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基于GB16897-2010机动车制动软管耐负压性能试验台的研制

2018年09月07日 14:42:50 中国传动网

【摘要】本文基于GB16987-2010相关的技术要求,严格按照国家标准规定的试验方法,介绍了一种机动车制动软管耐负压性能试验台的研制方案,用于机动车真空制动软管耐负压性能试验。通过对电气元器件的合理选型和集成创新,并经实际应用和验证,该设备各项技术指标均满足要求,试验数据精度和可靠性较国内同类设备有明显优势。

1引言

机动车制动软管俗称刹车管,是机动车制动系统中最为重要的零部件之一,主要作用是在制动过程中传递制动介质,保证制动力传递到制动蹄或制动钳产生制动力,进而使制动随时有效。该产品已纳入国家强制性产品认证目录,实行CCC产品认证制度。目前常见的机动车制动软管主要分为液压式、气压式、真空式三大类,其中真空制动软管广泛应用于各类货车、公共汽车、载客轿车等车辆的制动系统中,是较为常见的一种制动软管。

按照GB16897-2010《制动软管的结构、性能要求及试验方法》中条款7.1性能要求和7.2试验方法的规定,对真空制动软管总成应进行11项检验(塑料材质的真空制动软管为8项,不涉及缩颈后的内孔通过量、粘合强度、耐变形性等3项内容),其中耐负压后外径变化量检验是1项十分重要的必检项目,对于真空制动软管综合性能的评价至关重要。国家标准要求【1】:取长度为300mm±6mm且一端密封的制动软管,测量制动软管外径;将制动软管接到真空压力源上,向其施加真空度为85KPa±3KPa的压力并至少保持5分钟;在该真空度作用下,测量制动软管变形最大部位的尺寸,该尺寸应≤1.6mm。

依据国家标准对真空制动软管耐负压后外径变化量的试验要求,中汽认证中心实验室研发了新型的机动车制动软管耐负压试验台。该设备采用PLC控制,真空泵为真空度实现装置,采用电磁阀实现功能切换,利用真空减压阀匹配真空扩容罐稳定压力,数显表显示系统压力,试验台自动化程度较高。

2设备构建方案

该设备方案共设计有四个核心功能模块,即控制模块、功能启闭执行模块、真空度发生模块、显示模块,相互关系如图1所示。

其中,控制模块采用PLC实现,因本设备控制点数较少,选用目前较为常见的欧姆龙CP1H/L系列,通过编制梯形图进行算法编程。功能启闭执行模块采用SMC品牌二位三通电磁换向阀,接受PLC控制,中间通过继电器连接,以实现控制功能,兼具对PLC晶体管的防护作用。真空度发生模块则采用真空泵实现,并配合真空减压阀、真空罐和真空扩容罐,可保证压力恒定。显示模块采用真空压力表等,可实时监测系统真空度的发生情况。各个核心模块通过管道、接头、线缆等外围辅件进行机械连接。

图1.设备核心模块关系图

2.1设备原理

该设备功能实现部分,充分采用现有成熟的气动控制技术,搭建了基本的气动回路。设备构建方案如图2所示。

1.真空泵2.M12x1.25-Ø10锁母3.真空减压阀4.真空表5.锁母三通6.直通终端7.泄压阀8.消声器接头9.消声器10.直通终端11.真空罐12.真空扩容罐13.消声器G1/4″14.电磁换向阀15.压力传感器16.传感器17.锁母直通18.试件接头19.试件

图2.设备构建方案图

2.2关键执行元器件选型

2.2.1真空泵

按照工作原理划分,目前工业上常用的气体输送泵类真空泵可分为变容真空泵和动量传输泵。其中,变容真空泵有往复式和旋片式之分,动量传输泵则分为分子真空泵、喷射真空泵、扩散泵、扩散喷射泵、离子输运泵等。综合成本和性能考虑,方案选择旋片式变容真空泵。该类真空泵具有结构紧凑、体积小、重量轻、噪音低、振动小等优点,更适于实验室进行精准控制。

2.2.2真空罐

方案选择采用真空罐,主要是为了保持真空度的稳定状态,降低气压波动,相当于系统气压的蓄能器。样品内部容积与系统管路内部容积差异不大,因此柔性样品容积变化、初始抽/冲气、真空源受外界扰动等因素均可造成管路内部气压产生一定程度的波动。增置真空罐后,可有效缓解此类问题。对其技术要求主要是无泄漏、易更换,不必刻意追求大容积,与系统有效匹配即可。

引入,λ=

其中:λ—样品变形导致的容积变化量与全系统容积极限比值;

V样—样品内部容积;

V系统—管路及真空源引入的内部容积;

V罐—真空罐内部容积。

在系统封闭状态下,据理想气体状态方程,内部容积的变化是影响系统中气体压力的最大因素,且二者呈反比。增加真空罐后,如上述V罐足够大,理论上可将λ值降为零,即忽略样品容积带来的后续真空度变化。通常,λ值有约定,对试验数据影响程度可接受即可。盲目增大真空罐,只会加大设备体积,影响设备外观和使用体验。

2.2.3电磁换向阀

电磁换向阀主要控制功能性启闭,实现真空源与样品的通断,可对样品内部真空度在切断真空源的情况下进行有效保持。本方案采用两位三通换向阀,即可实现所策划的功能要求。对其技术要求主要是压力损失小、无泄漏、换向迅速、平稳及可靠等。电磁换向阀技术成熟,目前市面上常见的SMC、FESTO等品牌的系列产品均可有效实现该功能。

3试验流程控制方案

技术方案采用PLC作为控制模块,通过梯形图的方式进行指令编程,对真空泵和电磁换向阀等通过继电器实施直接控制。PLC在真空度设定完成后,如系统压力有变,则通过反馈实施相应控制,可将实际压力控制在设定压力可接受范围之内。对于该试验项目,采用图3所示流程控制方案。

图3.流程控制方案

其中,PLC的PID控制是确保真空值精度的关键。由于外来扰动,如需现场控制参数值稳定,控制作用须持续有效。若扰动使得现场控制参数值变化,传感器等监测部分会将该变化传送至PID控制器,改变过程变量值,经变送器送至PID控制器的输入端,并与给定值进行比较得到偏差值,调节器按此偏差并以预先设定的整定参数控制规律发出控制信号,去改变调节器的开度,使调节器的开度增加或减少,从而使现场控制参数值发生改变,并趋向于给定值,以达到控制目的。所述即PID控制的基本原理。

由理想PID控制算法连续形式可得其离散形式,分为位置算法、增量算法和速度算法3种,理想算法需调整后才能实际应用。所选欧姆龙PLC中自带PID控制指令【2】,如图4所示。PID是由比例运算(P)、积分运算(I)和微分运算(D)共同组合作用的简称。其中,比例作用是建立在设定值(SV)上的比例带操作,在此带内控制变量(MV)与偏差成正比,提供一个无振荡的平滑控制过程;积分作用是指对阶跃偏差的自动校正过程;比例作用和积分作用都通过控制结果进行校正,因此不可避免会产生响应滞后。微分作用弥补了这一缺陷,通过操作变量与偏差形成的斜坡(微分系数)成比例来进行控制,可加速对干扰的响应。PLC指令中,PID(190)和PIDAT(191)均可用于PID控制,选择后者可使PLC根据需要自动计算P、I、D参数。

 

图4.PLC自带的PID控制指令

4结语

4.1本文提供了一种可行的机动车制动软管耐负压试验解决方案,通过该方案研发了一种新型的耐负压试验装置。目前,该装置已在中心实验室实际应用,累计检验样品百余次,使用效果良好。

4.2本文采用了PLC作为控制模块,在电磁干扰强烈、工业现场等环境下,具有良好的可靠性、稳定性和可用性。但是对于实验室应用环境而言,解决方案有多种,文中涉及方案只是其中之一。鉴于所述控制要求的难度,如从成本角度考虑,采用基于FPGA或单片机等并辅以外围电路的方案,仍可较好实现。另外,如采用基于数据采集卡的实施方案,虽然成本有可能增加,但人机界面、控制精度、响应速度等指标均有望得到提升。论文方案充分考虑了后续技术推广的可能性,以便更好适应工厂规模化生产、检验环境。

4.3解决方案也是对国家标准的严格贯标,各参数设置均严格满足或优于标准要求。也充分考虑了国家标准后续修订,设备通过准模块化设计,可随时更换各模块或者变更其参数,具有较好响应性。

参考文献

[1]中国国家标准化管理委员会.GB16897-2010《制动软管的结构、性能要求及试验方法》[S].北京:中国标准出版社,2010

[2]OMRON自动化(中国)有限公司.SYSMACCP系列编程手册[M].上海:OMRON自动化(中国)有限公司,2014

供稿:机械科学研究总院中汽认证中心有限公司,迟玉杰(1)

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=33483

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