車端線纜疲勞試驗臺的設(shè)計

張玉芳 楊學(xué)淵 于丹丹

（青島地鐵集團有限公司運營分公司，山東 青島266031）

隨著動車組、高鐵車輛的多品種設(shè)計和批量生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，在車端線纜的開發(fā)過程中，對于車端線纜及連接器組成的可靠性驗證就顯得尤為重要，需要對整個車端過橋線纜組成進行疲勞試。而原有的疲勞試驗臺是采用上位機控制U 型電機往復(fù)運動，具有控制精度高的優(yōu)點，但是存在U 型電機推力不足、電機容易發(fā)熱、且控制參數(shù)調(diào)整較為復(fù)雜，人員需長時間培訓(xùn)才可操作等缺點，設(shè)備極易過熱導(dǎo)致?lián)p壞。目前，車端過橋線纜產(chǎn)品較多，基于此，必須展開試驗設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)及應(yīng)用。本文設(shè)計出一種PLC 與氣動相結(jié)合的疲勞試驗臺方案，并闡述了測試原理及系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

1 基本參數(shù)設(shè)計要求

單次疲勞試驗次數(shù)：≥150 萬次

每年試驗次數(shù)： ≥400 萬次

縱向軸向推力： ≥800N

橫向軸向推力： ≥300N

往復(fù)周期： 約6s

縱向往復(fù)行程： 約±200mm

橫向往復(fù)行程： 約±400mm

操控方式： 電控

直線導(dǎo)軌足以支撐50kg 連接器線纜及插座，剛度好，運動平穩(wěn)。

試驗臺可以任意設(shè)定試驗次數(shù)，當(dāng)達到預(yù)設(shè)試驗次數(shù)后自動停止。

縱向、橫向運動周期和行程皆可調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合對疲勞試驗的參數(shù)要求，設(shè)計出一種車端線纜疲勞試驗臺（以下簡稱試驗臺），該試驗臺是通過模擬車輛縱向和橫向兩個方向的相對運動，進行長時間往復(fù)動作，考核過橋線纜的疲勞壽命。試驗臺采用兩個相互垂直的傳動臂，可實現(xiàn)兩組線纜同時進行疲勞試驗。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

試驗臺主要由機械部分和電氣控制部分組成。機械部分用來模擬車端線纜的縱向、橫向運動。電氣控制部分用于控制往復(fù)運動的周期、次數(shù)等。試驗臺基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 試驗臺結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 機械部分

機械部分采用框架式結(jié)構(gòu)，由縱向運動框架和橫向運動框架組成，包括框架體、直線導(dǎo)軌、氣動系統(tǒng)等組成。

試驗臺是通過氣動系統(tǒng)實現(xiàn)線纜的往復(fù)運動，二位五通電磁閥連通到雙作用氣缸，電磁閥通電、斷電實現(xiàn)雙作用氣缸兩端切換，從而實現(xiàn)氣缸往復(fù)運動，氣動原理圖見圖2。試驗臺的氣源截止閥進氣端接至車間氣源。打開截止閥，壓縮空氣經(jīng)過空氣濾清器、減壓閥、油水分離器、二位五通電磁閥進入到雙作用氣缸；氣缸的排氣經(jīng)過調(diào)速閥、消音器將壓縮空氣釋放。電磁閥通電時，氣缸桿伸出；電磁閥斷電時，氣缸桿縮回。旋轉(zhuǎn)調(diào)速閥的調(diào)速旋鈕即可調(diào)節(jié)氣缸桿的運行速度。順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕，氣缸桿運行速度減慢；逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕，氣缸桿運行速度加快。

圖2 氣動原理圖

在試驗臺整體框架上安裝刻度尺，不同的線纜運動行程不同，在要求的位置安裝安放光電開關(guān)。當(dāng)氣缸運動到光電開關(guān)處，電磁閥斷電，氣缸反向運動。光電開關(guān)將信號傳給計數(shù)器，光感效應(yīng)一次就計數(shù)一次，從而記錄整個試驗次數(shù)。氣缸固定安裝在整體框架上，活塞桿與線纜安裝架連接，通過活塞桿的往復(fù)運動，從而模擬車端線纜的相對運動。疲勞試驗時，需要對不同長度的線纜進行試驗，可以在整體框架上對應(yīng)備好多組氣缸安裝孔，當(dāng)需要更換長度不同的線纜時，調(diào)節(jié)氣缸相對應(yīng)的安裝位置。

2.1.2 電氣控制部分

電氣控制部分主要由PLC、觸摸屏、2 臺ABB 變頻器、2 臺變頻電機、低壓短路器、接觸器、繼電器和接近開關(guān)等控制電器組成。

往復(fù)運動控制：低壓斷路器為試驗臺開關(guān)，合上低壓斷路器，主電路和控制電路得電。以橫向往復(fù)運動控制電路為例說明。當(dāng)移動工作臺在原位時，變頻器處于停滯狀態(tài)。按下啟動按鈕，變頻器工作、變頻電機開始正向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)移動工作臺向前移動到接近開關(guān)位置時，變頻器換向，變頻電機反轉(zhuǎn)。當(dāng)移動工作臺返回到原位時，變頻器換向，變頻電機又開始正轉(zhuǎn)。調(diào)整變頻器外接電位器，即可改變移動工作臺的移動速度。當(dāng)移動工作臺往復(fù)次數(shù)達到設(shè)定值后，計數(shù)器常閉觸點斷開，變頻電機停止旋轉(zhuǎn)。同時，計數(shù)器常開觸點閉合，聲光報警器發(fā)出聲光報警。故障檢測：試驗臺正常工作時，一個往復(fù)周期約位6 秒。若往復(fù)周期時間太長，則可認(rèn)為試驗臺故障。時間繼電器為失電延時型，設(shè)定值為8 秒。當(dāng)移動工作臺在原位時，時間繼電器得電，聲光報警器不報警，當(dāng)工作臺離開原位，時間繼電器失電，若工作臺運行正常，其延時閉合的觸點還沒有閉合，線圈就會再次得電，時間繼電器又開始重新計時。若移動工作臺8 秒之內(nèi)還沒回到原位，則時間繼電器延時閉合觸點閉合、聲光報警器就會發(fā)出聲光報警，提醒工作人員前來處置。

2.2 軟件部分

試驗臺的控制軟件可以記錄試驗的起始時間、終止時間、試驗次數(shù)等信息，如圖3 所示。工作人員可以在參數(shù)設(shè)置界面根據(jù)線纜型號要求設(shè)定試驗次數(shù)，在完成預(yù)定的試驗次數(shù)后，試驗臺自動停止運動，并發(fā)出聲光報警。工作人員可以將試驗結(jié)果直接打印。

圖3 試驗臺軟件顯示界面

3 主要技術(shù)指標(biāo)

電源電壓：AC220V；

冷態(tài)絕緣電阻：≥20MΩ；

氣源壓力工作范圍：0.2Mpa～1Mpa；

縱向最大行程：±400mm；

橫向最大行程：±400mm；

試驗臺調(diào)速范圍：50～600mm/s；

工作環(huán)境：溫度0～45℃；

相對濕度：35～85%（無凝露）；

外形尺寸：（長×寬×高）

縱向：2000×3000×1300mm

橫向：3000×600×1300mm

整體重量：760kg

4 主要性能及測試原理

試驗臺直線導(dǎo)軌運動平穩(wěn)、剛度好。

試驗臺具有任意設(shè)定試驗次數(shù)和試驗完成后自動停止功能，并發(fā)出聲光信號。

試驗臺具有計數(shù)、實時顯示試驗次數(shù)功能。

試驗臺具有故障自診斷功能。當(dāng)試驗臺發(fā)生故障或線纜發(fā)生斷線時，試驗臺發(fā)出聲光報警，觸摸屏顯示故障發(fā)生的時間、故障發(fā)生原因等信息。

試驗臺具有打印試驗結(jié)果的功能。

結(jié)束語

該車端線纜疲勞試驗臺可模擬不同型號、不同長度線纜的相對運動，從而測試線纜的疲勞壽命，保證了線纜的可靠性及行車安全。同時，采用氣動系統(tǒng)實現(xiàn)線纜的往復(fù)運動，為后期同類疲勞試驗臺的設(shè)計開拓了新的思路，具有較高的實用價值。