兼容型閘調(diào)器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張昭英 張曉明 杜劍宇 孟艷紅

摘?要：本文介紹了兼容型閘調(diào)器試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)的組成及試驗(yàn)臺(tái)的功能，重點(diǎn)闡述了試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)拉伸型、壓縮性閘調(diào)器進(jìn)行性能試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，解決了以往需要針對(duì)不同類型閘調(diào)器和試驗(yàn)內(nèi)容配備對(duì)應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)的情況，減小試驗(yàn)裝置支出，提高經(jīng)濟(jì)效益和試驗(yàn)效率。性能試驗(yàn)上位機(jī)控制程序使用NI LabVIEW編寫(xiě)，通過(guò)NI OPC Serviers建立筆記本電腦與PLC的OPC通信;疲勞試驗(yàn)使用觸摸屏作為HMI與PLC通信。經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)滿足不同類型閘調(diào)器的測(cè)試需求，試驗(yàn)項(xiàng)目能正確完成，測(cè)試數(shù)據(jù)精確，具有良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：儀器儀表技術(shù);試驗(yàn)臺(tái);測(cè)控系統(tǒng);閘調(diào)器;兼容

Abstract：Introduced the mechanical system，pneumatic control system，measurement and control system and the functions of the compatible brake slack adjusters test bed，with emphasis on the design of the measurement and control system of the test bed.The test bench can be used for performance test and fatigue test of tension type and compression type brake slack adjusters，which solves the problem that the corresponding test bench should be equipped for different types of brake slack adjusters and test contents in the past，reduces the expenditure of test device，and improves the economic benefit and test efficiency.The control program of upper computer in performance test was written by NI LabVIEW，and the OPC communication between notebook computer and PLC was established by NI OPC Servers;the touch screen was used as HMI to communicate with PLC in fatigue test.It has been verified that the test bench can match the test requirements of different types of gate regulators，the test project can be completed correctly，the test data is accurate，and has good application effect.

Keywords：instrument technology;test bed;measurement and control system;brake slack adjusters;compatible

雙向閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器（以下簡(jiǎn)稱“閘調(diào)器”）[1]是鐵道貨車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的重要組成部分。在鐵道貨車制動(dòng)過(guò)程中，若閘瓦和車輪之間的間隙過(guò)大，使車輛的制動(dòng)力過(guò)小，制動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)，影響行車安全;反之若閘瓦和車輪之間的間隙過(guò)小，使車輛的制動(dòng)力過(guò)大，輪對(duì)產(chǎn)生短時(shí)滑行造成踏面擦傷[2-3]。因此閘瓦間隙發(fā)生變化時(shí)閘調(diào)器應(yīng)能自動(dòng)伸長(zhǎng)或縮短，并使制動(dòng)缸活塞行程控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，使車輛獲得合適的制動(dòng)力[4]。

閘調(diào)器試驗(yàn)根據(jù)閘調(diào)器的工作方式（拉伸式和壓縮式）和試驗(yàn)內(nèi)容（性能試驗(yàn)和循環(huán)試驗(yàn)）需要分別配備對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)[5-6]。本文設(shè)計(jì)了兼容型閘調(diào)器試驗(yàn)臺(tái)，可兼容上述試驗(yàn)臺(tái)的所有功能，減小試驗(yàn)裝置支出和占用的試驗(yàn)場(chǎng)地，提高經(jīng)濟(jì)效益和試驗(yàn)效率。

1 試驗(yàn)臺(tái)組成及功能

試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)組成。

控制柜放置于機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)，試驗(yàn)臺(tái)底部安裝萬(wàn)向輪，便于整體移動(dòng)。便攜式計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與控制柜內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)連接。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)為安裝閘調(diào)器試驗(yàn)工裝的結(jié)構(gòu)框架，由加載機(jī)構(gòu)、間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)、延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)組成，三部分機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓組裝為一個(gè)整體（圖2）。

1.1.1 加載機(jī)構(gòu)

加載機(jī)構(gòu)主要由增力結(jié)構(gòu)、制動(dòng)缸、框架、力傳感器組成。通過(guò)給制動(dòng)缸充排氣，增力機(jī)構(gòu)內(nèi)部斜塊上升、下降，帶動(dòng)閘調(diào)器的拉桿頭水平方向移動(dòng)。

采用鐵路貨車12寸制動(dòng)缸，該制動(dòng)缸能夠經(jīng)受-50℃的低溫，同時(shí)能夠經(jīng)受25萬(wàn)次的循環(huán)試驗(yàn)。由于制動(dòng)缸在600kPa壓力作用下所產(chǎn)生的推力達(dá)不到78kN的載荷數(shù)值要求，因此采用增力機(jī)構(gòu)。

增力結(jié)構(gòu)采用斜楔增力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)。

1.1.2 間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)

間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)主要由絲杠、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、框架、伺服電機(jī)、減速機(jī)、手輪組成。

自動(dòng)模式下由伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)和齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，手動(dòng)模式下通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪實(shí)現(xiàn)絲杠傳動(dòng)。

該機(jī)構(gòu)可根據(jù)所試驗(yàn)的閘調(diào)器調(diào)整安裝位置，縮減試驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)度。

1.1.3 延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)

延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)由框架三及支撐橫梁組成，用于為大尺寸閘調(diào)器試驗(yàn)時(shí)，絲杠及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位置的調(diào)整。

1.2 氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)為制動(dòng)缸充氣和排氣提供閘調(diào)器試驗(yàn)的制動(dòng)和緩解工況。

圖3為氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖，二位二通手動(dòng)球閥至開(kāi)啟位，節(jié)流閥調(diào)整至最大流量，調(diào)節(jié)過(guò)濾減壓閥至壓力如右表顯示為試驗(yàn)需要的壓力，控制三位五通電磁閥或二位三通手動(dòng)球閥充排氣，調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制制動(dòng)缸動(dòng)作速度。

1.3 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)主要由控制柜、筆記本計(jì)算機(jī)、測(cè)控程序、西門(mén)子S7-1200系列PLC、位移傳感器、載荷傳感器、壓力變送器、限位開(kāi)關(guān)、電力電纜及通信電纜等構(gòu)成。

通過(guò)人機(jī)交互調(diào)用相應(yīng)試驗(yàn)程序控制電磁閥、伺服電機(jī)的動(dòng)作及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集分析。

控制柜可嵌入機(jī)械框架內(nèi)，減小占用空間，方便整體移動(dòng)。

1.4 試驗(yàn)臺(tái)功能

試驗(yàn)臺(tái)主要為閘調(diào)器進(jìn)行性能試驗(yàn)和循環(huán)試驗(yàn)。

1.4.1 性能試驗(yàn)

拉伸式閘調(diào)器的性能試驗(yàn)包括：穩(wěn)定性、全行程伸長(zhǎng)、全行程縮短、調(diào)整精度、靈敏度、最小啟動(dòng)力、簡(jiǎn)體旋轉(zhuǎn)阻力。

壓縮式閘調(diào)器的性能試驗(yàn)包括：穩(wěn)定性、全行程伸長(zhǎng)、全行程縮短、調(diào)整精度、靈敏度、最小啟動(dòng)力、復(fù)位阻力[7-9]。

1.4.2 循環(huán)試驗(yàn)

型式試驗(yàn)項(xiàng)目中包括循環(huán)試驗(yàn)：在試驗(yàn)載荷下，調(diào)整閘調(diào)器至初始長(zhǎng)度，對(duì)閘調(diào)器重復(fù)施加、卸除試驗(yàn)載荷，每循環(huán)10次，調(diào)整螺桿伸出量增加2mm，直到試驗(yàn)調(diào)整范圍;調(diào)整螺桿伸出量縮短2mm，循環(huán)10次，達(dá)到初始長(zhǎng)度，以此往復(fù)直至施加、卸除試驗(yàn)載荷循環(huán)10萬(wàn)次后，閘調(diào)器無(wú)裂損，再進(jìn)行性能試驗(yàn)[10]。

2 主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)兼容各類型的閘調(diào)器，最大可測(cè)試行程為600mm的閘調(diào)器，試驗(yàn)臺(tái)的長(zhǎng)度根據(jù)不同的閘調(diào)器可調(diào)整。下表為試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)。

3 測(cè)控系統(tǒng)

3.1 電路設(shè)計(jì)

圖5為電路原理示意圖，AC220V經(jīng)過(guò)上電控制模塊，為筆記本計(jì)算機(jī)、觸摸屏、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器供電，開(kāi)關(guān)電源將AC220V轉(zhuǎn)換為DC24V，為PLC、位移傳感器、壓力變送器、力傳感器、限位開(kāi)關(guān)供電，西門(mén)子S7-1200系列PLC處理傳感器信號(hào)AI采集、限位開(kāi)關(guān)DI輸入、電磁閥DO控制和伺服驅(qū)動(dòng)器的DO+脈沖控制。筆記本計(jì)算機(jī)、觸摸屏、PLC通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)互相通信。

3.2 性能試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)性能試驗(yàn)采用筆記本電腦作為人機(jī)交互工具，控制程序使用NI LabVIEW編寫(xiě)，通過(guò)NI OPC Serviers建立筆記本電腦與PLC的OPC通信，讀取PLC處理的傳感器、限位開(kāi)關(guān)、控制狀態(tài)等狀態(tài)信息，下發(fā)程序控制指令。

3.2.1 主界面

圖6為性能試驗(yàn)主界面，分為菜單欄、基礎(chǔ)設(shè)置、手動(dòng)調(diào)整、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)提示、單項(xiàng)自動(dòng)試驗(yàn)幾個(gè)區(qū)域。

在基礎(chǔ)設(shè)置框中選擇被試件型號(hào)，將調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的該型號(hào)的參數(shù)，賦值到各個(gè)試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)置框中。

手動(dòng)調(diào)整框?yàn)椴僮鲉T直接控制電機(jī)動(dòng)作制動(dòng)缸動(dòng)作，此框和自動(dòng)試驗(yàn)互鎖。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)框中顯示PLC采集的各傳感器數(shù)據(jù)。

單項(xiàng)自動(dòng)試驗(yàn)選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，即可自動(dòng)完成相應(yīng)試驗(yàn)。

點(diǎn)擊菜單的選項(xiàng)，可進(jìn)入相應(yīng)的界面。

3.2.2 被試件庫(kù)管理界面

具有管理員權(quán)限的用戶可進(jìn)入該界面對(duì)被試件參數(shù)進(jìn)行編輯。

該界面左側(cè)表格中顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中已保存的被試件參數(shù)，雙擊其中的一行自動(dòng)賦值至相應(yīng)屬性框，數(shù)據(jù)庫(kù)將根據(jù)操作員按下的按鈕進(jìn)行相應(yīng)操作。

3.2.3 報(bào)表查詢界面

在該界面選擇查詢篩選條件后，點(diǎn)擊查詢按鈕，表格中顯示符合條件的數(shù)據(jù)。勾選需要的記錄，若點(diǎn)擊導(dǎo)出報(bào)表按鈕，對(duì)應(yīng)記錄的報(bào)表將以Excel格式保存在程序?qū)?yīng)路徑的報(bào)表文件夾下;若點(diǎn)擊打印報(bào)表按鈕，對(duì)應(yīng)記錄的報(bào)表將直接打印。

3.2.4 標(biāo)定界面

具有管理員權(quán)限的用戶，可在該界面對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的傳感器進(jìn)行標(biāo)定、顯示數(shù)字量輸入狀態(tài)、控制數(shù)字量輸出、控制電機(jī)輸出。

PLC框中顯示PLC采集的原始值、當(dāng)前的系數(shù)和零點(diǎn);修正值框中修正值將根據(jù)對(duì)應(yīng)更改的零點(diǎn)和系數(shù)變化，按下保存標(biāo)定值按鈕后，修正值框中的零點(diǎn)和系數(shù)將至數(shù)據(jù)庫(kù)并下發(fā)至PLC。

3.3 疲勞試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

疲勞試驗(yàn)采用觸摸屏作為人機(jī)交互工具，控制程序使用TIA Portal編寫(xiě)，登錄、標(biāo)定、試驗(yàn)設(shè)置、試驗(yàn)主界面。

結(jié)語(yǔ)

兼容型閘調(diào)器試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)拉伸型、壓縮性閘調(diào)器進(jìn)行性能試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。目前，該試驗(yàn)臺(tái)已在中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證（青島）車輛檢驗(yàn)站有限公司使用，經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)滿足不同類型閘調(diào)器的測(cè)試需求，試驗(yàn)項(xiàng)目能正確完成，測(cè)試數(shù)據(jù)精確，具有良好的應(yīng)用效果。

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作者簡(jiǎn)介：張昭英（1987—?），女，漢族，福建三明人，碩士，工程師，主要從事軌道車輛部件測(cè)試設(shè)備開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)研究工作。