氣制動手控閥性能檢測系統研究及其評定*

李 龍 楊春生 肖 鵬余曉曦 陳正龍

（1.中國測試技術研究院；2.四川大學）

1 前言

汽車制動系統性能的好壞直接關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中的關鍵零部件，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，國外對氣制動系統中關鍵零部件性能參數的檢測技術極少報道，并且其相關檢測設備價格昂貴。東北林業大學研制了氣制動閥類零部件性能綜合測試系統[4]，中國計量學院開發了對汽車制動總閥、彈簧制動氣室、干燥器等閥類性能綜合測試的設備[5]，雖然這些設備能夠對手控閥的性能進行部分參數檢測，但主要用于實驗室研究，檢測效率和自動化程度低，無法滿足工業生產中對手控閥進行快速全面檢測的需要。

設計了一種氣制動手控閥性能快速檢測系統，利用伺服電機[6]控制手控閥手柄轉動角度，完成手控閥靜態特性自動測試，其測試時間短，檢測效率高，滿足了企業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手控閥進氣口通入額定氣壓并緩慢轉動其手柄角度時，手控閥出氣口氣壓的變化。通過對手控閥靜特性的測試，能夠為產品設計及改進提供理論依據。

2.2 密封性測試

密封性是保證制動系統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的節流噴嘴。則在等溫泄漏過程中，儲氣罐內壓力從開始放氣（t=0）時的PS0下降到泄漏結束時的PS時，其前、后氣壓之比與時間的關系[7]為：

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

將泄漏結束時儲氣罐內氣壓變化值Δ引入式（1）中，并根據節流噴嘴有效截面積 S將式（1）變為[8]：

設t1為按照相關規定在單位容積為V1（1dm3）時所需測試時間，根據相關企業要求，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、后節流噴嘴有效截面面積相等[9]，則

式中，Δ1、Δ2 分別為規定測試時間（5 min）和等效測試時間 （15 s）時儲氣罐內氣壓變化值；PS1、PS2分別為規定測試時間Δ和等效測試時間時的初始氣壓值。

將式（3）整理可得:

根據式（4）計算測試結果包含指數V2t1/V1t2，如果采用1:1等效測試，則式（4）中指數V2t1/V1t2=1，即化簡為Δ1=Δ2。將等效測試時間和規定測試時間帶入 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，根據系統具體結構，采用等效容積V2=0.25V1，測試時間t2=15 s。令α=V2t1/V1t2，并根據規定容積V1、規定測試時間可計算得出α：

不同手控閥所規定的工作氣壓為定值。根據V2和等效測量時間，密封性指數為等效測試時儲氣罐內初始氣壓值與儲氣罐內氣體壓力變化值的函數，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的檢測并加以補償來間接完成對密封性指數的測試，以提高檢測效率。

3 檢測系統硬件設計

根據主要測試項目，靜特性測試為手控閥手柄緩慢轉動時，出氣口氣壓變化與手柄轉動角度的關系；密封性測試包括行車狀態下、部分制動狀態下及停車位置狀態下進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》中閥類檢測標準及企業相關測試要求，設計了基于工業控制機的手控閥性能檢測系統，如圖1所示。

該系統采用工控機作為整個系統的控制和處理核心[10]，數據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轉換，其負責系統氣路中氣壓傳感器以及旋轉機構角度傳感器的信號采集[11]；傳感器信號通過信號調理電路輸送到數據采集卡模擬通道，經A/D轉換成數字信號再經由數據采集卡傳輸至工控機，由工控機進行處理顯示和判斷；同時數據采集卡輸出開關量信號，通過固態繼電器板的繼電器驅動各電磁閥，實現氣路中進氣及排氣過程；工控機向數據采集卡發送指令，由數據采集卡向伺服驅動器發送方向信號和脈沖控制信號。

在旋轉伺服加載機構設計中，在旋轉正、反方向安裝有2個限位光電開關，以防止旋轉角度過大而使手控閥手柄受力過大，同時防止伺服電機超過其最大負載轉矩。

檢測系統中設計了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、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，關閉電磁閥2、電磁閥4、電磁閥6，20 L儲氣罐向進氣口供氣，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 系統軟件設計

該系統采用VC++6.0作為軟件開發工具，利用多線程技術實現數據采集、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。

為提高數據采集與處理速度，采用多線程技術在程序主線程中分別創建數據采集線程和數據處理線程[12]。采集線程采用硬件中斷觸發方式進行數據采集，在被測件測試完成后，由計算機讀取中斷數據緩沖區中的全部數據；處理線程完成對測試數據的處理分析，并對數據與結果進行保存；主線程負責人機交互、參數設置、曲線顯示以及報表的生成。

5 測試結果與系統評定

5.1 測試數據結果與分析

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、行車狀態下密封性、部分制動狀態下密封性和停止狀態下密封性分別進行測試試驗。

5.1.1 手控閥靜態特性測試結果

測試時打開參數設置界面，設定充氣時間以達到足夠的氣壓，并設定旋轉機構角速度等參數；調整旋轉機構，使其與手控閥手柄0°位置相隔10°，以便安裝和拆卸被測件，從而節約測試中調整旋轉機構零點位置的時間，測試完成后旋轉機構自動回到起點位置。

靜特性測試結果如圖4所示，可知出氣口在手柄旋轉到11°時氣壓開始下降，直到手柄旋轉到57°時出氣口氣壓完全降為0，根據手控閥靜態特性理論曲線可知，系統檢測結果符合企業標準規定，能夠滿足相關要求。

5.1.2 密封性測試結果

5.1.2.1 行車狀態下密封性測試

為節省測試時間和提高測試效率，將國家標準規定的儲氣罐容積和測試時間等效轉化為0.25 dm3和15 s,根據測試數據Δ2，按照式（4）計算得出其密封性Δ1。向進氣口充入700 kPa氣壓，并保壓15 s，當氣壓穩定后開始測試出氣口1的氣壓值和泄漏值，重復測試50次，測試結果見表1。

表1 行車狀態下出氣口1的氣壓值與密封泄漏值 kPa

由表1可知，行車狀態下出氣口1的泄漏值均在2.5 kPa以內，符合常溫環境下最大密封性泄漏值的規定。

5.1.2.2 部分制動狀態下密封性測試

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

表2 部分制動狀態下出氣口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，滿足相關規定要求。

5.1.2.3 停車狀態下密封性測試

在停車狀態下測試時，向進氣口充入720 kPa氣壓，并同時轉動手控閥手柄至停車位置，穩壓一段時間后開始測試進氣口的氣壓值和泄漏值，重復測試20次，測試結果如表3所列。

表3 停車狀態下進氣口的氣壓值和泄漏值 kPa

通過上述測試結果可知，密封性指數都小于3 kPa，測試結果滿足在標準規定。

5.2 測試系統評定

根據JB/T10633—2006《專用檢測設備評定方法指南》對檢測設備可靠性進行驗證，參考系統評定方法Ⅰ，通過計算Cg、Cgk（測量能力指數）判斷設備是否“通過”。Cg表征被評定檢測設備的重復性指標，反映了隨機誤差對測量過程的影響；Cgk表征被評定檢測設備的準確度指標，它綜合反映了系統誤差和隨機誤差共同對測量過程的影響。Cg、Cgk是檢測設備保證檢測質量能力的定量表征，新設備必須滿足Cg≥2.0、Cgk≥1.33才能判斷“通過”。

測量能力指數計算式為：

式中，T為被測量的公差，即密封性指數所允許的最大泄漏值，為40 kPa；Sg為標準偏差，即本文實測出氣口氣壓值標準偏差；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。

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

6 結束語

設計了一種氣制動手控閥靜態特性和密封性性能檢測系統。針對密封性檢測進行了分析和等效轉化計算，使密封性檢測時間從標準中規定的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。通過企業生產現場試驗測試，對檢測數據進行了統計分析，參考《專用檢測設備評定方法指南》對其測量能力指數進行計算，結果表明該檢測系統滿足新設備驗收要求。

1 陳勇.汽車制動檢測臺測控系統設計.湖北汽車工業學院學報,2007,21（3）:18～20,24.

2 安志敏,林敏,郭斌.繼動閥在線檢測系統的研究.計算機測量與控制,2012,20（12）:3190～3192，3231.

3 S.V.Natarajan,S.C.Subramanian,S.Darbha,et al.A model of the relay valve used in an air brake system.Nonlinear Analysis;Hybrid System.2007,12（5）:430～442.

4 韓銳,趙中煜,關強.氣制動閥類綜合性能檢測系統的研制開發.林業機械與木工設備,2002,30（6）:10～13.

5 姚帥,李飛標,郭春裕.汽車氣制動閥類綜合性能檢測系統的設計.工業控制計算機,2009,22（4）:36～37.

6 姚振,馬朝永,林忠波,等.伺服電機在汽車制動零部件檢測中的應用.機械設計與制造,2011,（1）:102～104.

7 關強,韓玉杰,向福林.計算機控制的雙腔氣制動閥密封特性檢測技術.東北林業大學學報,1993,21（5）:81～86.

8 楊麗紅.容器放氣過程的數值模擬及熱力學模型研究：[博士論文].上海：上海交通大學,2007.

9 吳振順.氣壓傳動與控制（第2版）.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2009.

10 宋學青,隋良紅,張杰.氣動ABS壓力調節器動態性能測試系統研究.中國測試,2013,39（3）:117～120，124.

11 劉遠宏,馬宗坡,夏均忠,等.基于現場總線的汽車檢測線控制系統研究.中國測試,2011,37（2）:65～68.

12 賈廣雷,劉培玉,耿長欣.多線程技術及其在串口通信中的應用.計算機工程,2003,29（1）:247～249.