制動器可靠性試驗臺的研制

常程城，趙春光，韓曉輝，曹伯楠

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

制動器作為車輛基礎(chǔ)制動系統(tǒng)的核心部件，是列車黏著制動時的關(guān)鍵裝置。制動器需在車下相對復(fù)雜、惡劣的條件下保持長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此對制動器可靠性的要求極高[1-2]。基礎(chǔ)制動系統(tǒng)是列車制動系統(tǒng)中的最后一道安全保障，制動器更是基礎(chǔ)制動系統(tǒng)的核心，其安全可靠性直接影響著列車的安全運行及乘客生命安全［3］。

依據(jù)型式試驗要求，制動器需進(jìn)行疲勞試驗驗證［4］。但傳統(tǒng)的疲勞試驗臺僅可吊掛或放置制動器進(jìn)行簡單的制動、緩解試驗，無法模擬現(xiàn)車運行中的實際工況狀態(tài)，因而無法提供完全安全有效的試驗結(jié)果。

制動器可靠性試驗臺通過六自由度平臺設(shè)計，可模擬多種行車工況。試驗臺在滿足UIC（國際鐵路聯(lián)盟）疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了橫向偏移量、繞縱向、垂向轉(zhuǎn)角等試驗工況。同時，試驗臺通過友好的人機交互界面，具備制動器單缸測試能力，為新產(chǎn)品的開發(fā)和可靠性考核提供試驗手段。

1 試驗臺的組成及特點

1.1 試驗臺組成

制動器可靠性試驗臺由機械、氣動、電氣、控制4 大部分組成，如圖1 所示，可模擬列車在運行過程中，制動器相對制動盤、車輪的各種極限相對位置，并在這些極限位置狀態(tài)下進(jìn)行可靠性試驗。

圖1 制動器可靠性試驗臺總圖

機械部分主要用于模擬制動器和制動盤或車輪在試驗過程中的相對位置關(guān)系，由六自由度平臺、模擬輪、電動缸、支撐座、定位及垂直電動缸等組成。六自由度平臺通過6 臺電動缸的伸縮達(dá)到動平臺不同的位姿。制動器通過工裝固定，隨動平臺的運動而達(dá)到試驗要求的位姿。模擬輪用于模擬制動盤或車輪，配合制動器進(jìn)行試驗。定位和垂直電動缸模擬踏面單元制動器磨耗狀態(tài)及制動夾鉗單元垂向制動摩擦力狀態(tài)。

氣動系統(tǒng)由氣源處理單元、比例調(diào)壓閥、方向控制閥、氣管、氣缸等組成，用來實現(xiàn)制動器的制動、緩解及手緩解過程。試驗臺通過對壓縮空氣進(jìn)行壓力調(diào)整和流向控制，實現(xiàn)對制動器常用缸、停放缸、手緩解裝置進(jìn)行氣動控制。

電控系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)輸出的指令數(shù)據(jù)，并將其傳輸給伺服驅(qū)動器。驅(qū)動器放大信號后，控制電機運動，進(jìn)而帶動電動缸運動，并最終使平臺實現(xiàn)各種姿態(tài)及軌跡運動。

控制系統(tǒng)控制伺服電機接收指令，并驅(qū)動電動缸實現(xiàn)試驗臺的機械運動。控制系統(tǒng)具備友好的人機交互界面，可直觀、迅速地對試驗臺進(jìn)行制動功能控制和氣路壓力調(diào)整，并實時顯示氣路壓力、試驗進(jìn)程及試驗工況姿態(tài)等，方便試驗人員操作和確定試驗狀態(tài)。

1.2 UIC 541-01 標(biāo)準(zhǔn)簡 介

UIC 541-01 標(biāo)準(zhǔn)，是國際鐵路聯(lián)盟頒布的，有關(guān)空氣制動器用制動缸或裝置認(rèn)證和使用的一般條件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氣動制動缸和制動單元相關(guān)設(shè)計、制造、測試和認(rèn)證的要求。

UIC 541-01 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，制動器疲勞試驗需分3 個階段循環(huán)進(jìn)行試驗，分別模擬摩擦副無磨損狀態(tài)、半磨耗狀態(tài)和全磨耗狀態(tài)。每個循環(huán)階段共施加3 703 次制動缸動作試驗、370 次停放缸動作試驗和11 次手緩解試驗操作，重復(fù)上述循環(huán)90次，共進(jìn)行100 萬次制動缸動作試驗，10 萬次停放缸動作試驗和3 000 次手緩解試驗［5］。

上述3 個階段中，各階段90%的試驗次數(shù)采用100% 額定工作壓力，10% 的試驗次數(shù)采用120%的額定工作壓力。并且規(guī)定，50% 的次數(shù)制動器不傾斜，40% 的次數(shù)制動器繞縱向軸傾斜±1°，10% 的次數(shù)繞縱向軸傾斜±2.5°。另外，3 000 次手緩解功能測試，既可以在上述循環(huán)中進(jìn)行，也可以單獨進(jìn)行。

1.3 試驗臺特點

制動器可靠性試驗臺基于六自由度平臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，可滿足制動器繞試驗臺縱向軸（方向如圖2 所示）進(jìn)行最大限度±2.5°范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動要求。同時，試驗臺氣動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)可實現(xiàn)100% 額定和120% 的額定工作壓力技術(shù)要求，控制系統(tǒng)可監(jiān)控試驗進(jìn)程，并進(jìn)行試驗計數(shù)和反饋，使試驗臺滿足UIC 541-01 有關(guān)制動器疲勞試驗要求。

圖2 制動器可靠性試驗臺坐標(biāo)圖

同時，考慮到制動器在實際應(yīng)用過程中還存在橫向偏移及繞垂向軸傾斜等工況，基于六自由度平臺機械結(jié)構(gòu)，將試驗位置工況擴(kuò)展到可進(jìn)行橫向位移±10 mm 范圍移動、繞垂向軸±1°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在UIC 541-01 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了制動器疲勞試驗工況范圍，使制動器更貼近實際車輛運行狀態(tài)的工況下進(jìn)行可靠性試驗。

進(jìn)一步地，試驗臺的垂向電動缸設(shè)計，可模擬列車制動時，制動夾鉗單元和制動盤之間的垂向摩擦力。定位電動缸設(shè)計，可模擬踏面單元制動器磨耗到限制動狀態(tài)，使制動器可靠性試驗更貼近列車運行實際工作狀態(tài)，使試驗結(jié)果更具有實際意義。

2 試驗臺機械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 六自由度平臺組成

六自由度平臺由動平臺、6 臺伺服電動缸、6 套支座組件和靜平臺組成。

6 臺伺服電動缸組件是六自由度平臺運動驅(qū)動的核心元件。6 臺伺服電動缸系統(tǒng)通過軟件、硬件傳遞控制信號，控制伺服電機實現(xiàn)對電動缸的控制，實現(xiàn)六自由度平臺準(zhǔn)確調(diào)整到所需工況位置。

機械結(jié)構(gòu)的上、下平臺分別是動平臺和靜平臺。6 臺伺服電動缸組件通過6 組支座組件分別安裝在動平臺和靜平臺上，構(gòu)建出試驗臺機械結(jié)構(gòu)的整體。

6 組支座組件均采用雙聯(lián)十字軸結(jié)構(gòu)形式，具有承載能力強、擺動角度大、配合間隙小、維護(hù)保養(yǎng)方便等特點。動平臺上設(shè)計有連接接口，可滿足不同試件的安裝需求，僅需通過工裝將試件與動平臺進(jìn)行螺栓緊固即可。靜平臺是試驗臺機械結(jié)構(gòu)的安裝基礎(chǔ)，是地基與設(shè)備連接的中間紐帶，保障設(shè)備平穩(wěn)安全運行。試驗臺機械系統(tǒng)總圖如圖3 所示。

圖3 試驗臺機械系統(tǒng)總圖

2.2 模擬輪組成

模擬輪組件可適用于踏面單元和制動夾鉗2種類型的制動器，采用分體式設(shè)計，由輪基座、輪軸、輪軸座、踏面、閘片調(diào)節(jié)板、支撐座及垂直電動缸等組成，如圖4 所示。踏面和輪基座組合可滿足踏面單元制動器的試驗。閘片調(diào)節(jié)板通過更換結(jié)構(gòu)形狀相似但尺寸規(guī)格不同的多組工裝，模擬閘片不同磨損工況下的制動夾鉗單元可靠性試驗。支撐座是整個模擬輪組件的支撐底座。垂直電動缸用來模擬垂向摩擦力，與輪基座通過銷軸連接，另一端與靜平臺通過支座連接。模擬輪組件在電動缸的驅(qū)動下，在支撐座上移動、轉(zhuǎn)動，到達(dá)合適試驗位置。輪基座是閘片調(diào)節(jié)板及踏面的固定基座，在閘片調(diào)節(jié)板或踏面固定好后，輪基座可以繞輪軸轉(zhuǎn)動。輪軸是踏面單元制動器試驗過程的主要受力件。輪軸座是輪軸的安裝座，可承受夾鉗因位姿變化而引起的扭轉(zhuǎn)力矩。輪軸座的底部通過法蘭與導(dǎo)軌滑塊連接，可模擬車輪沿試驗臺縱向平移。

圖4 模擬車輪組件總圖

2.3 定位缸組成

定位缸組件由定位電動缸、定位缸底座組件和緩沖裝置組成，如圖5 所示，其作用是滿足不同工況下踏面單元制動器的試驗。

圖5 定位缸組件總圖

在試驗過程中，定位電動缸可通過伸縮活塞桿推動模擬車輪達(dá)到不同的工況位置，以滿足制動器與車輪合適的相對位置。定位缸底座組件是將定位缸的力傳遞給動平臺的唯一部件，同時也是避免動平臺運動對定位缸破壞的關(guān)鍵部件。在踏面單元制動器試驗過程中，制動器對踏面有沖擊作用，長時間不間斷的沖擊會對電動缸及平臺產(chǎn)生不利影響，因此定位缸組成設(shè)計有緩沖裝置，盡可能地消耗試驗過程中的沖擊能量，最終有效地保護(hù)其他零部件。

3 試驗臺氣動系統(tǒng)設(shè)計

制動器可靠性試驗臺的氣路系統(tǒng)需實現(xiàn)3 個制動功能，即空氣制動、停放制動和手緩解功能。同時，空氣制動和停放制動需具備壓力可調(diào)功能，并實時采集試驗氣壓壓力。

整個氣動系統(tǒng)，在通過氣源處理單元后分為3路，分別通往制動器的常用制動缸、停放制動缸及手緩解缸。整個氣路氣源的通斷可以通過氣源處理單元中的手動開關(guān)閥來控制。氣路原理如圖6所示。

圖6 制動器可靠性試驗臺氣路系統(tǒng)圖

3.1 制動缸和停放缸動作試驗支路

在制動缸和停放缸動作試驗過程中，通過比例調(diào)壓閥對相應(yīng)支路的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。制動器的制動缸和停放缸所在支路都采用了2 位三通閥對相應(yīng)缸的動作實施控制。在試驗過程中，可以通過方向控制閥后的單向流量控制閥調(diào)節(jié)制動器的作動速度，同時可以在界面上觀測壓力變送器傳回來的各支路壓力。

3.2 手緩解支路

手緩解支路采用了2 位五通閥對動作進(jìn)行控制，同時可以通過該支路中的調(diào)壓閥對氣缸輸出力進(jìn)行調(diào)節(jié)。手緩解缸選用行程可調(diào)的小型氣缸，可以滿足不同制動器的手緩解行程。2 位五通閥上安裝的排氣節(jié)流閥可以調(diào)節(jié)缸的作動速度，以便滿足試驗需求。

每種制動器手緩解拉繩都可能不一樣，所以選用了行程可調(diào)的氣缸。可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)氣缸的調(diào)節(jié)螺母和手緩解拉繩接頭來調(diào)整行程。

更換不同型號的手緩解拉繩時，可先松開鎖緊螺母1，根據(jù)需要調(diào)整調(diào)節(jié)螺母到合適位置，然后擰緊鎖緊螺母1。同時松開鎖緊螺母2，調(diào)節(jié)拉繩支架到合適位置，再擰緊鎖緊螺母2，完成整個拉繩支架位置的固定。手緩解執(zhí)行機構(gòu)組成如圖7 所示。

圖7 手緩解執(zhí)行機構(gòu)組成

4 試驗臺控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)組成主要分為3 部分，分別是軟件、電控和機械部分，如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)組成圖

軟件部分主要包括用戶界面程序、伺服算法程序、運動參數(shù)設(shè)置程序等。用戶界面程序采用高級語言編寫，人機界面友好，可接收外部的指令，使平臺根據(jù)報文指令隨動。

電控部分接收控制系統(tǒng)輸出的指令數(shù)據(jù)，并將其傳輸給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器將信號放大后控制電機運動，帶動電動缸運動，最終使平臺實現(xiàn)各種姿態(tài)及軌跡運動。

機械部分用于支撐負(fù)載。動平臺由電動缸驅(qū)動，進(jìn)行橫滾、偏移、俯仰3 個姿態(tài)和3 個方向的平移，共六個自由度的運動。

4.2 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)采用PLC 系統(tǒng)，選用EtherCAT 總線型伺服驅(qū)動器。控制系統(tǒng)的流程如圖9 所示，主控制器（PLC）接收到有關(guān)平臺運動參數(shù)的指令后，經(jīng)過空間運動模型變換，反解運算，補償運算，得出6 臺電動缸的伸長量，通過總線傳遞給驅(qū)動器，由驅(qū)動器內(nèi)部控制器得到信息并驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，電動缸按照指令伸縮，平臺亦運行到指定姿態(tài)。而安裝在電動機上的編碼器實時檢測出電動機的力矩、速度、位置信息并發(fā)送到驅(qū)動器，構(gòu)成電動缸閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實時精確地控制各電動缸的伸長量，同時信息傳輸給微型控制器，微型控制器通過正解運算，計算出平臺實時姿態(tài)，實時調(diào)整平臺姿態(tài)，以作為下次動作指令的參考，以確保控制精度。

圖9 控制系統(tǒng)作用原理圖

4.3 控制軟件界面

試驗臺軟件操作界面根據(jù)功能和操作方法共分為3 個子界面，分別是可靠性標(biāo)準(zhǔn)測試、可靠性手動測試和單缸測試。

可靠性標(biāo)準(zhǔn)測試界面主要應(yīng)用于按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行的可靠性試驗，如圖10 所示。試驗前，可根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)選擇UIC 541-01 有關(guān)制動器可靠性試驗的標(biāo)準(zhǔn)，或是選擇更加嚴(yán)格的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗。在確定標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)一步選擇制動器類型，配合工裝確定模擬盤的磨損狀態(tài)。準(zhǔn)備就緒后，試驗臺按照標(biāo)準(zhǔn)流程開始100 萬次的多工況可靠性試驗。試驗過程中，會出現(xiàn)更換模擬盤磨損狀態(tài)的彈窗，手動更換工裝后，可繼續(xù)試驗，如此循環(huán)至試驗結(jié)束。試驗過程中，操作人員可通過實時記錄確定當(dāng)前試驗狀態(tài)。

圖10 可靠性標(biāo)準(zhǔn)測試界面

可靠性手動測試界面應(yīng)用于臨時性可靠性試驗，如圖11 所示。當(dāng)試驗需要模擬制動器在制動過程中某一工況時，可通過手動測試界面讓試驗臺運轉(zhuǎn)到指定工況狀態(tài)。同時手動測試界面集成了所有可能發(fā)生的制動器制動功能，可在試驗前任意調(diào)整操作制動試驗測試順序，并可以更改制動器制動缸、停放缸和手緩解裝置的充、排氣順序，為新開發(fā)產(chǎn)品試驗提供幫助。

圖11 可靠性手動測試界面

單缸測試界面用于測試制動器的性能，如圖12 所示。可手動對制動器制動缸、停放缸和手緩解裝置輸入不同數(shù)值的氣壓壓力，進(jìn)行制動器單缸功能測試。同時，界面也可以實現(xiàn)六自由度平臺的手動位置調(diào)整，也可以對制動時的垂向摩擦力進(jìn)行設(shè)置。

圖12 單缸測試界面

5 結(jié) 論

制動器多工況可靠性試驗臺在能夠滿足UIC（國際鐵路聯(lián)盟）疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了制動器多種工況的模擬功能，能夠在不同摩擦副磨損狀態(tài)、制動器橫移量、繞縱向轉(zhuǎn)角、繞垂向轉(zhuǎn)角等條件下進(jìn)行疲勞試驗，有效地提高了制動器試驗?zāi)M狀態(tài)，使試驗更加貼近實際使用情況，進(jìn)而獲得更加真實、準(zhǔn)確、有效的測試結(jié)果。