摘要：阐述了一台Krauss摩擦试验机的改造方案，根据技术要求设计了采用电液比例减压阀进行反馈控制的制动加载压力调节系统，以及采用工控机和PLC搭建的试验机测控系统。
关键词：电液比例减压阀 反馈 工控机 PLC
中图分类号：TH137.522文献标识码：A文章编号：1007-9416(2012)07-0082-03
Application Study on Electro Hydraulic Proportional Valve Used for Modification of Wear Material Tester of Krauss
Wang ChunYan，Xie XiaoLi
(Sichuan Engineering Technical College, Deyang Sichuan, 618000)
Abstract：This paper expounds the modification solution of a wear material tester of Krauss. According the technical requirements, to realized feedback and control of the brake loading pressure regulation system by using electro-hydraulic proportional decompression value, and constructed a measurement and control system based on industrial personal computer and PLC.
Key Words：Electro-hydraulic proportional decompression value Feedback Industrial personal computer PLC
Krauss摩擦试验机是用于测试轿车制动器摩擦衬片摩擦性能的一种专用试验设备，由德国ATE-TEVES与ERICH.KRAUSS研制开发，Krauss公司制造推广。因其以原尺寸刹车片试样和原配制动钳、制动盘为试验对象，模拟性强，测试简捷快速、经济可靠，成为欧洲及全世界公认的盘式制动衬片摩擦性能权威性测试设备，被世界摩擦材料和汽车制造厂商所认可。某摩擦材料生产企业于上世纪90年代初自德国引进一台Krauss RWDC100—C型摩擦试验机，用于汽车制动器摩擦衬片的研发，为企业带来较好效益。但该设备引进较早，经长期使用，目前气动液压控制系统故障不断，测控系统功能落后，急需升级改造。
1、Krauss摩擦试验机结构和工作原理
Krauss摩擦试验机属于台架式摩擦试验机，试验原理依据摩擦力与压力成正比的关系确定：试验机利用电动机牵引带动惯性飞轮组旋转来模拟汽车的行驶动能和内部旋转件的旋转动能，用原尺寸制动摩擦片试样、汽车原配制动钳和制动盘进行制动，制动过程中测出制动器摩擦制动力矩和压力，通过计算可以得出摩擦片摩擦系数。
待改造Krauss摩擦试验机基本结构主要包括主轴系统、制动加载系统、滑台系统、冷却除尘系统、测控系统等部分，工作原理如图1所示。直流调速电机通过同步齿形带拖动飞轮旋转，当达到试验规定的转速时，电机断电，开始制动：电磁换向阀得电，经处理后的压缩空气进入气液增压缸的低压腔，推动活塞使增压腔制动油进入制动钳油缸内，推动活塞移动使制动钳闭合将摩擦片紧紧压在旋转的制动盘上，对主轴系统进行制动。测控系统在制动过程中，对转速、制动压力、制动力矩、温度、制动时间、制动减速度等试验参数记录处理。制动结束后：电磁换向阀复位，压缩空气通过电磁换向阀直接排气，气液增压缸复位，制动钳松开，摩擦片与制动盘脱离接触，准备下一次制动。其中节流阀可进行调速，单向阀用于气液增压缸快速复位。
1—直流调速电机;2—同步齿形带;3—飞轮组;4—制动钳;5—制动盘;6—气源;7—截止阀;8—气动三联件;9—储气罐;10—电磁换向阀;11—单向阀;12—节流阀;13—气液增压缸;14—补液器;15—液压表;16—气压表；
2、改造技术要求
该Krauss试验机由于引进时间早，测控程序功能少，自动化程度不高，特别是制动加载系统需要手动设定制动管路油压，已经不能满足新的国家标准和行业标准对制动器摩擦衬片摩擦性能试验的需要。通过改造，使试验机可达到以下几方面要求。
(1)试验功能：可进行恒压力制动加载和恒力矩加载；可按照我国汽车行业台架试验国家标准QC/T 564-2008《乘用车制动器性能要求及台架试验方法》、美国汽车工程师学会推荐标准SAE J212-1998《乘用车制动系统测功机试验规程》等标准试验。同时，在满足功能要求的前提下力求结构简单、实用。
(2)控制部分：操作者可通过选择程序菜单灵活编制试验过程，并以人机对话方式输入试验控制参数，之后能够按一定的试验程序控制试验机完成预定测试流程，包括转速控制、加载控制、测量控制、试验条件控制(如冷却,升温等)及试验过程的控制等。
(3)数据采集与处理：采用计算机数据采集与处理系统，可对压力、速度、时间、温度等试验参数进行实时监控和测量，并能够对摩擦系数、摩擦功、制动距离、制动减速度等参数进行计算，测试数据及计算结果能够进行分析、存储和打印输出。
按照改造技术要求，主要需对制动加载系统和测控系统进行改造。
3、制动加载系统改造方案设计
为了实现对加载系统恒压力和恒力矩控制，必须对原有的手动调压的气——液加载系统进行自动化改造。拟定方案为使用反馈控制的制动压力调节系统，以作用在摩擦片上的制动压力或力矩作为反馈信号，来自动调节制动管路油压，如图2所示。
3.1 制动加载系统方案选择
制动加载系统结构方案有两套，一是在原有气——液增压加载系统上，增加电气控制阀来控制压缩空气压力来调节气液增压缸的输出油压。这种方式在原系统基础上改动较小，但结构较复杂，且空气的可压缩性和压力波动较大，中间经过气液转换，系统线性较差，响应时间延长，不利于自动控制。第二种是纯液压加载系统，舍弃原有制动系统，采用电液控制阀为主控元件，直接以制动液为工作介质，进行制动加载。其优点是结构简单，控制性能较好。经分析比较最终选择第二种方案。
3.2 制动加载系统设计
制动加载系统结构原理图如图3所示，由油箱、CY14-1B斜盘式轴向柱塞泵、QDYB系列电液比例减压阀、两位三通电磁换向阀、逆流阀、单向阀等部件组成，通过改变比例减压阀的输入信号使其输出压力与之成比例地变化，来控制管路压力，调节输出的制动力或制动力矩，模拟液压制动器的制动，准确、便捷。为方便使用和维护，将以上液压元件集成为液压站。
自动加载系统的核心元件是控制阀，常用液压控制阀有电液伺服阀和电液比例阀。虽然比例阀与伺服阀相比，动态特性稍差，但价格较低，在本项目应用中比例阀已完全能够满足要求。根据技术要求，选择北京机床研究所精密机电有限公司的QDYB系列电液比例减压阀。该比例阀内置集成放大器，具有外部传感器反馈接口，将反馈接口连接试验机测力臂上安装的压敏电阻应变片式传感器 MSP600，建立由比例阀与外部传感器组成的闭环反馈系统，使比例减压阀输出压力能够随外部条件变化进行实时调节，保证恒压力或恒力矩加载。
1—比例减压阀；2—单向阀；3—液压表；4—过滤器；5—油箱；6—定量泵；7—逆流阀；8—电磁换向阀；9—节流阀
4、Krauss摩擦试验机测控系统改造
该试验机测控系统硬件部分采用计算机加单片机的系统结构，计算机做上位机，单片机做下位机，软件部分使用的是上世纪九十年代比较流行的FOXBASE及汇编语言编写。因其软硬件都已过时，在原有基础上再开发加入制动加载控制功能难度较大，因此选择对测控系统软硬件进行全面升级改造。
硬件根据试验要求、开发周期以及性价比要求，选择工控机+PLC测控系统方案，如图4所示。上位机研华IPC610工控机搭配着PCL818L数据采集卡主要负责对所有检测信号的采集、存储、加工和显示，以及对试验机检测进程的管理。使用SIMATIC S7-200可编程序控制器作为下位机，对各执行机构进行动作控制和报警处理。
软件部分使用组态王和VB进行编程开发，大大提高了系统开发的效率。
5、Krauss摩擦试验机工作过程
改造完毕后，试验机工作过程如下：启动自动试验程序，电机带动主轴系统旋转。当达到设定的转速后，比例控制加载系统自动启动，摩擦片与制动盘接触并产生摩擦，进入制动试验状态。在恒压力试验模式下，要求制动力恒定，比例阀根据制动力实际测量值大小自动调整其输出压力，使制动力按照试验给定值保持恒定。在恒力矩试验模式下，要求制动力矩恒定，比例阀会根据制动力矩实际测量值大小自动调整其输出压力，使制动力矩保持恒定。试验过程中的各种试验参数，如制动压力、制动力、转速、温度、制动力矩、制动时间、制动减速度等均被测量、计算、存储，并在计算机屏幕上显示。
6、结语
将电液比例控制技术应用于Krauss摩擦试验机上，进行恒压力或恒力矩加载，大大扩展了试验机的试验范围。通过上述方案改造后的试验机，其自动化水平和试验效率明显提高，试验结果准确可靠，操作简便，为企业带来了更大的效益。
参考文献
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[2]QC/T 564-2008,乘用车制动器性能要求及台架试验方法[S].
[3]SAE J212-1998, Brake System Dynamometer Test Procedures-Passenger Car [S]
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[5]许磊,杨寅威,唐小行.摩擦磨损试验机用电液比例加载系统的性能分析设计[J].煤矿机械,2009(10).
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