四回路保護閥啟閉特性檢測系統建模仿真與實驗驗證

范偉軍 趙晨馨 毛 民 郭 斌 張培培

(1.中國計量大學計量測試工程學院, 杭州 310018； 2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司, 杭州 310018)

四回路保護閥啟閉特性檢測系統建模仿真與實驗驗證

范偉軍1趙晨馨1毛 民1郭 斌2張培培1

(1.中國計量大學計量測試工程學院, 杭州 310018； 2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司, 杭州 310018)

四回路保護閥(簡稱四保閥)啟閉特性檢測系統中，管路孔徑、壓力數據采集頻率對四保閥的開啟壓力、關閉壓力檢測結果影響較大，由于目前缺乏相關研究，導致不同檢測系統的檢測結果無法比對。在研究閥體力學模型及流量特性模型的基礎上，構建了四保閥檢測的啟閉動態過程數學模型，搭建了啟閉特性檢測系統的AMESim仿真模型并進行了研究。結合實測實驗數據，對管路孔徑和采樣間隔對四保閥啟閉檢測結果的影響進行了分析。結果表明：進氣節流孔越大，開啟壓力檢測時間越短，檢測數據穩定性越差；排氣管路孔徑越大，關閉壓力越大；數據采集頻率越高，開啟壓力檢測數據穩定性越好；進氣節流孔面積為0.5 mm2，采樣間隔為0.001 s，可同時兼顧開啟壓力檢測的穩定性和效率。

四回路保護閥； 啟閉特性； 檢測系統； 數學模型； 仿真模型

引言

目前，汽車制動系統多采用雙回路氣壓制動系統，相比單回路系統，制動系統不會由于其中某個部件失效而導致整個系統失效[1]。四回路保護閥(以下簡稱四保閥)作為汽車雙回路氣壓制動系統的重要部件，其啟閉特性直接影響制動距離和整車制動性能，對汽車的安全性能具有重要意義。

四保閥啟閉特性檢測系統中，測試管路孔徑、壓力數據采集頻率對四保閥的開啟壓力、關閉壓力檢測結果影響較大，不同測試系統下的數據無法比對。國內行業標準QC/T 37—2011僅對四保閥啟閉特性檢測的試驗方法和流程進行了描述，對測試關鍵參數如進氣節流孔口徑和采樣時間間隔并沒有標準規定；國外的知名汽車零部件生產商如WABCO、KNORR等跨國公司對四保閥測試有自己的企業標準，但由于技術堡壘，測試關鍵技術及測試指標都對外封鎖，國內企業無法借鑒，導致不同廠家生產的檢測系統規格參數均不一致。

本文建立閥體啟閉動態過程的數學模型，并引入多領域建模軟件AMEsim對四保閥檢測系統進行建模[2-4]，對啟閉過程進行仿真分析。研究系統控制管路孔徑、系統采樣頻率對啟閉特性檢測的影響。

1 四回路保護閥結構及檢測系統設計

1.1 四回路保護閥結構及工作原理

四回路保護閥由4個限壓止回閥構成并按一定的順序排列。限壓止回閥由調壓彈簧和密封膜片組成[5]，如圖1所示。

圖1 四回路保護閥結構圖Fig.1 Structure sketch of four-circuit protection valve1.調壓螺栓 2.調壓彈簧 3.密封膜片 4.閥體

工作時，壓縮空氣從1口進入保護閥，通過通孔，克服單向閥的阻力進入限壓止回閥腔內。當腔內氣壓達到足夠克服調壓彈簧的預緊力后，密封膜片上移，通道打開，壓縮空氣經21口、22口、23口和24口分別進入各個氣壓制動回路。假使21口漏氣，閥體通過21口排放空氣，使得閥內壓力低于一定壓力，閥門封死，從而保證了其他回路的工作氣壓[6]。

閥口開啟壓力是當出氣口開始輸出壓力時進氣口的氣壓；關閉氣壓旨在用于保護其他回路能在剩余壓力下正常工作：當氣源的供氣氣壓降為零時各制動管路所能維持的穩定壓力為關閉壓力。

1.2 啟閉特性檢測系統設計

依據國家汽車行業標準QC/T 37—2011《汽車和掛車氣壓調節保護裝置性能要求及臺架試驗方法》[7]及企業測試指導，雙回路氣壓制動系統中，氣制動管路可能發生斷、漏等故障，為了完成對啟閉特性的檢測，需要模擬正常或故障工況下的工作情況，以獲得準確的壓力特性。測試原理圖如圖2所示。在被測件四保閥測試氣路中設置節流電磁閥，電磁閥用于控制氣路通斷，實現系統的充排氣，制動管路通過節流閥通向大氣，節流閥導通，總成泄壓，即制動管路失效。為了實時監測制動回路氣壓的變化，在四保閥進出口設置壓力傳感器。四保閥1口通過可調節流孔供氣，用于控制供氣流量，實現可靠穩定的開啟壓力測試。

圖2 啟閉特性測試原理圖Fig.2 Schematic diagram of open and shut characteristic test1～5.節流閥 6.可調節流孔 7～11.壓力傳感器

節流孔和節流閥的口徑對啟閉特性檢測結果影響較大，口徑大小在行業標準中沒有明確規定，企業上也沒有統一標準，通過建模分析管路孔徑對四保閥啟閉特性的影響，為檢測系統設計以及檢測數據比對提供理論依據。

2 四回路保護閥檢測系統建模

2.1 數學模型建立

四保閥啟閉特性最終由氣壓來反映，根據四保閥的結構原理及運動學理論，結合以下假設條件：①忽略閥體的泄漏因素。②忽略閥芯產生的摩擦力和重力。③忽略彈簧剛度在運動工程中的變化和密封膜片的形變。④氣源穩定，閥內氣體溫度和氣壓均勻分布。⑤氣體為理想氣體，在進入閥體或流出外界時，不會損失總壓，每個流體質點在流動過程中保持不變[8-10]。以閥體的力學模型以及工作狀態下的氣體流量特性模型為基礎構建四保閥檢測時的啟閉動態過程數學模型。

2.1.1 閥體的力學模型

以其中一個限壓止回閥為例，穩壓氣源對四保閥進行充氣，氣壓推動由密封膜片等組成的閥芯產生位移Δx，氣體通過閥芯和密封唇口的空隙向出氣口供氣。當Δx=0時，閥門未開啟，出氣口氣壓為零；當Δx>0時，閥門開啟，出氣口產生氣壓；當Δx=Δxmax時，出氣口和進氣口氣壓逐漸趨向穩定。

對單個閥門啟閉過程中的密封膜片進行受力分析，可知密封膜片受到兩側氣壓力和彈簧彈力的作用，如圖3所示，di為進氣口氣壓作用面直徑，df為密封膜片直徑。1口輸入穩定氣壓作用于密封唇口的密封面上，氣體頂開密封膜片后，從空隙流向出氣口，進氣口氣壓pin作用于密封膜片，受力面為圓形區域；出氣口pout也同樣對密封膜片產生作用力，受力面為環形區域[11]。閥門開啟后，彈簧膜片受到閥體內部的壓力pm。

圖3 密封膜片受力圖Fig.3 Free-body diagram of sealing film

絕壓環境中，根據牛頓第二定律，得到密封膜片的受力方程

(1)

式中M——閥芯質量k——彈簧剛度x0——彈簧初始壓縮量 Δx——膜片位移ps——彈簧一側的氣壓，即標準大氣壓

2.1.2 氣體流量特性模型

四保閥工作時，由空氣壓縮機提供空氣經干燥器等設備至四保閥，再流至儲氣罐、制動回路，實現汽車制動。氣源由穩壓源p0提供，經過干燥器等節流器件，進氣質量流量為qm1，進氣有效流通面積為A1，四保閥進氣口壓力為pin，閥門內部壓力為pm，出氣口氣壓為pout，經過四保閥為全車供氣，初始氣壓為patm，出氣質量流量為qm2，出氣有效流通面積為A2。

根據氣體流量方程可知，流經閥門的氣體質量流量[12-15]為

(2)

式中qm——氣體的質量流率，kg/sp——閥內氣壓，PaV——閥的容積，m3T0——閥內氣體的溫度，KR——理想氣體常數，為287 J/(kg·K)A——氣管有效流通面積，m2κ——等熵系數

2.1.3 啟閉動態過程數學模型

進氣過程中，隨著進氣壓力的不斷增大，閥門打開，閥芯不斷移動至最大位移，在此過程中，閥芯位移Δx分為3種情況，即Δx=Δxmax、0<Δx<Δxmax、Δx=0。四保閥由于制動管路失效，排氣時，閥芯位移減小，閥芯位移量Δx具備2種情況，即0<Δx<Δxmax、Δx=0。

(1)進氣過程Δx=0

進氣過程中，當進氣壓力正好克服彈簧預緊力，此時加速度和閥芯位移Δx取零，出氣口pout為標準大氣壓patm，此時進氣壓力為開啟壓力p0，為

(3)

進氣氣體流量方程為

(4)

(2)進氣過程0<Δx<Δxmax

閥門開啟后，出氣口壓力上升，此過程為閥門開度逐漸增大的過程。密封膜片的受力為

(5)

此時閥內氣體增量的流量方程為

ASΔxdpm+pmASdΔx=RT0(qm1-qm2)

(6)

其中

式中AS——密封膜片面積

(3)進氣過程Δx=Δxmax

閥芯移動至最大位移時，閥門完全打開，此時進出口壓力平衡，閥門進口流量與出口流量相等。密封膜片的運動方程為

pmAS-k(x0+Δx)-patmAS=0

(7)

流經閥門總成的氣體質量流量qm為

qm=qm1=qm2

(8)

(4)排氣過程0<Δx<Δxmax

進氣管路失效或某一制動回路失效時，閥體內氣壓下降，閥門在彈簧作用力下逐漸變小，直至關閉。密封膜片受力方程、氣體增量流量方程和進氣過程0<Δx<Δxmax相同。

(5)排氣過程Δx=0

此時，閥門完全關閉，四保閥總成各處流量為零。密封膜片的運動方程為

(9)

式中FN——密封唇口對密封膜片的支撐力

經計算，關閉壓力pC滿足

(10)

其中

式中Ain——密封唇口密封面積

由式(3)可知，閥口的開啟壓力與調壓彈簧和密封唇口密封面積相關，然而閥門開啟是一個動態瞬態過程，檢測系統對閥口開啟壓力檢測實際是對閥口進氣口氣壓檢測。結合式(4)，閥口的進氣壓力pin是關于氣源壓力p0、進氣管徑A1及測試時間t的連續函數：時間間隔Δt越大，進氣壓力變化量Δpin越大；進氣管徑A1直接關系進氣速率，在相同時間間隔同樣影響Δpin。當判定閥門開啟時檢測進氣口壓力，進氣速率和數據采樣頻率會對進氣口氣壓檢測造成影響偏差，即進氣管徑和采樣時間間隔等測試因素會對開啟壓力的檢測造成影響。

制動管路失效時，閥體內氣壓下降，閥門在彈簧作用力下關閉，氣體質量流量遵循式(2)。結合式(10)可知，關閉壓力與調壓彈簧的選用和調定、密封唇口反向密封面積、失效回路排氣管徑等多種因素相關。關閉壓力檢測取得是穩態值，因此采樣時間間隔并不會對關閉壓力的檢測造成影響。

2.2 檢測系統模型建立

四回路保護閥啟閉過程是機械和氣動的相互作用完成控制的過程，通過研究四保閥結構原理，結合閥體啟閉過程數學模型，建立四保閥啟閉特性檢測系統的AMESim模型，對閥門的開啟關閉過程進行仿真。

四保閥有串聯式和并聯式，現以并聯四保閥為研究對象。在上述理論分析的基礎上，運用AMESim元件庫中機械庫、信號控制庫、氣動庫和氣動元件設計庫搭建模型[16-19]。其中通過一個帶有環形截面口的噴嘴閥來模擬閥體的排氣和進氣[20]；質量塊模擬閥芯的質量、摩擦和慣性，完成閥芯的機械運動；活塞模擬密封膜片的往復運動；通過帶復位彈簧的的氣動活塞模擬調壓彈簧和閥芯的關系；設計氣路并在進氣端和出氣端分別布置進氣節流孔、排氣電磁閥模擬檢測系統。圖4為搭建的并聯四保閥啟閉特性檢測系統的仿真模型。

圖4 四回路保護閥檢測系統的仿真模型Fig.4 Simulation model of four-circuit protection valve detection system

對搭建的四保閥啟閉特性檢測系統仿真模型進行參數設置。根據市場流通的四保閥各個部件尺寸數據，設置四保閥模型的參數: 質量塊為36 g；閥芯最大位移為2 mm；彈簧剛度為45 N/mm；21～24口彈簧的初始壓縮量x0分別為9.58、9.93、9.99、10.15 mm；密封膜片的直徑df為33 mm；密封唇口密封直徑di為30 mm；死區容積為0.001 L。

根據設計的檢測系統實際測試環境，設置檢測系統仿真參數：氣源壓力700 kPa；常溫(293.15 K)；進氣節流孔有效流通面積為0.5 mm2；排氣電磁閥有效流通面積為2.7 mm2；仿真步長，即采樣時間間隔為0.001 s。通過設置1口進氣與排氣，對四保閥的開啟、關閉進行仿真，記錄進氣端及4個出氣端的壓力，得到仿真曲線如圖5所示。

圖5 四回路保護閥啟閉特性仿真曲線Fig.5 Simulation curves of open and shut characteristic for four-circuit protection valve

氣源向四回路保護閥總成供氣，當1口氣壓p1增大到足夠克服調壓彈簧預緊力，閥門開啟，此時p1為開啟壓力，1口的壓力通過開啟的回路泄壓，從而出現短暫下降過程；進氣口壓力減少，出氣口壓力增加，直至兩者相同時，1口壓力才逐漸增加，其余3口均出現相似情況。通過1口排氣模擬進氣管路失效：當進氣管路失效，總成的壓力通過失效口損失，直至壓力不足克服彈簧的預緊力，閥門關閉，其余各口均能維持部分壓力，此時的壓力為關閉壓力。

3 仿真分析

通過對四保閥檢測的啟閉動態過程數學模型分析研究得知，在檢測系統設計中，管路孔徑和采樣時間間隔會影響開啟壓力和關閉壓力的檢測。由于目前國內科研機構對測試管路孔徑、壓力數據采集頻率影響缺乏研究，導致管路孔徑與采樣時間間隔設定缺乏相關標準。利用所設計的仿真模型對管路孔徑與采樣時間間隔影響進行分析。

3.1 開啟壓力仿真分析

根據式(4)可知，進氣管徑和采樣時間間隔等測試因素會對開啟壓力的檢測造成影響。

保持其他仿真參數設置不變，設置不同的采樣時間間隔和進氣節流孔徑：采樣間隔分為0.01 s和0.001 s；進氣節流孔徑設置為與節流口有效流通面積對應的0.1、0.2、0.3、…、1.5 mm2，對四保閥開啟過程進行仿真分析，以出口氣壓pout≥10 kPa作為閥門開啟的標準，得到21口開啟壓力特征值，如圖6所示。

圖6 不同進氣孔和采集間隔下的開啟壓力仿真值Fig.6 Simulation data of opening pressure at different air intake and sampling intervals

結合圖6分析，進氣節流孔徑和采樣時間間隔對開啟壓力檢測有影響。在相同采樣間隔下，節流孔有效流通面積小于0.5 mm2時，開啟壓力變化幅度不明顯，隨著進氣節流孔徑的增大，開啟壓力仿真值的變化幅度增大，穩定性明顯降低。相同進氣節流孔徑下，采樣間隔影響開啟壓力。在實際檢測環境中，進氣節流孔口徑越大，進氣速率也越大，檢測時間越短，開啟壓力檢測的穩定性就會降低，而口徑過小則會影響檢測效率。選擇一個合適的進氣節流孔有效流通面積對檢測系統的設計具有重要意義。

3.2 關閉壓力仿真分析

根據式(2)和式(10)可知，除四保閥自身結構因素影響外，檢測系統排氣口有效流通面積也會對關閉壓力有影響。

保持其他仿真參數設置不變，設置不同排氣口有效流通面積：向四保閥充入700 kPa，保持閥門各口全部打開，排氣口選取常用的電磁閥、氣控閥有效流通面積，即0.9、1.8、2.7、…、9.0 mm2，對四保閥關閉過程進行仿真分析，以pin=0 kPa作為閥門關閉的標準，得到21口關閉壓力，如圖7所示。

圖7 不同排氣口有效流通面積下的關閉壓力仿真值Fig.7 Simulation data of closing pressure under different exhaust diameters

由圖7可得，排氣口有效流通面積影響四保閥的關閉壓力。整體上看，隨著排氣口有效流通面積的增大，關閉壓力越大；相同間隔的排氣口有效流通面積，隨著排氣口有效流通面積增大，關閉壓力增量逐漸減少。實際工況下，氣制動管路可能發生漏氣、斷裂，排氣孔有效流通面積不同，最后所能維持的壓力也不同。

4 實驗分析及驗證

為了驗證模型的正確性，必須保證實驗測試條件與仿真測試條件相同。在常溫，700 kPa的測試壓力下，選擇有效面積為0.5 mm2的進氣節流孔和有效面積為2.7 mm2的排氣節流閥，系統采樣間隔為0.001 s，利用設計的四保閥啟閉特性檢測系統對四保閥進行測試。啟閉特性測試曲線如圖8所示，表1為開啟壓力、關閉壓力的實驗數據和仿真數據。

圖8 四回路保護閥啟閉特性測試曲線Fig.8 Testing curves of open and shut characteristic for four-circuit protection valve

kPa

仿真數據與實驗數據相近，且啟閉特性測試曲線與仿真曲線相似，證明四保閥檢測系統仿真模型準確可靠，可以用于四保閥檢測系統設計指導。但存在些許誤差：實際測量中，四保閥檢測系統的電磁干擾及傳感器等誤差，以及氣動元件的有效截面積、氣源的波動、閥門體積等參數均會對測試結果造成影響。

由圖6可知，進氣節流孔有效流通面積小于0.5 mm2時壓力取值比較穩定。因此，在采樣間隔0.01 s和0.001 s，取0.3、0.5、1.5 mm2做開啟壓力實驗分析。取出口氣壓pout≥10 kPa作為閥門開啟的標準，獲得四保閥的各口開啟壓力如表2所示。

表2 不同采樣間隔與節流孔下開啟壓力Tab.2 Test data of opening pressure at different sampling intervals and intake pipe

由表2可知，相同采樣間隔情況下，1.5 mm2的節流孔有效流通面積下測得的開啟壓力與0.3 mm2和0.5 mm2的節流孔有效流通面積相比差別較大。在節流孔有效流通面積1.5 mm2情況下，0.01 s和0.001 s采樣間隔對開啟壓力的影響較為明顯；而在0.3 mm2和0.5 mm2的節流孔有效流通面積情況下，0.01 s和0.001 s采樣間隔對開啟壓力影響不明顯。采樣時間間隔會對開啟壓力的檢測有影響，在實際檢測中，應選擇合適的節流孔有效流通面積使采樣間隔對開啟壓力檢測影響降低。

以21口為例，通過改變1口的進氣節流孔有效流通面積以及檢測系統的采樣時間間隔，分別在設計的檢測系統中對開啟壓力進行20次實驗，測量得到的均值和標準差如表3所示。

表3 不同采樣間隔與節流孔有效流通面積下 21口開啟壓力測試值Tab.3 Test data of 21 opening pressure at different sampling intervals and intake pipe

由表3可知，增大節流孔有效流通面積，即增大進氣速率，檢測得到的開啟壓力標準差變大，檢測數據穩定性變差。數據采集頻率越高，檢測數據穩定性越好。節流孔有效流通面積為1.5 mm2時，檢測得到的開啟壓力變化明顯、穩定性顯著變差，有效流通面積小于0.5 mm2時，孔有效流通面積的變化對檢測數據的影響很小，檢測結果穩定性趨好。檢測壓力采樣間隔的變化對檢測結果的影響與節流孔有效流通面積的大小相關，在節流孔有效流通面積為1.5 mm2時，采樣間隔對檢測結果的影響相對較大，在小孔有效流通面積情況下，由于壓力變化平緩，采樣間隔對開啟壓力的檢測結構影響很小。在工業現場生產過程中，考慮到生產效率，在采樣間隔為0.001 s的前提下，將進氣節流孔有效流通面積設置為0.5 mm2，可以同時兼顧開啟壓力檢測結果的穩定性和檢測效率。

為驗證關閉壓力仿真結果，在不同采樣間隔0.01 s和0.001 s，以及不同的排氣口有效流通面積9.0、3.6、2.7 mm2情況下分別對四保閥關閉壓力進行實驗，測試得21～24口關閉壓力如表4所示。

表4 不同采樣間隔與排氣口有效流通面積下關閉壓力測試值Tab.4 Closing pressure test data at different sampling intervals and intake pipe

關閉壓力取的是穩態值，由表4可知，采樣間隔對結果無影響。但是排氣口有效流通面積不同，閥門最后所能維持的壓力也不同。排氣口有效流通面積越大，關閉壓力檢測時間越短，關閉壓力越大。因此，在檢測系統中，關閉壓力的測試需要根據實際測試需求合理設置排氣口有效流通面積，才能測得準確穩定的特征值。不同排氣口有效流通面積檢測系統下得到關閉壓力之間存在系統偏差，不能直接比對。如需比對不同排氣口有效流通面積下的關閉壓力，需要添加通過理論仿真計算的偏移量。

5 結束語

在分析四回路保護閥結構原理的基礎上，建立四保閥檢測的啟閉動態過程數學模型和啟閉特性檢測系統的AMESim仿真模型，對四保閥的啟閉過程進行了仿真，分析了檢測系統管路管徑和采樣時間間隔對啟閉特性檢測的影響，并結合實驗數據進行了分析驗證：減小進氣節流孔有效流通面積能夠明顯提高開啟壓力的測試穩定性，數據采集頻率越高，檢測結果穩定性越好，在采樣間隔為0.001 s的前提下，將進氣節流孔有效流通面積設置為0.5 mm2，可同時兼顧開啟壓力檢測結果的穩定性和檢測效率；排氣口有效流通面積越大，關閉壓力越大，排氣口有效流通面積根據實際測試需求設置，不同排氣口有效流通面積檢測系統下得到關閉壓力之間存在系統偏差，不能直接比對，如需比對不同排氣口有效流通面積下的關閉壓力，需要添加通過理論仿真計算的偏移量。

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Modeling and Experiment Verification of Open and Shut Characteristic Detection System for Four-circuit Protection Valve

FAN Weijun1ZHAO Chenxin1MAO Min1GUO Bin2ZHANG Peipei1

(1.CollegeofMetrologyTechnologyandEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China2.HangzhouWoleiIntelligentTechnologyCo.,Ltd.,Hangzhou310018,China)

In the study of open and shut characteristic detection system for four-circuit protection valve, the pipe aperture and pressure acquisition frequency have great influence on the detection result of opening pressure and closing pressure for four-circuit protection valve. There is no relevant research, so it causes that detection results of different detection systems cannot be compared. On the basis of studying mechanical model and flow characteristics model of valve, dynamic process mathematical model and AMESim simulation model of open and shut detection system for four-circuit protection valve were established. Based on the experimental data, the effect of pipe aperture and sampling interval on detection results of open and shut characteristic for four-circuit protection valve was analyzed and verified. Results showed that the greater the intake orifice was, the shorter the opening pressure detection time was, the higher the detection efficiency was, the worse the stability of the data was. The greater the exhaust pipe aperture was, the greater the closing pressure was. The higher the data acquisition frequency was, the better the stability of the data was. When the effective flow area of intake orifice was 0.5 mm2and the system sampling interval was 0.001 s, it can guarantee the detection stability and efficiency of opening pressure detection.

four-circuit protection valve; open and shut characteristic; detection system; mathematical model; simulation model

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.052

2016-06-14

2016-08-10

國家自然科學基金項目(51405463)、國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目(2015QK288)、浙江省公益技術研究工業項目(2016C31048)和杭州市汽車零部件智能檢測科技創新服務平臺項目(20151433S01)

范偉軍(1973—)，男，副教授，博士，主要從事汽車零部件檢測及仿真研究，E-mail： 352797065@qq.com

TH138

A

1000-1298(2017)02-0385-08