智能化制動缸試驗臺研制

譚 杰， 余欲為，， 白旺旺， 田永成，， 康 旭，， 王蘇敬，

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

制動缸作為列車核心部件之一，是保證車輛運(yùn)行安全的重要因素之一，因此制動缸性能的檢測尤為重要，性能的好壞直接危及車輛的運(yùn)行安全,必須經(jīng)過嚴(yán)格的試驗檢測，合格后方可裝車使用。隨著中國鐵路的大力發(fā)展，交通強(qiáng)國的建設(shè)，列車在路運(yùn)行數(shù)量，以及新造列車數(shù)量都是巨大的，所以對制動缸的檢測效率和檢測精度也提出了更高挑戰(zhàn)。

智能化制動缸試驗臺是能夠有效提高制動缸檢測精度、降低工人勞動強(qiáng)度、減少勞動力、提高制動缸新造和檢修效率的有效設(shè)備，其能夠?qū)鴥?nèi)所有型號制動缸的各個試驗項點進(jìn)行完整準(zhǔn)確的自動化檢測，且能夠存儲和打印數(shù)據(jù)報告。便捷的試驗操作方式和自動化的試驗過程滿足了新形勢下制動缸高效、安全生產(chǎn)的需要。

1 制動缸技術(shù)要求及測試項點

1.1 制動缸技術(shù)要求

(1)空氣壓力測量精度：0.2%；

(2)長度測量精度：±0.1 mm；

(3)活塞桿力測量精度：±1%；

(4)實現(xiàn)自動調(diào)整止動塊位置，可調(diào)整范圍適用所有現(xiàn)有型號產(chǎn)品；

(5)止動塊位置精度±0.25 mm；

(6)彈性擋塊設(shè)計要求：彈性系數(shù)≤1 000 N/mm，預(yù)緊力1 000-200N，可壓縮量3+1mm，且彈性擋塊設(shè)計需要考慮方便后續(xù)檢驗；

(7)連接桿頭的位置精度±1 mm。

1.2 測試項點

依據(jù)制動缸試驗規(guī)范要求，測試項點為強(qiáng)度試驗、氣密性試驗、作用行程、一次伸長量、停放缸輸出力、復(fù)位機(jī)構(gòu)、總調(diào)整量、制動缸輸出力試驗。

2 制動缸試驗臺組成

制動缸試驗臺(圖1)主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成。

1-氣路系統(tǒng)；2-機(jī)械系統(tǒng)；3-控制系統(tǒng);4-電氣系統(tǒng)。圖1 智能化制動缸試驗臺總圖

機(jī)械系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)制動缸的安裝、定位、鎖緊以及提供自動化測試必備的機(jī)械結(jié)構(gòu)。主要由框架、安裝座、滑動軸承、彈性塊切換結(jié)構(gòu)、防護(hù)罩和圓轉(zhuǎn)盤等組成。

氣動系統(tǒng)是對壓縮空氣的控制系統(tǒng)，主要由過濾調(diào)壓閥、比例閥，電磁閥和反向過濾器組成。用于對常用缸、停放缸充風(fēng)、保壓和排氣，同時過濾裝置在氣路反向回流時，防止外部污染空氣進(jìn)入氣路系統(tǒng)。

電氣系統(tǒng)主要實現(xiàn)開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出。開關(guān)量輸入主要是接近開關(guān)、急停按鈕等元件，開關(guān)量輸出主要是電磁閥元件，模擬量輸入主要是角度編碼器、壓力傳感器、力傳感器、位移傳感器等元件，模擬量輸出主要是壓力比例閥元件。電氣系統(tǒng)用于對試驗過程中位移、力值、壓力等參數(shù)采集和控制，對測試數(shù)據(jù)存儲和打印。主要由一體機(jī)電腦、掃碼槍、模擬量及開關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、24 V電源、空氣開關(guān)、開關(guān)按鈕、急停按鈕、繼電器、打印機(jī)、傳感器、角度編碼器、電機(jī)等元件組成。

控制系統(tǒng)主要是指控制制動缸測試的程序，也是智能化制動缸試驗臺的大腦。

3 制動缸試驗臺系統(tǒng)設(shè)計

3.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

試驗臺采用一體化結(jié)構(gòu)方案，箱體采用型材結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布置氣路系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)安裝在箱體的頂部，一體機(jī)與3D旋轉(zhuǎn)支架連接，安裝在機(jī)械系統(tǒng)上。

3.1.1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)制動缸所要測試的項點，以及在進(jìn)行項點測試的過程中，所要實現(xiàn)的機(jī)械活動，同時考慮機(jī)構(gòu)的自動化能力，來進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計。

依據(jù)被測件結(jié)構(gòu)外形及其工作原理，設(shè)計試驗臺如圖2機(jī)械系統(tǒng)，被測件安裝座通過螺栓與底座固定，常用缸絲杠連桿與滑軌連接，滑軌用于保證制動缸在測試過程中始終處于水平平面位置，設(shè)計由兩條直線軸承導(dǎo)向，滑軌上安裝位移傳感器、力傳感器，用于采集制動缸絲杠連桿位移和力。

1-被測件安裝座；2-滑軌；3-圓轉(zhuǎn)盤；4-擋塊切換機(jī)構(gòu)。圖2 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1.2底座結(jié)構(gòu)受力分析

制動缸測試過程中，底座受力發(fā)生變形，對制動缸位移測試項點影響較為關(guān)鍵，對其進(jìn)行靜應(yīng)力分析。在被測件安裝座及擋塊切換塊處施加3 t對稱力,網(wǎng)格化采用基于曲率的網(wǎng)格，解算器使用慣性卸除，運(yùn)算后如圖3底座應(yīng)變圖所示。

圖3 底座應(yīng)變圖

根據(jù)圖3分析，在施加3 t載荷下，框架最大變形量為0.172 mm，發(fā)生在彈性切換塊位置，底座平板變形量為0.044 mm，通過分析可知，該結(jié)構(gòu)最大變形不超過技術(shù)要求長度測量精度要求，滿足技術(shù)要求。

3.1.3擋塊切換機(jī)構(gòu)和圓轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于不同的測試項點絲杠連桿位置不同，需要根據(jù)測試項點要求變換頂塊位置，同時也應(yīng)根據(jù)測試項點要求更換相應(yīng)擋塊類型，如表1制動缸測試項點表所示。

表1 制動缸測試項點表

由電磁閥控制執(zhí)行氣缸，再由執(zhí)行氣缸控制剛性塊和彈性塊兩者位置的自動切換，該擋塊切換機(jī)構(gòu)用以滿足試驗過程中的擋塊切換的自動化測試。

通過設(shè)計如圖4圓轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同長度頂塊位置變換及制動缸自動化測試。在圓轉(zhuǎn)盤上安裝不同長度的頂塊，控制系統(tǒng)給電機(jī)發(fā)出指令帶動圓轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，不同長度頂塊位置變換，編碼器采集頂塊位置信息，反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)頂塊位置的精確定位。該結(jié)構(gòu)提高了測試效率，同時提高測試過程的安全性。

3.2 氣路系統(tǒng)設(shè)計

制動缸在測試過程中由常用缸和停放缸兩路氣控制，其分別實現(xiàn)0～1.2 MPa壓縮空氣的充風(fēng)、排風(fēng)、保壓功能，根據(jù)要求設(shè)計如圖5氣動原理圖。常用缸氣路控制，按順序打開電磁閥H3、H2，常用缸充氣，所需壓力穩(wěn)定后，按順序關(guān)閉H2、H3，打開H4，實現(xiàn)對常用缸的充氣控制，通過關(guān)閉H3，打開H2、H4，實現(xiàn)對常用缸排氣控制；停放缸氣路控制，控制比例閥實現(xiàn)所需壓力輸入，按順序打開電磁閥H7、H6，停放缸充氣，所需壓力穩(wěn)定后，按順序關(guān)閉H6、H7，打開H8，實現(xiàn)對停放缸的充氣控制，通過關(guān)閉H7，打開H7、H8，實現(xiàn)對停放缸的排氣控制。在充排氣過程中，M1、M2壓力傳感器負(fù)責(zé)壓力采集，并將采集信號反饋比例閥形成閉環(huán)控制，使得輸入壓力控制更加精確。

1-編碼器；2-頂塊；3-電機(jī)。圖4 圓轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

圖5 氣動原理圖

該氣路系統(tǒng)是通過一個比例閥控制兩路氣路壓力，壓力范圍可以實現(xiàn)0～1.2 MPa無級輸入，控制過程簡單，氣路系統(tǒng)工程成本及實現(xiàn)難度小，同時也降低了氣路故障率，后期維護(hù)簡單。

3.3 電氣及控制系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合機(jī)械及氣路系統(tǒng)分析如下信號測控。

9路開關(guān)量輸出——9個電磁閥控制

2路開關(guān)量輸入——接近開關(guān)、急停按鈕

1路模擬量輸出——1個比例閥控制

6路模擬量輸入——1個位移傳感器、3個壓力傳感器、1個力傳感器、1個編碼器。

以PXI-6229為核心數(shù)控板卡+ 3槽位的3U信號調(diào)理機(jī)箱，AIAO調(diào)理板電路板可實現(xiàn)電壓信號(0～5 V、0～10 V)或電流信號(0～20 mA)的輸入輸出；DIDO調(diào)理板電路板可根據(jù)提供電源不同(DC 110 VDC 24 V)，實現(xiàn)不同的輸出信號電平，對DI信號調(diào)理部分通過調(diào)整光耦前端的分壓電阻實現(xiàn)不同電平信號的隔離和采集。

控制系統(tǒng)主要是試驗臺測控軟件，如圖6軟件測試界面，操作者通過掃碼槍快速讀取制動缸參數(shù)信息進(jìn)入試驗準(zhǔn)備，操作啟動試驗，程序依照試驗規(guī)范項點要求，按照一定的邏輯關(guān)系實現(xiàn)試驗項點的自動完成，同時操作界面具有單項試驗功能，滿足對某個試驗項點的單獨控制測試，靈活多變，操作簡單，具有良好的人機(jī)交互界面。

圖6 軟件測試界面

4 結(jié)束語

智能化制動缸試驗臺的研制成功，極大的提高了制動缸的測試效率及測試精度，使新造及檢修任務(wù)得到有效緩解。

試驗臺通過集成設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)占地面積小，節(jié)省了用地資源，提高了空間利用率。

試驗臺便捷的試驗操作方式，滿足了不同操作人員的需求，人機(jī)工程更加友好。

試驗臺能夠?qū)鴥?nèi)不同型號制動缸的全部試驗項點進(jìn)行完整準(zhǔn)確的自動化檢測，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度、減少了勞動力。