踏面制動單元測試系統(tǒng)試驗臺設(shè)計

俎文凱，張慶，茍清炳

(1. 南京理工大學，江蘇 南京 210094； 2. 常州南車鐵馬科技實業(yè)有限公司，江蘇 常州 213125)

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踏面制動單元測試系統(tǒng)試驗臺設(shè)計

俎文凱1，張慶1，茍清炳2

(1. 南京理工大學，江蘇 南京 210094； 2. 常州南車鐵馬科技實業(yè)有限公司，江蘇 常州 213125)

摘要：踏面制動單元是空氣制動系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，直接影響車輛的行車安全。因此需要對其進行強度試驗、泄露試驗、調(diào)整量試驗、制動力試驗等多項性能測試，由于試驗種類繁多，過程復雜，為了降低操作人員工作強度，提高試驗效率，重要的是增加試驗數(shù)據(jù)的可靠性、準確性，設(shè)計此測試系統(tǒng)以提高試驗的自動化程度。闡述了此測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、功能以及氣動控制、電氣控制和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：列車；踏面制動單元；試驗臺；氣動；數(shù)據(jù)采集

0引言

踏面制動又稱閘瓦制動，是空氣制動的一種，以壓縮空氣為動力，制動缸活塞推力，經(jīng)制動杠桿將閘瓦壓緊車輪踏面，通過閘瓦與車輪踏面的機械摩擦，把列車動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟⒂诖髿庵校a(chǎn)生制動力。踏面制動單元直接影響車輛的運行安全，因此踏面制動單元在裝車前都要經(jīng)過嚴格的調(diào)整量、氣密性以及制動力的測試，并且需要定期對制動單元進行各項性能的檢測，測試與檢測過程試驗種類繁多，試驗過程繁瑣。為了使試驗數(shù)據(jù)更精確，并提高試驗的可操作性，提高測試及檢測效率，從而設(shè)計此測試系統(tǒng)試驗臺。此試驗臺可實現(xiàn)不同型號踏面制動單元的綜合性能測試，其擁有對制動缸和彈簧缸(停放缸)的兩路測試，因此對帶有彈簧缸的踏面制動單元，亦可輕松完成其綜合性能測試。

1功能

1.1踏面制動單元強度試驗

將踏面制動單元安裝在試驗臺上，閘瓦間隙為10mm，將制動單元充風到0.8MPa，在制動位保壓10s后排風緩解，記錄在試驗過程中踏面制動單元緩解是否正常，有無異常現(xiàn)象發(fā)生。

1.2帶停放踏面制動單元強度試驗

閘瓦間隙為10mm，將制動單元充風至0.8MPa±10kPa，然后將彈簧制動器充風至1.2MPa，在制動位保壓20s后先使制動單元排風緩解，然后使彈簧制動器排風，制動單元處于停放制動狀態(tài)。記錄在此過程中踏面制動單元的緩解狀態(tài)，有無異常現(xiàn)象發(fā)生。

1.3常用制動泄漏試驗

將制動單元分次充風至0.08MPa，0.6MPa后切斷氣源，保壓5min，分別記錄制動單元壓力降。

1.4彈簧制動器泄漏試驗

將彈簧制動器分次充風至0.08MPa，0.45MPa后切斷氣源，保壓5min，分別記錄彈簧制動器壓力降。

1.5手動緩解試驗

閘瓦間隙為10mm，向彈簧制動器內(nèi)充入壓力空氣0.48MPa，然后排風，待停放彈簧產(chǎn)生制動后，用力拉手動緩解手柄，記錄由制動到緩解過程。

1.6一次間隙調(diào)整量試驗

一次間隙調(diào)整量測試應(yīng)在閘瓦托退出30mm~80mm范圍內(nèi)進行，在緩解狀態(tài)下把閘瓦托調(diào)至最短位置，選取測量參考點Y，此時測量閘瓦托與參考點Y的距離L1；向制動單元充風，待閘瓦托完全伸出后，測量閘瓦托與參考點Y的距離L3；在排風，閘瓦托順利退回后，此時測量閘瓦托與參考點Y的距離L2。每充、排風一次即可得到一個L2與L1的差值，即為一次間隙調(diào)整量，L3與L1的差值即為一次制動閘瓦最大行程。

在0.45MPa壓縮空氣的條件下，進行一次間隙調(diào)整量試驗。

1.7緩解間隙X試驗

緩解間隙X測試應(yīng)在閘瓦托退出30mm~80mm范圍內(nèi)進行，按試驗2.6測得的L3與L2的差值即為緩解間隙X。

在0.45MPa壓縮空氣的條件下，進行緩解間隙試驗。

1.8總調(diào)整量試驗

在常用制動緩解條件下，將閘瓦托跳到最短位置，選取測量參考點Y，測量閘瓦托與參考點Y的距離L1，使制動單元反復充、排氣，當閘瓦托推出量不再增加時，在緩解狀態(tài)下測量閘瓦托的距離L4，L4與L1的差值即為總調(diào)整量。

在0.45MPa壓縮空氣的條件下，進行總調(diào)整量試驗。

1.9彈簧制動器行程試驗(制動單元處于無風壓狀態(tài))

調(diào)整調(diào)節(jié)螺母使閘瓦托到初始行程位，將彈簧制動器充風至0.6MPa，然后排風，進行制動、緩解，記錄各零部件的移動是否平穩(wěn)，有無卡滯，一次停放制動的閘瓦托行程值。

1.10常用制動閘瓦壓力測試(彈簧制動器處于緩解位)

調(diào)整閘瓦間隙為10±1mm，制動單元內(nèi)風壓分次充至0.3MPa，0.4MPa，0.5MPa，觀測壓力測試結(jié)果，緩解。記錄測試結(jié)果。

1.11停放制動壓力測試(制動單元處于無風壓狀態(tài))

調(diào)整閘瓦間隙為10±1mm，向彈簧制動器內(nèi)充風至0.48MPa，然后把風排空，觀測壓力測試結(jié)果。記錄停放制動壓力的測試結(jié)果。

2試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

此踏面制動單元測試系統(tǒng)試驗臺由測試主機和操作控制臺兩部分組成，測試主機是試驗臺的執(zhí)行部分，通過操作控制臺可控制測試主機對踏面制動單元進行各項性能測試。

試驗臺主機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

主機分為兩個部分：床身10以及電器柜11，床身尺寸：2250×830×670，床身兩邊分別焊接4個筋板，可承受踏面制動單元10t的制動推力，其用于安放各種機械裝置，依靠螺栓固定在電器柜之上，電器柜尺寸：2100×700×600，電磁閥、比例閥、換向閥等氣路裝置和壓力傳感器、多功能數(shù)據(jù)采集卡等數(shù)據(jù)采集裝置以及繼電器板等電控裝置均安裝固定在電器柜之中，氣動元件與電控裝置分裝在電器柜兩邊。

1—防護網(wǎng)罩；2—安裝板；3—踏面制動單元；4-假輪；5—直線軸承；6—位移傳感器；7-壓力傳感器；8—電磁制動電機；9—齒輪箱；10—床身；11-電氣柜圖1　試驗臺主機結(jié)構(gòu)簡圖

床身上主要有以下幾個部件：防護網(wǎng)罩1可以保護操作人員不受意外傷害；踏面制動單元3用螺栓固定在安裝板2上，通過絲杠帶動安裝板的移動可實現(xiàn)踏面制動單元的橫向位移調(diào)節(jié)；假輪4用以模擬車輪，試驗時用卡舌固定在閘瓦托上跟隨閘瓦托一起運動；位移傳感器6實時測量閘瓦位移，其與另一個位移傳感器共同測算踏面制動單元的緩解間隙以及調(diào)整量；壓力傳感器7固定在齒輪箱9的輸出軸上，其作用為測量踏面制動單元的制動力；電磁制動電機8為驅(qū)動裝置，其與齒輪箱共同完成踏面制動單元閘瓦間隙的調(diào)節(jié)。通過鼠標操作試驗面板分別對制動單元的制動缸和彈簧缸進行充風排風可實現(xiàn)對不同型號踏面制動單元的性能測試。

3氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

試驗臺的氣動控制系統(tǒng)主要由氣源、過濾器、比例閥、球閥、電磁閥、換向閥、壓力傳感器等組成，通過工控機控制多功能數(shù)據(jù)采集卡輸出A/D信號控制電磁閥的動作來改變氣路，從而實現(xiàn)對踏面制動單元的充風、排風。氣路控制系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2　氣路簡圖

氣路控制系統(tǒng)共有4條氣路：2路控制彈簧缸動作、1路控制制動缸動作、1路控制防護罩動作。由于彈簧缸需要測試充風至1.2MPa下的強度，而比例閥所調(diào)控范圍為0.1~0.9MPa，因此將控制彈簧缸的氣路分為兩路，一路由減壓閥設(shè)定為固定氣壓值：1.2MPa，一路經(jīng)由比例閥調(diào)控，調(diào)控范圍：0.1~0.9MPa。需要測試高壓下強度時將氣路切換至1.2MPa。其他試驗將經(jīng)比例閥調(diào)至設(shè)置氣壓，氣路的選擇及氣壓的調(diào)節(jié)均由系統(tǒng)根據(jù)所選擇試驗自動輸出A/D信號，控制電磁閥的動作實現(xiàn)氣動球閥的轉(zhuǎn)向，最終實現(xiàn)對氣路的選擇。氣壓的調(diào)節(jié)是一個反饋調(diào)節(jié)的過程。防護罩的開閉由左右兩個氣缸共同推動。

4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

試驗臺采用NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221來對數(shù)據(jù)進行采集以及實現(xiàn)工控機對試驗臺的控制。其包括2路模擬輸出，16路模擬輸入，24路數(shù)字I/O線，可實現(xiàn)對2個比例閥的控制，對4個氣壓傳感器、2個拉壓力傳感器、2個位移傳感器的數(shù)據(jù)采集，以及對電磁閥、繼電器板等進行開關(guān)量控制。電氣控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)簡圖

通過多功能數(shù)據(jù)采集卡的AO口輸出0~10V直流電壓控制比例閥調(diào)節(jié)氣壓范圍0.1~0.9MPa；數(shù)據(jù)采集卡DO口輸出電壓為0V/5V，而電磁閥動作電壓為24V，因此電磁閥的控制需要增加繼電器板來進行中繼，通過數(shù)據(jù)采集卡的DO口控制繼電器板的開閉來實現(xiàn)電磁閥的動作。同時，電磁制動電機的運轉(zhuǎn)也通過繼電器板來控制繼電器實現(xiàn)(繼電器通220V交流電)。數(shù)據(jù)的采集由數(shù)據(jù)采集卡的AI口實現(xiàn)，采集到的數(shù)據(jù)上傳至工控機進行處理后在顯示窗口顯示。

5試驗測試控制軟件設(shè)計

試驗測試控制軟件采用labview8.6編寫，其優(yōu)點是可利用計算機強大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件。在操作時，用戶只需通過鼠標或鍵盤來操作軟面板，就可實現(xiàn)檢驗儀器的通信和操作。具有可視化強，編程簡單，操作靈活方便的優(yōu)點。

測試控制軟件的操作流程如圖4所示。

圖4　操作流程圖

試驗時先打開試驗軟件，選擇試驗類型，進行試驗參數(shù)設(shè)置，進行試驗，制動缸試驗和彈簧缸試驗分開操作，方便快捷。在試驗界面右部以試驗報告形式顯示試驗數(shù)據(jù)，一目了然。試驗數(shù)據(jù)以踏面制動單元編號為名稱保存，方便查詢。軟件界面如圖5所示。

圖5　軟件界面

制動缸操作面板進行制動缸試驗，有彈簧缸的制動單元做彈簧缸試驗時使用彈簧缸操作面板，計時區(qū)域在需要保壓時進行計時操作，位移控制面板進行閘瓦間隙調(diào)整，手動緩解采集面板進行手動緩解試驗。

6結(jié)語

踏面制動單元測試系統(tǒng)試驗臺是集氣動控制與電氣控制于一體的試驗設(shè)備，只需要將被試踏面制動單元按試驗要求安裝好后，操作人員即可操縱鍵盤和鼠標，通過微

機試驗程序在短時間內(nèi)完成踏面制動單元的各項性能檢測試驗。試驗臺結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，裝卸方便，試驗軟件操作簡單，試驗數(shù)據(jù)準確，極大地減輕了現(xiàn)場工人的勞動強度，提高了工作效率。高精度的壓力傳感器、 位移傳感器、比例調(diào)壓閥及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保證了試驗檢測結(jié)果的準確、 穩(wěn)定、可靠，試驗數(shù)據(jù)的自動化處理大大提高了踏面制動單元出廠驗收及檢修作業(yè)的管理水平，是踏面制動單元生產(chǎn)廠家和車輛段檢修踏面制動單元必不可少的設(shè)備之一。

參考文獻:

[1] 曾旗. 踏面制動單元試驗臺簡介[J]. 鐵道車輛，2009，47(8)：32-34.

[2] 傅佩喜. 客車單元制動缸檢測系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 鐵道機車車輛，2008,28(3)：67-70.

[3] 李劍. 單元制動缸試驗臺的研制[J]. 鐵道車輛，2009，47(3)：35-37.

[4] 顧衛(wèi)東. 單元制動器微機試驗臺的研制[J]. 電力機車與城軌車輛，2005，28(3)：43-45.

[5] 劉存生. 智能型機車制動缸試驗臺的研制[J]. 電電力機車與城軌車輛，2009，32(1)：37-40.

[6] 王瑞田. 電力機車單元制動器試驗臺改進設(shè)計[J]. 機械管理開發(fā)，2009,24(6)：9-10.

[7] SMC(中國)有限公司. 現(xiàn)代實用氣動技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[8] 林靜. LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計從入門到精通[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[9] 鄭對元. 精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計[M]. 北京：清華大學出版社，2012.

[10] 董江宏. 踏面制動單元彈簧停車制動器作用原理簡介[J]. 鐵道車輛，2006,44(4)：20-21.

Design of Block Brake Units Test-bed

ZU Wen-kai1, ZHANG Qing1, GOU Qing-bing2

(1. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China;

2. CSR Changzhou Tech-mark Industrial CO.,LTD., Changzhou 213125,China )

Abstract:Block brake units is the executive mechanism of the air brake system, it directly affects the safety of the locomotive. So it needs the strength test, the leakage test, the adjusting amount test, the forcing test and so on. Because of the various tests and the complex processes, in order to reduce the work intensity of operators and improve the test efficiency, it is most important to improve the reliability and accuracy of the test data, so this testing system is designed to improve the degree of automation test. This paper describes the structure and function of the testing system and the designs of pneumatic control, electrical control and software system.

Keywords:locomotive; block brake units; test-bed; pneumatic; data acquisition

收稿日期：2015-01-06

中圖分類號：U270.35；U270.7

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0184-03

作者簡介：俎文凱(1987-)，男，河南許昌人，碩士，研究方向為機械制造及自動化。