鐵路貨車微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺的研制

袁立福　李元玲　　趙金輝（北京鐵路局天津車輛段，天津　300012）

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鐵路貨車微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺的研制

袁立福李元玲趙金輝
（北京鐵路局天津車輛段，天津300012）

摘要：貨車制動缸試驗(yàn)是保證車輛安全運(yùn)行的重要手段。制動系統(tǒng)的機(jī)械控制核心——制動缸，其性能直接關(guān)系到制動試驗(yàn)臺的制動效果，進(jìn)而影響到機(jī)車的安全性能。目前，對制動缸的性能試驗(yàn)，大部分檢修單位仍沿用肉眼觀讀手工檢測記錄方式，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及真實(shí)性與實(shí)際結(jié)果有一定的差異。為了提高制動缸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及真實(shí)性，提高性能試驗(yàn)的自動化程度，減輕工人的勞動強(qiáng)度，研制了微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺，通過微機(jī)對制動缸進(jìn)行性能檢測，提高檢測精度和檢修效率。

關(guān)鍵詞：貨車；微機(jī)控制；制動缸；實(shí)驗(yàn)臺

隨著貨物貨車提速與重載的全面實(shí)施，貨車制動故障越來越引起鐵路運(yùn)營部門的關(guān)注。制動系統(tǒng)的機(jī)械控制核心——制動缸，其性能直接關(guān)系到制動試驗(yàn)臺的制動效果，進(jìn)而影響到機(jī)車的安全性能。制動缸性能的好壞將直接危及車輛的運(yùn)行安全，必須經(jīng)過嚴(yán)格試驗(yàn)檢測，合格后方可裝車使用。因此貨車制動缸試驗(yàn)是保證車輛安全運(yùn)行的重要手段。

目前，對制動缸的性能試驗(yàn)，大部分檢修單位仍沿用肉眼觀讀手工檢測記錄方式，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及真實(shí)性與實(shí)際結(jié)果有一定的差異。為了提高制動缸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及真實(shí)性，提高性能試驗(yàn)的自動化程度，減輕工人的勞動強(qiáng)度，研制了微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺，通過微機(jī)對制動缸進(jìn)行性能檢測，提高檢測精度和檢修效率。

圖1

1. 目前國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)進(jìn)行廠修貨車制動缸試驗(yàn)的主要方式為手動制動缸試驗(yàn)，由手動操作操作閥，通過觀察機(jī)械表指針來進(jìn)行人為控制，控制精度差，不能存儲數(shù)據(jù)，并且試驗(yàn)效率低下，試驗(yàn)過程缺乏科學(xué)性，對制動缸的性能試驗(yàn)容易造成人為的判斷錯誤。

2. 試驗(yàn)臺技術(shù)方案

2.1設(shè)計(jì)原則

（1）滿足國內(nèi)所有型號的貨車制動缸試驗(yàn)。

（2）依據(jù)《制規(guī)》要求試驗(yàn)。

（3）滿足微機(jī)自動試驗(yàn)，滿足脫離微機(jī)控制時(shí)手動試驗(yàn)。

（4）所有部件調(diào)整如制動缸高度均滿足電控操作。

2.2試驗(yàn)臺組成

試驗(yàn)臺包括：試驗(yàn)臺、球閥、油水分離器、氣缸、比例閥、電磁閥、壓力傳感器、電控升降器、工控機(jī)、西門子PLC控制器等。

試驗(yàn)臺外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3工作原理

（1）系統(tǒng)硬件組成

微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺根據(jù)廠修貨車制動缸試驗(yàn)要求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，由試驗(yàn)臺、球閥、油水分離器、氣缸、比例閥、電磁閥、壓力傳感器、電控升降器、工控機(jī)、西門子PLC控制器等設(shè)備組成。完成80kPa、600kPa的充風(fēng)、保壓、排風(fēng)、400kPa的80mm、120mm、160mm、200mm充風(fēng)、保壓、排風(fēng)等試驗(yàn)項(xiàng)目。具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的保存、查詢和打印功能。

其氣路圖如圖2所示。

圖2微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺氣路圖

試驗(yàn)臺對比例閥充風(fēng)量進(jìn)行控制，控制保壓閥的保壓，排風(fēng)時(shí)下發(fā)比例閥的排風(fēng)命令，同時(shí)關(guān)閉保壓閥，打開排風(fēng)閥以加快排風(fēng)速度。充風(fēng)時(shí)試驗(yàn)臺實(shí)時(shí)讀取壓力傳感器的測量值，采用逐次逼近法控制比例閥的充風(fēng)量，達(dá)到最優(yōu)的控制速度和控制效果。

比例閥：風(fēng)路部分有3個(gè)接口，進(jìn)風(fēng)口通過油水分離器連接到風(fēng)源；出風(fēng)口與保壓電磁接口；排氣口直接接大氣。比例閥采集PLC輸出的0～10V的電壓信號，通過PID控制理論實(shí)現(xiàn)了對壓力的實(shí)時(shí)、無級、自動調(diào)節(jié)，輸出風(fēng)壓通過壓力傳感器反饋給控制信號，輸出壓力控制精度高，輸出風(fēng)壓誤差＜0.5%FS（精度和滿量程的百分比）。

氣缸：4個(gè)氣缸用于分別對四個(gè)擋板控制，接收自PLC控制器的打開關(guān)閉命令，進(jìn)氣口通過油水分離器接至風(fēng)源，氣缸和比例閥通過三通連接器與風(fēng)源連接。出風(fēng)口用死堵封閉。排氣口直接接大氣。

壓力表：為一機(jī)械壓力表，指針式，其特點(diǎn)直觀簡單。安裝于工控機(jī)上方，易于操作人員觀察氣路狀態(tài)。

油水分離器：濾除壓縮空氣里的水分、油和其他雜質(zhì)。

保壓電磁閥：用來切斷和接通氣源和遮斷閥孔，實(shí)現(xiàn)充風(fēng)和保壓。

排風(fēng)電磁閥：用來排掉氣路中和制動缸中的氣體，和比例閥排風(fēng)相結(jié)合，加快排風(fēng)速度。

壓力傳感器：在進(jìn)風(fēng)口測量風(fēng)源的壓力，出風(fēng)口測量輸出的壓力，其精度較高，輸出4mA～20mA供PLC測量和試驗(yàn)臺對制動缸充風(fēng)量控制。

DC24V直流電源：為比例閥、傳感器、電磁閥、PLC提供工作電源。

PLC：執(zhí)行控制器，采用Siemens公司的S7-200PLC，增加了EM235模擬量輸入輸出模塊。使用12路I/O輸入，6 路I/O輸出口，2路模擬輸入口（比例閥測量信號：0～5VDC，壓力傳感器測量信號：4mA～20mA），1路模擬輸出口（0～10VDC），作為風(fēng)壓控制信號。采用RS485和上位機(jī)通信。

電控升降器：不同的制動缸活塞位置不同，為此增加了可調(diào)整高度的電控裝置。電控升降器就是為此設(shè)計(jì)的，升降電機(jī)加上減速螺旋部件實(shí)現(xiàn)了制動缸定位板的緩升緩降。升降電機(jī)由試驗(yàn)臺起升和降落按鈕控制。

擋板：實(shí)驗(yàn)臺上四塊擋板是為制動缸在400kPa試驗(yàn)時(shí)，控制活塞行程而設(shè)計(jì)，分別由試驗(yàn)臺內(nèi)4個(gè)氣缸控制，氣缸的活塞伸出和縮回對應(yīng)擋板的起落。

工控機(jī)：采用全屏觸摸式一體化工控機(jī)，和PLC通信實(shí)現(xiàn)對制動缸的試驗(yàn)試驗(yàn)。具有RS232、USB、網(wǎng)口、打印機(jī)接口。

微機(jī)控制試驗(yàn)臺三維效果圖如圖3所示。

圖3

（2）主控軟件

主控軟件主要用來發(fā)送試驗(yàn)器控制命令，采集風(fēng)壓數(shù)據(jù)，試驗(yàn)判定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢和打印。數(shù)據(jù)庫采用MicrosoftSqlServer2012，開發(fā)工具采用VS2012中的C#集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用WPF技術(shù)使人機(jī)界面更加柔和友好。軟件模塊包括：系統(tǒng)配置、通信連接、人員管理、記錄查詢、通信連接、試驗(yàn)控制、檢測記錄、檢修記錄。

軟件主界面如圖4所示。

（3）數(shù)據(jù)流向

微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向包括主控機(jī)與PLC之間數(shù)據(jù)傳輸、PLC對氣泵、電磁閥的開關(guān)量輸出控制、PLC和比例閥的模擬量輸入輸出的測量和控制、PLC和壓力傳感器的模擬量輸入測量、PLC對按鈕狀態(tài)的輸入量測量等。其框圖如圖5所示。

主控軟件數(shù)據(jù)流向如圖6所示。

3. 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

3.1智能化微機(jī)控制，采用主流配置的觸摸屏平板一體工控機(jī)作控制終端，依據(jù)《制規(guī)》要求自動完成自檢試驗(yàn)，記錄保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，可查詢、打印歷史數(shù)據(jù)。可追溯檢修質(zhì)量。

3.2獨(dú)立的一體化試驗(yàn)臺操作設(shè)備，可根據(jù)試驗(yàn)需要移至不同的試驗(yàn)地點(diǎn)。內(nèi)部氣路和試驗(yàn)部件安裝連接完好，只需將現(xiàn)場提供的風(fēng)源接入試驗(yàn)臺的進(jìn)風(fēng)口、將220V交流電接入電源口即可進(jìn)行試驗(yàn)，無需二次接線等施工工作。

圖4

3.3采用逐次逼近法實(shí)現(xiàn)對充風(fēng)過程的控制，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的制動缸壓力和相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)要求對充風(fēng)進(jìn)程進(jìn)行初期大流量調(diào)控，以便提高試驗(yàn)速度，當(dāng)壓力接近目標(biāo)值時(shí)進(jìn)行微流量調(diào)控，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺精準(zhǔn)輸出，有效縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)質(zhì)量。

3.4氣缸及活塞行程定位座，采用微機(jī)控制風(fēng)缸推動擋板的起落，達(dá)到制動缸活塞不同行程下的性能試驗(yàn)。利用微機(jī)控制的電信號結(jié)合氣缸特性控制4個(gè)擋板的起落，設(shè)置5個(gè)活塞行程。

3.5電控升降器，用于升降制動缸，調(diào)整制動缸活塞高度，滿足不同型號的制動缸試驗(yàn)。型號不同的制動缸活塞位置不同，采用電控升降器實(shí)現(xiàn)了制動缸活塞的精準(zhǔn)定位。

圖5

4. 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

2015年11月26日，“鐵路貨車微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺”通過了北京鐵路局科委組織的專用設(shè)備技術(shù)審查。截至目前，北京局車輛系統(tǒng)共安裝微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺4套，在運(yùn)行期間共試驗(yàn)制動缸467個(gè)次，系統(tǒng)滿足《制規(guī)》貨車廠修制動缸試驗(yàn)工藝要求完成試驗(yàn)作業(yè)要求。運(yùn)行主要效果如下：

4.1該試驗(yàn)臺采用觸摸平板一體化工控機(jī)作為主控機(jī)，界面簡潔、清晰美觀，可對試驗(yàn)基本信息參數(shù)等進(jìn)行配置，使用靈活、方便。

4.2充風(fēng)快，風(fēng)壓控制精確、保壓精度高，避免了手動試驗(yàn)器的精確度差和人為誤差。

4.3設(shè)備具有制動缸高度、活塞桿長度調(diào)節(jié)功能，精確定位制動缸活塞位置，滿足不同型號規(guī)格制動缸的試驗(yàn)。

4.4支持多種操作模式，可在工控機(jī)上做自動或手動試驗(yàn)，也可脫離工控機(jī)選擇全手動操作，完成制動缸試驗(yàn)，使用方便。

4.5設(shè)備在自動試驗(yàn)功能狀態(tài)，可按《制規(guī)》要求自動完成試驗(yàn)過程，試驗(yàn)中顯示試驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)并保存，自動給出試驗(yàn)結(jié)論：合格和不合格，具備歷史數(shù)據(jù)的查詢和打印功能。

圖6

結(jié)語

貨車制動缸試驗(yàn)是保證車輛安全運(yùn)行的重要手段。微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)了自動試驗(yàn)和手動試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)方案，系統(tǒng)操作簡單方便、符合現(xiàn)場工作要求和使用習(xí)慣。便捷的試驗(yàn)操作方式和記錄查詢滿足了新形勢下車輛段高效、安全生產(chǎn)的需要。微機(jī)控制制動缸試驗(yàn)臺的應(yīng)用，解決了作業(yè)效率低、人員勞動強(qiáng)度大、制動缸性能檢測不能追溯的缺點(diǎn)。為制動缸的可靠運(yùn)行提供了有效的科學(xué)依據(jù)，避免了制動缸試驗(yàn)數(shù)據(jù)不精確而造成貨車事故或隱患，有效地維護(hù)了鐵路運(yùn)輸?shù)摹鞍踩?、暢通、快捷”性?/p>

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：U270

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A