張玉芳 楊學(xué)淵 于丹丹

（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，山東 青島266031）

隨著動(dòng)車組、高鐵車輛的多品種設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在車端線纜的開發(fā)過(guò)程中，對(duì)于車端線纜及連接器組成的可靠性驗(yàn)證就顯得尤為重要，需要對(duì)整個(gè)車端過(guò)橋線纜組成進(jìn)行疲勞試。而原有的疲勞試驗(yàn)臺(tái)是采用上位機(jī)控制U 型電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是存在U 型電機(jī)推力不足、電機(jī)容易發(fā)熱、且控制參數(shù)調(diào)整較為復(fù)雜，人員需長(zhǎng)時(shí)間培訓(xùn)才可操作等缺點(diǎn)，設(shè)備極易過(guò)熱導(dǎo)致?lián)p壞。目前，車端過(guò)橋線纜產(chǎn)品較多，基于此，必須展開試驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)及應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)出一種PLC 與氣動(dòng)相結(jié)合的疲勞試驗(yàn)臺(tái)方案，并闡述了測(cè)試原理及系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。

1 基本參數(shù)設(shè)計(jì)要求

單次疲勞試驗(yàn)次數(shù)：≥150 萬(wàn)次

每年試驗(yàn)次數(shù)： ≥400 萬(wàn)次

縱向軸向推力： ≥800N

橫向軸向推力： ≥300N

往復(fù)周期： 約6s

縱向往復(fù)行程： 約±200mm

橫向往復(fù)行程： 約±400mm

操控方式： 電控

直線導(dǎo)軌足以支撐50kg 連接器線纜及插座，剛度好，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

試驗(yàn)臺(tái)可以任意設(shè)定試驗(yàn)次數(shù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)試驗(yàn)次數(shù)后自動(dòng)停止。

縱向、橫向運(yùn)動(dòng)周期和行程皆可調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)疲勞試驗(yàn)的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)出一種車端線纜疲勞試驗(yàn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)臺(tái)），該試驗(yàn)臺(tái)是通過(guò)模擬車輛縱向和橫向兩個(gè)方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間往復(fù)動(dòng)作，考核過(guò)橋線纜的疲勞壽命。試驗(yàn)臺(tái)采用兩個(gè)相互垂直的傳動(dòng)臂，可實(shí)現(xiàn)兩組線纜同時(shí)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械部分和電氣控制部分組成。機(jī)械部分用來(lái)模擬車端線纜的縱向、橫向運(yùn)動(dòng)。電氣控制部分用于控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期、次數(shù)等。試驗(yàn)臺(tái)基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分采用框架式結(jié)構(gòu)，由縱向運(yùn)動(dòng)框架和橫向運(yùn)動(dòng)框架組成，包括框架體、直線導(dǎo)軌、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。

試驗(yàn)臺(tái)是通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線纜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，二位五通電磁閥連通到雙作用氣缸，電磁閥通電、斷電實(shí)現(xiàn)雙作用氣缸兩端切換，從而實(shí)現(xiàn)氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)原理圖見圖2。試驗(yàn)臺(tái)的氣源截止閥進(jìn)氣端接至車間氣源。打開截止閥，壓縮空氣經(jīng)過(guò)空氣濾清器、減壓閥、油水分離器、二位五通電磁閥進(jìn)入到雙作用氣缸；氣缸的排氣經(jīng)過(guò)調(diào)速閥、消音器將壓縮空氣釋放。電磁閥通電時(shí)，氣缸桿伸出；電磁閥斷電時(shí)，氣缸桿縮回。旋轉(zhuǎn)調(diào)速閥的調(diào)速旋鈕即可調(diào)節(jié)氣缸桿的運(yùn)行速度。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕，氣缸桿運(yùn)行速度減慢；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕，氣缸桿運(yùn)行速度加快。

圖2 氣動(dòng)原理圖

在試驗(yàn)臺(tái)整體框架上安裝刻度尺，不同的線纜運(yùn)動(dòng)行程不同，在要求的位置安裝安放光電開關(guān)。當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到光電開關(guān)處，電磁閥斷電，氣缸反向運(yùn)動(dòng)。光電開關(guān)將信號(hào)傳給計(jì)數(shù)器，光感效應(yīng)一次就計(jì)數(shù)一次，從而記錄整個(gè)試驗(yàn)次數(shù)。氣缸固定安裝在整體框架上，活塞桿與線纜安裝架連接，通過(guò)活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而模擬車端線纜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。疲勞試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)不同長(zhǎng)度的線纜進(jìn)行試驗(yàn)，可以在整體框架上對(duì)應(yīng)備好多組氣缸安裝孔，當(dāng)需要更換長(zhǎng)度不同的線纜時(shí)，調(diào)節(jié)氣缸相對(duì)應(yīng)的安裝位置。

2.1.2 電氣控制部分

電氣控制部分主要由PLC、觸摸屏、2 臺(tái)ABB 變頻器、2 臺(tái)變頻電機(jī)、低壓短路器、接觸器、繼電器和接近開關(guān)等控制電器組成。

往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制：低壓斷路器為試驗(yàn)臺(tái)開關(guān)，合上低壓斷路器，主電路和控制電路得電。以橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制電路為例說(shuō)明。當(dāng)移動(dòng)工作臺(tái)在原位時(shí)，變頻器處于停滯狀態(tài)。按下啟動(dòng)按鈕，變頻器工作、變頻電機(jī)開始正向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)移動(dòng)工作臺(tái)向前移動(dòng)到接近開關(guān)位置時(shí)，變頻器換向，變頻電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)移動(dòng)工作臺(tái)返回到原位時(shí)，變頻器換向，變頻電機(jī)又開始正轉(zhuǎn)。調(diào)整變頻器外接電位器，即可改變移動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)速度。當(dāng)移動(dòng)工作臺(tái)往復(fù)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，計(jì)數(shù)器常閉觸點(diǎn)斷開，變頻電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，計(jì)數(shù)器常開觸點(diǎn)閉合，聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警。故障檢測(cè)：試驗(yàn)臺(tái)正常工作時(shí)，一個(gè)往復(fù)周期約位6 秒。若往復(fù)周期時(shí)間太長(zhǎng)，則可認(rèn)為試驗(yàn)臺(tái)故障。時(shí)間繼電器為失電延時(shí)型，設(shè)定值為8 秒。當(dāng)移動(dòng)工作臺(tái)在原位時(shí)，時(shí)間繼電器得電，聲光報(bào)警器不報(bào)警，當(dāng)工作臺(tái)離開原位，時(shí)間繼電器失電，若工作臺(tái)運(yùn)行正常，其延時(shí)閉合的觸點(diǎn)還沒(méi)有閉合，線圈就會(huì)再次得電，時(shí)間繼電器又開始重新計(jì)時(shí)。若移動(dòng)工作臺(tái)8 秒之內(nèi)還沒(méi)回到原位，則時(shí)間繼電器延時(shí)閉合觸點(diǎn)閉合、聲光報(bào)警器就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒工作人員前來(lái)處置。

2.2 軟件部分

試驗(yàn)臺(tái)的控制軟件可以記錄試驗(yàn)的起始時(shí)間、終止時(shí)間、試驗(yàn)次數(shù)等信息，如圖3 所示。工作人員可以在參數(shù)設(shè)置界面根據(jù)線纜型號(hào)要求設(shè)定試驗(yàn)次數(shù)，在完成預(yù)定的試驗(yàn)次數(shù)后，試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)，并發(fā)出聲光報(bào)警。工作人員可以將試驗(yàn)結(jié)果直接打印。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)軟件顯示界面

3 主要技術(shù)指標(biāo)

電源電壓：AC220V；

冷態(tài)絕緣電阻：≥20MΩ；

氣源壓力工作范圍：0.2Mpa～1Mpa；

縱向最大行程：±400mm；

橫向最大行程：±400mm；

試驗(yàn)臺(tái)調(diào)速范圍：50～600mm/s；

工作環(huán)境：溫度0～45℃；

相對(duì)濕度：35～85%（無(wú)凝露）；

外形尺寸：（長(zhǎng)×寬×高）

縱向：2000×3000×1300mm

橫向：3000×600×1300mm

整體重量：760kg

4 主要性能及測(cè)試原理

試驗(yàn)臺(tái)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、剛度好。

試驗(yàn)臺(tái)具有任意設(shè)定試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)完成后自動(dòng)停止功能，并發(fā)出聲光信號(hào)。

試驗(yàn)臺(tái)具有計(jì)數(shù)、實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)次數(shù)功能。

試驗(yàn)臺(tái)具有故障自診斷功能。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)發(fā)生故障或線纜發(fā)生斷線時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)發(fā)出聲光報(bào)警，觸摸屏顯示故障發(fā)生的時(shí)間、故障發(fā)生原因等信息。

試驗(yàn)臺(tái)具有打印試驗(yàn)結(jié)果的功能。

結(jié)束語(yǔ)

該車端線纜疲勞試驗(yàn)臺(tái)可模擬不同型號(hào)、不同長(zhǎng)度線纜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而測(cè)試線纜的疲勞壽命，保證了線纜的可靠性及行車安全。同時(shí)，采用氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線纜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為后期同類疲勞試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)開拓了新的思路，具有較高的實(shí)用價(jià)值。