王建華

（常州科興鐵路裝備有限公司，江蘇常州 213011）

0 引言

機車單元制動器屬車輪踏面制動裝置，它以壓縮空氣為介質(zhì)，作用于車輪踏面實現(xiàn)制動各緩解的裝置，分為帶停放制動缸與不帶停放制動缸。主要由制動缸、傳動杠桿、閘瓦間隙自動調(diào)整裝置、閘瓦和閘瓦托、箱體等多個部件組成。根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，機車單元制動器在新制和修理生產(chǎn)過程中，必須在專用試驗臺上進行規(guī)定的性能測試，其試驗數(shù)據(jù)全部合格后方能裝車使用。本文闡述的測試方法主要針對機車單元制動器的常規(guī)性能測試。根椐上述要求，在機械、氣動、電氣控制和計算機自動控制等方面如何來滿足其性能測試要求進行了設(shè)計思路和設(shè)計方法的淺述，可以實現(xiàn)單元制動器各項性能數(shù)據(jù)自動采集，試驗結(jié)果自動記錄、形成試驗報表、打印試驗結(jié)果、歷史數(shù)據(jù)的查詢等。

1 總體方案

機車單元制動器出廠檢驗性能測試包括：常溫靈敏度試驗、常溫低壓氣密性試驗、常溫高壓氣密性試驗、手動調(diào)整間隙試驗、一次調(diào)整量試驗、緩解間隙試驗、總調(diào)量試驗、制動缸的制動效率試驗、停放制動缸緩解試驗、停放制動缸制動試驗、停放制動缸手動緩解試驗。

根據(jù)機車單元制動器性能測試要求，總體方案設(shè)計時主要考慮單元制動器各項性能數(shù)據(jù)的采集，制動器的安裝方式、氣動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和微機自動控制系統(tǒng)等方面?？紤]選用1個位移傳感器、2個測力傳感器和1個壓力傳感器，分別用于位移、制動力、壓縮空氣壓力等3種類型的數(shù)據(jù)的采集。

2 單元制動器安裝架設(shè)計

安裝架采用框架式結(jié)構(gòu)，主要有安裝座、右側(cè)板、拉桿、底架、可移動式測力傳感器安裝架、模擬車輪半徑的墊塊、位移傳感器安裝板及與被試件連接桿等零部件組成。在拉桿上裝有位移傳感器，針對單元制動器閘瓦托一側(cè)的右側(cè)板上裝有測力傳感器。所有零部件和被試件逐個安裝于底架上。安裝結(jié)構(gòu)緊湊、簡潔，不需做土建基礎(chǔ)。

3 氣動系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計氣動系統(tǒng)時，主要考慮的因素為：氣源的處理，壓力的控制，在做氣密性試驗時，系統(tǒng)本身不能有泄漏，回路可靠、簡單，滿足機車單元制動器各項性能測試要求等。在該系統(tǒng)中，氣源可選用工廠集中供氣或用合適的空壓機單獨供氣，供氣總壓力一般在600 kPa左右?？諝飧稍镞^濾器的作用主要是過濾掉壓縮空氣中的水分和雜質(zhì)，凈化氣源。精密調(diào)壓閥的作用是將供氣壓力調(diào)定至試驗所需的壓力。二位三通電磁換向閥的功用是改變氣體通道使氣體流動方向發(fā)生變化，從而改變氣動執(zhí)行元件的運動方向。

在系統(tǒng)末端，壓力傳感器前加裝1個無泄漏的電動球閥，主要是為了在做制動缸氣密性試驗時，切除前端氣動系統(tǒng)中二位三通閥、調(diào)壓管路系統(tǒng)等存在的泄漏量，消除其對制動缸氣密性試驗準確性的影響。氣動原理如圖1所示。

圖1 氣動原理

4 傳感器選型

綜合分析各類機車單元制動器的設(shè)計參數(shù)，其制動缸氣壓測試范圍為（0～0.8）MPa，閘瓦行程測試范圍（0～90）mm，閘瓦制動力測試范圍（0～70）kN。分析市場上現(xiàn)有的各類傳感器產(chǎn)品，對3類檢測用傳感器的選型如下。

（1）位移傳感器選用NSRDC型，其線性行程為150 mm，精度0.25%FS輸入電源電壓直流24 V，輸出信號（4～20）mA。該傳感器具有移動平滑，分辨率高，壽命長等特點，安裝方便。

（2）測力傳感器選用NS-TH5型，額定載荷5000 kg，精度0.25%FS，輸入電源電壓直流 24 V，輸出信號（4～20）mA，該變送器具有結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊力強等特點。

（3）壓力傳感器選用YMC303-P-G2A-2-A-2型，其量程為（0～1）MPa，精度 0.25%FS，輸入電源電壓直流 24 V，輸出信號（4～20）mA，該變送器具有長期穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，測量綜合精度高等特點。

5 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)能實現(xiàn)試驗結(jié)果的自動記錄，形成試驗報表，打印試驗結(jié)果，歷史數(shù)據(jù)的存儲與查詢等。同時具有手動、自動二種試驗方式：自動方式時一切均在計算機上操作，試驗數(shù)據(jù)由計算機記錄、保存并打印。手動方式時一切均在操作面板上按鈕操作，試驗數(shù)據(jù)由文本顯示器顯示，人工記錄。因此本測試系統(tǒng)電氣控制方案采用PLC和工控機組成的計算機控制系統(tǒng)。

5.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)主要有PLC、工控計算機、文本顯示器、打印機、各型傳感器組成如圖2所示。PLC作為控制系統(tǒng)的核心，對外部輸入的開關(guān)量信號以及模擬量信號進行邏輯運算和算術(shù)運算，同時接受計算機發(fā)出的指令，對外部執(zhí)行元件進行控制。這里使用的PLC除了需要開關(guān)量輸入輸出模塊（I/O）外，還需要能處理模擬量的模擬量輸入模塊（A/D）及與計算機通信接口（RS-485）。同時需可靠性高、抗干擾能力強、維護方便。例如可選用施耐德公司生產(chǎn)的Twido PLC，文本圖形顯示器配套選用施耐德公司生產(chǎn)的NEZA系列的TSX08H04M型。計算機選用時注要靠慮運行速度、靈敏度、穩(wěn)定性及抗干擾能力等方面的要求，故可選用研華工控機，它具有比普通計算機更強的I/O擴展功能，控制軟件可通過RS-232串口傳送至PLC中。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

5.2 軟件設(shè)計

通信設(shè)置：計算機和文件顯示器設(shè)定為主機（Maste），PLC設(shè)定為從機（Slave），地址為1。計算機與PLC之間，通過TSX SCP 111 PCMCIA通信卡，采用Modbus通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。

控制軟件可采用MCGS組態(tài)軟件，該軟件是一套基于windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，具有強大的數(shù)據(jù)處理功能以及動畫顯示功能，提供了計算機與PLC進行通信的驅(qū)動程序，通過串口訪問PLC的數(shù)據(jù)寄存器。利用MCGS組態(tài)軟件的開發(fā)平臺，根據(jù)測試項目要求，確定組態(tài)軟件與PLC通信的變量和各類參數(shù)，編制所需的測控程序，實現(xiàn)的主要功能有：顯示功能、管理功能、報表功能、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的控制功能等。根據(jù)需要設(shè)各種人機對話控制界面，如主控界面、試驗?zāi)M顯示界面、試驗報表顯示界面、試驗項目選擇界面、實時數(shù)據(jù)顯示界面等，在相應(yīng)的界面上設(shè)置所需的控制按鈕。

5.3 測試項目的實現(xiàn)

（1）常溫靈敏度試驗。被試件連上位移傳感器，讀取相應(yīng)位置值，打開相應(yīng)電磁閥，向制動缸充入50 kPa壓縮空氣，位移傳感器值增加，則閘瓦托組有伸出動作，關(guān)閉相應(yīng)電磁閥位移傳感器值減小，則閘瓦托組有緩解動作。

（2）常溫低壓氣密性試驗。打開相應(yīng)電磁閥，向制動缸充入100 kPa壓縮空氣，關(guān)閉電動閥，關(guān)閉二位三通電磁閥，通過壓力傳感器記錄制動缸中的起始壓力P0，保壓3 min，檢測終止壓力 P1，（P1-P0）/3 即為制動缸的泄漏量。

（3）常溫高壓氣密性試驗。打開相應(yīng)電磁閥，向制動缸充入500 kPa壓縮空氣，關(guān)閉電動閥，關(guān)閥二位通電磁閥，通過壓力傳感器記錄制動缸中的起始壓力P0，保壓3 min，檢測終止壓力P1，（P1-P0）/3 即為制動缸的泄漏量。

（4）手動調(diào)整間隙試驗。用扳手正反兩個方向轉(zhuǎn)動調(diào)速螺母，緩解間隙應(yīng)能雙向調(diào)整，動作靈活。

（5）一次調(diào)整量試驗。設(shè)閘瓦托組成相對起始位置值為X0，打開相應(yīng)電磁閥向制動缸充氣，閘瓦升出至最大時讀取位移傳感相對位置值X1，關(guān)閉相應(yīng)電磁閥閘瓦后退讀取位移傳感相對位置值X2，X2-X0即為一次調(diào)整量，X1-X0為一次最大行程。

（6）緩解間隙試驗。按上述方法，讀取閘瓦制動時相對位置X1，閘瓦緩解后的相對位置X2，X1-X2即為閘瓦緩解間隙。

（7）總調(diào)量試驗。同上述方法，設(shè)閘瓦原始位置X00開始，經(jīng)過多次制動、緩解，最后一次制動時的相對位置Xn，Xn-X0即為總調(diào)量。

（8）制動缸的制動效率試驗。打開相應(yīng)電磁閥，向制動缸充入480 kPa壓縮空氣，利用測力傳感器檢測閘瓦制動時閘瓦作用在測力傳感器上的力值。它與理論輸出力之比即為制動缸的制動效率。

（9）停放制動缸緩解試驗。打開相應(yīng)電磁閥向停放制動缸充入設(shè)計緩解壓力的壓縮空氣，單元制動器應(yīng)緩解。

（10）停放制動缸制動試驗。關(guān)閉相應(yīng)電磁閥排出停放制動缸壓縮空氣，單元制動器應(yīng)產(chǎn)生制動作用。

（11）停放制動缸手動緩解試驗。關(guān)閉相應(yīng)電磁閥排出停放制動缸壓縮空氣，單元制動器應(yīng)產(chǎn)生制動作用，拉動手動緩解裝置，單元制動器應(yīng)緩解。

5.4 PLC程序設(shè)計

根據(jù)上術(shù)測試項目動作要示，利用相應(yīng)的PLC編程語言畫出梯形圖（梯形圖略），使用與PLC對應(yīng)的編程軟件將梯形圖自動翻譯成指令程序。

6 總結(jié)

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案能滿足機車單元制動器性能測試要求，按此方法分別設(shè)計了適用于東風8B、東風11、東風4D8B以及SS9機車用的單元制動器試驗臺，投入工廠及機務(wù)段實際使用，用戶反映可靠性較高，編程、修改、維護等也較方便，效果良好。