【摘要】本文基于GB16987-2010相關(guān)的技術(shù)要求，嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法，介紹了一種機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管耐負(fù)壓性能試驗(yàn)臺(tái)的研制方案，用于機(jī)動(dòng)車真空制動(dòng)軟管耐負(fù)壓性能試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)電氣元器件的合理選型和集成創(chuàng)新，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用和驗(yàn)證，該設(shè)備各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度和可靠性較國(guó)內(nèi)同類設(shè)備有明顯優(yōu)勢(shì)。

1引言

    機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管俗稱剎車管，是機(jī)動(dòng)車制動(dòng)系統(tǒng)中最為重要的零部件之一，主要作用是在制動(dòng)過(guò)程中傳遞制動(dòng)介質(zhì)，保證制動(dòng)力傳遞到制動(dòng)蹄或制動(dòng)鉗產(chǎn)生制動(dòng)力，進(jìn)而使制動(dòng)隨時(shí)有效。該產(chǎn)品已納入國(guó)家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證目錄，實(shí)行CCC產(chǎn)品認(rèn)證制度。目前常見(jiàn)的機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管主要分為液壓式、氣壓式、真空式三大類，其中真空制動(dòng)軟管廣泛應(yīng)用于各類貨車、公共汽車、載客轎車等車輛的制動(dòng)系統(tǒng)中，是較為常見(jiàn)的一種制動(dòng)軟管。

    按照GB16897-2010《制動(dòng)軟管的結(jié)構(gòu)、性能要求及試驗(yàn)方法》中條款7.1性能要求和7.2試驗(yàn)方法的規(guī)定，對(duì)真空制動(dòng)軟管總成應(yīng)進(jìn)行11項(xiàng)檢驗(yàn)（塑料材質(zhì)的真空制動(dòng)軟管為8項(xiàng)，不涉及縮頸后的內(nèi)孔通過(guò)量、粘合強(qiáng)度、耐變形性等3項(xiàng)內(nèi)容），其中耐負(fù)壓后外徑變化量檢驗(yàn)是1項(xiàng)十分重要的必檢項(xiàng)目，對(duì)于真空制動(dòng)軟管綜合性能的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求【1】：取長(zhǎng)度為300mm±6mm且一端密封的制動(dòng)軟管，測(cè)量制動(dòng)軟管外徑；將制動(dòng)軟管接到真空壓力源上，向其施加真空度為85KPa±3KPa的壓力并至少保持5分鐘；在該真空度作用下，測(cè)量制動(dòng)軟管變形最大部位的尺寸，該尺寸應(yīng)≤1.6mm。

    依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)真空制動(dòng)軟管耐負(fù)壓后外徑變化量的試驗(yàn)要求，中汽認(rèn)證中心實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了新型的機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管耐負(fù)壓試驗(yàn)臺(tái)。該設(shè)備采用PLC控制，真空泵為真空度實(shí)現(xiàn)裝置，采用電磁閥實(shí)現(xiàn)功能切換，利用真空減壓閥匹配真空擴(kuò)容罐穩(wěn)定壓力，數(shù)顯表顯示系統(tǒng)壓力，試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化程度較高。

2設(shè)備構(gòu)建方案

    該設(shè)備方案共設(shè)計(jì)有四個(gè)核心功能模塊，即控制模塊、功能啟閉執(zhí)行模塊、真空度發(fā)生模塊、顯示模塊，相互關(guān)系如圖1所示。

    其中，控制模塊采用PLC實(shí)現(xiàn)，因本設(shè)備控制點(diǎn)數(shù)較少，選用目前較為常見(jiàn)的歐姆龍CP1H/L系列，通過(guò)編制梯形圖進(jìn)行算法編程。功能啟閉執(zhí)行模塊采用SMC品牌二位三通電磁換向閥，接受PLC控制，中間通過(guò)繼電器連接，以實(shí)現(xiàn)控制功能，兼具對(duì)PLC晶體管的防護(hù)作用。真空度發(fā)生模塊則采用真空泵實(shí)現(xiàn)，并配合真空減壓閥、真空罐和真空擴(kuò)容罐，可保證壓力恒定。顯示模塊采用真空壓力表等，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)真空度的發(fā)生情況。各個(gè)核心模塊通過(guò)管道、接頭、線纜等外圍輔件進(jìn)行機(jī)械連接。

圖1.設(shè)備核心模塊關(guān)系圖

2.1設(shè)備原理

    該設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)部分，充分采用現(xiàn)有成熟的氣動(dòng)控制技術(shù)，搭建了基本的氣動(dòng)回路。設(shè)備構(gòu)建方案如圖2所示。

1.真空泵2.M12x1.25-Ø10鎖母3.真空減壓閥4.真空表5.鎖母三通6.直通終端7.泄壓閥8.消聲器接頭9.消聲器10.直通終端11.真空罐12.真空擴(kuò)容罐13.消聲器G1/4″14.電磁換向閥15.壓力傳感器16.傳感器17.鎖母直通18.試件接頭19.試件

圖2.設(shè)備構(gòu)建方案圖

2.2關(guān)鍵執(zhí)行元器件選型

2.2.1真空泵

     按照工作原理劃分，目前工業(yè)上常用的氣體輸送泵類真空泵可分為變?nèi)菡婵毡煤蛣?dòng)量傳輸泵。其中，變?nèi)菡婵毡糜型鶑?fù)式和旋片式之分，動(dòng)量傳輸泵則分為分子真空泵、噴射真空泵、擴(kuò)散泵、擴(kuò)散噴射泵、離子輸運(yùn)泵等。綜合成本和性能考慮，方案選擇旋片式變?nèi)菡婵毡?。該類真空泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、噪音低、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，更適于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

2.2.2真空罐

    方案選擇采用真空罐，主要是為了保持真空度的穩(wěn)定狀態(tài)，降低氣壓波動(dòng)，相當(dāng)于系統(tǒng)氣壓的蓄能器。樣品內(nèi)部容積與系統(tǒng)管路內(nèi)部容積差異不大，因此柔性樣品容積變化、初始抽/沖氣、真空源受外界擾動(dòng)等因素均可造成管路內(nèi)部氣壓產(chǎn)生一定程度的波動(dòng)。增置真空罐后，可有效緩解此類問(wèn)題。對(duì)其技術(shù)要求主要是無(wú)泄漏、易更換，不必刻意追求大容積，與系統(tǒng)有效匹配即可。

引入，λ=

其中：λ—樣品變形導(dǎo)致的容積變化量與全系統(tǒng)容積極限比值；

V樣—樣品內(nèi)部容積；

V系統(tǒng)—管路及真空源引入的內(nèi)部容積；

V罐—真空罐內(nèi)部容積。

    在系統(tǒng)封閉狀態(tài)下，據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，內(nèi)部容積的變化是影響系統(tǒng)中氣體壓力的最大因素，且二者呈反比。增加真空罐后，如上述V罐足夠大，理論上可將λ值降為零，即忽略樣品容積帶來(lái)的后續(xù)真空度變化。通常，λ值有約定，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響程度可接受即可。盲目增大真空罐，只會(huì)加大設(shè)備體積，影響設(shè)備外觀和使用體驗(yàn)。

2.2.3電磁換向閥

    電磁換向閥主要控制功能性啟閉，實(shí)現(xiàn)真空源與樣品的通斷，可對(duì)樣品內(nèi)部真空度在切斷真空源的情況下進(jìn)行有效保持。本方案采用兩位三通換向閥，即可實(shí)現(xiàn)所策劃的功能要求。對(duì)其技術(shù)要求主要是壓力損失小、無(wú)泄漏、換向迅速、平穩(wěn)及可靠等。電磁換向閥技術(shù)成熟，目前市面上常見(jiàn)的SMC、FESTO等品牌的系列產(chǎn)品均可有效實(shí)現(xiàn)該功能。

3試驗(yàn)流程控制方案

    技術(shù)方案采用PLC作為控制模塊，通過(guò)梯形圖的方式進(jìn)行指令編程，對(duì)真空泵和電磁換向閥等通過(guò)繼電器實(shí)施直接控制。PLC在真空度設(shè)定完成后，如系統(tǒng)壓力有變，則通過(guò)反饋實(shí)施相應(yīng)控制，可將實(shí)際壓力控制在設(shè)定壓力可接受范圍之內(nèi)。對(duì)于該試驗(yàn)項(xiàng)目，采用圖3所示流程控制方案。

圖3.流程控制方案

    其中，PLC的PID控制是確保真空值精度的關(guān)鍵。由于外來(lái)擾動(dòng)，如需現(xiàn)場(chǎng)控制參數(shù)值穩(wěn)定，控制作用須持續(xù)有效。若擾動(dòng)使得現(xiàn)場(chǎng)控制參數(shù)值變化，傳感器等監(jiān)測(cè)部分會(huì)將該變化傳送至PID控制器，改變過(guò)程變量值，經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端，并與給定值進(jìn)行比較得到偏差值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，使調(diào)節(jié)器的開(kāi)度增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)控制參數(shù)值發(fā)生改變，并趨向于給定值，以達(dá)到控制目的。所述即PID控制的基本原理。

    由理想PID控制算法連續(xù)形式可得其離散形式，分為位置算法、增量算法和速度算法3種，理想算法需調(diào)整后才能實(shí)際應(yīng)用。所選歐姆龍PLC中自帶PID控制指令【2】，如圖4所示。PID是由比例運(yùn)算(P)、積分運(yùn)算(I)和微分運(yùn)算(D)共同組合作用的簡(jiǎn)稱。其中，比例作用是建立在設(shè)定值（SV）上的比例帶操作，在此帶內(nèi)控制變量（MV）與偏差成正比，提供一個(gè)無(wú)振蕩的平滑控制過(guò)程；積分作用是指對(duì)階躍偏差的自動(dòng)校正過(guò)程；比例作用和積分作用都通過(guò)控制結(jié)果進(jìn)行校正，因此不可避免會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)滯后。微分作用彌補(bǔ)了這一缺陷，通過(guò)操作變量與偏差形成的斜坡（微分系數(shù)）成比例來(lái)進(jìn)行控制，可加速對(duì)干擾的響應(yīng)。PLC指令中，PID(190)和PIDAT（191）均可用于PID控制，選擇后者可使PLC根據(jù)需要自動(dòng)計(jì)算P、I、D參數(shù)。

圖4.PLC自帶的PID控制指令

4結(jié)語(yǔ)

4.1本文提供了一種可行的機(jī)動(dòng)車制動(dòng)軟管耐負(fù)壓試驗(yàn)解決方案，通過(guò)該方案研發(fā)了一種新型的耐負(fù)壓試驗(yàn)裝置。目前，該裝置已在中心實(shí)驗(yàn)室實(shí)際應(yīng)用，累計(jì)檢驗(yàn)樣品百余次，使用效果良好。

4.2本文采用了PLC作為控制模塊，在電磁干擾強(qiáng)烈、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等環(huán)境下，具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和可用性。但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用環(huán)境而言，解決方案有多種，文中涉及方案只是其中之一。鑒于所述控制要求的難度，如從成本角度考慮，采用基于FPGA或單片機(jī)等并輔以外圍電路的方案，仍可較好實(shí)現(xiàn)。另外，如采用基于數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)施方案，雖然成本有可能增加，但人機(jī)界面、控制精度、響應(yīng)速度等指標(biāo)均有望得到提升。論文方案充分考慮了后續(xù)技術(shù)推廣的可能性，以便更好適應(yīng)工廠規(guī)模化生產(chǎn)、檢驗(yàn)環(huán)境。

4.3解決方案也是對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格貫標(biāo)，各參數(shù)設(shè)置均嚴(yán)格滿足或優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。也充分考慮了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)修訂，設(shè)備通過(guò)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，可隨時(shí)更換各模塊或者變更其參數(shù)，具有較好響應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)

［1］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB16897-2010《制動(dòng)軟管的結(jié)構(gòu)、性能要求及試驗(yàn)方法》[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010

［2］OMRON自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司.SYSMACCP系列編程手冊(cè)[M].上海：OMRON自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司，2014