动力换挡变速箱试验台测控系统的研究

鲁凤明 谭晓东

摘 要：在对某型号动力换挡试验台深入研究后，从变速箱的技术要求、功能参数、对外接口及现场实际着手，完成了测控系统方案的设计，实现了装置的测控功能。通过现场试验，证明了测控系统可以准确的测量变速箱运行过程中的各项参数，为变速箱能否正常工作提供了依据。

关键词：变速箱；测控系统；中值滤波

中图分类号：TH132 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0074-02

Abstract： After a certain type of power shift test-bed has been deeply studied， from the technical requirements， functional parameters， external interface and the actual situation of the gearbox， the design of the measurement and control system has been completed， and the measurement and control function of the device has been realized. Through the field test， it is proved that the measurement and control system can accurately measure the parameters in the running process of the gearbox， which provides the basis for the gearbox to work normally.

Keywords： gearbox； measurement and control system； median filter

引言

某型号动力换挡变速箱通过一个能充排油的变矩器附加了一个变速箱，在不需要改变发动机输出功率的情况下就能使车辆获得不同的速度和牵引力，与电力传动相比，基于液力传动的动力换挡变速箱具有重量轻、成本低等优点，因此在公务车，作业车，轨道车，调车机车，养路机械等方面有着广泛的应用[1～3]。但在实际工作中，变速箱运行前及检修后对变速箱的检测成为了急需解决的问题，因此在对液压动力换挡变速箱试验台结构、工作原理、实验内容进行了深入的研究后，设计了动力换挡变速箱试验台测控系统以方便对动力换挡变速箱的运行是否正常做出判断。

1 测控系统初步设计

动力换档变速箱可以通过离合器在前进档和后退档之间转换。变矩器可以根据负载状况自动地改变输出轴的扭矩。扭矩通过液压传输并能够减少任何的机械冲击。其中前进档和后退档由24V电磁阀控制，通过电磁阀的接通、断开进行传动箱的换挡、换向控制，另外箱体有转速传感器接口、测温接口、测压接口，使用压力、温度、转速传感器等测量变速箱压力、温度、转速，可以实时监测控制箱压力、温度、转速等参数，使变速箱工作在正常范围。变速箱由驱动电机驱动，通过扭矩仪及联轴器联结。测控系统试验方案如图1所示。

2 测控系统硬件设计

液压动力换档变速箱测控系统主要有显示屏、工控机、数据采集模块、开关电源、断路器、继电器等组成。数字量输入接口对档位信息进行采集。数字量输出接口对档位、前进、后退电磁阀进行控制。利用模拟量输入接口采集变速箱的压力、温度等模拟量，经过测控系统进行滤波处理后，将压力、温度的实时值与设定上下限值比较，超过上下限后，自动停机使变速箱安全运行[4]；实时显示压力、温度等趋势曲线，而且可以记录历史数据。在试验台上设置前进、后退以及换挡按钮，考虑安全，增设了急停按钮；从便于观察角度，设置了前进、后退以及故障指示灯。动力换挡变速箱测控系统原理框图如图2所示。

在变速箱的输入信号中，需要采集变速箱的转速信号。使用扭矩传感器采集转矩、转速信号，将信号通过信号转换模块转换成4-20ma电流信号，通过屏蔽电缆接到数据采集模块，利用RS485串口将数据输送到工控机进行滤波处理，在进行数据转换，实现对转速、转矩的测量。

变速箱模拟量主要采集变矩器、离合器、潤滑油压力，压力测量范围均为0-3MPa，精度0.2级，选择压力传感器，输出4-20ma电流信号； 液压油正常温度范围为80℃～100℃，精度0.2级，选择温度传感器-输出信号为4-20ma电流信号，使用屏蔽电缆将模拟量信号传输给数据采集模块，数据采集模块带有RS485通讯接口，通过RS485接口将数据传送到工控机进行数据处理与显示。

3 测控系统软件设计

测控系统软件使用MCGS组态软件完成上位机的编程，实现对变速箱的数据采集和变速箱换挡任务。

MCGS软件主要实现如下功能：（1）对档位、报警等开关量信号采集。（2）对油温、压力等模拟量信号采集并进行滤波处理。（3）对档位进行控制。（4）对转速进行实时测量。（5）与数据采集模块进行通信。

整个实验由22个工况组成，每个工况使变速箱运行在不同档位时检测变速箱的油温与压力，如果检测数据合格，进行下一档位测试，直到完成整个实验，控制流程如图3所示。

3.1 模拟量量程转换

由于压力、温度等模拟量信号是4-20ma电流信号，经过模拟量模块转换为数字量，但不能直观的在显示屏上显示当前的压力和温度数值，因此需要进行数字量到工程量的转换。模拟量的输入/输出都可以用下列的通用换算公式换算：

其中：

Ov=[（Osh-Osl）*（Ish-Isl）]+Osl （1）

Ov：换算结果；Iv：换算对象；Osh：换算结果的高限；Osl：换算结果的低限；Ish：换算对象的高限；Isl：换算对象的低限。

它们之间的关系可以如图4所示：

3.2 滤波处理

由于变速箱工作现场环境复杂，周围存在大量干扰源，例如变频器、高压电机等，受到干扰的模拟量在进入测控系统时有可能产生误差，使测量结果不准确。除了在硬件上需要做防干扰措施外，还可以在软件上进行数字滤波处理。在此使用中值滤波对模拟量进行滤波处理。中值滤波法对偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所引起的脉动干扰有效。由于变速箱采集的主要为压力、温度信号，采用中值滤波效果较其它滤波方法好，因此采用中值滤波法。中值滤波就是在一个采样周期对某一信号连续采样n次，然后进行排序，取中间值作为本次采样周期的采样值[5]。中值滤波程序流程图如图5所示。

4 结束语

传动箱试验台已投入使用，经过现场测试，对变速箱的压力、温度、转速等参数测量准确，变速箱测控满足要求，从而为变速箱的检测提供了依据，保证了变速箱的生产及检修质量。

参考文献：

[1]陈先成，程鹏.叉车液力变速箱试验台智能测控系统[J].安徽科技，2010，04：38-40.

[2]丁辉，王涛，陈金稳，等.液力变速箱测控系统的研制与应用[J].自动化技术与应用，2012，31（1）：87-95.

[3]罗志元.高速列车齿轮箱测试台系统设计[D].长沙：湖南大学，2015.

[4]姜正，谭晓东.传动箱试验台测控系统的研制[J].内燃机车，2012，1（1）：17-20.

[5]刘川来，胡乃平.计算机控制技术[M].北京.机械工业出版社，2007.