鐵路貨車制動缸彈簧微控試驗臺設(shè)計與應(yīng)用

袁立福+趙金輝

摘 要：隨著貨物貨車提速與重載的全面實施，貨車制動故障越來越引起鐵路運營部門的關(guān)注。制動系統(tǒng)是鐵路貨車的重要組成部分，緩解彈簧作為制動缸的關(guān)鍵部件，又直接影響制動缸的制動性能，影響到鐵路的行車安全。為了提高制動缸緩解彈簧試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及真實性，提高試驗的自動化程度，減輕工人的勞動強(qiáng)度，研制了鐵路貨車制動缸彈簧微控檢測試驗臺，通過微機(jī)對制動缸緩解彈簧進(jìn)行性能檢測，提高檢測精度和檢修效率。

關(guān)鍵詞：貨車；制動缸彈簧；微控；實驗臺

中圖分類號：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.目前國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

隨著貨物貨車提速與重載的全面實施，貨車制動故障越來越引起鐵路運營部門的關(guān)注。

制動系統(tǒng)是鐵路貨車的重要組成部分，是鐵路貨物運輸秩序和安全的重要保障。鐵路貨車制動系統(tǒng)是一個工作過程非常復(fù)雜、專業(yè)性很強(qiáng)的系統(tǒng)，制動缸作為制動系統(tǒng)關(guān)鍵部件，它的性能優(yōu)劣直接影響鐵路行車安全。緩解彈簧作為制動缸的關(guān)鍵部件，又直接影響制動缸的制動性能，影響到鐵路的行車安全。

《鐵路貨車制動裝置檢修規(guī)則》（鐵運[2008]15號）3.7.1.3.3條規(guī)定，在制動缸緩解彈簧的檢修工藝過程中，對制動缸的彈簧檢測提出了嚴(yán)格的性能指標(biāo)要求。

目前，鐵路車輛段對制動缸分解后無專用彈簧檢修試驗設(shè)備，對制動缸緩解彈簧的性能檢測，仍使用手工檢測的方式，試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、真實性較差，無法準(zhǔn)確判斷制動缸彈簧質(zhì)量。不利于數(shù)據(jù)的存儲與追溯，不便于管理。

2.試驗臺技術(shù)方案

2.1總體設(shè)計方案（圖1）

2.2微控試驗臺組成

2.2.1設(shè)計原則

（1）滿足各種型號制動缸緩解彈簧的檢測；

（2）依據(jù)《制規(guī)》要求檢測；

（3）能夠進(jìn)行自動檢測；

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動存儲和數(shù)據(jù)查詢。

2.2.2微控彈簧試驗臺組成

本檢測試驗臺主要由主機(jī)、微機(jī)及控制柜和主控軟件組成。

主機(jī)包括主體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)和安全保護(hù)裝置等。

主機(jī)機(jī)身采用門式結(jié)構(gòu)，主機(jī)框架通過力學(xué)有限元分析，框架的剛度和強(qiáng)度得到充分保證。傳動系統(tǒng)采用零間隙滾珠絲杠副，保證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和耐久性，主機(jī)框架應(yīng)用四根導(dǎo)向立柱導(dǎo)向，保證了框架的剛性。

驅(qū)動系統(tǒng)采用日本富士交流伺服電機(jī)及調(diào)速器。

傳動系統(tǒng)由同步齒形帶、精密滾珠絲杠副及導(dǎo)向部分等組成。

負(fù)荷測量控制系統(tǒng)由高精度負(fù)荷傳感器、測量放大器、A/D 轉(zhuǎn)換、開關(guān)電源等組成；位移測量控制系統(tǒng)由光電編碼器、倍頻整形電路、計數(shù)電路等組成。通過各種信號處理，實現(xiàn)計算機(jī)顯示、控制及數(shù)據(jù)處理等功能。

安全保護(hù)裝置包含過載保護(hù)、橫梁極限位置保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、前后安全防護(hù)門、彈簧軸向定位等。

微機(jī)采用主流配置臺式主機(jī)和17寸觸摸顯示器，配備鍵盤、鼠標(biāo)和品牌打印機(jī)。

主控軟件用于微機(jī)控制制動缸彈簧試驗機(jī)對各種型號制動缸緩解彈簧進(jìn)行試驗。該軟件可用于WinXP、Win7等多種操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)手動控制、自動試驗功能。試驗完畢后自動保存數(shù)據(jù)。該主控軟件可以根據(jù)用戶反饋信息不斷進(jìn)行完善，升級。

2.3系統(tǒng)主要功能

（1）數(shù)據(jù)交互功能：微控試驗臺在試驗完畢后自動將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，在制動缸進(jìn)行試驗之前，制動缸試驗臺主控程序會讀取微控彈簧試驗臺存儲的試驗數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，給出最終的檢測結(jié)果。這樣就使兩個試驗環(huán)節(jié)完美地銜接起來，使制動缸的檢測更具系統(tǒng)性，減少了人為的干預(yù)，檢測結(jié)果更加真實、嚴(yán)謹(jǐn)。

（2）自動對盤功能：當(dāng)上、下壓盤之間的實際距離與計算機(jī)軟件界面顯示數(shù)值不同時，需執(zhí)行自動對盤功能來對位移進(jìn)行對零。

（3）自動試驗功能：建立好試驗方案和試驗批次，并且配置好試驗速度和試驗次數(shù)后，點擊開始按鈕可自動進(jìn)行試驗，并保存試驗結(jié)果。

2.4試驗主機(jī)設(shè)計

2.4.1主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)《鐵路貨車制動裝置檢修規(guī)則》中表3-19的數(shù)據(jù)，制動缸緩解彈簧在檢測過程中所能達(dá)到的最大負(fù)荷為3060N，選用5000N的負(fù)荷傳感器即可滿足試驗需求。

負(fù)荷傳感器安裝位置選擇：負(fù)荷傳感器的位置有兩個選擇，即安裝至上壓盤或下壓盤。安裝至下壓盤有3個明顯的缺點：

（1）在檢測時，彈簧和定位軸套是放在下壓盤上的，彈簧和定位軸套放上去后就會產(chǎn)生負(fù)荷，在每次試驗開始時都必須對負(fù)荷進(jìn)行清零；

（2）傳感器放置在下壓盤上容易發(fā)生磕碰和沖擊，造成傳感器損壞；

（3）維修空間不如放置在上壓盤上充足。綜上所述，將負(fù)荷傳感器安裝在上壓盤處。

被測彈簧的內(nèi)徑在100mm～110mm，外徑在120mm～130mm，高度在498mm～665mm，由于外形尺寸和最大負(fù)荷均較大，采用單臂式結(jié)構(gòu)在壓縮過程中容易發(fā)生偏壓現(xiàn)象，不安全。綜合考慮以上情況，主機(jī)采用門式結(jié)構(gòu)，使用大型加工中心加工，保證精度。主體結(jié)構(gòu)外部采用鈑金件進(jìn)行覆蓋，簡潔美觀。

試驗主機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)三維圖紙如圖2所示。

2.4.2驅(qū)動、傳動系統(tǒng)設(shè)計

試驗主機(jī)的驅(qū)動、傳動系統(tǒng)主要部件如下：伺服電機(jī)及伺服系統(tǒng)、減速機(jī)、傳動帶輪、齒形帶、滾珠絲杠副等。傳動系統(tǒng)簡圖如圖3所示。

2.4.3結(jié)構(gòu)方面的安全防護(hù)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)方面的安全防護(hù)設(shè)計主要設(shè)計3個方面。

（1）增加前后安全防護(hù)門；

（2）設(shè)計彈簧軸向定位套；

（3）橫梁位置的上、下限位。

后安全門固定于門式結(jié)構(gòu)立柱上，前安全門能夠以單側(cè)為軸旋轉(zhuǎn)，在門的中間部位開口并嵌入透明有機(jī)玻璃，以方便操作者觀察。endprint

在試驗過程中，由于彈簧的壓縮量比較大，如果出現(xiàn)壓偏打滑現(xiàn)象非常危險，為此設(shè)計了彈簧軸向定位套，主要有兩個作用：

（1）實現(xiàn)彈簧軸向定位，使彈簧在每次試驗時能夠正好在壓盤的中心部位；

（2）定位軸套底部的邊沿可以罩在下壓盤上，防止壓縮過程中的側(cè)滑。

定位軸套簡圖如圖4所示。

為了試驗主機(jī)本身的安全考慮，橫梁的移動范圍必須受到可靠限制，否則會出現(xiàn)傳感器損壞的情況。為此，在設(shè)計過程中增加了橫梁位置的上、下位置限位功能，通過限位開關(guān)實現(xiàn)。當(dāng)橫梁運動到設(shè)置好的極限位置時，就會觸動限位開關(guān)，整機(jī)斷電，實現(xiàn)對試驗主機(jī)的機(jī)械保護(hù)。

3.關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

本微控彈簧檢測試驗臺采用了成熟技術(shù)和先進(jìn)的設(shè)計理念，與其他同類產(chǎn)品相比具有一定的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，完全滿足可行性研究報告各項技術(shù)要求。微控試驗臺技術(shù)特點如下：

3.1微控試驗臺主機(jī)采用富士交流伺服電機(jī)和伺服器，橫梁能夠以（0.05-500）mm/min的速度上下移動，速度連續(xù)可調(diào)；傳動系統(tǒng)采用同步齒形帶和精密滾珠絲杠，橫梁位移控制通過光電編碼器采集，數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確。

3.2全自動試驗流程：設(shè)備具有全自動檢測功能，選擇自動檢測功能后，設(shè)備按《制規(guī)》要求自動完成檢測過程，檢測結(jié)束后自動保存數(shù)據(jù)。自動給出測試結(jié)論：合格和不合格，具備歷史數(shù)據(jù)的查詢和打印。

3.3微控試驗臺實現(xiàn)了自動對盤功能。

3.4微控試驗臺實現(xiàn)了高速逼近，低速采集的功能，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

3.5微控試驗臺具有多重保護(hù)功能：

（a）過載保護(hù)功能可以在檢測系統(tǒng)過載超負(fù)荷運轉(zhuǎn)情況下自動停機(jī)，有效的保護(hù)系統(tǒng)；

（b）橫梁極限位置保護(hù)功能可以在橫梁移動超出設(shè)定高度范圍后自動停機(jī)，有效的保護(hù)傳感器；

（c）具有過電流、過電壓、超速保護(hù)功能。

3.6微控試驗臺具有雙重安全防護(hù)功能：

（a）配置前后安全門，將彈簧試件與操作者隔開，防止試件破裂對操作者造成傷害；

（b）配置彈簧試件定位軸套，防止試件在壓縮過程中由于受力不均彈出傷人。

4.現(xiàn)場應(yīng)用及效果

本設(shè)備于2016年通過了北京鐵路局科委組織的專用設(shè)備技術(shù)審查，已在北京局多個車輛段使用，經(jīng)過使用認(rèn)為該設(shè)備具有如下特點：

（1）設(shè)備采用精密機(jī)械、交流伺服、傳感器、計算機(jī)自動控制等技術(shù)，自動檢測操作流程設(shè)計合理，操作方便、性能可靠、效率高。

（2）填補(bǔ)了該類設(shè)備的空白，能實現(xiàn)對Ф10、Ф11、Ф12等3種規(guī)格制動缸緩解彈簧的性能參數(shù)的精確檢測、自動判別，工作效率高、自動化程度高。解決了目前我段制動缸分解后無專用彈簧檢測設(shè)備，無法準(zhǔn)確判斷制動缸彈簧質(zhì)量的工藝難題。

（3）設(shè)置了彈簧超載保護(hù)、升降極限位置保護(hù)、過電流、過電壓、超速保護(hù)以及安全門、彈簧軸向定位套等防護(hù)功能，具有較強(qiáng)的安全保護(hù)措施。

（4）操作控制、管理軟件設(shè)計合理可靠、動作正確、操作便捷，便于精確控制和安全操作，可一次完成彈簧自動檢測，能通過對彈簧檢測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)曲線的分析，可快速、直觀地發(fā)現(xiàn)故障、失效彈簧。

結(jié)語

采用微機(jī)控制技術(shù)，本設(shè)備通過采用交流伺服技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)實現(xiàn)了貨車制動缸緩解彈簧性能指標(biāo)參數(shù)的精確檢測，數(shù)據(jù)自動采集、自動判別、準(zhǔn)確可靠，提高了工作效率，減輕了勞動強(qiáng)度，保證了貨車行車安全，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

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