李增松，鄧景泉，王波，王志樂

(滁州學院 機械與汽車工程學院，安徽 滁州 239000)

0 引言

摩擦溫升是影響閘瓦、剎車片等摩擦襯片性能的重要因素，故溫升試驗是閘瓦、剎車片等摩擦襯片產(chǎn)品的必要性能檢測試驗之一.摩擦襯片產(chǎn)品在出廠上市前，往往需經(jīng)過嚴格的溫升檢測試驗，以確保其在高溫條件下的摩擦性能.然而，現(xiàn)有的X-DM等型號定速摩擦試驗機因存在中間停機環(huán)節(jié)，無法連續(xù)開展不同摩擦轉(zhuǎn)速下的溫升試驗.例如，文獻[1]曾指出在開展摩擦溫升試驗時，因停機耗時使得溫升曲線出現(xiàn)了明顯的下降趨勢；黃健萌、林謝昭等人[2-3]在開展盤式制動器連續(xù)摩擦試驗時，其摩擦系數(shù)、摩擦溫升也因試驗停機間隔存在較大的波動；Yin[4]則在研究盤式制動器的摩擦溫升特征時指出，在連續(xù)制動摩擦過程中，由于停機階段的存在使得溫升出現(xiàn)一定幅度的下降；胡昌斌[5]在對貨車鼓式制動器摩擦襯片的溫升規(guī)律進行研究時，也有類似現(xiàn)象出現(xiàn)，等等.

為此，本文以PLC為控制單元，以在摩擦試驗機上實現(xiàn)溫升試驗的連續(xù)開展為目標，深入研究定速摩擦試驗機控制系統(tǒng)的設(shè)計與改造，以期使現(xiàn)有定速摩擦試驗機可實現(xiàn)連續(xù)開展溫升試驗.

1 摩擦溫升試驗的工況分析

結(jié)合實際工程背景可知，摩擦溫升試驗可分別用來模擬車輛行車減速制動過程、車輛緊急制動過程中的溫升現(xiàn)象.其中，緊急制動過程指車輛突遇緊急情況，借助于剎車片和制動盤之間的摩擦作用使車輛由高速狀態(tài)迅速降為零轉(zhuǎn)速，即實現(xiàn)停車制動；而車輛行車減速制動過程則指因路況、車況發(fā)生變化，需借助于剎車片和制動盤之間的持續(xù)摩擦，將車輛由高速狀態(tài)轉(zhuǎn)為低速狀態(tài)行駛的過程.由于較高的摩擦溫升會使剎車片表面發(fā)生復雜的物理化學變化，故行車減速制動過程中的持續(xù)摩擦過程會不僅會使摩擦溫升持續(xù)升高，還會使得剎車片的制動摩擦性能衰退，對后續(xù)行車過程造成潛在的故障危險，甚至引發(fā)制動事故.故本文著重研究摩擦溫升的為車輛行車減速制動過程中的溫升現(xiàn)象，一般借助于如圖1所示的定速摩擦試驗機開展摩擦溫升試驗.

圖1 X-DM型塊-盤式摩擦試驗機

此類試驗機的摩擦配副為摩擦盤和閘瓦(剎車片)，電動機驅(qū)動摩擦盤旋轉(zhuǎn)，閘瓦試樣則通過氣缸被壓在摩擦盤表面，進而通過兩者間的摩擦作用研究閘瓦試驗的溫升特性及熱衰退特性.然而，此類試驗機僅可設(shè)定一次摩擦試驗的轉(zhuǎn)速與摩擦總?cè)?shù)，當開展不同轉(zhuǎn)速下的溫升試驗時，需待前次溫升試驗結(jié)束停機后，才可進行下一次轉(zhuǎn)速的設(shè)定，從而造成不同轉(zhuǎn)速下的摩擦溫升試驗間存在非摩擦過程間隔，使得各次試驗不具有一致性.

另外，摩擦溫升試驗工況的設(shè)定在考慮不同轉(zhuǎn)速以模擬不同行車速度的同時，還應(yīng)考慮各轉(zhuǎn)速持續(xù)的時間以模擬制動摩擦時長，從而充分表征摩擦溫升現(xiàn)象.故根據(jù)行業(yè)標準《轎車制動器臺架試驗方法 QC/T 564-2008》中效能試驗的相關(guān)要求，本文初步選取60km/h (1060r/min)、80km/h (1415r/min)、100km/h (1770r/min)三種速度作為恒速摩擦速度；至于每個速度所對應(yīng)的摩擦時長，為與原有恒速摩擦類試驗機保持一致，本文采用各速度下對應(yīng)的摩擦總行程(即摩擦總?cè)?shù))近似代替摩擦時長，并初步將上述四種摩擦速度對應(yīng)的摩擦總?cè)?shù)分別設(shè)定為4500、5000、4500轉(zhuǎn).對應(yīng)地，本文初步擬定的不同轉(zhuǎn)速下的摩擦溫升試驗流程如圖2所示.

圖2 不同轉(zhuǎn)速下的摩擦溫升試驗流程圖

2 定速摩擦試驗機的升級改造

現(xiàn)有定速摩擦試驗機多采用普通三相異步電動機進行驅(qū)動，利用設(shè)置在主軸附近的接近開關(guān)進行旋轉(zhuǎn)圈數(shù)檢測.然而，由于普通的三相異步電動機斷電停機后仍有數(shù)圈的空轉(zhuǎn)，使得實際的總?cè)?shù)與設(shè)定的摩擦總?cè)?shù)存在偏差，故本文改用調(diào)控性能更好的步進電動機來驅(qū)動摩擦試驗機.對應(yīng)地，本文選用西門子S7-200型PLC對步進電動機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、啟動/停機的控制[6-8]，其PLC主機輸入/輸出端口分配如圖3所示.

圖3 PLC的輸入輸出端口配置電路圖

2.1 典型摩擦溫升試驗的程控化設(shè)計改造

如前所述，根據(jù)行業(yè)標準中的相關(guān)規(guī)定，本文建立了圖2所示的摩擦溫升試驗流程.為表述簡潔，本文將其定義為典型摩擦溫升試驗.進一步地，按照上述流程圖開展摩擦溫升試驗，當由一種轉(zhuǎn)速切換到另一種轉(zhuǎn)速時應(yīng)保持閘瓦(摩擦片)表面與摩擦盤表面處于貼合狀態(tài)，即通過步進電動機的PLC程序化控制，實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速間的無縫銜接.

由文獻[9]可知，步進電動機的角位移與電脈沖數(shù)成正比，步進電動機的轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，故對摩擦轉(zhuǎn)速、摩擦圈數(shù)的控制實際轉(zhuǎn)化為對脈沖頻率、脈沖數(shù)量的調(diào)節(jié)與控制.典型摩擦溫升試驗中的摩擦圈數(shù)分別為4500轉(zhuǎn)、5000轉(zhuǎn)、4500轉(zhuǎn)，且考慮到步進電機的步距角為30°，對應(yīng)地，其脈沖數(shù)應(yīng)分別為54000、60000、54000.另外，步進電動機的工作的工作過程一般包含“加速→恒速(高速)→減速”三個階段，其控制脈沖也應(yīng)以三段式定義脈沖包絡(luò)表.以轉(zhuǎn)速80km/h (1415r/min)為例，其控制脈沖特征如圖4所示.

圖4 步進電動機控制脈沖特征示意圖

西門子PLC主要通過PLS函數(shù)盒生成控制脈沖[10-11]，并借助于三段式包絡(luò)表設(shè)定脈沖數(shù)量及脈沖頻率.結(jié)合典型摩擦溫升試驗中的工況參數(shù)(摩擦速度、摩擦圈數(shù))，本文設(shè)計了如圖5所示的程控框圖.

圖5 典型摩擦溫升試驗的PLC控制流程圖

典型地，當80km/h (1415r/min)、5000轉(zhuǎn)所對應(yīng)的程序執(zhí)行完畢后，PLC程序?qū)⒆孕醒b填100km/h (1770r/min)所對應(yīng)的包絡(luò)表參數(shù)(脈沖個數(shù)、脈沖頻率)，從而實現(xiàn)非停機狀態(tài)下步進電動機的轉(zhuǎn)速切換.其部分步進電動機控制程序如圖6所示.

圖6 典型溫升試驗中的步進電動機控制程序框圖

2.2 非典型摩擦溫升試驗的程控化設(shè)計改造

除典型摩擦溫升試驗外，在剎車片、閘瓦等摩擦襯片的研制過程中，往往需根據(jù)配方的不同而設(shè)定不同的摩擦溫升試驗參數(shù)(摩擦轉(zhuǎn)速、摩擦總?cè)?shù)).因此，為進一步增強程控化改造的適用性，本文借助于TD200的過程參數(shù)顯示和修改、輸入輸出存儲器讀寫的功能，將原本需在程序中內(nèi)置的試驗參數(shù)轉(zhuǎn)為用TD200進行預先輸入控制.即試驗前，各摩擦轉(zhuǎn)速及其摩擦圈數(shù)所對應(yīng)的三段式脈絡(luò)表通過TD200進行設(shè)定，以實現(xiàn)摩擦溫升試驗參數(shù)的自由化設(shè)定，控制框圖如圖7所示.其具體PLC程序在典型溫升試驗控制程序的基礎(chǔ)上，增加與TD200對應(yīng)的轉(zhuǎn)存寄存器即可.

圖7 非典型摩擦溫升試驗的PLC控制流程圖

2.3 設(shè)計檢驗

借助于如圖8所示的THSMS-A型綜合試驗系統(tǒng)，本文對上述的摩擦溫升試驗程控程序進行了檢驗.結(jié)果表明，本文所設(shè)計的摩擦溫升試驗控制程序可以實現(xiàn)對步進電動機轉(zhuǎn)速、摩擦圈數(shù)的準確控制，滿足試驗要求.

圖8 基于THSMS-A型綜合試驗臺的設(shè)計檢驗示意圖

3 小結(jié)

通過對模擬車輛行車減速制動過程、車輛緊急制動過程的摩擦溫升試驗工況進行分析，指出了現(xiàn)有X-DM型摩擦試驗機在開展摩擦溫升試驗時，存在停機設(shè)定試驗工況參數(shù)的缺陷，進而擬定了不同轉(zhuǎn)速下測試摩擦溫升的試驗方案，并制定了典型試驗流程.以PLC為控制單元，分別進行了典型、非典型摩擦溫升試驗的程控設(shè)計改造，并通過試驗臺對其進行了驗證.結(jié)果表明，本文所設(shè)計的摩擦溫升試驗控制程序可以實現(xiàn)對步進電動機轉(zhuǎn)速、摩擦圈數(shù)的準確控制，滿足試驗測控要求，為開展連續(xù)溫升試驗提供了一種技術(shù)參考.