譚 杰， 余欲為，， 白旺旺， 田永成，， 康 旭，， 王蘇敬，

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)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(dòng)缸作為列車(chē)核心部件之一，是保證車(chē)輛運(yùn)行安全的重要因素之一，因此制動(dòng)缸性能的檢測(cè)尤為重要，性能的好壞直接危及車(chē)輛的運(yùn)行安全,必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)檢測(cè)，合格后方可裝車(chē)使用。隨著中國(guó)鐵路的大力發(fā)展，交通強(qiáng)國(guó)的建設(shè)，列車(chē)在路運(yùn)行數(shù)量，以及新造列車(chē)數(shù)量都是巨大的，所以對(duì)制動(dòng)缸的檢測(cè)效率和檢測(cè)精度也提出了更高挑戰(zhàn)。

智能化制動(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)是能夠有效提高制動(dòng)缸檢測(cè)精度、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少勞動(dòng)力、提高制動(dòng)缸新造和檢修效率的有效設(shè)備，其能夠?qū)?guó)內(nèi)所有型號(hào)制動(dòng)缸的各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行完整準(zhǔn)確的自動(dòng)化檢測(cè)，且能夠存儲(chǔ)和打印數(shù)據(jù)報(bào)告。便捷的試驗(yàn)操作方式和自動(dòng)化的試驗(yàn)過(guò)程滿(mǎn)足了新形勢(shì)下制動(dòng)缸高效、安全生產(chǎn)的需要。

1 制動(dòng)缸技術(shù)要求及測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)

1.1 制動(dòng)缸技術(shù)要求

(1)空氣壓力測(cè)量精度：0.2%；

(2)長(zhǎng)度測(cè)量精度：±0.1 mm；

(3)活塞桿力測(cè)量精度：±1%；

(4)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整止動(dòng)塊位置，可調(diào)整范圍適用所有現(xiàn)有型號(hào)產(chǎn)品；

(5)止動(dòng)塊位置精度±0.25 mm；

(6)彈性擋塊設(shè)計(jì)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(jì)需要考慮方便后續(xù)檢驗(yàn)；

(7)連接桿頭的位置精度±1 mm。

1.2 測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)

依據(jù)制動(dòng)缸試驗(yàn)規(guī)范要求，測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)為強(qiáng)度試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、作用行程、一次伸長(zhǎng)量、停放缸輸出力、復(fù)位機(jī)構(gòu)、總調(diào)整量、制動(dòng)缸輸出力試驗(yàn)。

2 制動(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)組成

制動(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)(圖1)主要由機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)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(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)總圖

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

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

電氣系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出。開(kāi)關(guān)量輸入主要是接近開(kāi)關(guān)、急停按鈕等元件，開(kāi)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(duì)試驗(yàn)過(guò)程中位移、力值、壓力等參數(shù)采集和控制，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印。主要由一體機(jī)電腦、掃碼槍、模擬量及開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、24 V電源、空氣開(kāi)關(guān)、開(kāi)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(dòng)缸測(cè)試的程序，也是智能化制動(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)的大腦。

3 制動(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)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(jì)

根據(jù)制動(dòng)缸所要測(cè)試的項(xiàng)點(diǎn)，以及在進(jìn)行項(xiàng)點(diǎn)測(cè)試的過(guò)程中，所要實(shí)現(xiàn)的機(jī)械活動(dòng)，同時(shí)考慮機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化能力，來(lái)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

依據(jù)被測(cè)件結(jié)構(gòu)外形及其工作原理，設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)如圖2機(jī)械系統(tǒng)，被測(cè)件安裝座通過(guò)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(dòng)缸在測(cè)試過(guò)程中始終處于水平平面位置，設(shè)計(jì)由兩條直線(xiàn)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(dòng)缸絲杠連桿位移和力。

1-被測(cè)件安裝座；2-滑軌；3-圓轉(zhuǎn)盤(pán)；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(dòng)缸測(cè)試過(guò)程中，底座受力發(fā)生變形，對(duì)制動(dòng)缸位移測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)影響較為關(guān)鍵，對(duì)其進(jìn)行靜應(yīng)力分析。在被測(cè)件安裝座及擋塊切換塊處施加3 t對(duì)稱(chēng)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(guò)分析可知，該結(jié)構(gòu)最大變形不超過(guò)技術(shù)要求長(zhǎng)度測(cè)量精度要求，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

3.1.3擋塊切換機(jī)構(gòu)和圓轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于不同的測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)絲杠連桿位置不同，需要根據(jù)測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)要求變換頂塊位置，同時(shí)也應(yīng)根據(jù)測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)要求更換相應(yīng)擋塊類(lèi)型，如表1制動(dòng)缸測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)表所示。

表1 制動(dòng)缸測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)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(dòng)切換，該擋塊切換機(jī)構(gòu)用以滿(mǎn)足試驗(yàn)過(guò)程中的擋塊切換的自動(dòng)化測(cè)試。

通過(guò)設(shè)計(jì)如圖4圓轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度頂塊位置變換及制動(dòng)缸自動(dòng)化測(cè)試。在圓轉(zhuǎn)盤(pán)上安裝不同長(zhǎng)度的頂塊，控制系統(tǒng)給電機(jī)發(fā)出指令帶動(dòng)圓轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，不同長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)頂塊位置的精確定位。該結(jié)構(gòu)提高了測(cè)試效率，同時(shí)提高測(cè)試過(guò)程的安全性。

3.2 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制動(dòng)缸在測(cè)試過(guò)程中由常用缸和停放缸兩路氣控制，其分別實(shí)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(jì)如圖5氣動(dòng)原理圖。常用缸氣路控制，按順序打開(kāi)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(kāi)H4，實(shí)現(xiàn)對(duì)常用缸的充氣控制，通過(guò)關(guān)閉H3，打開(kāi)H2、H4，實(shí)現(xiàn)對(duì)常用缸排氣控制；停放缸氣路控制，控制比例閥實(shí)現(xiàn)所需壓力輸入，按順序打開(kāi)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(kāi)H8，實(shí)現(xiàn)對(duì)停放缸的充氣控制，通過(guò)關(guān)閉H7，打開(kāi)H7、H8，實(shí)現(xiàn)對(duì)停放缸的排氣控制。在充排氣過(guò)程中，M1、M2壓力傳感器負(fù)責(zé)壓力采集，并將采集信號(hào)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(pán)結(jié)構(gòu)圖

圖5 氣動(dòng)原理圖

該氣路系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)比例閥控制兩路氣路壓力，壓力范圍可以實(shí)現(xiàn)0～1.2 MPa無(wú)級(jí)輸入，控制過(guò)程簡(jiǎn)單，氣路系統(tǒng)工程成本及實(shí)現(xiàn)難度小，同時(shí)也降低了氣路故障率，后期維護(hù)簡(jiǎn)單。

3.3 電氣及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合機(jī)械及氣路系統(tǒng)分析如下信號(hào)測(cè)控。

9路開(kāi)關(guān)量輸出——9個(gè)電磁閥控制

2路開(kāi)關(guān)量輸入——接近開(kāi)關(guān)、急停按鈕

1路模擬量輸出——1個(gè)比例閥控制

6路模擬量輸入——1個(gè)位移傳感器、3個(gè)壓力傳感器、1個(gè)力傳感器、1個(gè)編碼器。

以PXI-6229為核心數(shù)控板卡+ 3槽位的3U信號(hào)調(diào)理機(jī)箱，AIAO調(diào)理板電路板可實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)(0～5 V、0～10 V)或電流信號(hào)(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(shí)現(xiàn)不同的輸出信號(hào)電平，對(duì)DI信號(hào)調(diào)理部分通過(guò)調(diào)整光耦前端的分壓電阻實(shí)現(xiàn)不同電平信號(hào)的隔離和采集。

控制系統(tǒng)主要是試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件，如圖6軟件測(cè)試界面，操作者通過(guò)掃碼槍快速讀取制動(dòng)缸參數(shù)信息進(jìn)入試驗(yàn)準(zhǔn)備，操作啟動(dòng)試驗(yàn)，程序依照試驗(yàn)規(guī)范項(xiàng)點(diǎn)要求，按照一定的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)的自動(dòng)完成，同時(shí)操作界面具有單項(xiàng)試驗(yàn)功能，滿(mǎn)足對(duì)某個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)的單獨(dú)控制測(cè)試，靈活多變，操作簡(jiǎn)單，具有良好的人機(jī)交互界面。

圖6 軟件測(cè)試界面

4 結(jié)束語(yǔ)

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

試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)集成設(shè)計(jì)，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(yàn)臺(tái)便捷的試驗(yàn)操作方式，滿(mǎn)足了不同操作人員的需求，人機(jī)工程更加友好。

試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)?guó)內(nèi)不同型號(hào)制動(dòng)缸的全部試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行完整準(zhǔn)確的自動(dòng)化檢測(cè)，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少了勞動(dòng)力。