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    【摘要】本文基于GB16987-2010相關的技術要求，嚴格按照國家標準規定的試驗方法，介紹了一種機動車制動軟管耐負壓性能試驗臺的研制方案，用于機動車真空制動軟管耐負壓性能試驗。通過對電氣元器件的合理選型和集成創新，并經實際應用和驗證，該設備各項技術指標均滿足要求，試驗數據精度和可靠性較國內同類設備有明顯優勢。

1引言

    機動車制動軟管俗稱剎車管，是機動車制動系統中最為重要的零部件之一，主要作用是在制動過程中傳遞制動介質，保證制動力傳遞到制動蹄或制動鉗產生制動力，進而使制動隨時有效。該產品已納入國家強制性產品認證目錄，實行CCC產品認證制度。目前常見的機動車制動軟管主要分為液壓式、氣壓式、真空式三大類，其中真空制動軟管廣泛應用于各類貨車、公共汽車、載客轎車等車輛的制動系統中，是較為常見的一種制動軟管。

    按照GB16897-2010《制動軟管的結構、性能要求及試驗方法》中條款7.1性能要求和7.2試驗方法的規定，對真空制動軟管總成應進行11項檢驗（塑料材質的真空制動軟管為8項，不涉及縮頸后的內孔通過量、粘合強度、耐變形性等3項內容），其中耐負壓后外徑變化量檢驗是1項十分重要的必檢項目，對于真空制動軟管綜合性能的評價至關重要。國家標準要求【1】：取長度為300mm±6mm且一端密封的制動軟管，測量制動軟管外徑；將制動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，測量制動軟管變形最大部位的尺寸，該尺寸應≤1.6mm。

    依據國家標準對真空制動軟管耐負壓后外徑變化量的試驗要求，中汽認證中心實驗室研發了新型的機動車制動軟管耐負壓試驗臺。該設備采用PLC控制，真空泵為真空度實現裝置，采用電磁閥實現功能切換，利用真空減壓閥匹配真空擴容罐穩定壓力，數顯表顯示系統壓力，試驗臺自動化程度較高。

2設備構建方案

    該設備方案共設計有四個核心功能模塊，即控制模塊、功能啟閉執行模塊、真空度發生模塊、顯示模塊，相互關系如圖1所示。

    其中，控制模塊采用PLC實現，因本設備控制點數較少，選用目前較為常見的歐姆龍CP1H/L系列，通過編制梯形圖進行算法編程。功能啟閉執行模塊采用SMC品牌二位三通電磁換向閥，接受PLC控制，中間通過繼電器連接，以實現控制功能，兼具對PLC晶體管的防護作用。真空度發生模塊則采用真空泵實現，并配合真空減壓閥、真空罐和真空擴容罐，可保證壓力恒定。顯示模塊采用真空壓力表等，可實時監測系統真空度的發生情況。各個核心模塊通過管道、接頭、線纜等外圍輔件進行機械連接。

圖1.設備核心模塊關系圖

2.1設備原理

    該設備功能實現部分，充分采用現有成熟的氣動控制技術，搭建了基本的氣動回路。設備構建方案如圖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.設備構建方案圖

2.2關鍵執行元器件選型

2.2.1真空泵

     按照工作原理劃分，目前工業上常用的氣體輸送泵類真空泵可分為變容真空泵和動量傳輸泵。其中，變容真空泵有往復式和旋片式之分，動量傳輸泵則分為分子真空泵、噴射真空泵、擴散泵、擴散噴射泵、離子輸運泵等。綜合成本和性能考慮，方案選擇旋片式變容真空泵。該類真空泵具有結構緊湊、體積小、重量輕、噪音低、振動小等優點，更適于實驗室進行精準控制。

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定狀態，降低氣壓波動，相當于系統氣壓的蓄能器。樣品內部容積與系統管路內部容積差異不大，因此柔性樣品容積變化、初始抽/沖氣、真空源受外界擾動等因素均可造成管路內部氣壓產生一定程度的波動。增置真空罐后，可有效緩解此類問題。對其技術要求主要是無泄漏、易更換，不必刻意追求大容積，與系統有效匹配即可。

引入，λ=

其中：λ—樣品變形導致的容積變化量與全系統容積極限比值；

V樣—樣品內部容積；

V系統—管路及真空源引入的內部容積；

V罐—真空罐內部容積。

    在系統封閉狀態下，據理想氣體狀態方程，內部容積的變化是影響系統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的后續真空度變化。通常，λ值有約定，對試驗數據影響程度可接受即可。盲目增大真空罐，只會加大設備體積，影響設備外觀和使用體驗。

2.2.3電磁換向閥

    電磁換向閥主要控制功能性啟閉，實現真空源與樣品的通斷，可對樣品內部真空度在切斷真空源的情況下進行有效保持。本方案采用兩位三通換向閥，即可實現所策劃的功能要求。對其技術要求主要是壓力損失小、無泄漏、換向迅速、平穩及可靠等。電磁換向閥技術成熟，目前市面上常見的SMC、FESTO等品牌的系列產品均可有效實現該功能。

3試驗流程控制方案

    技術方案采用PLC作為控制模塊，通過梯形圖的方式進行指令編程，對真空泵和電磁換向閥等通過繼電器實施直接控制。PLC在真空度設定完成后，如系統壓力有變，則通過反饋實施相應控制，可將實際壓力控制在設定壓力可接受范圍之內。對于該試驗項目，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鍵。由于外來擾動，如需現場控制參數值穩定，控制作用須持續有效。若擾動使得現場控制參數值變化，傳感器等監測部分會將該變化傳送至PID控制器，改變過程變量值，經變送器送至PID控制器的輸入端，并與給定值進行比較得到偏差值，調節器按此偏差并以預先設定的整定參數控制規律發出控制信號，去改變調節器的開度，使調節器的開度增加或減少，從而使現場控制參數值發生改變，并趨向于給定值，以達到控制目的。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，理想算法需調整后才能實際應用。所選歐姆龍PLC中自帶PID控制指令【2】，如圖4所示。PID是由比例運算(P)、積分運算(I)和微分運算(D)共同組合作用的簡稱。其中，比例作用是建立在設定值（SV）上的比例帶操作，在此帶內控制變量（MV）與偏差成正比，提供一個無振蕩的平滑控制過程；積分作用是指對階躍偏差的自動校正過程；比例作用和積分作用都通過控制結果進行校正，因此不可避免會產生響應滯后。微分作用彌補了這一缺陷，通過操作變量與偏差形成的斜坡（微分系數）成比例來進行控制，可加速對干擾的響應。PLC指令中，PID(190)和PIDAT（191）均可用于PID控制，選擇后者可使PLC根據需要自動計算P、I、D參數。

圖4.PLC自帶的PID控制指令

4結語

4.1本文提供了一種可行的機動車制動軟管耐負壓試驗解決方案，通過該方案研發了一種新型的耐負壓試驗裝置。目前，該裝置已在中心實驗室實際應用，累計檢驗樣品百余次，使用效果良好。

4.2本文采用了PLC作為控制模塊，在電磁干擾強烈、工業現場等環境下，具有良好的可靠性、穩定性和可用性。但是對于實驗室應用環境而言，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或單片機等并輔以外圍電路的方案，仍可較好實現。另外，如采用基于數據采集卡的實施方案，雖然成本有可能增加，但人機界面、控制精度、響應速度等指標均有望得到提升。論文方案充分考慮了后續技術推廣的可能性，以便更好適應工廠規模化生產、檢驗環境。

4.3解決方案也是對國家標準的嚴格貫標，各參數設置均嚴格滿足或優于標準要求。也充分考慮了國家標準后續修訂，設備通過準模塊化設計，可隨時更換各模塊或者變更其參數，具有較好響應性。

參考文獻

［1］中國國家標準化管理委員會.GB16897-2010《制動軟管的結構、性能要求及試驗方法》[S].北京：中國標準出版社，2010

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