動車組制動系統氣動部件可靠性試驗臺

陳 藍，孫棟棟，張 寶

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

可靠性指產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力（國家標準GB／T 3187－1994）。可靠性試驗是為了測定、分析、驗證和提高產品的可靠性而進行的試驗，是對產品進行可靠性驗證、分析和評價的一種手段。通過對試驗結果進行統計分析得出零部件的可靠性指標，同時對試驗中的故障樣品進行分析，找出其薄弱環節，采取改進措施，提高產品的可靠性［1］。

氣動部件在制動系統中有著廣泛的應用，其工作性能的優劣直接影響著整個制動系統的品質，對構成系統的部件的使用壽命進行評估在為制動系統的可靠性提供保障方面有重要的意義［2］。目前CRH動車組的最高運營速度已達350km／h，制動系統各氣動部件的安全可靠對行車安全至關重要。氣動部件大多以耗損性失效為主，其故障與零部件的連接、維修、使用方式密切相關，它的可靠性建模很困難，因此有必要以試驗的方式來評估產品的可靠性水平［3］。在裝車運營之前，對各種氣動部件進行充分的可靠性試驗，通過持續大量的執行動作，發現各部件可能出現的疲勞失效現象，進而以此為依據對結構、材料、工藝等進行優化完善，以確保氣動部件工作時絕對可靠。氣動部件可靠性試驗臺正是為滿足這一要求而開發的試驗平臺。

1 試驗對象

試驗對象可分為4類：電磁閥、氣控閥，減壓閥和防滑排風閥。

2 系統組成

試驗臺可分為電氣部分、氣動部分和機械部分。電氣部分主體為一臺PLC，直接控制電磁閥和防滑排風閥的先導壓力通斷，此外也對閥島電磁線圈的通斷電進行控制。氣動部分主體為一臺閥島，氣控閥先導壓力和減壓閥入口壓力的通斷均由閥島控制，該閥島通過相應的端口與PLC連接，受PLC控制；機械部分采用標準工業鋁型材，角鋁工裝、自鎖滾輪和承重地腳用于支撐試驗臺各設備及閥類產品的安裝。

2.1 電氣部分

電氣控制部分為一臺PLC，主要完成閥的動作輸出計數和顯示功能，方案選定為西門子200系列PLC，帶文本顯示器以顯示當前的狀態。每次關機之后能自動存儲次數，再次開機后能繼續計數。系統中將輸出分為8組，每組可控制8個輸出，其中第8組為6個輸出，每組輸出配備4只SSR模塊及快恢復放電管。每個輸出根據端子接線表與相對應的電磁閥、防滑排風閥或閥島電磁線圈進行連接。系統結構示意圖見圖1。

圖1 系統結構示意圖

2.2 氣動部分

由風缸、塞門、調壓閥、管路、快插接頭和一臺FESTO閥島組成。

風缸為試驗臺保證穩定供風。塞門可在需要的情況下切斷風缸與總風或者風缸與閥的連接，調壓閥的作用是保證某些閥的壓力不能過高，快插接頭的作用是能夠快速切斷或導通單個閥的風源，實現對閥的快速拆裝，而不用中斷整個試驗進程。

閥島為FESTO VTSA型閥島，共有7個線圈，每個線圈控制兩個供風口的通斷，供風口通過管路與氣控閥的先導口和減壓閥的進風口相連接。為了保證進風壓力充足穩定，采取每個閥島供風口對應一個氣控閥先導口或者一個減壓閥進風口的連接方式。

氣控閥試驗原理圖見圖2，閥島電磁線圈控制一個供風口并向一個氣控閥先導口供風。減壓閥試驗原理圖見圖3，閥島電磁線圈控制一個供風口并向一個減壓閥進風口供風。電磁閥試驗原理圖見圖4，電磁閥由總風向進風口直接供風，控制內先導風通斷的電磁線圈由PLC控制。防滑排風閥試驗原理圖見圖5，先由調壓閥將總風壓強降至500kPa后再進入進風口，控制內先導風通斷的電磁線圈由PLC控制。

圖2 氣控閥試驗原理圖

2.3 機械部分

試驗臺的主體框架由標準工業鋁型材搭建，底部安裝4個自鎖滾輪和2個支撐地腳，用于支撐試驗臺的全部質量。當試驗臺需要移動時，將地腳升起，推動試驗臺可以自由移動。當試驗臺需要固定時，將滾輪鎖死，并將地腳落下用于支撐試驗臺的主要質量。

圖3 減壓閥試驗原理圖

圖4 電磁閥試驗原理圖

圖5 防滑排風閥試驗原理圖

試驗臺上端固定閥類產品部分共分6層，分為左右兩大部分，左邊位置主要用來安裝電磁閥，其電磁頭的管線被埋藏在鋁型材的暗槽中與PLC相連。右邊位置主要用來安裝氣控閥，減壓閥和防滑排風閥，相應的氣路管線與裝在背板上的快插接頭相連。

在閥的安裝方式上，自身有安裝孔的閥通過T形螺母和內六角螺釘直接固定在鋁型材橫梁上，無安裝孔的閥通過角鋁、螺釘頂絲等工裝將其固定在橫梁上，圖6為試驗臺實物。

3 試驗方法

每只閥在進行可靠性試驗之前都會進行性能測試并記錄初始參數。列裝試驗臺后，根據試驗規范設定的動作頻率進行試驗，每只閥要求的動作次數從100萬次到5 000萬次不等。人工定時檢查閥的動作情況，閥在動作達到規定檢測次數時，會暫停進行性能測試，測量得到的新參數與初始參數進行比較來檢驗閥性能的變化。試驗過程中如發現故障（如閥開閉功能失靈、漏泄超過規定值等現象），立刻取下閥進行拆解，查找，分析原因并拍照記錄，必要時修改閥的設計、工藝及加工方法，最終優化閥的性能參數，保證氣動部件的可靠穩定［4］。

圖6 試驗臺實物

4 故障簡要分析

圖7、圖8是兩個故障案例。可靠性試驗動作次數已經超過200萬次，期間個別氣動部件出現了失效現象，主要表現在先導腔呼吸口漏風，電磁頭排風口漏風，閥體各口通斷失效等方面，而引起的原因主要是閥體內部各部件之間的偏磨和彈簧疲勞導致彈性不足。這些故障現象在出廠測試中是很難發現的。這些寶貴的試驗數據對于優化氣動部件設計，保證制動系統安全可靠具有非常重要的意義。

圖7 閥門硫化組件表面的偏磨

圖8 動作50萬次時發生斷裂的回位彈簧

5 結束語

介紹了自主研制的氣動部件可靠性試驗臺的系統構成和工作原理，根據規范文件，運用不同方法，對高速動車組制動系統的氣動部件進行了大規模可靠性試驗。對不同閥類產品進行了有針對性的測試，記錄了大量數據和試驗現象，通過分析試驗過程中出現的失效現象，對產品進行了優化，改進后的部件在性能和壽命上都明顯提高。這些試驗數據為完善產品設計提供了依據，也為制動系統可靠性研究奠定了基礎。

［1］董錫明.軌道列車可靠性，可用性，維修性和安全性（RAMS）［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］劉棣斐，唐志勇，裴忠才，等.氣動電磁換向閥恒定應力加速壽命試驗［J］.機床與液壓，2010，（13）：26－29.

［3］王孝延，吳萌嶺.城市軌道交通單元制動器可靠性研究［J］.城市軌道交通研究，2010，（11）：52－53.

［4］楊偉君.疲勞試驗規范 TKD600－00－00－00PF［R］.中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，2010.