制動(dòng)系統(tǒng)閥類(lèi)疲勞性能綜合試驗(yàn)臺(tái)的研制

孟艷紅，白永偵

(1. 中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司 智能裝備事業(yè)部；山東 青島 266031；2. 青島新瑞泰電氣設(shè)備有限公司，山東 青島 266031)

車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)是保證車(chē)輛行車(chē)安全的重要系統(tǒng)。車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)中包含很多種控制閥，每個(gè)控制閥都起著關(guān)鍵的作用。由于車(chē)輛需要頻繁啟停，制動(dòng)系統(tǒng)中各種閥容易產(chǎn)生疲勞失效，導(dǎo)致疲勞失效的原因除了材料疲勞，還跟產(chǎn)品的加工工藝、組裝工藝及設(shè)計(jì)有關(guān)。為此，本文研究設(shè)計(jì)了制動(dòng)系統(tǒng)閥類(lèi)疲勞性能綜合試驗(yàn)臺(tái)，用來(lái)驗(yàn)證和優(yōu)化各種閥類(lèi)產(chǎn)品的材料強(qiáng)度、設(shè)計(jì)方案和工藝方案。

軌道車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)閥種類(lèi)較多，主要包括：減壓閥、中繼閥、電磁閥、平均閥、換向閥、安全閥、高度閥、排風(fēng)閥等20余種閥。各種閥由于功能、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)工藝不同，導(dǎo)致試驗(yàn)件安裝及氣路連接復(fù)雜，若每種閥做一個(gè)試驗(yàn)設(shè)備既占用空間又浪費(fèi)人力和物力資源。因此，研制閥類(lèi)疲勞性能綜合試驗(yàn)臺(tái)從設(shè)計(jì)角度分析應(yīng)攻克以下四大難點(diǎn)：一是氣路復(fù)雜，怎樣統(tǒng)一規(guī)劃既條理清楚又使用方便；二是怎樣設(shè)計(jì)工藝方案才能使安裝既簡(jiǎn)便快捷又兼容性強(qiáng)；三是如何實(shí)現(xiàn)不同的閥既能多路同步試驗(yàn)又互不干擾；四是如何實(shí)現(xiàn)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、保存及回放分析。

1 設(shè)計(jì)原理及工藝結(jié)構(gòu)

閥類(lèi)疲勞性能綜合試驗(yàn)臺(tái)[1]主要模擬各種閥在實(shí)際使用過(guò)程中不斷充排氣、不斷通斷電情況，記錄每個(gè)疲勞周期詳細(xì)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證產(chǎn)品的疲勞可靠性[2]。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)可同時(shí)分別進(jìn)行10個(gè)閥的疲勞試驗(yàn)，每個(gè)閥疲勞試驗(yàn)過(guò)程參數(shù)如輸入壓力、輸出壓力、線圈電壓、疲勞次數(shù)、動(dòng)作時(shí)間特性等可獨(dú)立設(shè)置。試驗(yàn)中能詳細(xì)記錄每個(gè)閥的動(dòng)作疲勞周期、壓力曲線、電壓曲線、電流曲線、性能判定結(jié)果等，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放處理，方便研究產(chǎn)品的性能和壽命。

閥類(lèi)疲勞性能綜合試驗(yàn)臺(tái)由電氣部分、氣控部分、安裝工藝和軟件部分組成。

1.1 氣控部分設(shè)計(jì)

氣控部分設(shè)計(jì)包括氣源處理系統(tǒng)、氣控閥、電磁閥、壓力傳感器及儲(chǔ)風(fēng)缸等[3]。氣控閥和電磁閥用于控制氣路管道的通斷。氣路用的大流量閥采用先導(dǎo)電磁閥加氣控閥的組合式結(jié)構(gòu)，氣控閥良好的氣密性性能保證了試驗(yàn)臺(tái)的整體氣密性要求。電磁閥和氣控閥的使用壽命達(dá)到幾千萬(wàn)次，可以保證試驗(yàn)時(shí)連續(xù)疲勞動(dòng)作的正常執(zhí)行。

試驗(yàn)臺(tái)氣路原理圖如圖1所示。氣路接口設(shè)計(jì)總數(shù)為30個(gè)，為了將復(fù)雜氣路和工藝簡(jiǎn)化，氣路設(shè)計(jì)為A、B、C三大類(lèi)，A類(lèi)為8路直接導(dǎo)通的輸出氣源，通過(guò)減壓閥、小風(fēng)缸后輸出，其中兩路為高壓(0～1.5 MPa)輸出，其余為常規(guī)壓力(0～1 MPa)輸出。B類(lèi)為12路可電控的輸出氣源，通過(guò)減壓閥、小風(fēng)缸、氣控閥(自動(dòng)控制進(jìn)氣或排氣)，設(shè)置節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量，其中1路為高壓(0～1.5 MPa)輸出，其余為常規(guī)壓力(0～1 MPa)輸出。C類(lèi)為10路輸入壓力監(jiān)測(cè)氣路，其中5路采用直通式，直接進(jìn)入小風(fēng)缸；5路帶采用氣控閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制排氣功能，其中1路為高壓。A、B類(lèi)通路均配備調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)氣路的輸出壓力大小，并安裝在面板上方便操作。每個(gè)氣路接口處都設(shè)有壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控氣壓值。并能通過(guò)安裝在試驗(yàn)臺(tái)面板的機(jī)械壓力表顯示氣壓值。該機(jī)械壓力表進(jìn)氣時(shí)可通過(guò)塞門(mén)隔離，不用時(shí)關(guān)閉，避免指針長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)動(dòng)作。小風(fēng)缸容積1 L，用于確保壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性，總風(fēng)缸容量50 L，用于穩(wěn)定供風(fēng)風(fēng)壓。

F.氣源處理系統(tǒng)過(guò)濾器;V0～V21.減壓閥；R0-1～R0-20.塞門(mén)；R1～R30.帶排氣的塞門(mén)；M0～M30.壓力表；P1～P30.壓力傳感器；YV0～YV2.高壓大流量氣控閥；Y0～Y2.先導(dǎo)電磁閥；YV3～YV29.氣控閥；JV1～JV12.節(jié)流閥；A1～A8.A類(lèi)氣路接口；B1～B12.B類(lèi)氣路接口；C1～C10.C類(lèi)氣路接口。

上述設(shè)計(jì)可保證氣路能夠滿足各種要求的閥，輸入、輸出接口可以隨意搭配，隨意使用，這樣不僅方便使用者需求，同時(shí)清晰明了且操作簡(jiǎn)單。

1.2 安裝工藝設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)包含一個(gè)主控柜和一個(gè)工裝柜組。主控柜操作面板包含人機(jī)界面、試驗(yàn)報(bào)警、控制開(kāi)關(guān)及狀態(tài)指示燈。柜體內(nèi)安裝有工控機(jī)、打印機(jī)、可調(diào)直流電源、低壓電氣配電板等。

由于閥的種類(lèi)多，各種閥的結(jié)構(gòu)及安裝形式都不相同，因此為每種閥設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板的一端可方便固定在試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面上，另一端連接試驗(yàn)閥。工裝柜臺(tái)面上配置了直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌上面安裝有3種不同尺寸的安裝支架，用于安裝不同外形閥體的轉(zhuǎn)接板。試驗(yàn)時(shí)將閥體的轉(zhuǎn)接板安裝在支架上，支架的安裝底座通過(guò)滑動(dòng)調(diào)節(jié)位置并通過(guò)螺絲與導(dǎo)軌鎖緊。導(dǎo)軌上可同時(shí)安裝10種閥，安裝位置比較靈活，新增試件測(cè)試只需更換轉(zhuǎn)接板即可。工裝柜臺(tái)面靠近上面板處安裝有氣路接口，接口單元采用快插接頭的方式，接口的輸入輸出分配靈活，縮短了氣路接口與閥之間的距離和連接氣管的長(zhǎng)度。上述工藝結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計(jì)使得設(shè)備實(shí)用、整潔、美觀，而且大大增強(qiáng)了設(shè)備的兼容性和擴(kuò)展性。

1.3 電氣部分設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)不同的閥多路同步試驗(yàn)又互不干擾，且能夠處理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)臺(tái)采用工控機(jī)系統(tǒng)，試驗(yàn)過(guò)程編制專(zhuān)用軟件，軟件通過(guò)多線程可實(shí)現(xiàn)10個(gè)工位的獨(dú)立控制，并可同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)高精度高頻率響應(yīng)的A/D卡采集，可達(dá)到試驗(yàn)要求的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，而且在滿足測(cè)試目的前提下降低了工控機(jī)CPU使用率。控制閥動(dòng)作和線圈供電通過(guò)固態(tài)繼電器進(jìn)行準(zhǔn)確控制，高壽命和高可靠性的固態(tài)繼電器可保證設(shè)備的整體使用壽命。

由于疲勞試驗(yàn)需要測(cè)試的次數(shù)達(dá)到30萬(wàn)次甚至100萬(wàn)次，平均每3 min完成1次循環(huán)，這3 min內(nèi)每3 s需要記錄1次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：閥名稱(chēng)及基本參數(shù)、試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)電壓電流、試驗(yàn)結(jié)果等，數(shù)據(jù)相當(dāng)龐大。通過(guò)強(qiáng)大的工控機(jī)操作系統(tǒng)、內(nèi)存和硬盤(pán)容量才能保證超大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存。軟件存儲(chǔ)設(shè)計(jì)上既要提高存儲(chǔ)速度又要減小系統(tǒng)內(nèi)存的使用率，選擇保存為T(mén)XT文本文件的方式。還需要通過(guò)數(shù)據(jù)回放功能詳細(xì)直觀地顯示出閥的整個(gè)疲勞過(guò)程特性。

1.4 軟件部分設(shè)計(jì)

疲勞試驗(yàn)軟件主頁(yè)面設(shè)計(jì)如圖2所示。頁(yè)面上方是試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示區(qū)，能夠?qū)崟r(shí)顯示每個(gè)通道的壓力和供電電壓。軟件將測(cè)試值和設(shè)定值進(jìn)行比較并自動(dòng)判斷試驗(yàn)過(guò)程是否正常。頁(yè)面下方是試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)記錄及操作控制按鈕。頁(yè)面右側(cè)是動(dòng)作單獨(dú)控制按鈕區(qū)，通過(guò)點(diǎn)擊按鈕可打開(kāi)或關(guān)閉氣路中對(duì)應(yīng)的閥，控制對(duì)應(yīng)電源電壓輸出，在進(jìn)行試驗(yàn)前，可以通過(guò)這些按鈕操作確保氣路控制及閥體動(dòng)作的正確性。頁(yè)面左側(cè)及中間是10個(gè)工位試驗(yàn)的基本參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)監(jiān)控。

1.5 軟件功能

1.5.1 試驗(yàn)過(guò)程

點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始疲勞試驗(yàn)，每3 s記錄1次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)累計(jì)顯示當(dāng)前試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與用戶自定義的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，不符合判定標(biāo)準(zhǔn)則立即報(bào)出故障，并對(duì)故障進(jìn)行可追溯性記錄。試驗(yàn)中通過(guò)點(diǎn)擊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，彈出實(shí)時(shí)曲線頁(yè)面，可連續(xù)實(shí)時(shí)顯示出此工位上的輸入壓力、輸出壓力和線圈或觸點(diǎn)電壓電流的實(shí)時(shí)曲線。

疲勞試驗(yàn)過(guò)程不需要人員把守，具有全自動(dòng)試驗(yàn)、實(shí)時(shí)自動(dòng)判斷、實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警功能，并自動(dòng)記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及報(bào)警故障原因及時(shí)間，自動(dòng)處理各類(lèi)故障。如果某一工位出現(xiàn)故障停止試驗(yàn)，不會(huì)影響其他工位正常工作。

1.5.2 故障報(bào)警

試驗(yàn)過(guò)程中如果出現(xiàn)故障，試驗(yàn)頁(yè)面警報(bào)狀態(tài)將高亮顯示紅色“警報(bào)”字樣并且操作柜面板上的警報(bào)蜂鳴器開(kāi)始聲光報(bào)警。如不人為關(guān)閉，故障燈將常亮，當(dāng)按下“警報(bào)”按鈕關(guān)閉報(bào)警，蜂鳴器將不再聲光報(bào)警。軟件自動(dòng)記錄故障信息，故障信息包括：故障名稱(chēng)、故障時(shí)刻、故障數(shù)據(jù)、被試件名稱(chēng)、被試件編號(hào)、試驗(yàn)員等。

1.5.3 數(shù)據(jù)回放

為了方便科研人員對(duì)產(chǎn)品壽命的研究，試驗(yàn)臺(tái)配備了專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)回放軟件(圖3)。試驗(yàn)結(jié)束后，將保存的2個(gè)TXT文本存放到數(shù)據(jù)回放軟件的指定文件夾下，運(yùn)行軟件后，數(shù)據(jù)列表中自動(dòng)加載文件，點(diǎn)擊文件名稱(chēng)，數(shù)據(jù)和曲線加載完成后，下方會(huì)顯示出閥疲勞試驗(yàn)總的周期數(shù)、實(shí)際完成的周期數(shù)、試驗(yàn)時(shí)使用的通道、設(shè)置的壓力范圍等參數(shù)。通過(guò)鼠標(biāo)能夠平行移動(dòng)、放大和縮小波形曲線，改變數(shù)據(jù)及圖像密度，并顯示鼠標(biāo)移動(dòng)當(dāng)前曲線對(duì)應(yīng)的周期數(shù)。也可通過(guò)具體次數(shù)查詢(xún)顯示出整個(gè)周期內(nèi)某一區(qū)段的性能曲線。

圖3 數(shù)據(jù)回放軟件頁(yè)面

2 結(jié)論

本文研制的閥類(lèi)疲勞性能綜合試驗(yàn)臺(tái)適用于制動(dòng)系統(tǒng)各種閥的疲勞試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了閥疲勞性能綜合檢測(cè)。系統(tǒng)采用工控機(jī)自動(dòng)控制及數(shù)據(jù)處理、回放分析顯示，提高了檢測(cè)精準(zhǔn)度和檢測(cè)效率，降低了人工檢測(cè)難度和檢測(cè)誤差，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量及壽命分析提供了有效保證。與特定試件使用特定功能試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)，檢測(cè)試件種類(lèi)多且需購(gòu)買(mǎi)多臺(tái)疲勞試驗(yàn)臺(tái)相比，此綜合試驗(yàn)臺(tái)大大降低了設(shè)備采購(gòu)和維護(hù)成本，降低了電能和壓縮空氣的使用，達(dá)到了節(jié)約能源的目的。