j 。泛的比例控制阀分为比例减压阀和比例方向阀。卸荷阀性能测 试系统中需要对气体乐力精确控制，而对流量没有特殊要求囡l l t ；选用了比例减压阀。 本1 y 将着重介绍比例减压阀。 3 11 比例方向控制皤 比例方向阀可以控制其f 嘲芯的位移，即能把输入的模拟电信号( 电流或电压) 转变 成阀的相应开口面积，从而可以实现对气缸的活塞速度的无级调节和崭瀵的控制。比例 方向控制阀可与一个外部的位簧控制器和位移传感器相连构成一个精确的气动定位系 统。 3 1 2 比例减压阀 气动压力比例阀是由两个二位通高速开关阀、气容和一个高性能气控减压阀及相 应的控制电路组成。这种结构形式采用了先进的脉宽调制控制及开关阀作为驱动级。其 抗污染能力大大增强。气控减压阀主要具备以下性能：灵敏的溢流特性、匙好的线性、 运动部件低摩擦设计、足够的流通能力。气容的作用是实现积分，消除了进排气的波动 以及系统的稳定。为改善系统的控制性能，提高控制精度等级。在系统中应用外部压力 传感器，构成闭环雁力控带6 圆路。 当进气阀打开时，气容内压力上升，减压阀的主阀芯向下运动主阀口开度增加， 输山压力增加；反之，排气阀打开时，气容内压力下降，减压阀阀芯片向上运动，同时 。 东北坠些叁兰塑! ! 堂壁堕兰一 生一一 2 竺? 罴三? 器阔f i 一坪, o = 茹k 压 债载腔通过濑流口排出多余的气体，输出压力 习魈哥”“ 。 儿慊黼然一嚣：比 蒙篆搿监耄美黼星燃黼艄黼号相比 蜣专雾豢燃裟黜黼黼嚣 i l ! l i t , 如她速升离，比例阀的输出乐力也迅速提两从f q 扼间“”。一 焉巍然渊麟 汽下气制动卸倚阀测试系统的训f 究j 心用 7 3 2 比例减压阀的基本特性 3 2 1 控制特性曲线 纠j 荷阀性能测试系统采川德国f e s t o 公司生产的m p p e 一3 1 4 1 0 - 0 1 0 b 型比例减压 阀比例减乐阀控制特性曲线地图3 - 2 所示h “。 2l68 设定点电压u ，7 圈3 - 7 簟出压力与设定点电压之同的关系( 样奉培定) 测试系统中实测的比例减压阀控制特性曲线见图3 - 3 所示。 248 8 设定点电压v ，v 3 0 出压力与鼍定点电压之一的关熏( 安) 1 0 g 8 7 e 5 4 3 2 l o o 0 0 o 0 o 0 0 o 蛊啬杂出羽球 1 g e t 5 s i 3 2 l 0 0 0 0 o 0 0 0 0 o ：鼍长幽丑孽 东北林业人学坝1 1 学位论史 322 比例减压阀的线性度 对1 、线性静态特性的测堵系统，要求输山最与输入域的关系节线性特性。但实际上， m 】i 备利原| 灭l ，其输出督与输入鼙的关系并不是线性的。冈此，测苗系统的实际静态特 性曲线( 或称校准曲线、标定曲线) 与某参考直线的接近或偏离的 ￥度，称为线性度。 它是实际静态特性曲线与拟合直线的最火偏差与测最系统满量程输山值之比值的百分 数其表边式为： j ，：竺1 0 0 j ， 式中：6 广线性度： m 实际静态特性曲线与拟合直线的最人偏差 满世稗的输出龋。 拟台n 线的通式为 y = 日o + a l x + g 2 x 2 + 口3 x 3 + ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 拟合直线的选取方法很多，常用的有三种： 第种是理论直线法。即以( 3 - 2 ) 式中的线性项为依据所求得的直线作为拟台直线。 l t 优点垃比较明确、简单。 第种是最小一乘法。即通过试验( 每一个输入量即有一个输出蜮) 取得相当多组 数据后，肘数理统计学中的最小_ 二乘法，求出它的拟合直线的方程。根据这个方程在蚓 中描出拟合直线。这一方法比较精确但计算复杂、麻烦，限制了它的使用。 第二种是作图法。即在己测得的实际静态特性曲线图上，把零输山点与满量程输出 点连接起米的直线，作为拟合直线。这种方法的精度不商但由于简单、方便而常被采 j ij 在本文的研究中，笔者采用第一二种方法。 实际静态特性曲线与拟合直线的对比图如图3 4 所示。 拟合f f 线的方桦为 v = 0 0 9 8 9 x + 0 0 8 6 驴詈100=黼loo=4278y 8 6 9 6 6 7 7 ， o 闪此比例减压闱的线性度为42 7 8 。 汽下气制功卸倘阀测试系统的训宄j m 用1 9 芝 “ 苗 钼 臻 0248e 设定点电压u v 圈3 - 4 实际尊杏特性曲拽与拟合直战对比 1 0 3 23 比例减压阀的滞后量 当测试系统在接受由小逐渐增人或由大逐渐减小的输入时。对于同样一个输入得到 不同的输出，则其两个输山的偏著的展大值与满量程输出之比的百分数称为测试系统的 滞后龉。滞后世的表达式如f 式： 占：垒竺1 0 0 ( 3 3 ) y 。 式中：j ，滞后量； , c 3 m 输出的最人偏著值： “，满嚣利的输山培。 占，：! ：丝理翼1 0 0 ：0 2 6 8 3 0 8 6 9 6 6 6 6 6 7 冈此，比例减压阀的滞后量为0 2 6 8 3 。 3 24 最小调节压力户 d i a 转换器有8 b i t 、1 2 b i t 和1 4 b i t 等多种( p c l - 7 1 1 b 为1 2 b i t ) 。1 2 b i t 满量程、5 v 输出电压时的最小变化晕d v = 5 v 2 ”= 1 2 2 m v ：1 0 v 输出电压时的最小变化量 d 忙24 4 m v 。 然而m p p e 3 型比例减压阀的响应特性为0 5 e s ，即5 v 控制电压电压信号的 ， 9 8 t 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 东北林业人学坝卜学位论义 最小分辨埘y = 2 5 m v ：1 0 v 控制电压电压信号的最小分辨量f r = 5 0 m v ，都远远高rd a 转换器的输。若考虑比例碱压阀的有限响戍信号( 为0 1 0 v ) 区段特性，满姑科1m d a 州的最小物理分辨茸p = s k p a 。 由此可魁，p 的人小取决r d v 与v f 的_ 芙系： ( 1 ) 墩d a 控制增龉为n 时，当( n x d ，) 4 0 0 。 4 23 不良数据的剔除 当试验在生产现场进行时，由于其运行i i 况可能受到过人的随机干扰，或者由于传 感器平信号传输通道不充分可靠而有偶然火灵情况，都可能会导致观测值发生人幅度的 跳变。这利，不良数据即使为数不多，但也戍该予以剔除。比较简单的方法是对观测数据 进i ，滤波。具体做法是将新采样值】c ( k z 3 ) 与上一次采样值y i t 4 z 3 ) 进行比较，若二二者 筹值过人，超过可能的最人跳变量范围y m ，则认为本玖采样值是虚假的，鹿予剔除， f 州巳一次采样值l ，蚀诹代r ( 4 l 送入计算机。k 由信号y 的最大变化率v y = ( d y d 1 ) 。、和采样间隔4 确定，即： 么= k 厶 试验采集数据并运用m a t l a b 软仆处理后，得到阶跃响应曲线，如图4 3 所示。 圈4 - 3 _ 跃皮曲境 运州展小- 二乘法进行数据拟合以后的阶跃响应曲线如图“所示。 4 3 系统传递函数的辩识 43 1 阶次的确定 根据先验知识利蹦阶跃信号辩识的系统数学模型阶次最大为，埘 系鳄一4 。为了简 化运算，在实际中遇到的过阻尼二阶、三阶等系统可近似等效于一阶系统。由试验数据 知卸荷阀钡4 试系统是带纯滞后的一阶系统。 东北林业入学硕l ：学位论文 盈4 - 4 报合后的阶既确应曲墁 43 2 卸荷阀性能测试系统的传递函数 住对数据返最小二乘法进行拟合处理扁，利用图解法求得卸荷汹性能测试系统的 传递函数： g ( s ) ：望：! ! ! ! 丝。- o 7 0 2 3 3 s 、 0 4 9 6 2 3 s + i 1 e 中：采样点个数n = 4 0 0 ；+ 采样h - 问1 日3 1 辑t = 0 0 2 ( s ) ； 传递函数的放人倍数k = 0 9 8 4 3 0 2 ： 系统时间常数t = 0 4 9 6 2