中繼閥性能檢測系統(tǒng)設(shè)計

王學影　陳勇飛　胡曉峰　郭斌

摘要：目前中繼閥的檢測主要依靠整體制動機試驗臺，且檢測步驟繁瑣，測試精度、效率無法保障。針對中繼閥由總風遮斷閥、管座、雙閥口式中繼閥3部分組成的結(jié)構(gòu)，采用自動控制與數(shù)字信號處理技術(shù)，設(shè)計一套中繼閥性能檢測系統(tǒng)?；赑CI數(shù)據(jù)采集控制卡，設(shè)計計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，開發(fā)LabVIEW中繼閥數(shù)據(jù)采集控制軟件，搭建中繼閥實驗平臺。模擬中繼閥在緩解充氣、緩解保壓、制動、制動保壓、過充5種狀態(tài)下，實現(xiàn)對總風遮斷閥動態(tài)響應(yīng)、列車管階段增壓減壓、活塞靈敏度、供氣閥供氣、排氣閥排氣、過充等6項測試，并采用差壓法對其密封性進行測試。測試得到總風遮斷閥平均動態(tài)響應(yīng)時間為0.206 s，活塞靈敏度平衡性能最大壓力不確定度為0.849kPa，供氣閥供氣性能最大壓力不確定度為0.864kPa，排氣閥排氣性能最大壓力不確定度為0.854kPa，過充最大壓力不確定度為0.851kPa。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足中繼閥各性能測試要求。

關(guān)鍵詞：中繼閥；數(shù)據(jù)采集；計算機控制；自動化；不確定度

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0037-06

0引言

中繼閥是軌道交通制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是軌道車輛對列車管壓強的間接控制機構(gòu)，它直接將空氣制動的控制信號放大輸出到執(zhí)行機構(gòu)，采用膜板活塞加雙閥口的機構(gòu)形式，其性能好壞將直接影響列車制動與行車安全。面對數(shù)額龐大的軌道車輛，其制動機普遍存在構(gòu)造復雜、檢修手段落后等問題。哈爾濱鐵路局齊齊哈爾科研所研制的機車制動系統(tǒng)工況檢測儀、蘭州交通大學設(shè)計的基于虛擬儀器的嵌入式機車空氣制動機試驗臺都包含對中繼閥的檢測項，西南交通大學楊連宇等研制的中繼閥試驗臺，這些測試臺或是對各型整體制動機試驗臺的改進，或是測試項目不明確，無法滿足對中繼閥測試效率與測試精度的要求。采用自動控制、測試，數(shù)字信號處理等技術(shù)并通過計算機對中繼閥各參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集、處理、輸出可以實現(xiàn)對中繼閥性能檢測水平的升級，同時也擺脫了原有對制動機整體檢測臺的依賴，能有針對性地對中繼閥各性能指標進行嚴格的檢測。

1測試需求分析

為有針對性設(shè)計中繼閥性能檢測系統(tǒng)，本文選用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的JZ-7型中繼閥，其由總風遮斷閥、管座和雙閥口式中繼閥3部分組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1密封性需求分析

JZ-7型中繼閥的密封膜片、管座與殼體等均存在泄漏的可能，需要對中繼閥的密封性進行測試。原技術(shù)方案中采用氣泡法檢測各管口氣密性，無法實現(xiàn)自動定量測漏且測量精度低、效率差，經(jīng)比較，差壓法具有檢測壓力高且能檢測到微小泄漏等優(yōu)點，所以本文采用差壓法。測試項包括控制口、輸人口非工作狀態(tài)氣密性與輸入口全工作、半工作狀態(tài)氣密性。測氣密性時，設(shè)置平衡時間為15 s，測量時間為30 s，得到泄漏量結(jié)果。

1.2功能特性需求分析

總風遮斷閥動態(tài)響應(yīng)測試：總風遮斷閥起著控制總風口（輸入口）通斷的作用。總風遮斷管口加額定氣壓時，輸人口關(guān)閉；通大氣時，瞬間打開，測試輸出口壓力開始上升的時間。

列車管階段增壓階段減壓測試：對列車管口（控制口）循環(huán)進行升壓與保壓直至達到額定工作氣壓500 kPa，之后進行循環(huán)減壓與保壓，直至250 kPa停止，每0.05 s氣壓變化15kPa，測試輸出口氣壓的變化，根據(jù)鐵道行業(yè)標準對JZ-7中繼閥的要求，測試過程中控制口與輸出口的壓力差應(yīng)始終小于10kPa。

活塞靈敏度測試：中繼閥工作時，當輸出口壓力達到額定氣壓，使輸出口減壓后關(guān)閉排氣閥，測試輸出口壓力變化曲線。根據(jù)技術(shù)標準，輸出口減壓5 kPa后關(guān)閉排氣閥壓力應(yīng)能恢復。記活塞靈敏度平衡壓力為P10。

供氣閥供氣測試：總風口作為輸入口，當各管口正常打開后，瞬間向總風管口通人額定輸入氣壓，測試輸出口氣壓隨時間變化的曲線。依據(jù)指標，輸出口氣壓由0上升到480kPa的時間應(yīng)不大于3 s。記供氣閥供氣平衡壓力為P20。

排氣閥排氣測試：中繼閥控制口定壓為500kPa時，當控制口減壓250kPa，輸出口壓力由500kPa降至與控制口壓力平衡的時間應(yīng)不大于3 s。記排氣閥排氣平衡壓力為P30。

過充測試：過充管口作為JZ-7型中繼閥特有的管口，當過充管口通入額定氣壓時，可使得列車管（輸出口）獲得超過規(guī)定壓力25-40 kPa的過充壓力，從而縮短列車初充氣和再充氣的時間。當不通氣時，列車管的過充壓力能自動緩慢消除且不會引起機車的自然制動。記過充壓力為P40。

2中繼閥性能檢測系統(tǒng)設(shè)計

檢測系統(tǒng)的設(shè)計包括測試管路設(shè)計與數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計。

2.1測試管路設(shè)計

中繼閥工作位置分為以下5個狀態(tài)：緩解充氣位、緩解后保壓位、制動位、制動后保壓位與過充位。由于測試管路較多，40L儲氣罐可以滿足所有氣路的測試要求。為達到更好的測試效果，除過充管口外與氣密性閥板上采用電磁閥外，管路其他控制閥為滿足快速充氣響應(yīng)這一要求，統(tǒng)一采用氣控閥，并獨立于氣密性測試管路。為了精確控制氣壓，除在各個管路分別設(shè)置減壓閥外，在控制口還設(shè)置電氣比例閥以滿足測試時的特殊供氣需求。為達到階段增壓、減壓，系統(tǒng)采用SMC的ITV3050-313CL型電氣比例閥，其控制電壓輸入為0～IOV，壓力輸出范圍為0.005-0.9 MPa。

根據(jù)測試需求，中繼閥性能檢測系統(tǒng)管路原理如圖2所示，主要由氣壓傳感器、電磁閥、氣控閥、電氣比例閥、減壓閥、消音器和基準腔組成。中繼閥過充管口、列車管口、總風管口、中均管口裝有氣壓傳感器，可實時監(jiān)控氣壓變化：氣控閥與消音器可實現(xiàn)快排功能，電磁閥與節(jié)流孔則可模擬慢排氣的工作情況：電氣比例閥可以實現(xiàn)對進氣氣壓的精確調(diào)整：在列車管口（輸出口）連接一儲氣罐，負責模擬負載的工況。

2.2數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用兩塊數(shù)據(jù)采集卡：PCI-1711u帶有最高采樣率可達100kHz的12位A/D轉(zhuǎn)換器、2通道12位模擬量輸出與16通道數(shù)字量輸入/輸出；PCI-1730具有32路隔離數(shù)字量I/O，負責數(shù)字量輸出控制的需要。

開關(guān)電源、線性電源、數(shù)據(jù)采集卡與工控機組成了數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。開關(guān)電源與線性電源分別為電磁閥與傳感器供電。工控機為系統(tǒng)的核心，結(jié)合PCI-1711U與PCI-1730兩塊數(shù)據(jù)采集卡，通過板卡的AO輸出電壓給電氣比例閥；AI通道采集傳感器信號；DI用于系統(tǒng)檢測故障與處理用戶操作：DO用于控制電磁閥的通斷與信號報警燈。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)如圖3所示。

3測試數(shù)據(jù)分析

3.1密封性測試分析

采用差壓法對控制口、輸入口非工作狀態(tài)與輸人口半工作、全工作狀態(tài)的氣密性分別測試10次，記錄的氣密性測試結(jié)果如表1所示。

3.2特性測試分析

3.2.1總風遮斷閥動態(tài)響應(yīng)測試

總風遮斷閥動態(tài)響應(yīng)測試曲線如圖4所示，測試前控制口通入500kPa壓力，頂桿將供氣閥打開，但此時總風口因總風遮斷閥口通入600kPa壓力而關(guān)閉，列車管口無壓力。測試時將總風遮斷管口通大氣，輸入口瞬時打開，往供氣閥室供氣，當壓力達到控制口輸入值時，供氣閥關(guān)閉，保持與控制口壓力一致。圖中列車管壓力瞬時超過500kPa是由于供氣閥關(guān)閉瞬間，擠壓了供氣閥室的空間，使得供氣閥室與列車管相連通的整體空間壓力有了一個瞬時升高。此時頂桿帶動排氣閥打開排氣，使得列車管壓力最終保持與控制口一致?？傦L遮斷閥動態(tài)響應(yīng)時間是指從總風遮斷閥口通大氣排壓到列車管口（輸出口）開始升壓的時間，具體如表2所示，測試10次所得的平均響應(yīng)時間為0.206 s。

3.2.2列車管階段增壓、減壓測試

列車管階段增壓、減壓測試曲線如圖5所示，設(shè)定輸入口氣壓為505 kPa，測試時，通過電氣比例閥使控制口實現(xiàn)增壓一保壓一增壓與減壓一保壓一減壓過程：由圖5可知，輸出口壓力隨著控制口不斷變化。在升壓階段，輸出口壓力跟隨性較好；減壓階段輸出口壓力跟隨性略遜于增壓階段。增壓階段輸出口壓力變化雖落后于控制口，但在保壓階段能夠達到與控制口一樣的壓力值：減壓階段輸出口壓力跟隨性明顯不如增壓階段，但仍然達到了壓力差值不超過10kPa的測試標準。

3.2.3活塞靈敏度測試

活塞靈敏度測試曲線如圖6所示，當壓力穩(wěn)定后，4.5 s時使輸出口泄壓5 kPa，由圖可知，活塞對于5 kPa的壓力有響應(yīng)，壓力下降，隨后壓力逐漸恢復，活塞靈敏度達到測試要求。

3.2.4供氣閥供氣測試

供氣閥供氣測試曲線如圖7所示，曲線達到穩(wěn)定氣壓前的波動是由電器比例閥自身PID調(diào)節(jié)造成的，并不會對測試造成過多影響（以下測試曲線同理）。從圖中可知，對控制口快充氣使得供氣閥快速打開，列車管口（輸出口）壓力由0上升到480kPa的時間明顯小于3 s。測試10次得增壓過程時間如表3所示，平均升壓時間為0.379 s，達到測試要求。

3.2.5排氣閥排氣測試

排氣閥排氣測試曲線如圖8所示，當列車管壓力穩(wěn)定在500kPa后，控制口瞬時減壓240kPa，此時頂桿頂開排氣閥進行排氣，列車管壓力降至與控制口壓力相同時間為0.485 s，符合壓力平衡時間不超過3 s的測試要求。

3.2.6過充測試

過充測試曲線如圖9所示，列車管達到控制口壓力500kPa后，向過充管口加600kPa壓力，此時過充口壓力推動過充柱塞頂在中繼閥膜板活塞上，使活塞左側(cè)壓力增加25.78 kPa，延長供氣閥口開啟時間，從而使列車管過充25.78 kPa。從圖中可知，當過充管口壓力排盡后，過充壓力逐漸降低并消除，列車管壓力恢復至500 kPa。

上述測試數(shù)據(jù)與圖像表明，中繼閥性能檢測系統(tǒng)滿足了設(shè)計需求，實現(xiàn)了對中繼閥各項性能指標的測試并給出了具體量化的測試結(jié)果，被測中繼閥經(jīng)檢測合格。

3.3不確定度分析

分析測試系統(tǒng)的誤差源主要有氣壓傳感器、差壓傳感器的測量誤差，數(shù)據(jù)采集過程中的量化誤差、偏移誤差、增益誤差。JJF 1059——2012根據(jù)《測量不確定度評定與表示》中不確定度的定義及評定要求，對中繼閥性能檢測系統(tǒng)進行不確定度評定。對活塞靈敏度平衡壓力為PIO、供氣閥供氣平衡壓力為P20、排氣閥排氣平衡壓力為P30、過充壓力為P40分別測試10組數(shù)據(jù)記錄于表4。

測試系統(tǒng)的誤差主要由測量重復性、氣壓傳感器、差壓傳感器、數(shù)據(jù)采集卡引起。測量重復性引起的不確定度分量u_A用A類評定；氣壓、差壓傳感器帶來的不確定度分量u₁與數(shù)據(jù)采集卡帶來的不確定度分量u₂采用B類評定。

氣壓傳感器的精度、線性、遲滯和重復性的總和小于0.3%FS，在量程內(nèi)引起的最大誤差為2.7kPa，屬于均勻分布，所以氣壓傳感器的不確定度分量u。為0.577 kPa，同理可得差壓傳感器產(chǎn)生的不確定度分量u₁₂為0.0001kPa。

數(shù)據(jù)采集卡的量化誤差、偏移誤差與增益誤差合成后對氣壓傳感器和差壓傳感器產(chǎn)生的不確定度分量分別為H21為0.623 kPa、H恐為0.004kPa。

測試系統(tǒng)合成標準不確定度u_c采用以下公式

根據(jù)上式計算各合成不確定度如表5所示，實驗重復性較好，滿足測試要求。

4結(jié)束語

本文設(shè)計了一套中繼閥性能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對中繼閥各性能測試項的檢測，測試過程高效、精確、自動化程度高。實驗結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，測試數(shù)據(jù)準確可靠，已成功投入到企業(yè)生產(chǎn)中。彌補了JZ-7型中繼閥技術(shù)條件中一些檢測項模糊的檢測標準，對后續(xù)新標準的制定具有借鑒意義。

（編輯：劉楊）