气制动手控阀性能检测系统研究及其评定*

李 龙 杨春生 肖 鹏余晓曦 陈正龙

（1.中国测试技术研究院；2.四川大学）

1 前言

汽车制动系统性能的好坏直接关系到车辆行驶安全及道路交通安全[1]。手控阀是汽车气制动系统中的关键零部件，主要用于操纵具有弹簧制动气室的大中型车辆的紧急制动和驻车制动，其性能将影响车辆的制动效果和制动距离，因而对其静特性和密封性的检测具有很高的要求[2，3]。

目前，国外对气制动系统中关键零部件性能参数的检测技术极少报道，并且其相关检测设备价格昂贵。东北林业大学研制了气制动阀类零部件性能综合测试系统[4]，中国计量学院开发了对汽车制动总阀、弹簧制动气室、干燥器等阀类性能综合测试的设备[5]，虽然这些设备能够对手控阀的性能进行部分参数检测，但主要用于实验室研究，检测效率和自动化程度低，无法满足工业生产中对手控阀进行快速全面检测的需要。

设计了一种气制动手控阀性能快速检测系统，利用伺服电机[6]控制手控阀手柄转动角度，完成手控阀静态特性自动测试，其测试时间短，检测效率高，满足了企业在线对手控阀快速检测的要求。

2 手控阀性能主要测试项目

2.1 静特性测试

手控阀静特性是指当手控阀进气口通入额定气压并缓慢转动其手柄角度时，手控阀出气口气压的变化。通过对手控阀静特性的测试，能够为产品设计及改进提供理论依据。

2.2 密封性测试

密封性是保证制动系统拥有足够制动气压的前提。由于阀类泄漏过程十分缓慢，因此可将其视为绝热过程，等效为等温泄漏放气过程，因为阀的泄漏是阀的密封面上的空隙所致，所以可将所有孔隙等效为一个有效截面积为S的节流喷嘴。则在等温泄漏过程中，储气罐内压力从开始放气（t=0）时的PS0下降到泄漏结束时的PS时，其前、后气压之比与时间的关系[7]为：

式中，S为等效节流喷嘴有效截面积；TS为绝对温度；B为常数系数；V为储气罐容积；t为泄漏时间。

将泄漏结束时储气罐内气压变化值Δ引入式（1）中，并根据节流喷嘴有效截面积 S将式（1）变为[8]：

设t1为按照相关规定在单位容积为V1（1dm3）时所需测试时间，根据相关企业要求，测试时间为t2时，实际测试时采用等效储气罐容积为V2。因等效测试前、后节流喷嘴有效截面面积相等[9]，则

式中，Δ1、Δ2 分别为规定测试时间（5 min）和等效测试时间 （15 s）时储气罐内气压变化值；PS1、PS2分别为规定测试时间Δ和等效测试时间时的初始气压值。

将式（3）整理可得:

根据式（4）计算测试结果包含指数V2t1/V1t2，如果采用1:1等效测试，则式（4）中指数V2t1/V1t2=1，即化简为Δ1=Δ2。将等效测试时间和规定测试时间带入 V2t1/V1t2=1中，因 V1=1 dm3，则 V2=V1/20=0.05 dm3，显然V2容积太小不符合实际要求。因此，根据系统具体结构，采用等效容积V2=0.25V1，测试时间t2=15 s。令α=V2t1/V1t2，并根据规定容积V1、规定测试时间可计算得出α：

不同手控阀所规定的工作气压为定值。根据V2和等效测量时间，密封性指数为等效测试时储气罐内初始气压值与储气罐内气体压力变化值的函数，即

因此，在实际工作和测试中，可通过对等效测试条件下PS2、Δ2的检测并加以补偿来间接完成对密封性指数的测试，以提高检测效率。

3 检测系统硬件设计

根据主要测试项目，静特性测试为手控阀手柄缓慢转动时，出气口气压变化与手柄转动角度的关系；密封性测试包括行车状态下、部分制动状态下及停车位置状态下进气口和出气口密封性的测试。参照《QC/T35—2011汽车与挂车气压控制装置台架试验方法》中阀类检测标准及企业相关测试要求，设计了基于工业控制机的手控阀性能检测系统，如图1所示。

该系统采用工控机作为整个系统的控制和处理核心[10]，数据采集卡采用高分辨力的PCI-1716，为16路单端或8路差分输入、16位A/D转换，其负责系统气路中气压传感器以及旋转机构角度传感器的信号采集[11]；传感器信号通过信号调理电路输送到数据采集卡模拟通道，经A/D转换成数字信号再经由数据采集卡传输至工控机，由工控机进行处理显示和判断；同时数据采集卡输出开关量信号，通过固态继电器板的继电器驱动各电磁阀，实现气路中进气及排气过程；工控机向数据采集卡发送指令，由数据采集卡向伺服驱动器发送方向信号和脉冲控制信号。

在旋转伺服加载机构设计中，在旋转正、反方向安装有2个限位光电开关，以防止旋转角度过大而使手控阀手柄受力过大，同时防止伺服电机超过其最大负载转矩。

检测系统中设计了3条测试气路，气源部分包括3条回路，如图2所示。图2中，空气压缩机、干燥器和减压阀用以向气路提供干燥的气源。开始测试时，开启电磁阀1、电磁阀7、电磁阀3、电磁阀5，关闭电磁阀2、电磁阀4、电磁阀6，20 L储气罐向进气口供气，通过出气口1和出气口2向1 L储气罐充气。测试完成后，开启电磁阀2、电磁阀4、电磁阀6，将储气罐中气体排向大气。

4 系统软件设计

该系统采用VC++6.0作为软件开发工具，利用多线程技术实现数据采集、处理、显示、打印等功能的实时操作。测试程序流程如图3所示。

为提高数据采集与处理速度，采用多线程技术在程序主线程中分别创建数据采集线程和数据处理线程[12]。采集线程采用硬件中断触发方式进行数据采集，在被测件测试完成后，由计算机读取中断数据缓冲区中的全部数据；处理线程完成对测试数据的处理分析，并对数据与结果进行保存；主线程负责人机交互、参数设置、曲线显示以及报表的生成。

5 测试结果与系统评定

5.1 测试数据结果与分析

在常温、气源压力为700kPa的工况下，对某型号气制动手控阀的静特性、行车状态下密封性、部分制动状态下密封性和停止状态下密封性分别进行测试试验。

5.1.1 手控阀静态特性测试结果

测试时打开参数设置界面，设定充气时间以达到足够的气压，并设定旋转机构角速度等参数；调整旋转机构，使其与手控阀手柄0°位置相隔10°，以便安装和拆卸被测件，从而节约测试中调整旋转机构零点位置的时间，测试完成后旋转机构自动回到起点位置。

静特性测试结果如图4所示，可知出气口在手柄旋转到11°时气压开始下降，直到手柄旋转到57°时出气口气压完全降为0，根据手控阀静态特性理论曲线可知，系统检测结果符合企业标准规定，能够满足相关要求。

5.1.2 密封性测试结果

5.1.2.1 行车状态下密封性测试

为节省测试时间和提高测试效率，将国家标准规定的储气罐容积和测试时间等效转化为0.25 dm3和15 s,根据测试数据Δ2，按照式（4）计算得出其密封性Δ1。向进气口充入700 kPa气压，并保压15 s，当气压稳定后开始测试出气口1的气压值和泄漏值，重复测试50次，测试结果见表1。

表1 行车状态下出气口1的气压值与密封泄漏值 kPa

由表1可知，行车状态下出气口1的泄漏值均在2.5 kPa以内，符合常温环境下最大密封性泄漏值的规定。

5.1.2.2 部分制动状态下密封性测试

进行部分制动状态下密封性性能测试时，向进气口提供720 kPa气压，并稳压一段时间，在等效测试条件下对部分制动状态下出气口1和出气口2的气压值和泄漏值进行测试，重复测试20次，测试结果如表2所列。

表2 部分制动状态下出气口1和出气口2的密封泄漏值 kPa

由表2可知，泄漏值均在2.3 kPa以内，满足相关规定要求。

5.1.2.3 停车状态下密封性测试

在停车状态下测试时，向进气口充入720 kPa气压，并同时转动手控阀手柄至停车位置，稳压一段时间后开始测试进气口的气压值和泄漏值，重复测试20次，测试结果如表3所列。

表3 停车状态下进气口的气压值和泄漏值 kPa

通过上述测试结果可知，密封性指数都小于3 kPa，测试结果满足在标准规定。

5.2 测试系统评定

根据JB/T10633—2006《专用检测设备评定方法指南》对检测设备可靠性进行验证，参考系统评定方法Ⅰ，通过计算Cg、Cgk（测量能力指数）判断设备是否“通过”。Cg表征被评定检测设备的重复性指标，反映了随机误差对测量过程的影响；Cgk表征被评定检测设备的准确度指标，它综合反映了系统误差和随机误差共同对测量过程的影响。Cg、Cgk是检测设备保证检测质量能力的定量表征，新设备必须满足Cg≥2.0、Cgk≥1.33才能判断“通过”。

测量能力指数计算式为：

式中，T为被测量的公差，即密封性指数所允许的最大泄漏值，为40 kPa；Sg为标准偏差，即本文实测出气口气压值标准偏差；Bi为偏移，即本文出气口理论值700 kPa与被测气压值平均值之差。

根据表1中的出气口1所测气压值计算出Sg=0.800 8，再根据式（6）和式（7）计算得出 Cg=2.498，Cgk=1.792，由此表明该测试设备测量指数满足新设备验收要求。

6 结束语

设计了一种气制动手控阀静态特性和密封性性能检测系统。针对密封性检测进行了分析和等效转化计算，使密封性检测时间从标准中规定的5 min减少为15 s，从而使手控阀性能检测时间周期低于4 min/个，缩短了测试总时间，提高了检测效率。通过企业生产现场试验测试，对检测数据进行了统计分析，参考《专用检测设备评定方法指南》对其测量能力指数进行计算，结果表明该检测系统满足新设备验收要求。

1 陈勇.汽车制动检测台测控系统设计.湖北汽车工业学院学报,2007,21（3）:18～20,24.

2 安志敏,林敏,郭斌.继动阀在线检测系统的研究.计算机测量与控制,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 韩锐,赵中煜,关强.气制动阀类综合性能检测系统的研制开发.林业机械与木工设备,2002,30（6）:10～13.

5 姚帅,李飞标,郭春裕.汽车气制动阀类综合性能检测系统的设计.工业控制计算机,2009,22（4）:36～37.

6 姚振,马朝永,林忠波,等.伺服电机在汽车制动零部件检测中的应用.机械设计与制造,2011,（1）:102～104.

7 关强,韩玉杰,向福林.计算机控制的双腔气制动阀密封特性检测技术.东北林业大学学报,1993,21（5）:81～86.

8 杨丽红.容器放气过程的数值模拟及热力学模型研究：[博士论文].上海：上海交通大学,2007.

9 吴振顺.气压传动与控制（第2版）.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2009.

10 宋学青,隋良红,张杰.气动ABS压力调节器动态性能测试系统研究.中国测试,2013,39（3）:117～120，124.

11 刘远宏,马宗坡,夏均忠,等.基于现场总线的汽车检测线控制系统研究.中国测试,2011,37（2）:65～68.

12 贾广雷,刘培玉,耿长欣.多线程技术及其在串口通信中的应用.计算机工程,2003,29（1）:247～249.