一種用于地鐵制動閥類產(chǎn)品的綜合測試系統(tǒng)

喻柳

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

當(dāng)前城市軌道交通車輛主要采用電制動與空氣制動系統(tǒng)結(jié)合的形式來對車輛進行減速和停車，空氣制動系統(tǒng)作為最后的安全保障，對行車安全至關(guān)重要?？諝庵苿酉到y(tǒng)自1869年美國人喬治威斯汀豪斯成立西屋公司并開始應(yīng)用以來，雖一直在不斷完善，但其結(jié)構(gòu)原理基本上變化不大，仍然大量使用了各種閥類產(chǎn)品[1，2]。如目前幾大空氣制動供應(yīng)商的主流產(chǎn)品架控平臺，除了制動控制模塊（Brake Control Unit，BCU）為各供應(yīng)商各自開發(fā)以外，都應(yīng)用了大量的其他閥類產(chǎn)品，涉及球閥（截斷塞門，帶電觸點截斷塞門等）、減壓閥、單向閥、溢流閥、差壓閥、高度閥、解鉤電磁閥等。這些閥類產(chǎn)品形狀各異，接口多樣。以截斷塞門為例，其安裝形式分為管式和面板式安裝兩種：接口尺寸和通徑。管式安裝有G1/4、G1/2、G3/4、G1等，板式截斷塞門有DN8、DN10、DN20等多種口徑。如此多的種類和不同的接口形式，大幅增加了檢修的工作量。僅以管式安裝的球閥為例，在對其進行架修維護過程時，經(jīng)過清理拆解，更換密封件并組裝完成以后，需要進行功能和泄漏測試；測試之前需要將球閥先連接到測試設(shè)備，一般是采用與球閥適配接口的螺紋接頭加快插軟管的形式，這種方式需要手動將兩頭的螺紋接頭旋入球閥，再采用扳手將其擰緊以保證接頭與球閥接合面的密封，測試完以后需要將兩個螺紋接頭旋出，同時還需要檢查球閥螺紋的完整性以及有無異物遺留；整個過程繁瑣，耗時，且存在較多的風(fēng)險[3，4]，例如：測試工裝多次使用磨損后可能損壞球閥螺紋，可能帶入異物造成內(nèi)部密封面密封失效，緊固接頭時球閥沒有固定，可能造成操作者受傷等等。

此外，對其他閥件進行測試時，由于各閥件的接口、尺寸、形狀、工作原理和參數(shù)性能各不相同，針對每一個產(chǎn)品都需要定制一套特殊的測試工具、測試設(shè)備，測試過程也需要人員全程參與操作和記錄，占用大量的工時，且重復(fù)勞動也容易產(chǎn)生疲勞，容易造成測試結(jié)果人為失誤。

為此，本文基于對各種閥類產(chǎn)品的接口和功能特點進行分析，針對性地設(shè)計了快速拆裝的工裝接口，以減少測試時的拆裝工作量，并通過微機控制系統(tǒng)對各閥類的例行測試過程實現(xiàn)自動控制，最終通過自動測試來提升了作業(yè)效率。

1 綜合測試系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計綜合測試系統(tǒng)的目的是采用一臺通用的設(shè)備，通過更換接口工裝的方式，實現(xiàn)對各種閥類產(chǎn)品的快速拆裝，并實現(xiàn)例行測試的自動控制以節(jié)約工時、降低操作者工作強度。方案如下：根據(jù)各種閥件的安裝接口特性，將其大致分為管式和面板式安裝兩類；分別針對這兩種接口設(shè)計快拆形式的測試工裝，以減少裝拆的工作量，同時采用自動測試的方式減少測試過程的人工操作。

1.1 管式安裝的閥類部件測試工裝設(shè)計

針對管式安裝的閥類部件，如球閥（截斷塞門）、差壓閥等，其氣路接口均為一進一出設(shè)計，且在同一直線上，區(qū)別在于螺紋尺寸和兩端間距，為此設(shè)計了一個帶快拆接頭的氣動夾具，通過氣缸驅(qū)動，在測試時將閥類部件夾在兩個快拆接頭之間。以球閥為例設(shè)計的管式閥類測試工裝如圖1所示。管式閥類測試工裝由底座、固定夾具、活動夾具、氣缸、快換接頭等部件組成。使用時，操作者將對應(yīng)口徑的快換接頭安放到夾具上，然后打開氣缸控制閥使氣缸推動活動夾具，將被測閥件固定在兩個快換接頭之間。氣路連接則通過快換接頭中間的氣路通道來實現(xiàn)，具體如圖2所示。

圖1 管式閥類部件測試工裝

圖2 管式閥類部件測試工裝內(nèi)部氣路示意

如圖2所示，外部氣口分別設(shè)置在固定夾具和活動夾具上，快換接頭設(shè)計成一端采用不同的尺寸以分別適配G1/4、G3/8、G1/2、G3/4、G1等多種接口的管式閥件。其另一端與兩個夾具之間則設(shè)計為統(tǒng)一的直插式接口，采用O型圈對端面進行密封，這樣可以實現(xiàn)在測試不同的閥類部件時快速更換；氣路連接則通過兩個夾具上的進氣口和出氣口，經(jīng)快換接頭與被測閥類部件連接。

1.2 面板式安裝的閥類部件測試工裝設(shè)計

面板式安裝的閥類部件，如溢流閥、單向閥、面板式截斷塞門、停放電磁閥等，它們部件形狀各異，大小尺寸各不相同，氣路接口的通徑和位置也完全不一樣，但仍有以下共同的特點：

（1）氣路接口均為一進氣口一出氣口的兩位兩通（單向閥、溢流閥和差壓閥等）或者一進氣口一出氣口和一個排氣口的兩位三通（截斷塞門、減壓閥和停放電磁閥等）。

（2）氣路接口均位于同一個平面上。

基于上述特點，面板式安裝的閥類部件測試工裝設(shè)計成通用底座和針對每種閥單獨設(shè)計的特殊接口板組合的形式，底板固定在測試臺上與測試臺的氣路相連，接口板則采用手動快拆的方式安裝到底板上負責(zé)連接被測閥類部件。針對不同的閥更換不同的接口板，底座上僅提供進氣口和出氣口兩個氣路連接，當(dāng)需要測試帶排氣功能的閥件時，可以通過在接口板上的排氣口進行排氣。這樣可僅采用一套測試裝置滿足各種不同接口的面板式閥類部件的測試需求?；谝陨纤枷耄O(shè)計的溢流閥和截斷塞門測試工裝方案如圖3所示。

圖3 面板式安裝閥類部件測試工裝

1.3 測試過程優(yōu)化

測試過程采用自控系統(tǒng)來自動進行檢測和判斷，以減少測試過程中的工作量。

根據(jù)各閥類產(chǎn)品的實際使用功能，測試內(nèi)容可分為以下幾大類：

（1）連通和斷開狀態(tài)檢測以及泄漏情況：球閥（截斷塞門）、單向閥、停放電磁閥和解鉤電磁閥等。其具體功能為：

球閥功能：手動轉(zhuǎn)動操作手柄到導(dǎo)通位，氣路導(dǎo)通；手動轉(zhuǎn)動操作手柄到截止位，氣路截斷。

單向閥功能：氣流正向流動時氣路導(dǎo)通，氣流逆向流動時氣路截斷。

停放電磁閥功能：緩解電磁閥得電，將氣路導(dǎo)通；施加電磁閥通電，將氣路截止并排空后端壓縮空氣。

解鉤電磁閥：通電導(dǎo)通，斷電截止并排空后端壓縮空氣。

（2）連通和斷開狀態(tài)檢測以及泄漏情況，設(shè)定值檢查：差壓閥、溢流閥、減壓閥等。具體功能為：

差壓閥功能：控制兩個輸入壓力之間的壓力差值，當(dāng)一端的壓力值與另一端的壓力值之差大于設(shè)定值時，高壓端對低壓端進行充氣。

溢流閥功能：當(dāng)輸入壓力大于設(shè)定值時氣路導(dǎo)通，輸入壓力值小于設(shè)定值時氣路截止。

減壓閥功能：對輸出壓力根據(jù)使用需求進行設(shè)定，當(dāng)輸入壓力大于設(shè)定值時后端壓力始終等于設(shè)定值。

為了在一套測試系統(tǒng)滿足以上兩種測試模式，系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4所示，內(nèi)部配置中，“控制及檢測器件”用于被測閥件對上下游的壓力及逆行調(diào)節(jié)和檢測；“0.75L風(fēng)缸”用于模擬工作容積以便于進行泄漏測試；“工控機”內(nèi)部安裝有專用的測試程序來控制測試流程和采集數(shù)據(jù)；“顯示器”用于輸入輸出測試條件和測試結(jié)果。當(dāng)被測閥件被快速夾具裝夾到試驗臺以后，工控機開始控制內(nèi)部的電磁閥，調(diào)壓閥等對測試氣路充氣，并通過上下游的壓力傳感器對輸入輸出壓力值進行監(jiān)測并按照預(yù)先設(shè)定的判據(jù)進行比較，判斷功能、設(shè)定值、泄漏量等參數(shù)指標是否符合要求。

1.4 綜合測試系統(tǒng)

結(jié)合前文提到的用于兩種接口（管式和面板式安裝）的測試工裝，設(shè)計了一套綜合測試系統(tǒng)，內(nèi)部包含兩套完全一樣的氣路結(jié)構(gòu)（圖5），可以分別對這兩類閥件進行自動測試。裝配完成的試驗臺實物如圖6所示，其測試過程如下（以球閥測試為例）：

圖5 氣路原理圖

圖6 試驗臺圖片

（1）將球閥安裝到測試工裝，使進氣口與輸出1相連，出氣口與輸出2相連，并采用氣缸固定以后，激活測試系統(tǒng)中的自動測試程序，輸入對應(yīng)的序列號、產(chǎn)品名稱、所屬項目等必要信息以后，即可開始自動測試。

（2）測試程序控制T2電磁閥閉合，將控制壓力接入到J2使球閥輸出端氣路斷開。

（3）測試程序控制P1比例閥將壓力調(diào)節(jié)到900 kPa，再控制V1電磁閥閉合，此時壓力將被連接到輸出1口進入球閥。當(dāng)球閥處于導(dǎo)通狀態(tài)時，氣壓將進入輸出2口。

（4）此時球閥前端和后端的1L風(fēng)缸都將充入900 kPa的壓力，U1和U2兩個壓力傳感器將實時檢測并記錄當(dāng)前的壓力數(shù)值。

（5）測試程序在一定時序以后控制T1電磁閥閉合，將控制壓力接入到J1使球閥輸入端氣路斷開，此時球閥前后兩端以及兩個1L風(fēng)缸處于保壓狀態(tài)。

（6）測試程序?qū)崟r記錄U1和U2兩個壓力傳感器數(shù)值，在保壓一定的時間后對導(dǎo)通狀態(tài)的球閥的泄漏性能進行判斷。

（7）測試程序?qū)⑻嵝褱y試人員將球閥手柄轉(zhuǎn)動到截止狀態(tài)，再控制T1電磁閥斷開，使得J1導(dǎo)通對球閥氣路再次進行充氣。

（8）重復(fù)之前的保壓過程，記錄U1和U2兩個壓力傳感器數(shù)值，判斷球閥的截斷功能是否有效，截斷以后前端是否存在泄漏。

（9）將之前的測試數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果輸出成電子文檔并打印報告。

至此，測試完成，以上測試過程對球閥的通斷功能和2種狀態(tài)下的泄漏進行了檢測，并自動輸出報告。

2 結(jié)語

通過對地鐵車輛制動系統(tǒng)各種閥類產(chǎn)品的安裝接口和具體功能特點的分析，結(jié)合當(dāng)前主流的微機控制理念，設(shè)計了一種采用快速安裝且可以實現(xiàn)自動測試的綜合測試系統(tǒng)，并將其付諸實踐，在多個項目的實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

采用上述綜合測試系統(tǒng)以后，經(jīng)實際操作對比測算，各類閥件的測試工時比之前節(jié)約30%以上。仍以球閥為例，一列6節(jié)編組的地鐵車輛，僅各種通徑的球閥就有約40個，采用之前的人工測試方法，每一個的測試耗時約12 min（包含連接管路，手動操作，測試保壓，填寫報告等等），而使用此綜合測試系統(tǒng)以后耗時僅8 min，對于一列車僅球閥一項就最多可以節(jié)約出160 min的工時，大大提高了作業(yè)效率。此外，采用這一套綜合測試系統(tǒng)可以減少測試工裝的種類，減少了工具工裝的損耗，降低了勞動強度，避免了人為操作的誤差。