踏面制動(dòng)單元測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

俎文凱，張慶，茍清炳

(1. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094； 2. 常州南車鐵馬科技實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 常州 213125)

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踏面制動(dòng)單元測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

俎文凱1，張慶1，茍清炳2

(1. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094； 2. 常州南車鐵馬科技實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 常州 213125)

摘要：踏面制動(dòng)單元是空氣制動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直接影響車輛的行車安全。因此需要對其進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、泄露試驗(yàn)、調(diào)整量試驗(yàn)、制動(dòng)力試驗(yàn)等多項(xiàng)性能測試，由于試驗(yàn)種類繁多，過程復(fù)雜，為了降低操作人員工作強(qiáng)度，提高試驗(yàn)效率，重要的是增加試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)此測試系統(tǒng)以提高試驗(yàn)的自動(dòng)化程度。闡述了此測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、功能以及氣動(dòng)控制、電氣控制和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：列車；踏面制動(dòng)單元；試驗(yàn)臺；氣動(dòng)；數(shù)據(jù)采集

0引言

踏面制動(dòng)又稱閘瓦制動(dòng)，是空氣制動(dòng)的一種，以壓縮空氣為動(dòng)力，制動(dòng)缸活塞推力，經(jīng)制動(dòng)杠桿將閘瓦壓緊車輪踏面，通過閘瓦與車輪踏面的機(jī)械摩擦，把列車動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟⒂诖髿庵?，并產(chǎn)生制動(dòng)力。踏面制動(dòng)單元直接影響車輛的運(yùn)行安全，因此踏面制動(dòng)單元在裝車前都要經(jīng)過嚴(yán)格的調(diào)整量、氣密性以及制動(dòng)力的測試，并且需要定期對制動(dòng)單元進(jìn)行各項(xiàng)性能的檢測，測試與檢測過程試驗(yàn)種類繁多，試驗(yàn)過程繁瑣。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確，并提高試驗(yàn)的可操作性，提高測試及檢測效率，從而設(shè)計(jì)此測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺。此試驗(yàn)臺可實(shí)現(xiàn)不同型號踏面制動(dòng)單元的綜合性能測試，其擁有對制動(dòng)缸和彈簧缸(停放缸)的兩路測試，因此對帶有彈簧缸的踏面制動(dòng)單元，亦可輕松完成其綜合性能測試。

1功能

1.1踏面制動(dòng)單元強(qiáng)度試驗(yàn)

將踏面制動(dòng)單元安裝在試驗(yàn)臺上，閘瓦間隙為10mm，將制動(dòng)單元充風(fēng)到0.8MPa，在制動(dòng)位保壓10s后排風(fēng)緩解，記錄在試驗(yàn)過程中踏面制動(dòng)單元緩解是否正常，有無異?，F(xiàn)象發(fā)生。

1.2帶停放踏面制動(dòng)單元強(qiáng)度試驗(yàn)

閘瓦間隙為10mm，將制動(dòng)單元充風(fēng)至0.8MPa±10kPa，然后將彈簧制動(dòng)器充風(fēng)至1.2MPa，在制動(dòng)位保壓20s后先使制動(dòng)單元排風(fēng)緩解，然后使彈簧制動(dòng)器排風(fēng)，制動(dòng)單元處于停放制動(dòng)狀態(tài)。記錄在此過程中踏面制動(dòng)單元的緩解狀態(tài)，有無異?，F(xiàn)象發(fā)生。

1.3常用制動(dòng)泄漏試驗(yàn)

將制動(dòng)單元分次充風(fēng)至0.08MPa，0.6MPa后切斷氣源，保壓5min，分別記錄制動(dòng)單元壓力降。

1.4彈簧制動(dòng)器泄漏試驗(yàn)

將彈簧制動(dòng)器分次充風(fēng)至0.08MPa，0.45MPa后切斷氣源，保壓5min，分別記錄彈簧制動(dòng)器壓力降。

1.5手動(dòng)緩解試驗(yàn)

閘瓦間隙為10mm，向彈簧制動(dòng)器內(nèi)充入壓力空氣0.48MPa，然后排風(fēng)，待停放彈簧產(chǎn)生制動(dòng)后，用力拉手動(dòng)緩解手柄，記錄由制動(dòng)到緩解過程。

1.6一次間隙調(diào)整量試驗(yàn)

一次間隙調(diào)整量測試應(yīng)在閘瓦托退出30mm~80mm范圍內(nèi)進(jìn)行，在緩解狀態(tài)下把閘瓦托調(diào)至最短位置，選取測量參考點(diǎn)Y，此時(shí)測量閘瓦托與參考點(diǎn)Y的距離L1；向制動(dòng)單元充風(fēng)，待閘瓦托完全伸出后，測量閘瓦托與參考點(diǎn)Y的距離L3；在排風(fēng)，閘瓦托順利退回后，此時(shí)測量閘瓦托與參考點(diǎn)Y的距離L2。每充、排風(fēng)一次即可得到一個(gè)L2與L1的差值，即為一次間隙調(diào)整量，L3與L1的差值即為一次制動(dòng)閘瓦最大行程。

在0.45MPa壓縮空氣的條件下，進(jìn)行一次間隙調(diào)整量試驗(yàn)。

1.7緩解間隙X試驗(yàn)

緩解間隙X測試應(yīng)在閘瓦托退出30mm~80mm范圍內(nèi)進(jìn)行，按試驗(yàn)2.6測得的L3與L2的差值即為緩解間隙X。

在0.45MPa壓縮空氣的條件下，進(jìn)行緩解間隙試驗(yàn)。

1.8總調(diào)整量試驗(yàn)

在常用制動(dòng)緩解條件下，將閘瓦托跳到最短位置，選取測量參考點(diǎn)Y，測量閘瓦托與參考點(diǎn)Y的距離L1，使制動(dòng)單元反復(fù)充、排氣，當(dāng)閘瓦托推出量不再增加時(shí)，在緩解狀態(tài)下測量閘瓦托的距離L4，L4與L1的差值即為總調(diào)整量。

在0.45MPa壓縮空氣的條件下，進(jìn)行總調(diào)整量試驗(yàn)。

1.9彈簧制動(dòng)器行程試驗(yàn)(制動(dòng)單元處于無風(fēng)壓狀態(tài))

調(diào)整調(diào)節(jié)螺母使閘瓦托到初始行程位，將彈簧制動(dòng)器充風(fēng)至0.6MPa，然后排風(fēng)，進(jìn)行制動(dòng)、緩解，記錄各零部件的移動(dòng)是否平穩(wěn)，有無卡滯，一次停放制動(dòng)的閘瓦托行程值。

1.10常用制動(dòng)閘瓦壓力測試(彈簧制動(dòng)器處于緩解位)

調(diào)整閘瓦間隙為10±1mm，制動(dòng)單元內(nèi)風(fēng)壓分次充至0.3MPa，0.4MPa，0.5MPa，觀測壓力測試結(jié)果，緩解。記錄測試結(jié)果。

1.11停放制動(dòng)壓力測試(制動(dòng)單元處于無風(fēng)壓狀態(tài))

調(diào)整閘瓦間隙為10±1mm，向彈簧制動(dòng)器內(nèi)充風(fēng)至0.48MPa，然后把風(fēng)排空，觀測壓力測試結(jié)果。記錄停放制動(dòng)壓力的測試結(jié)果。

2試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此踏面制動(dòng)單元測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺由測試主機(jī)和操作控制臺兩部分組成，測試主機(jī)是試驗(yàn)臺的執(zhí)行部分，通過操作控制臺可控制測試主機(jī)對踏面制動(dòng)單元進(jìn)行各項(xiàng)性能測試。

試驗(yàn)臺主機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

主機(jī)分為兩個(gè)部分：床身10以及電器柜11，床身尺寸：2250×830×670，床身兩邊分別焊接4個(gè)筋板，可承受踏面制動(dòng)單元10t的制動(dòng)推力，其用于安放各種機(jī)械裝置，依靠螺栓固定在電器柜之上，電器柜尺寸：2100×700×600，電磁閥、比例閥、換向閥等氣路裝置和壓力傳感器、多功能數(shù)據(jù)采集卡等數(shù)據(jù)采集裝置以及繼電器板等電控裝置均安裝固定在電器柜之中，氣動(dòng)元件與電控裝置分裝在電器柜兩邊。

1—防護(hù)網(wǎng)罩；2—安裝板；3—踏面制動(dòng)單元；4-假輪；5—直線軸承；6—位移傳感器；7-壓力傳感器；8—電磁制動(dòng)電機(jī)；9—齒輪箱；10—床身；11-電氣柜圖1　試驗(yàn)臺主機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

床身上主要有以下幾個(gè)部件：防護(hù)網(wǎng)罩1可以保護(hù)操作人員不受意外傷害；踏面制動(dòng)單元3用螺栓固定在安裝板2上，通過絲杠帶動(dòng)安裝板的移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)踏面制動(dòng)單元的橫向位移調(diào)節(jié)；假輪4用以模擬車輪，試驗(yàn)時(shí)用卡舌固定在閘瓦托上跟隨閘瓦托一起運(yùn)動(dòng)；位移傳感器6實(shí)時(shí)測量閘瓦位移，其與另一個(gè)位移傳感器共同測算踏面制動(dòng)單元的緩解間隙以及調(diào)整量；壓力傳感器7固定在齒輪箱9的輸出軸上，其作用為測量踏面制動(dòng)單元的制動(dòng)力；電磁制動(dòng)電機(jī)8為驅(qū)動(dòng)裝置，其與齒輪箱共同完成踏面制動(dòng)單元閘瓦間隙的調(diào)節(jié)。通過鼠標(biāo)操作試驗(yàn)面板分別對制動(dòng)單元的制動(dòng)缸和彈簧缸進(jìn)行充風(fēng)排風(fēng)可實(shí)現(xiàn)對不同型號踏面制動(dòng)單元的性能測試。

3氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺的氣動(dòng)控制系統(tǒng)主要由氣源、過濾器、比例閥、球閥、電磁閥、換向閥、壓力傳感器等組成，通過工控機(jī)控制多功能數(shù)據(jù)采集卡輸出A/D信號控制電磁閥的動(dòng)作來改變氣路，從而實(shí)現(xiàn)對踏面制動(dòng)單元的充風(fēng)、排風(fēng)。氣路控制系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2　氣路簡圖

氣路控制系統(tǒng)共有4條氣路：2路控制彈簧缸動(dòng)作、1路控制制動(dòng)缸動(dòng)作、1路控制防護(hù)罩動(dòng)作。由于彈簧缸需要測試充風(fēng)至1.2MPa下的強(qiáng)度，而比例閥所調(diào)控范圍為0.1~0.9MPa，因此將控制彈簧缸的氣路分為兩路，一路由減壓閥設(shè)定為固定氣壓值：1.2MPa，一路經(jīng)由比例閥調(diào)控，調(diào)控范圍：0.1~0.9MPa。需要測試高壓下強(qiáng)度時(shí)將氣路切換至1.2MPa。其他試驗(yàn)將經(jīng)比例閥調(diào)至設(shè)置氣壓，氣路的選擇及氣壓的調(diào)節(jié)均由系統(tǒng)根據(jù)所選擇試驗(yàn)自動(dòng)輸出A/D信號，控制電磁閥的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)球閥的轉(zhuǎn)向，最終實(shí)現(xiàn)對氣路的選擇。氣壓的調(diào)節(jié)是一個(gè)反饋調(diào)節(jié)的過程。防護(hù)罩的開閉由左右兩個(gè)氣缸共同推動(dòng)。

4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺采用NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221來對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對試驗(yàn)臺的控制。其包括2路模擬輸出，16路模擬輸入，24路數(shù)字I/O線，可實(shí)現(xiàn)對2個(gè)比例閥的控制，對4個(gè)氣壓傳感器、2個(gè)拉壓力傳感器、2個(gè)位移傳感器的數(shù)據(jù)采集，以及對電磁閥、繼電器板等進(jìn)行開關(guān)量控制。電氣控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)簡圖

通過多功能數(shù)據(jù)采集卡的AO口輸出0~10V直流電壓控制比例閥調(diào)節(jié)氣壓范圍0.1~0.9MPa；數(shù)據(jù)采集卡DO口輸出電壓為0V/5V，而電磁閥動(dòng)作電壓為24V，因此電磁閥的控制需要增加繼電器板來進(jìn)行中繼，通過數(shù)據(jù)采集卡的DO口控制繼電器板的開閉來實(shí)現(xiàn)電磁閥的動(dòng)作。同時(shí)，電磁制動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)也通過繼電器板來控制繼電器實(shí)現(xiàn)(繼電器通220V交流電)。數(shù)據(jù)的采集由數(shù)據(jù)采集卡的AI口實(shí)現(xiàn)，采集到的數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)進(jìn)行處理后在顯示窗口顯示。

5試驗(yàn)測試控制軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)測試控制軟件采用labview8.6編寫，其優(yōu)點(diǎn)是可利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件。在操作時(shí)，用戶只需通過鼠標(biāo)或鍵盤來操作軟面板，就可實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)儀器的通信和操作。具有可視化強(qiáng)，編程簡單，操作靈活方便的優(yōu)點(diǎn)。

測試控制軟件的操作流程如圖4所示。

圖4　操作流程圖

試驗(yàn)時(shí)先打開試驗(yàn)軟件，選擇試驗(yàn)類型，進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行試驗(yàn)，制動(dòng)缸試驗(yàn)和彈簧缸試驗(yàn)分開操作，方便快捷。在試驗(yàn)界面右部以試驗(yàn)報(bào)告形式顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一目了然。試驗(yàn)數(shù)據(jù)以踏面制動(dòng)單元編號為名稱保存，方便查詢。軟件界面如圖5所示。

圖5　軟件界面

制動(dòng)缸操作面板進(jìn)行制動(dòng)缸試驗(yàn)，有彈簧缸的制動(dòng)單元做彈簧缸試驗(yàn)時(shí)使用彈簧缸操作面板，計(jì)時(shí)區(qū)域在需要保壓時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)操作，位移控制面板進(jìn)行閘瓦間隙調(diào)整，手動(dòng)緩解采集面板進(jìn)行手動(dòng)緩解試驗(yàn)。

6結(jié)語

踏面制動(dòng)單元測試系統(tǒng)試驗(yàn)臺是集氣動(dòng)控制與電氣控制于一體的試驗(yàn)設(shè)備，只需要將被試踏面制動(dòng)單元按試驗(yàn)要求安裝好后，操作人員即可操縱鍵盤和鼠標(biāo)，通過微

機(jī)試驗(yàn)程序在短時(shí)間內(nèi)完成踏面制動(dòng)單元的各項(xiàng)性能檢測試驗(yàn)。試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，裝卸方便，試驗(yàn)軟件操作簡單，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，極大地減輕了現(xiàn)場工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。高精度的壓力傳感器、 位移傳感器、比例調(diào)壓閥及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保證了試驗(yàn)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確、 穩(wěn)定、可靠，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理大大提高了踏面制動(dòng)單元出廠驗(yàn)收及檢修作業(yè)的管理水平，是踏面制動(dòng)單元生產(chǎn)廠家和車輛段檢修踏面制動(dòng)單元必不可少的設(shè)備之一。

參考文獻(xiàn):

[1] 曾旗. 踏面制動(dòng)單元試驗(yàn)臺簡介[J]. 鐵道車輛，2009，47(8)：32-34.

[2] 傅佩喜. 客車單元制動(dòng)缸檢測系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2008,28(3)：67-70.

[3] 李劍. 單元制動(dòng)缸試驗(yàn)臺的研制[J]. 鐵道車輛，2009，47(3)：35-37.

[4] 顧衛(wèi)東. 單元制動(dòng)器微機(jī)試驗(yàn)臺的研制[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2005，28(3)：43-45.

[5] 劉存生. 智能型機(jī)車制動(dòng)缸試驗(yàn)臺的研制[J]. 電電力機(jī)車與城軌車輛，2009，32(1)：37-40.

[6] 王瑞田. 電力機(jī)車單元制動(dòng)器試驗(yàn)臺改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械管理開發(fā)，2009,24(6)：9-10.

[7] SMC(中國)有限公司. 現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[8] 林靜. LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[9] 鄭對元. 精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[10] 董江宏. 踏面制動(dòng)單元彈簧停車制動(dòng)器作用原理簡介[J]. 鐵道車輛，2006,44(4)：20-21.

Design of Block Brake Units Test-bed

ZU Wen-kai1, ZHANG Qing1, GOU Qing-bing2

(1. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China;

2. CSR Changzhou Tech-mark Industrial CO.,LTD., Changzhou 213125,China )

Abstract:Block brake units is the executive mechanism of the air brake system, it directly affects the safety of the locomotive. So it needs the strength test, the leakage test, the adjusting amount test, the forcing test and so on. Because of the various tests and the complex processes, in order to reduce the work intensity of operators and improve the test efficiency, it is most important to improve the reliability and accuracy of the test data, so this testing system is designed to improve the degree of automation test. This paper describes the structure and function of the testing system and the designs of pneumatic control, electrical control and software system.

Keywords:locomotive; block brake units; test-bed; pneumatic; data acquisition

收稿日期：2015-01-06

中圖分類號：U270.35；U270.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0184-03

作者簡介：俎文凱(1987-)，男，河南許昌人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化。