制動(dòng)缸性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

時(shí)云霄

（眉山中車制動(dòng)科技股份有限公司，四川 眉山 620010）

旋壓密封式制動(dòng)缸是貨車基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，通過空氣分配制閥的指令制動(dòng)缸完成充排氣，從而達(dá)到將閘瓦貼緊和離開車輪目的，產(chǎn)生制動(dòng)和緩解的作用。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到我國(guó)各型鐵路貨車上。制動(dòng)缸性能滿足工況要求，動(dòng)作穩(wěn)定可靠是鐵路車輛安全的保障，為保證新造產(chǎn)品性能質(zhì)量，適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)品批量化生產(chǎn)的要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了制動(dòng)缸性能試驗(yàn)臺(tái)。

1 制動(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)介紹

制動(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)主要由行程控制機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)臺(tái)柜體、氣動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)五個(gè)部分組成，其主要結(jié)構(gòu)及外觀如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)柜體作業(yè)布局按照50%成年人體尺寸為依據(jù)設(shè)計(jì)外形尺寸，在滿足電器部件安裝的基礎(chǔ)上做到人機(jī)友好。氣動(dòng)系統(tǒng)包括儲(chǔ)風(fēng)缸、氣缸、壓力表、電磁閥、傳感器、減壓閥等氣動(dòng)元件；電控系統(tǒng)包含PLC、觸目屏、打印機(jī)、直流電源、A/D模塊、按鈕和指示燈；人機(jī)交互系統(tǒng)由PLC控制程序、觸目屏程序及界面構(gòu)成。

圖1 試驗(yàn)基本結(jié)構(gòu)

2 工作原理

根據(jù)國(guó)家鐵路局2015年最新頒布的TB/T2838《鐵道車輛旋壓制動(dòng)缸》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，一方面，為滿足車輛使用過程中的各種工況，其性能應(yīng)滿足，向制動(dòng)缸內(nèi)充氣，30kPa之前能動(dòng)作，80kPa活塞應(yīng)達(dá)到全行程，排空制動(dòng)缸后活塞應(yīng)完全復(fù)位的感度試驗(yàn)；以及通過φ3的孔向制動(dòng)缸內(nèi)分別充入80kPa和600kPa壓縮空氣，分別在125mm、155mm及全行程的6個(gè)狀態(tài)下氣密性試驗(yàn)，保證泄漏量在控制范圍內(nèi)。

試驗(yàn)臺(tái)采用精密減壓閥控制,將3個(gè)儲(chǔ)風(fēng)缸穩(wěn)定輸出30、80和600kPa風(fēng)源，通過電磁閥控制向制動(dòng)缸內(nèi)輸入不同壓力空氣進(jìn)行穩(wěn)定、保壓。通過壓力傳感器采集制動(dòng)缸壓力值，反饋回PLC進(jìn)行計(jì)算判定合格與否。另一方面，行程控制機(jī)構(gòu)由4個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸，氣缸帶動(dòng)不同厚度擋板組合來(lái)達(dá)到不同規(guī)格制動(dòng)缸3種行程的控制。

3 電氣原理設(shè)計(jì)

為適應(yīng)工業(yè)化批量生產(chǎn)的要求，操作者裝夾好制動(dòng)缸后，通過觸摸屏在試驗(yàn)界面錄入產(chǎn)品流水編號(hào)，PLC控制程序通過控制電磁閥進(jìn)行充、排氣和行程擋板組合，對(duì)A/D模塊返回的制動(dòng)缸壓力計(jì)算壓力變化值。

PLC將過程信息和自動(dòng)判斷結(jié)果反饋顯示在觸摸屏，并且能將試驗(yàn)結(jié)果打印出來(lái)。

在PLC和觸摸屏的選型從經(jīng)濟(jì)性和使用穩(wěn)定性、可靠性方面，以及從氣路原理輸入輸出點(diǎn)數(shù)上考慮選用PLC為FX2N-48MR，模擬量輸入模塊為FX2N-4A/D，觸摸屏GP2500-SC41-24V。該方案可使試驗(yàn)臺(tái)具備商品化、布局緊湊、使用穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)缸充排氣、活塞行程的控制，控制氣路主要分為3個(gè)部分。一是風(fēng)源部分，分別是儲(chǔ)風(fēng)缸、80kPa風(fēng)缸、30kPa風(fēng)缸和行程控制擋板風(fēng)源；二是制動(dòng)缸充排氣部分，主要有三個(gè)壓力充氣閥、排氣閥、指針壓力表開啟閥及壓力傳感器。80kPa和600kPa充氣為24V二位三通常閉電磁閥。30kPa充氣及緩解排氣閥為二位三通常閉氣控閥，用二位三通電磁閥作為先導(dǎo)閥以使電磁閥閥芯能正常開閉。壓力傳感器測(cè)量范圍0～1MPa，輸出信號(hào)為4～20mADC；三是行程擋板控制部分，由4個(gè)二位五通電磁閥控制氣缸來(lái)帶動(dòng)不同組合的擋板。

4 柜體及行程控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）試驗(yàn)臺(tái)柜體設(shè)計(jì)為1750×1200×1750mm一體式，整體性好。其操作面板尺寸設(shè)計(jì)引用GB10000年齡在18～60歲范圍的中國(guó)成年人男性，百分位為50的人體數(shù)據(jù)，站姿下眼高1568mm，肘高1024mm，手功能高741mm、上臂長(zhǎng)313、前臂長(zhǎng)237、肩寬375。結(jié)合根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)關(guān)于立姿操作有利于工作區(qū)域及方向的建議。

壓力表具地面高度以眼高1568mm取為1570mm，工作臺(tái)面高度750mm、按鈕高度1040mm、觸摸屏高度1285mm。

（2）行程控制機(jī)構(gòu)框架以槽鋼焊接而成，試驗(yàn)使用軌道小車運(yùn)送至工位進(jìn)行性能試驗(yàn)，框架工位可同時(shí)試驗(yàn)兩套制動(dòng)缸。

為確保試驗(yàn)強(qiáng)度安全可靠，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

制動(dòng)缸輸出力F=PS

P為制動(dòng)缸最大壓力600kPa；S為制動(dòng)缸活塞最大面積，直徑356mm（14英寸）。

制動(dòng)缸最大輸出力

焊接結(jié)構(gòu)的框架由材料為Q235的10號(hào)槽鋼拼接成空心柱后對(duì)接成龍門型框架，主要考慮其焊接強(qiáng)度，每根拼接空心柱的對(duì)接焊縫長(zhǎng)度為392mm。

F為制動(dòng)缸最大輸出力，兩套制動(dòng)缸同時(shí)試驗(yàn)作用在空心柱上的拉力為29846N；δ為槽鋼壁厚取5.3mm。

5 控制程序設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)操作顯示主要由GP2500觸摸屏完成，人錄入信息發(fā)出指令，設(shè)備反饋試驗(yàn)過程中的時(shí)間、壓力、進(jìn)程等信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互。操作人員通過選擇制動(dòng)缸規(guī)格進(jìn)入試驗(yàn)主界面。選擇制動(dòng)缸規(guī)格，PLC程序自動(dòng)控制行程機(jī)構(gòu)的擋板組合，以調(diào)整適應(yīng)8、10、12和14英寸制動(dòng)缸不同總長(zhǎng)度。

各項(xiàng)信息錄入完整后點(diǎn)擊執(zhí)行，先對(duì)各電磁閥及PLC內(nèi)部繼電器進(jìn)行復(fù)位，再逐項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

6.1 產(chǎn)品試驗(yàn)

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，漏泄檢測(cè)較手動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)精度提升，判定結(jié)果正確（如圖2）。

圖2 產(chǎn)品試驗(yàn)記錄

6.2 試錯(cuò)試驗(yàn)

為驗(yàn)證試驗(yàn)程序邏輯正確性及設(shè)備安全性，進(jìn)行了漏泄產(chǎn)品試驗(yàn)和中途異常停電試驗(yàn)兩項(xiàng)測(cè)試。人為制造漏泄產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果為不合格；中途異常停電后，各電磁閥按設(shè)定實(shí)現(xiàn)了復(fù)位，制動(dòng)缸壓縮空氣排出，重新上電后存儲(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)由于停電保持得以恢復(fù)，PLC程序內(nèi)部繼電器、計(jì)數(shù)器等重置，試驗(yàn)程序正常運(yùn)用。

6.3 試驗(yàn)效率

采用快速裝夾接頭，一次試驗(yàn)2套制動(dòng)缸，試驗(yàn)過程無(wú)需人工干預(yù)，單臺(tái)試驗(yàn)完成時(shí)間24分鐘，1臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)單班產(chǎn)能達(dá)到32臺(tái)。

7 結(jié)語(yǔ)

通過采用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制制動(dòng)缸不同工作壓力的輸出和不同行程狀態(tài)的調(diào)整，進(jìn)行氣密性等試驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果的判定，達(dá)到了快速試驗(yàn)、消除人為誤判、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。目前，試驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)用5年多，累計(jì)試驗(yàn)交出合格產(chǎn)品10萬(wàn)多套，確保了鐵路貨車制動(dòng)缸性能可靠，車輛運(yùn)行安全。