汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)氣液兩相流流型的識(shí)別

李孝祿 梁思偉 王文越 趙進(jìn)慧 朱俊江 李運(yùn)堂

中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，杭州，310018

汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)氣液兩相流流型的識(shí)別

李孝祿 梁思偉 王文越 趙進(jìn)慧 朱俊江 李運(yùn)堂

中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，杭州，310018

建立了汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)中氣液兩相流流型檢測(cè)裝置，根據(jù)壓差波動(dòng)信號(hào)，利用Hilbert-Huang變換(HHT)對(duì)制動(dòng)液兩相流流型進(jìn)行識(shí)別，并利用高速攝像機(jī)采集不同工況下制動(dòng)液的氣液兩相流流型圖像。結(jié)果表明，制動(dòng)時(shí)車輪轉(zhuǎn)速越高，壓差信號(hào)幅值越大，幅值主要集中在0～50Hz區(qū)域；識(shí)別制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)液流型為一種泡狀流。高速攝影的結(jié)果驗(yàn)證了液壓制動(dòng)管路中制動(dòng)液為泡狀流；制動(dòng)轉(zhuǎn)速越高，氣泡越小。結(jié)論揭示了制動(dòng)時(shí)汽車制動(dòng)液的氣液兩相流流型，說(shuō)明利用測(cè)量制動(dòng)液的壓差波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行HHT就可以識(shí)別其流型。

制動(dòng)系統(tǒng)；氣液兩相流；流型；壓差信號(hào)

0 引言

汽車ABS、TRC、ESC是汽車重要的主動(dòng)安全系統(tǒng)，均要利用汽車液壓制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輪制動(dòng)。目前，對(duì)這些主動(dòng)安全系統(tǒng)的研究主要集中在控制算法、動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)等方面[1-3]，較少涉及液壓制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的兩相流動(dòng)的研究[4]。事實(shí)上，由于制動(dòng)液吸水、摻入空氣、長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)發(fā)熱、夏季溫度過(guò)高等原因，制動(dòng)液極易形成兩相流，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生氣阻，影響制動(dòng)效能和汽車安全[5-6]。具體來(lái)說(shuō)，制動(dòng)液兩相流對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)形式為：降低制動(dòng)壓力；延緩制動(dòng)壓力傳遞時(shí)間；產(chǎn)生穴蝕[7]。因此，研究制動(dòng)液兩相流具有重要意義。

本研究搭建了液壓制動(dòng)系統(tǒng)兩相流流型識(shí)別[8]臺(tái)架，利用壓差波動(dòng)信號(hào)對(duì)流型進(jìn)行識(shí)別，然后利用高速相機(jī)拍攝制動(dòng)管路中氣液兩相流流型，以此驗(yàn)證利用壓差波動(dòng)信號(hào)識(shí)別制動(dòng)液流型的正確性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與流型識(shí)別方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

對(duì)桑塔納3000的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該防抱死制動(dòng)系統(tǒng)前輪采用鉗盤(pán)式制動(dòng)，由1臺(tái)7 kW的變頻交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)。踩下制動(dòng)踏板對(duì)車輪制動(dòng)，車輪在電機(jī)的帶動(dòng)下按設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，類似于汽車在長(zhǎng)距離下坡時(shí)，盡管對(duì)車輪制動(dòng)，但汽車還是以恒定的速度行駛。

圖1所示為制動(dòng)管路中的制動(dòng)液壓差采集裝置。在與前輪制動(dòng)輪缸相連的制動(dòng)管路中安裝兩個(gè)壓力變送器。兩個(gè)壓力變送器的間隔距離(取壓距離)直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果：取壓距離過(guò)大會(huì)造成壓力信號(hào)中的部分高頻信號(hào)丟失；取壓距離過(guò)小會(huì)造成流型信息不完全。因此，取壓距離設(shè)計(jì)為9倍管徑。壓力變送器為瑞士KELLER公司生產(chǎn)的PA-25TAB/80087型壓力傳感器，采集頻率為3 kHz。

圖1 制動(dòng)管路中制動(dòng)液壓差信號(hào)采集裝置Fig.1 Acquiring device for pressure differential signalsof brake fluid in braking pipe

圖2所示為制動(dòng)管路中的制動(dòng)液流型采集裝置。透明石英管安裝在靠近制動(dòng)輪缸的制動(dòng)管路中，其內(nèi)徑為4 mm，長(zhǎng)度為15 cm。高速攝影系統(tǒng)采用德國(guó)Basler公司acA2000-165 um型高速攝像機(jī)(200萬(wàn)像素分辨率，幀率為165幀/秒)，照明光源采用3200～5500K雙色溫平板式LED聚光燈。在石英管后側(cè)加裝一層硫酸紙，采用逆光照射來(lái)提高照片質(zhì)量。

圖2 制動(dòng)管路中制動(dòng)液流型采集裝置Fig.2 Acquiring device for flow patterns inbraking pipe

為使ABS工作時(shí)產(chǎn)生氣液兩相流，制動(dòng)系統(tǒng)加注DOT3制動(dòng)液時(shí)空氣未排盡。實(shí)驗(yàn)時(shí)，踩踏制動(dòng)踏板，持續(xù)制動(dòng)一定時(shí)間后，分別測(cè)量不同制動(dòng)工況下的制動(dòng)壓力數(shù)據(jù)。

1.2 流型識(shí)別方法

流型識(shí)別方法分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法包括目測(cè)法、高速攝影法、射線吸收法、電導(dǎo)探頭測(cè)試法等，間接測(cè)量法包括過(guò)程層析成像法、壓差波動(dòng)法、壓力波動(dòng)法等。由于壓差波動(dòng)信號(hào)的各頻率成分信號(hào)能量包含了豐富的流型信息，且壓差信號(hào)易于測(cè)量，測(cè)量時(shí)不會(huì)對(duì)流型的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，故本研究中，間接測(cè)量法采用壓差波動(dòng)法，直接測(cè)量法采用高速攝影法。

目前，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)處理與分析方法用來(lái)對(duì)壓差波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理和流型識(shí)別，如希爾伯特-黃變換 (Hilbert-Huang transform, HHT)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、支持向量機(jī)等，都取得了較好的效果[9-10]。相比其他方法，在對(duì)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行線性化和平穩(wěn)化處理時(shí)，HHT能夠保留數(shù)據(jù)自身特征，還可以分析信號(hào)局部時(shí)頻特性，得到信號(hào)的時(shí)間-頻率-幅值三維分布，在時(shí)域和頻域均具有較高分辨率[11]。

HHT認(rèn)為任一信號(hào)都是由許多固有模態(tài)函數(shù) (intrinsic mode function，IMF)分量組成的，IMF分量同時(shí)滿足兩個(gè)條件：①全部信號(hào)中，過(guò)零點(diǎn)的數(shù)量和極值點(diǎn)的數(shù)量相等或相差一個(gè)；②任何一點(diǎn)的信號(hào)上下包絡(luò)線對(duì)時(shí)間軸是對(duì)稱的。HHT計(jì)算過(guò)程包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)分解和HHT變換[11]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 制動(dòng)液壓力及其壓差波動(dòng)信號(hào)HHT分析

對(duì)車輪在不同轉(zhuǎn)速(300r/min、400r/min、500r/min)下的制動(dòng)液壓力及其壓差波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行HHT分析。轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，靠近輪缸的壓力傳感器采集到的制動(dòng)液壓力數(shù)據(jù)(連續(xù)制動(dòng)15min和30min后采集的壓力數(shù)據(jù))如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速為500 r/min的制動(dòng)壓力曲線Fig.3 Curve of brake pressure at 500 r/min

由圖3可以看出，轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)制動(dòng)液平均壓力約為200 kPa；連續(xù)制動(dòng)30 min后的制動(dòng)液平均壓力比連續(xù)制動(dòng)15 min后的制動(dòng)液平均壓力略高，原因在于制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，摩擦片和摩擦盤(pán)溫度越高，摩擦片和摩擦盤(pán)變軟，需要更高的制動(dòng)壓力來(lái)維持轉(zhuǎn)速不變。從測(cè)量的制動(dòng)壓力波形可以看出，制動(dòng)器出現(xiàn)了制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題[12]。由文獻(xiàn)[13]可知，制動(dòng)抖動(dòng)表現(xiàn)在制動(dòng)壓力波動(dòng)和制動(dòng)力矩波動(dòng)(BTV)兩方面，影響因素包括制動(dòng)盤(pán)厚薄差(DTV)、制動(dòng)盤(pán)端面跳動(dòng)(SRO)、摩擦因數(shù)變化等。

對(duì)轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)的壓差波動(dòng)信號(hào)運(yùn)用HHT處理，得到IMF分量I1～I(xiàn)6和剩余分量R。圖4、圖5分別為連續(xù)制動(dòng)15 min和30 min后壓差波動(dòng)信號(hào)的IMF分量圖。

圖4 壓差波動(dòng)信號(hào)IMF分量(t=15 min)Fig.4 Pressure differential wave signal IMF after15 min braking

圖5 壓差波動(dòng)信號(hào)IMF分量(t=30 min)Fig.5 Pressure differential wave signal IMF after30 min braking

由于I6之后的信號(hào)波動(dòng)已經(jīng)很小，可以忽略，因此分解過(guò)程到I6為止。由圖4、圖5可以看出，分解的I1～I(xiàn)6由高頻到低頻依次排列；I1和I2的平均瞬時(shí)頻率較大，具有明顯的波動(dòng)，這基本上反映了高頻噪聲的影響；其他IMF則是信號(hào)自身特征的體現(xiàn)。因此，可以去掉代表噪聲成分的I1和I2完成去噪，其他IMF與R相加，得到去噪后的壓差波動(dòng)信號(hào)和邊際譜，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出，去噪后的信號(hào)能量(幅值A(chǔ))主要集中在50 Hz以內(nèi)的區(qū)域，這與壓差波動(dòng)信號(hào)的特征相符，表明HHT變換能夠很好地保留信號(hào)的固有特征。信號(hào)邊際譜表征的是頻率f與幅值A(chǔ)的關(guān)系，即數(shù)據(jù)中每個(gè)瞬時(shí)頻率點(diǎn)幅值的累積分布。由圖6、圖7可以看出，同一轉(zhuǎn)速下經(jīng)過(guò)不同的制動(dòng)時(shí)間，壓差波動(dòng)信號(hào)的幅值A(chǔ)相差不大，集中在0～0.3之間，且具有相同的特征。

(a)壓差波動(dòng)信號(hào)

(b)邊際譜圖6 制動(dòng)液壓差波動(dòng)信號(hào)特征(t=15 min)Fig.6 Characteristics of pressure differential wavesignals of brake fluid after 15 min braking

(a)壓差波動(dòng)信號(hào)

(b)邊際譜圖7 制動(dòng)液壓差波動(dòng)信號(hào)特征(t=30 min)Fig.7 Characteristics of pressure differential wavesignals of brake fluid after 30 min braking

2.2 制動(dòng)時(shí)液壓ABS氣液兩相流流型識(shí)別

丁浩等[14]、李強(qiáng)偉等[15]結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)資料，總結(jié)出根據(jù)壓差波動(dòng)信號(hào)能量比識(shí)別氣液兩相流流型的一般規(guī)律。他們將壓差波動(dòng)信號(hào)IMF分量按照頻率的高低分為3個(gè)區(qū)域(25 Hz以上為一區(qū)，其能量比為EH；5～25 Hz為一區(qū)，其能量比為EM；5 Hz以下為一區(qū)，其能量比為EL)，3個(gè)頻率區(qū)域分別對(duì)應(yīng)不同的IMF分量。不同流型下各頻率區(qū)域的能量比變化規(guī)律不同，得到一種根據(jù)壓差波動(dòng)信號(hào)各頻段能量比的大小來(lái)判別流型的準(zhǔn)則，其流型識(shí)別準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%[14-15]。根據(jù)壓差波動(dòng)信號(hào)能量比識(shí)別氣液兩相流流型的準(zhǔn)則如下：若EH>EM且EH>EL，則為泡狀流；若EM>EH且EM>EL，則為塞狀流；若EL>EH且EL>EM，則為彈狀流。

本研究中，I1和I2具有高頻噪聲的明顯特征被去掉，剩余分量作為信號(hào)原有特征構(gòu)成新的信號(hào)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中IMF的計(jì)算公式，得到不同轉(zhuǎn)速n和時(shí)間t的制動(dòng)工況下各IMF分量的能量比，如表1所示。

由表1可以看出，各IMF分量所占的能量比與頻率存在正相關(guān)關(guān)系。從I3到剩余分量R，頻率依次減小，它們的能量比也依次減小。

根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]中的結(jié)果，將壓差波動(dòng)信號(hào)IMF分量分成3個(gè)頻率區(qū)域:頻率最高的區(qū)域?qū)?yīng)分量為I3和I4，能量比為EH；中間頻率區(qū)域?qū)?yīng)分量為I5和I6，能量比為EM；頻率最低區(qū)域?qū)?yīng)分量為R，能量比為EL。根據(jù)表1中各IMF分量的能量比，得到各區(qū)域?qū)?yīng)的能量比，如表2所示。可以看出，各工況下，EH>EM>EL，EH占主導(dǎo)地位。根據(jù)上述流型判別準(zhǔn)則，得出如下結(jié)論：本實(shí)驗(yàn)條件下，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)液為泡狀流。

表2 不同制動(dòng)工況下各頻率區(qū)域能量比

2.3 流型的高速攝影

對(duì)不同剎車盤(pán)轉(zhuǎn)速下的制動(dòng)管路內(nèi)的制動(dòng)液兩相流用高速攝影機(jī)放大17倍拍攝，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，制動(dòng)管路中制動(dòng)液是一種氣液兩相流，以泡狀流狀態(tài)存在。

(a)n=300 r/min

(b)n=400 r/min

(c)n=500 r/min圖8 不同轉(zhuǎn)速下制動(dòng)液兩相流流型Fig.8 Flow patterns of brake fluid at different speeds

從圖8可以看出，制動(dòng)液中氣泡分布不均勻，受重力的影響，較大的氣泡都出現(xiàn)在制動(dòng)管上壁面內(nèi)，更多微小的氣泡懸浮在制動(dòng)液中。當(dāng)轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)，制動(dòng)液中存在兩個(gè)直徑約為幾百微米的氣泡，靠近制動(dòng)管上壁面，而直徑為幾十微米的小氣泡較多，散布在制動(dòng)液中。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，ABS制動(dòng)管路內(nèi)的制動(dòng)液氣泡分裂為更小的微小氣泡，這可能是制動(dòng)液壓力升高和制動(dòng)液壓力變化更頻繁的結(jié)果。當(dāng)轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，幾十微米直徑的氣泡個(gè)數(shù)變得更少，氣泡破裂得更小。

3 結(jié)論

(1)利用壓差波動(dòng)信號(hào)和HHT對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)時(shí)兩相流的流型進(jìn)行了識(shí)別，制動(dòng)管路中制動(dòng)液兩相流流型識(shí)別為泡狀流。

(2)通過(guò)高速攝影對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證了制動(dòng)管路中制動(dòng)液兩相流流型為泡狀流。制動(dòng)轉(zhuǎn)速越高，氣泡越小，氣泡直徑在幾十微米以下。

(3)研究結(jié)果表明，HHT是一種有效判別汽車制動(dòng)時(shí)制動(dòng)液氣液兩相流流型的方法。

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(編輯 王旻玥)

Identification of Gas-liquid Two-phase Flow Patterns in Automobile Hydraulic Braking Systems

LI Xiaolu LIANG Siwei WANG Wenyue ZHAO Jinhui ZHU Junjiang LI Yuntang

College of Electrical and Mechanical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou,310018

A test rig was completed for gas-liquid two-phase flow pattern identification in automobile hydraulic braking system, where the gas-liquid two-phase flow patterns were identified by Hilbert-Huang transform(HHT) using the pressure differential signals, and the flow patterns of brake fluid were also acquired in the braking pipes by a high speed camera under the different conditions. Results show that as improving the braking speed, the amplitudes of pressure differential signals are higher, which are at the frequency distribution area of 0～50 Hz. The flow patterns of brake fluid were identified as a bubble flow during braking. The photos also show that the brake fluid is a bubble flow in hydraulic braking pipelines, and the sizes of bubbles are smaller as the rotating speed increasing. This paper discloses the gas-liquid two-phase flow patterns in automobile braking system during braking, and also gives a method on identifying the flow patterns by HHT only using the pressure differential signals of brake liquid.

braking system; gas-liquid two-phase flow; flow pattern; pressure differential signal

2015-10-09

2017-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275499) ；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14E050023)

U463.52

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.04.019

李孝祿，男，1968年生。中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授、博士。主要研究方向?yàn)槠囯娮?。發(fā)表論文80余篇。E-mail:lxl2006@cjlu.edu.cn。梁思偉，男，1993年生。中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。王文越，男，1990年生。中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。趙進(jìn)慧，女，1974年生。中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授、博士。朱俊江，男，1987年生。中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師、博士。李運(yùn)堂，男，1976年生。中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士。