制动气室推杆行程故障诊断
陆艺1, 夏文杰1, 朱蔷1, 赵静2
1.中国计量学院 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
2.杭州沃镭科技有限公司, 浙江 杭州 310018

作者简介:陆艺(1979—),男,江苏扬州人,副教授,硕士,主要从事精密测试技术的研究。

摘要

推杆行程失调会引起客车制动力的损失,使制动力矩减小,针对此问题提出了一种诊断制动气室推杆行程失调故障的方法。分析了气制动系统中的制动总阀和制动气室的工作状态,利用模型对制动气室伸出推杆的行程值进行理论估计,通过判断估计值是否落在规定的推杆有效行程范围内,对系统是否存在推杆行程失调故障进行判断。然后搭建了整车气压制动系统模拟试验台,针对整车制动系统进行制动性能模拟试验,对制动气室的气压变化量进行测量,将归一化后的试验值与理论值进行比较,对气制动系统是否存在推杆行程失调进行了诊断。试验结果表明,该模型能很好地对气制动系统推杆行程失调进行故障诊断。

关键词: 气制动系统; 制动气室; 建模; 故障; 推杆行程
中图分类号:TH138 文献标志码:B 文章编号:1000-4858(2016)01-0013-05 doi: 10.11832/j.issn.1000-4858.2016.01.003
Push Rod Stroke Fault Diagnosis for Air Brake Systems
LU Yi1, XIA Wen-jie1, ZHU Qiang1, ZHAO Jing2
1. Institute of Precision Measurement and Control, China Jiliang University, Hangzhou, Zhejiang 310018
2. Hangzhou Wolei Intelligent Technology Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310018
Abstract

In the car air brake system the imbalance of the push rod stroke can cause the loss of breaking force and the decrease of breaking torque. Aimed at this problem a model-based imbalance of the push rod stroke fault diagnostic method for the brake chamber is presented. First, the working condition of the brake valve and the brake chamber in the air brake system is analyzed. The push rod stroke value according to the model is estimated. The estimated push rod stroke is detected whether within the effective range to judging the imbalance fault. A simulation test rig for the vehicle air brake system is built to simulate the braking performance. The brake performance by this simulative test rig can be gotten and the brake chamber state pressure can be measured. The normalized data measured in experiments are compared with the predictions of the model. So it can diagnose the imbalance of the push rod stroke fault. Test results show that the method is effective to diagnose the imbalance of the push rod stroke fault for air brakes.

Keyword: air brake systems; brake chamber; modeling; fault diagnosis; push rod stroke
引言

随着公共交通的大力发展, 公共交通客车的需求量徒增, 客车交通事故率亦呈上升趋势, 造成了巨大的人员和财产损失。究其原因, 除了驾驶人员不当操作外, 车辆自身制动性能是交通事故的主要诱因[1]。近年来, 越来越多的针对汽车气制动系统理论模型的研究被展开[2], 国内外许多学者和科研机构针对卡车、客车等重型车辆的气制动系统及其关键制动部件建立数学模型方面、对模型进行仿真实现、对制动部件动特性研究方面做了研究[3, 4]。目前国内针对气制动故障诊断的研究还很缺乏, 同时由于汽车制动过程的复杂性, 引起制动系统故障的因素非常多, 采用单一理论解决多故障是不可行的[5]。经过分析, 推杆行程失调故障是气制动故障的主要故障之一, 有学者研究分析制动气室的输出力不仅与输入气压、气室内腔体的结构有关系, 还与推杆行程有关系, 通过对制动气室伸出推杆输出力曲线的大量试验研究发现, 制动气室输出力随着推杆行程的变化呈非线性变化过程, 当推杆行程小于或者大于推杆有效行程时制动气室推杆输出力开始下降, 制动气室在实车应用时需使用推杆在有效行程范围内的输出力才能使制动器的性能可以良好发挥。因此针对气压制动系统中存在推杆行程失调的问题, 建立了一种制动气室推杆行程故障诊断的方法。利用模型对制动气室伸出推杆的行程值进行理论估计, 通过判断估计值是否落在规定的推杆有效行程范围内, 对系统是否存在推杆行程失调故障进行判断。

1 制动气室推杆行程估计建模

制动气室作为制动系统中为制动器促动机构提供机械力的部件, 其输出性能直接关系到制动系统的整体制动效果。本研究在理论研究方面建立了一种制动气室伸出推杆行程估计模型, 估计模型的输入为试验测得的制动气室稳态气压值与测得的从制动开始到气室内气压达到稳定状态所需时间, 输出为推杆行程[6], 如图1 所示, 气罐中的压缩空气流经收缩喷管后, 充入气压为pb的制动气室中。由于制动气室的体积与储气罐的体积相比很小且储气罐中的气压可以得到及时的补充, 因此, 在对制动气室充气过程中, 储气罐内的气体状态对该过程的影响可以忽略, 认为储气罐内的气体为滞止状态, 制动气室输出力用推杆行程来表述。

图1 气制动系统简化示意图

制动气室的能量Eb在大气温度下表达为:

Eb=pbVblnpbpa1

式中, papb分别为大气绝对压力、制动气室气体绝对压力。

根据理想气体状态方程式:

p=mVRT=ρRT2

制动气室的储能参照制动气室中气体的质量表达为:

Eb=mbRTblnpbpa3

式中, mb、R、Tb分别为制动气室中气体的质量、气体常数、制动气室中气体的温度。制动进行时, 制动气室充气过程中温度变化的影响可以忽略, 因此, 将温度设为一个常量, 其值取与周围环境气体温度值相同。对式(3)关于时间求导得:

d(Eb)dt=pbQblnpbpa=m˙bρbRTblnpbpa4

式中, Qbm˙bρ b分别为充入制动气室的气体的体积流量、质量流量、气体密度。而质量流量的基本表达式如下:

m˙b=ρbAu5

式中, A为制动总阀阀口的横截面积; u为制动气室进气口横截面上的平均流速, m/s。由理想气体状态方程式(2)可知制动气室中气体的密度可根据测得的制动气室气压得到:

ρb=pmRTb6

式中, pm为测得的制动气室气压值。对于理想气体的等温过程, 根据稳定流动能量方程:

h+12cf2=const(7)

理想气体在定温过程中的流速表达如下:

u=2RTlnp0pm8

式中, p0为供气压力。通过对方程(4)在一定的时间区间内积分可求得稳态时制动气室能量估计值Ebe, 所取的时间区间为制动开始到制动气室气压达到稳态所需时间。制动气室中气体的质量流量可通过式(5)~式(8)以及在给定时间区间内测得的制动气室气压值计算得到。在制动过程中制动气室的容积和推杆的行程有如下线性关系:

Vbt=Vi+Abxbt(9)

式中, xb(t)为在任意时刻的推杆行程值; Vb(t)为在任意时刻制动气室的体积; Vi制动发生前制动气室的初始体积; Ab为制动气室膜片的有效面积。因此, 稳态时制动气室推杆行程可由式(9)给出, 按下式计算得到:

Vbe=Ebepmxbe=Vbe-ViAb10

其中, EbepmVbexbe分别为制动气室气压达到稳态时气室能量Eb的估计值、制动气室稳态气压的测得值、制动气室稳态时体积Vb的估计值、制动气室稳态时推杆行程xb的估计值。因此, 由公式(4)~公式(10)组成了制动气室伸出推杆行程的理论估计模型。运用MATLAB 软件平台对其进行仿真计算, 模型的输入为供气压力650 kPa制动过程中测得的一次制动气室压力变化值与制动从开始到气压稳定所用时间, 输出为推杆行程变化量。图2为制动气室伸出推杆理论估计模型的仿真结果。由图中可以看出, 当制动气室中的气压达到稳压时, 制动气室伸出推杆的行程将达到一个最大值, 该值即模型所要估计的推杆行程值, 此处约为62 mm。

图2 制动气室伸出推杆估计模型的仿真结果

2 整车气压制动模拟试验台设计

根据汽车气制动系统回路布置的不同, 对于一般的双轴四车轮车辆, 可分为单回路制动系统与双回路制动系统。为提高汽车制动系统的工作可靠性, 我国通过相关法规强制规定客车、卡车需布置双回路制动系统, 以确保制动可靠性, 即汽车气制动系统由两条相对独立的回路构成, 若其中一条回路发生故障, 另一条回路仍能起到部分制动效果, 防止汽车完全丧失制动能力[5]。气动回路部分的设计采用典型的双回路布局结构。气制动系统模拟试验台的气路原理如图3所示。气源由空气压缩机提供。气源连接气动二联件, 气动二联件起调节管路气压的作用。空气干燥器用于为过滤气体中的杂质、吸收气体中的水分、调节制动系统中的压力、压力过载保护以及在低温环境下可加热防冻。四回路保护阀用于保护关闭压力, 即在某一回路失效后, 其它回路还能进行正常工作。储气罐可以稳定压力、储存能量、降低空气温度。两个膜片式制动气室用于模拟气制动系统的前桥, 两个弹簧式制动气室用于模拟气制动系统的后桥。手阀用于控制后桥上的弹簧制动气室而实施紧急制动和驻车制动。前、后桥继动阀起到快放的作用。差动继动阀用于防止行车及停车制动系统同时操作时, 制动室重复受力。与制动总阀相连的加载机构用于模拟行车制动过程。为完善该系统的加载机构, 图3中由加载气缸8→ 二位五通阀7→ 储气罐6→ 减压阀5的支路作为快速加载装置用于模拟紧急制动[7]

图3 整车气制动系统模拟试验台气路原理图

图4为整车气制动系统模拟测试台的总体结构框图。系统采用工控机、高速数据采集卡、运动控制卡为控制和处理核心; 硬件设计部分主要包括加载机构、气动回路部分、数据采集与处理部分。制动加载模块由交流伺服电机驱动, 推动推杆实现加载, 模拟司机对制动踏板的踩踏动作[8]; 气动回路部分主要用于模拟实车制动回路的布置结构; 数据采集与处理部分主要用于在进行制动模拟试验过程中对各测试端物理量的采集、转换与处理。

图4 整车气压制动系统模拟测试台总体结构框图

数据采集卡中A/D模块负责采集制动总阀的输入气压和位移, 以及制动气室的输出气压和位移, A/D采样位数为16位, 工作时采样频率为1 kHz, 编程方式采用中断方式编程; 数据采集卡中D/A模块负责电气比例阀的输出压力控制。

3 试验结果及分析

影响制动气室伸出推杆行程的因素很多, 其中消除蹄鼓之间的间隙所产生的行程为主要因素。在进行制动模拟试验时, 将制动蹄和制动鼓之间的间隙设定为一定的数值。改变供气压力, 模拟实车行车制动过程, 分别测量制动模拟试验过程中制动气室的稳态气压、从制动开始到气室内气压达到稳定状态所需时间, 将测得的制动气室稳态气压值与时间值代入到2节中所建立的推杆行程估计模型当中, 求得推杆行程最大值的估计值。将推杆行程的估计值与技术文件中所要求的推杆的有效行程相比较:若该值不在有效行程范围内, 则判断推杆行程出现失调; 若估计值在有效行程范围内, 则判断推杆行程有效。制动气室技术文件中规定9254207090型号的制动气室有效行程范围标准值为15 mm~57 mm, 整车气压制动系统模拟试验台使用的制动气室即为该型号制动气室, 用于模拟实车的两个后轮制动系统。

系统分别在供气压力为650 kPa、750 kPa、850 kPa的情况下应用气制动试验台模拟实车行车制动过程, 以后轮中9254207090型号的制动气室为研究对象, 分别测量该气室稳态气压值、气室气压达到稳定状态所需时间、气室伸出推杆的最大行程。

图5 供压650 kPa制动气室压力变化试验结果

模型为了模拟不同的推杆行程的工况, 通过调整负载挡板位置来改变推杆的最大行程。由图5可以看出在供压650 kPa条件下, 气室气压达到稳定状态所需要时间为2.96 s, 气室稳态气压为647 kPa, 将测得的气室稳态气压值与气室气压达到稳定状态所需时间值代入到第2节中的推杆行程估计模型, 计算得到推杆行程最大值的估计值xbe。试验测量数据及模型仿真计算所得结果汇总如表1所示。其中:

error%=xb-xbexb×100(11)

式中, xb为测得的制动气室伸出推杆行程; xbe为推杆行程估计模型对推杆最大行程的估计值。

表1 在不同的供压下得到的推杆行程估计值

表1可以看出: ① 与实际测得推杆行程值相比, 应用本研究所建立的推杆行程估计模型所得到的推杆行程估计值在较小的误差范围内, 可准确的估计推杆行程值; ② 除过第2组和第8组制动模拟试验, 其他几次试验中该型号制动气室的推杆行程均在有效行程范围15~57 mm之内, 因此可以判断这7次制动过程中不存在推杆失调故障。而第2组、第8组制动模拟试验中的推杆行程估计值分别超出了技术文件所规定的该型号制动气室推杆行程有效范围的下限和上限, 因此可以判断这两次制动过程中存在推杆行程失调故障。

4 结论

本研究针对气制动系统建立了制动气室推杆行程估计模型, 以及在整车气制动系统模拟平台上的模拟试验基础之上, 提出了一种气制动系统推杆行程失调故障诊断的方法即利用推杆行程估计模型对制动模拟试验过程中推杆行程的最大值进行估计, 通过判断估计值是否落在规定的推杆有效行程范围内, 对系统是否存在推杆行程失调故障进行判断。同时全面分析了推杆行程失调故障的存在对气压制动系统的影响。试验结果表明:本方法能够很好地对气压制动系统存在推杆行程失调故障问题进行诊断, 对提高气压制动系统制动性能的发挥具有良好的意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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