動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)氣動(dòng)部件可靠性試驗(yàn)臺(tái)

陳 藍(lán)，孫棟棟，張 寶

（中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

可靠性指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力（國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 3187－1994）?？煽啃栽囼?yàn)是為了測定、分析、驗(yàn)證和提高產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的試驗(yàn)，是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性驗(yàn)證、分析和評(píng)價(jià)的一種手段。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出零部件的可靠性指標(biāo)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)中的故障樣品進(jìn)行分析，找出其薄弱環(huán)節(jié)，采取改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品的可靠性［1］。

氣動(dòng)部件在制動(dòng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其工作性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的品質(zhì)，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的部件的使用壽命進(jìn)行評(píng)估在為制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性提供保障方面有重要的意義［2］。目前CRH動(dòng)車組的最高運(yùn)營速度已達(dá)350km／h，制動(dòng)系統(tǒng)各氣動(dòng)部件的安全可靠對(duì)行車安全至關(guān)重要。氣動(dòng)部件大多以耗損性失效為主，其故障與零部件的連接、維修、使用方式密切相關(guān)，它的可靠性建模很困難，因此有必要以試驗(yàn)的方式來評(píng)估產(chǎn)品的可靠性水平［3］。在裝車運(yùn)營之前，對(duì)各種氣動(dòng)部件進(jìn)行充分的可靠性試驗(yàn)，通過持續(xù)大量的執(zhí)行動(dòng)作，發(fā)現(xiàn)各部件可能出現(xiàn)的疲勞失效現(xiàn)象，進(jìn)而以此為依據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)、材料、工藝等進(jìn)行優(yōu)化完善，以確保氣動(dòng)部件工作時(shí)絕對(duì)可靠。氣動(dòng)部件可靠性試驗(yàn)臺(tái)正是為滿足這一要求而開發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)。

1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象可分為4類：電磁閥、氣控閥，減壓閥和防滑排風(fēng)閥。

2 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)臺(tái)可分為電氣部分、氣動(dòng)部分和機(jī)械部分。電氣部分主體為一臺(tái)PLC，直接控制電磁閥和防滑排風(fēng)閥的先導(dǎo)壓力通斷，此外也對(duì)閥島電磁線圈的通斷電進(jìn)行控制。氣動(dòng)部分主體為一臺(tái)閥島，氣控閥先導(dǎo)壓力和減壓閥入口壓力的通斷均由閥島控制，該閥島通過相應(yīng)的端口與PLC連接，受PLC控制；機(jī)械部分采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鋁型材，角鋁工裝、自鎖滾輪和承重地腳用于支撐試驗(yàn)臺(tái)各設(shè)備及閥類產(chǎn)品的安裝。

2.1 電氣部分

電氣控制部分為一臺(tái)PLC，主要完成閥的動(dòng)作輸出計(jì)數(shù)和顯示功能，方案選定為西門子200系列PLC，帶文本顯示器以顯示當(dāng)前的狀態(tài)。每次關(guān)機(jī)之后能自動(dòng)存儲(chǔ)次數(shù)，再次開機(jī)后能繼續(xù)計(jì)數(shù)。系統(tǒng)中將輸出分為8組，每組可控制8個(gè)輸出，其中第8組為6個(gè)輸出，每組輸出配備4只SSR模塊及快恢復(fù)放電管。每個(gè)輸出根據(jù)端子接線表與相對(duì)應(yīng)的電磁閥、防滑排風(fēng)閥或閥島電磁線圈進(jìn)行連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 氣動(dòng)部分

由風(fēng)缸、塞門、調(diào)壓閥、管路、快插接頭和一臺(tái)FESTO閥島組成。

風(fēng)缸為試驗(yàn)臺(tái)保證穩(wěn)定供風(fēng)。塞門可在需要的情況下切斷風(fēng)缸與總風(fēng)或者風(fēng)缸與閥的連接，調(diào)壓閥的作用是保證某些閥的壓力不能過高，快插接頭的作用是能夠快速切斷或?qū)▎蝹€(gè)閥的風(fēng)源，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥的快速拆裝，而不用中斷整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程。

閥島為FESTO VTSA型閥島，共有7個(gè)線圈，每個(gè)線圈控制兩個(gè)供風(fēng)口的通斷，供風(fēng)口通過管路與氣控閥的先導(dǎo)口和減壓閥的進(jìn)風(fēng)口相連接。為了保證進(jìn)風(fēng)壓力充足穩(wěn)定，采取每個(gè)閥島供風(fēng)口對(duì)應(yīng)一個(gè)氣控閥先導(dǎo)口或者一個(gè)減壓閥進(jìn)風(fēng)口的連接方式。

氣控閥試驗(yàn)原理圖見圖2，閥島電磁線圈控制一個(gè)供風(fēng)口并向一個(gè)氣控閥先導(dǎo)口供風(fēng)。減壓閥試驗(yàn)原理圖見圖3，閥島電磁線圈控制一個(gè)供風(fēng)口并向一個(gè)減壓閥進(jìn)風(fēng)口供風(fēng)。電磁閥試驗(yàn)原理圖見圖4，電磁閥由總風(fēng)向進(jìn)風(fēng)口直接供風(fēng)，控制內(nèi)先導(dǎo)風(fēng)通斷的電磁線圈由PLC控制。防滑排風(fēng)閥試驗(yàn)原理圖見圖5，先由調(diào)壓閥將總風(fēng)壓強(qiáng)降至500kPa后再進(jìn)入進(jìn)風(fēng)口，控制內(nèi)先導(dǎo)風(fēng)通斷的電磁線圈由PLC控制。

圖2 氣控閥試驗(yàn)原理圖

2.3 機(jī)械部分

試驗(yàn)臺(tái)的主體框架由標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鋁型材搭建，底部安裝4個(gè)自鎖滾輪和2個(gè)支撐地腳，用于支撐試驗(yàn)臺(tái)的全部質(zhì)量。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)需要移動(dòng)時(shí)，將地腳升起，推動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)可以自由移動(dòng)。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)需要固定時(shí)，將滾輪鎖死，并將地腳落下用于支撐試驗(yàn)臺(tái)的主要質(zhì)量。

圖3 減壓閥試驗(yàn)原理圖

圖4 電磁閥試驗(yàn)原理圖

圖5 防滑排風(fēng)閥試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)臺(tái)上端固定閥類產(chǎn)品部分共分6層，分為左右兩大部分，左邊位置主要用來安裝電磁閥，其電磁頭的管線被埋藏在鋁型材的暗槽中與PLC相連。右邊位置主要用來安裝氣控閥，減壓閥和防滑排風(fēng)閥，相應(yīng)的氣路管線與裝在背板上的快插接頭相連。

在閥的安裝方式上，自身有安裝孔的閥通過T形螺母和內(nèi)六角螺釘直接固定在鋁型材橫梁上，無安裝孔的閥通過角鋁、螺釘頂絲等工裝將其固定在橫梁上，圖6為試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物。

3 試驗(yàn)方法

每只閥在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)之前都會(huì)進(jìn)行性能測試并記錄初始參數(shù)。列裝試驗(yàn)臺(tái)后，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范設(shè)定的動(dòng)作頻率進(jìn)行試驗(yàn)，每只閥要求的動(dòng)作次數(shù)從100萬次到5 000萬次不等。人工定時(shí)檢查閥的動(dòng)作情況，閥在動(dòng)作達(dá)到規(guī)定檢測次數(shù)時(shí)，會(huì)暫停進(jìn)行性能測試，測量得到的新參數(shù)與初始參數(shù)進(jìn)行比較來檢驗(yàn)閥性能的變化。試驗(yàn)過程中如發(fā)現(xiàn)故障（如閥開閉功能失靈、漏泄超過規(guī)定值等現(xiàn)象），立刻取下閥進(jìn)行拆解，查找，分析原因并拍照記錄，必要時(shí)修改閥的設(shè)計(jì)、工藝及加工方法，最終優(yōu)化閥的性能參數(shù)，保證氣動(dòng)部件的可靠穩(wěn)定［4］。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

4 故障簡要分析

圖7、圖8是兩個(gè)故障案例。可靠性試驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)已經(jīng)超過200萬次，期間個(gè)別氣動(dòng)部件出現(xiàn)了失效現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在先導(dǎo)腔呼吸口漏風(fēng)，電磁頭排風(fēng)口漏風(fēng)，閥體各口通斷失效等方面，而引起的原因主要是閥體內(nèi)部各部件之間的偏磨和彈簧疲勞導(dǎo)致彈性不足。這些故障現(xiàn)象在出廠測試中是很難發(fā)現(xiàn)的。這些寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于優(yōu)化氣動(dòng)部件設(shè)計(jì)，保證制動(dòng)系統(tǒng)安全可靠具有非常重要的意義。

圖7 閥門硫化組件表面的偏磨

圖8 動(dòng)作50萬次時(shí)發(fā)生斷裂的回位彈簧

5 結(jié)束語

介紹了自主研制的氣動(dòng)部件可靠性試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，根據(jù)規(guī)范文件，運(yùn)用不同方法，對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的氣動(dòng)部件進(jìn)行了大規(guī)模可靠性試驗(yàn)。對(duì)不同閥類產(chǎn)品進(jìn)行了有針對(duì)性的測試，記錄了大量數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象，通過分析試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的失效現(xiàn)象，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)后的部件在性能和壽命上都明顯提高。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)為完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為制動(dòng)系統(tǒng)可靠性研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］董錫明.軌道列車可靠性，可用性，維修性和安全性（RAMS）［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］劉棣斐，唐志勇，裴忠才，等.氣動(dòng)電磁換向閥恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)［J］.機(jī)床與液壓，2010，（13）：26－29.

［3］王孝延，吳萌嶺.城市軌道交通單元制動(dòng)器可靠性研究［J］.城市軌道交通研究，2010，（11）：52－53.

［4］楊偉君.疲勞試驗(yàn)規(guī)范 TKD600－00－00－00PF［R］.中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，2010.