汽車空氣干燥器在線檢測系統(tǒng)研究*

羅 哉，師超鈺，胡曉峰，劉寧霞，魏 青

(中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州 310018)

?

汽車空氣干燥器在線檢測系統(tǒng)研究*

羅 哉，師超鈺，胡曉峰，劉寧霞，魏 青

(中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州 310018)

針對國內(nèi)汽車空氣干燥器自動化檢測效率低、精度差的不足，依據(jù)國家汽車行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)合廠家用戶要求設(shè)計(jì)專用的在線檢測系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)控制理論與機(jī)電一體化技術(shù)、氣動技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速自動化在線檢測。該系統(tǒng)可以完成干燥器的調(diào)壓閥特性測試和密封性測試，并對測試數(shù)據(jù)自動分析處理、保存回放。試驗(yàn)表明，該檢測系統(tǒng)能夠高效準(zhǔn)確地檢測空氣干燥器的性能，測試誤差小于5%，測試不確定度小于0.5kPa，滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。

空氣干燥器；在線檢測；調(diào)壓閥特性；密封性

0 前言

汽車空氣干燥器主要應(yīng)用于汽車的氣制動管路中，用于去除壓縮空氣中的水分等雜質(zhì)，提供干燥潔凈的空氣。使用干燥器可以有效地防止制動系零部件銹蝕失效、管路凍結(jié)，從而減少制動失靈的現(xiàn)象，提高車輛運(yùn)行安全性及可靠性[1-2]。

目前我國汽車制動閥類產(chǎn)品的質(zhì)量檢測領(lǐng)域普遍存在技術(shù)落后、效率低、精度差，甚至無法測試某些特性的現(xiàn)象[3-4]。國內(nèi)現(xiàn)有的汽車空氣干燥器檢測設(shè)備，更是專用性不強(qiáng)、自動化程度不高、檢測效率低、測試精度低，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)中的要求。

針對空氣干燥器檢測領(lǐng)域的不足，設(shè)計(jì)出一種專用的在線檢測系統(tǒng)，快速裝夾自動檢測，測試結(jié)果精確有效，保證了干燥器生產(chǎn)廠家的檢測效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

1 干燥器結(jié)構(gòu)原理及檢測項(xiàng)目分析

k.干燥濾網(wǎng)j.螺旋形通路α.干燥劑I.斜孔g.調(diào)壓閥膜片總成n.閥門d.活塞e.排氣閥門圖1 空氣干燥器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

汽車空氣干燥器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓縮空氣從1口進(jìn)人A腔，經(jīng)過干燥濾網(wǎng)k、螺旋形通路j后通過干燥劑α到達(dá)C腔，C腔干燥氣流一部分通過22口流入再生貯氣筒，另一部分經(jīng)單向閥流入21口向后續(xù)系統(tǒng)供氣，同時部分氣流從斜孔I流入D腔，作用于調(diào)壓閥膜片總成g。當(dāng)系統(tǒng)氣壓超過調(diào)壓閥彈簧預(yù)緊壓力時，閥門n打開，空氣從D腔進(jìn)入B腔，推動活塞d向下移動，打開排氣閥門e，空壓機(jī)卸荷。空壓機(jī)卸荷時再生貯氣筒內(nèi)的空氣反向流動，從3口排出，反吹氣流通過干燥劑時帶走水分，實(shí)現(xiàn)干燥劑的活化再生。

系統(tǒng)氣壓隨著排氣卸荷及后續(xù)用氣下降，閥門n在彈簧的作用下關(guān)閉，B腔空氣由調(diào)壓閥活門座小孔排入大氣，排氣閥門e關(guān)閉，進(jìn)入下一個供氣卸荷循環(huán)。周而復(fù)始，21口氣壓值始終保持在一定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)壓。

通過對空氣干燥器的結(jié)構(gòu)原理綜合分析可知，其自動調(diào)壓的性能對其整體功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。參照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 38-1992《汽車與掛車 氣壓調(diào)節(jié)保護(hù)裝置臺架試驗(yàn)方法》[5]，依據(jù)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并結(jié)合干燥器生產(chǎn)廠家的需求，確定系統(tǒng)在線檢測項(xiàng)目主要有調(diào)壓閥開啟、關(guān)閉壓力的測試和密封性測試。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制理論、氣動控制技術(shù)、機(jī)械傳動技術(shù)以及機(jī)電一體化技術(shù)，系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

硬件部分包括工控計(jì)算機(jī)模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊、測控與調(diào)理電路模塊、氣路控制模塊和機(jī)械工裝夾具。軟件部分負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個硬件模塊，處理數(shù)據(jù)，以及人機(jī)交互。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

通過分析系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的氣路原理如圖3所示。

1.氣源2.過濾減壓閥3.20L儲氣罐4.5L儲氣罐5.1L儲氣罐6.標(biāo)準(zhǔn)容腔7.電氣比例閥8～14.二位二通電磁閥15.二位三通電磁閥16～19.節(jié)流孔20～21.氣壓傳感器22.差壓傳感器23.流量傳感器24.單向閥25～26.調(diào)壓閥27～31.二位五通電磁閥32.氣液增壓缸33～34.氣缸。

圖3 系統(tǒng)氣路原理圖

系統(tǒng)的氣路分兩路，分別用于產(chǎn)品測試與產(chǎn)品裝夾。采用電氣比例閥控制工作氣壓，采用電磁閥控制各氣路的通斷邏輯，氣缸動作實(shí)現(xiàn)固定被測件和密封輸入輸出口。

測試調(diào)壓閥特性時，打開8，以一定升壓速率充氣，當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后打開13，當(dāng)23檢測到排氣口突然排氣時，獲取21的示值，即為調(diào)壓閥開啟壓力；然后，被測件21口的氣壓以一定速率下降，當(dāng)23檢測到排氣口停止排氣時，獲取21的示值，即為調(diào)壓閥關(guān)閉壓力。調(diào)壓閥開啟壓力和關(guān)閉壓力的差值，即為壓差。

密封性測試選用壓差檢漏法，檢測并記錄測試階段前后壓差ΔP，公式變換推導(dǎo)出泄漏率[6]，并通過狀態(tài)參數(shù)變換使測試時間從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5min縮短為15s，提高檢測效率[7]。測試整體密封性時，打開9、15和11向被測腔和標(biāo)準(zhǔn)腔6供氣，達(dá)到設(shè)定壓力后關(guān)閉9，停止供氣，穩(wěn)壓15s后關(guān)閉11開始測試，獲取22的示值；測試出口單向閥密封性時，打開9向被測腔供氣到設(shè)定壓力后，關(guān)閉9并打開10，穩(wěn)壓15s后開始測試，獲取測試階段前后21的差值。

2.3 系統(tǒng)機(jī)械工裝夾具設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的機(jī)械工裝夾具結(jié)構(gòu)如圖4所示。夾具底板上固定兩根直線滑軌，測試滑臺在滑臺氣缸的推動下可在滑軌上滑動，滑臺上方和右側(cè)分別置有活動端連接有封堵頭的氣液增壓缸和側(cè)封氣缸。

1.夾具底板 2.直線滑軌 3.測試滑臺 4.滑臺氣缸 5.被測件 6.側(cè)封氣缸 7.氣液增壓缸

圖4 機(jī)械工裝夾具圖

開始測試時，被測件置于測試滑臺的產(chǎn)品座上，滑臺帶動被測件到達(dá)設(shè)定位置，氣液增壓缸和側(cè)封氣缸實(shí)現(xiàn)向下和橫側(cè)向工件壓緊，同時封堵被測件的輸入輸出口。通過電磁閥和調(diào)壓閥控制氣缸的進(jìn)程狀態(tài)和施力大小，同時配置磁性開關(guān)及光電開關(guān)進(jìn)行到位判斷[8]，可以實(shí)現(xiàn)自動快速裝夾，使系統(tǒng)工作高效、安全、可靠。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于LabVIEW平臺，采用模塊化設(shè)計(jì)[9]，可以劃分為啟動模塊、特征參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出模塊、性能測試模塊、結(jié)果保存回放模塊，具有設(shè)備自檢、系統(tǒng)初始化、測試參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集處理、過程監(jiān)控、測試結(jié)果保存打印查詢、產(chǎn)品合格判斷、安全防護(hù)等功能。軟件測試流程如圖5所示。

圖5 軟件測試流程圖

3 測試結(jié)果分析與不確定度評定

3.1 調(diào)壓閥特性測試結(jié)果分析

選擇一個調(diào)壓閥特性已知(標(biāo)準(zhǔn)值見表1)的空氣干燥器樣件，將其置于檢測系統(tǒng)產(chǎn)品座上，在常溫、工作氣壓1.0MPa下進(jìn)行試驗(yàn)，在軟件啟動界面完成測試項(xiàng)目、特征參數(shù)的設(shè)置后，按下啟動按鈕，對干燥器的調(diào)壓閥特性進(jìn)行自動化檢測，實(shí)測1口和21口氣壓變化如圖6所示。

圖6 氣壓變化曲線

被測干燥器的開啟壓力允許范圍為780～1000kPa，壓差允許范圍為60～150kPa，測試誤差需小于5%。將測試值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，分析結(jié)果如表1所示。

表1 調(diào)壓閥特性測試結(jié)果

從測試結(jié)果可知，開啟壓力值和壓差值均在規(guī)定范圍內(nèi)，被測產(chǎn)品合格，測試精度滿足要求。

3.2 密封性測試結(jié)果分析

在常溫、工作氣壓750kPa下，對干燥器被測件的整體密封性和出口單向閥密封性分別進(jìn)行測試，測試時間15s，測試壓降分別為0.29kPa、0.41kPa。依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及廠家的技術(shù)指標(biāo)，整體密封泄漏量不得大于0.6kPa，出口單向閥密封泄漏量不得大于1.2kPa，測試結(jié)果滿足要求。

3.3 測試結(jié)果的不確定度評定

基于貝葉斯理論對測試結(jié)果進(jìn)行了不確定度A類評定，這種方法綜合利用歷史信息和當(dāng)前樣本信息，對單次測量、小樣本測量及大樣本測量都有較合理的評定效果[10]。

貝葉斯理論將參數(shù)μ作為隨機(jī)變量，并已有反映實(shí)驗(yàn)前μ信息的先驗(yàn)分布，測量得到測量樣本X=(x1,x2,…xn)后，由先驗(yàn)分布和當(dāng)前測量樣本計(jì)算的μ后驗(yàn)分布。用公式表示：

h(μ|x)∝p(μ).L(μ|x)

(1)

式中h(μ|x)為后驗(yàn)分布密度函數(shù)，p(μ)為先驗(yàn)分布密度函數(shù)，L(μ|x)為當(dāng)前測量樣本的似然函數(shù)。前一次的后驗(yàn)分布可以作為下一次計(jì)算的先驗(yàn)分布。

圖7 貝葉斯評定流程圖

用本測試臺在環(huán)境條件基本一樣的情況下，在兩個不同時段，先后對上述同一干燥器被測件進(jìn)行測試，每一時段測試10次，結(jié)果記錄(只列出開啟壓力)如表2所示。

表2 開啟壓力測試數(shù)據(jù)

將第一時段數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)信息，第二時段數(shù)據(jù)作為當(dāng)前樣本信息。分別計(jì)算兩組數(shù)據(jù)的均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差，見表3。

表3 兩組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征值

可得先驗(yàn)分布密度函數(shù)為：

(2)

當(dāng)前樣本關(guān)于均值的似然函數(shù)為：

(3)

由貝葉斯共軛分布理論知，后驗(yàn)分布也是正態(tài)分布。將式(2)和(3)代入公式(1)可得后驗(yàn)分布為：

(4)

(5)

通過公式(4)和(5)計(jì)算可得，μ1=889.16kPa，σ1=0.42kPa，即開啟壓力測試數(shù)據(jù)的貝葉斯評定結(jié)果為889.16±0.42kPa。

同樣的，對被測件的其它各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行貝葉斯評定，結(jié)果見表4。

表4 各測試項(xiàng)評定結(jié)果

從評定結(jié)果可以看出，各性能參數(shù)的測量不確定度均小于0.5kPa，在可接受范圍內(nèi)。同時，將開啟壓力和壓差的估計(jì)值與其標(biāo)準(zhǔn)值比較，測試誤差滿足廠家5% 以內(nèi)的要求。

將表2數(shù)據(jù)與開啟壓力標(biāo)準(zhǔn)值比較可知，開啟壓力的測試存在一個系統(tǒng)誤差，這是由于流量傳感器檢測到流量再捕獲開啟壓力值時發(fā)生了滯后。該誤差完全在廠家認(rèn)可的范圍內(nèi)，并可以通過N′=N+△N來修正。

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了一種汽車空氣干燥器在線檢測系統(tǒng)，實(shí)時顯示曲線，靈活設(shè)置參數(shù)，高度自動化，測試精度好，檢測效率高。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定、測試精確，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場中汽車空氣干燥器在線檢測的要求，已成功運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

[1] 李小攀，黎景波. 汽車用空氣干燥器測試方法與設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)[J]. 汽車零部件，2010(6)：45-48.

[2] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造(第三版)[M]. 北京：人民交通出版社，2000.

[3] 陳勇. 汽車制動閥靜特性自動測試系統(tǒng)研制[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2006.

[4] 韓建云. 重載汽車制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2011，38(1):35-39.

[5] 中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 38-1992. 汽車與掛車 氣壓調(diào)節(jié)保護(hù)裝置臺架試驗(yàn)方法[S]. 北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，1992.

[6] 曾成洲. 基于壓差原理的泄漏檢測方法研究及系統(tǒng)開發(fā)[D]. 浙江：浙江大學(xué)，2012.

[7] 關(guān)強(qiáng)，韓玉杰，向富林，等. 計(jì)算機(jī)控制的雙腔氣制動閥密封特性檢測技術(shù)[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，21(05)：81-86.

[8] 趙中煜.基于VI的汽車氣動元件測試技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)[D]. 黑龍江：東北林業(yè)大學(xué)，2003.

[9] 張迪.基于LabVIEW的汽車踏板測試系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2009(5)：24-25.

[10] 陳小昊，陳曉懷，李高峰. 基于貝葉斯理論的不確定度評定[J]. 黑龍江大學(xué)工程學(xué)報，2012(3)：116-119.

(編輯 李秀敏)

Research on Dedicated On-line Detecting System of Auto Air Dryer

LUO Zai，SHI Chao-yu，HU Xiao-feng，LIU Ning-xia，WEI Qing

(College of Metrology Technology and Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

On the basis of correlative automobile industry standard and the requirements of manufacturer, this dedicated on-line detecting system is designed for the shortage of low degree automatic efficiency and detection precision of auto air dryer in the domestic. Fast automatic detection is achieved by using the method of combination of the technology of computer control, mechatronics and pneumatics. This system can detect the speciality performance of pressure regulating valve and seal of auto air dryer, in which online analytical processing of test data is available, at the same time, saving and inquiring data is achieved. Through some experimental analysis, it is indicated that efficient and accurate detection of the performance of auto air dryer is realized, and the test errors are less than 5%, the test uncertainties are less than 0.5kPa, which can meet the requirements of operating industrial site.

air dryer; on-line detecting; performance of pressure regulating valve; sealability

1001-2265(2014)01-0110-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.031

2013-04-22

國家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目，公交客車制動關(guān)鍵部件性能檢測技術(shù)研究(201210109)

羅哉(1979—)，男，四川遂寧人，浙江杭州中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向?yàn)榫軠y試?yán)碚撆c技術(shù)、零件熱變形理論及應(yīng)用等，(E-mail) luozai@cjlu.edu.cn.

TH165;TP273

A