譚 杰， 白旺旺， 余欲為，， 康 旭，， 王蘇敬，

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 10081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

制動夾鉗單元是鐵路車輛空氣制動的執(zhí)行機構，是保證車輛正常運行的關鍵部件，在保證車輛的安全性方面具有重要作用。制動夾鉗單元是一種以壓縮空氣為動力的力輸出裝置，制動夾鉗單元上的閘片抱緊制動盤，在壓縮空氣的作用下利用杠桿原理將正壓力放大和傳遞，通過制動盤和閘片之間的摩檫力形成制動力。

通用型制動夾鉗單元試驗臺，可以滿足不同型號制動夾鉗單元的強度測試、氣密性、靈敏度、緩解間隙、一次伸長量、總調(diào)整量、輸出力、制動效率等試驗項點，是新造和檢修制動夾鉗單元的有效設備。

1 試驗臺的組成及特點

1.1 試驗臺的組成

通用型制動夾鉗單元試驗臺主要由機械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成。

機械系統(tǒng)由箱體、調(diào)整機構、測試機構等組成，是主要負責制動夾鉗單元的吊裝、3點吊裝自由度調(diào)整、力和位移測試的主要部件。不同型號的制動夾鉗單元由于3點吊掛尺寸不一致，調(diào)整機構可通過橫向、縱向、垂向結構調(diào)整，滿足吊裝尺寸要求，具備測試條件；測試機構是測力機構和測距機構組成，執(zhí)行機構相互獨立，互不影響測試狀態(tài)，保證測試精度。

氣動系統(tǒng)是對壓縮空氣的控制系統(tǒng)，通過電氣系統(tǒng)控制氣路元件對壓縮空氣進行壓力調(diào)整及流向控制，以實現(xiàn)制動夾鉗單元充風、保壓和排氣功能；制動夾鉗單元反向排氣時，過濾裝置能夠有效防止外部污染空氣進入氣路系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)主要由過濾調(diào)壓閥、比例閥，壓力傳感器、電磁閥和反向過濾器等組成。

1-控制系統(tǒng)；2-調(diào)整機構；3-制動夾鉗單元;4-氣路系統(tǒng)；5-測試機構；6-電氣系統(tǒng)。圖1 通用型制動夾鉗單元試驗臺總圖

電氣系統(tǒng)主要實現(xiàn)開關量輸入輸出、模擬量輸入輸出，同時對試驗過程中位移、力值、壓力等參數(shù)采集。開關量輸入：急停按鈕；開關量輸出：電磁閥；模擬量輸入：壓力傳感器、力傳感器、位移傳感器；模擬量輸出：壓力比例閥。主要由一體機電腦、掃碼槍、模擬量及開關量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、24 V直流電源、空氣開關、開關按鈕、急停按鈕、繼電器、打印機、傳感器等元件組成。

譚杰(1963—)男，副研究員(收稿日期：2020-02-19)

1.2 試驗臺特點

通用型制動夾鉗單元試驗臺由箱體將機械、電氣、氣路系統(tǒng)組成一體化結構，電腦操作系統(tǒng)采用3D旋轉(zhuǎn)支架支撐，可以在一定空間范圍內(nèi)更換操作位置，適應不同身形操作人員的需求，人機工程友好。

試驗臺通過調(diào)整機構中各自由度的尺寸調(diào)整，可以滿足對不同型號制動夾鉗單元的試驗項點進行全自動檢測，且具備存儲和打印數(shù)據(jù)報告功能。

2 機械系統(tǒng)設計

2.1 制動夾鉗單元測試項點

制動夾鉗單元主要測試項點有：強度試驗、氣密性、緩解間隙、一次伸長量、總調(diào)整量、輸出力、制動效率等，與測力機構相關的試驗項點是：強度試驗、輸出力、制動效率；與測距機構相關的試驗項點是：一次伸長量、總調(diào)整量；同時需測力機構和測距機構配合的試驗項點是：緩解間隙，二者皆不需的試驗項點是：氣密性試驗。通過氣路系統(tǒng)控制測力機構和測距機構實現(xiàn)相應動作，以滿足試驗臺對制動夾鉗單元試驗項點的測試需求。

2.2 機械結構設計

試驗臺箱體采用鋁合金型材結構，內(nèi)部布置氣路系統(tǒng)，機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)固定于型材結構上，一體機與3D旋轉(zhuǎn)支架連接，安裝在機械系統(tǒng)上。

在進行制動夾鉗單元試驗之前，將調(diào)整機構3點吊裝尺寸調(diào)整至正確位置，再通過吊裝機構將制動夾鉗單元吊裝在試驗臺相應位置，啟動試驗，測力機構與測距機構根據(jù)試驗項點需求，由執(zhí)行氣缸控制其相應位置進而完成測試。

2.2.1調(diào)整機構

如圖2調(diào)整機構圖所示，不同型號的制動夾鉗單元由于3點吊掛尺寸不一致，調(diào)整機構可通過橫向、縱向、垂向結構調(diào)整，以滿足吊裝尺寸要求，制動夾鉗單元垂向中心位置通過吊裝機構調(diào)整得以實現(xiàn)。

吊耳橫向調(diào)整：雙側吊耳通過燕尾槽結構相互滑動，導軌上刻有尺寸標識，雙側吊耳通過刻度精確控制橫向位置，調(diào)整至正確位置后，通過其上的鎖緊螺釘緊固，橫向位置調(diào)整完成。

吊耳垂向調(diào)整：垂向調(diào)整螺桿與吊耳橫向調(diào)整機構相連，與垂向調(diào)整螺桿配合的螺母安裝在試驗臺框架上，擰動螺母，垂向螺桿可實現(xiàn)垂向位置調(diào)整，調(diào)整至正確位置后，通過螺桿上的緊固螺母緊固，垂向位置調(diào)整完成。

吊耳縱向調(diào)整：以試驗臺框架為滑道，與吊裝機構配合的橫梁為導軌，刻有刻度標識的橫梁可沿著滑道前行或后退，縱向位置調(diào)整至正確位置后，滑道上側鎖緊螺釘緊固，縱向位置調(diào)整完成。

1-吊耳橫向調(diào)整；2-吊耳垂向調(diào)整；3-吊耳縱向調(diào)整；4-吊裝機構。圖2 調(diào)整機構圖

2.2.2吊裝機構

吊裝機構相對于試驗臺是獨立機構，用于吊裝制動夾鉗單元，同時制動夾鉗單元垂向中心位置由吊裝機構調(diào)整實現(xiàn)。如圖3吊裝機構圖所示，在吊裝制動夾鉗單元前，旋轉(zhuǎn)調(diào)整絲杠，并觀察刻度尺上的位置信息，調(diào)整至正確位置后，鎖緊調(diào)整絲杠上的緊固螺母，制動夾鉗單元的垂向中心位置調(diào)整完成。用行車通過吊環(huán)吊取吊裝機構，吊架勾取制動夾鉗單元相應吊點，安裝在試驗臺上，啟動測試。

1-吊裝塊；2-調(diào)整絲杠；3-刻度尺；4-吊架。圖3 吊裝機構圖

2.2.3測試機構

測試機構是制動夾鉗單元測試過程中力和位移參數(shù)的硬件采集系統(tǒng)，其上安裝有力和位移傳感器。根據(jù)制動夾鉗單元測試項點需求，由氣路系統(tǒng)分別控制測力機構和測距機構動作，對試驗項點進行測試。

如圖4測試機構總圖所示，圖示位置為測試機構待測試狀態(tài)，根據(jù)測試項點需求，假盤、位移傳感器由控制系統(tǒng)控制假盤執(zhí)行氣缸、位移傳感器執(zhí)行氣缸伸出，并位于制動夾鉗單元的雙側閘瓦托內(nèi)，雙側閘瓦托相向移動夾緊假盤，假盤內(nèi)置的力傳感器測試其夾緊力，同時位移傳感器讀取此刻雙側閘瓦托位移量，制動夾鉗單元緩解，雙側閘瓦托松開，此刻位移傳感器讀取雙側閘瓦托位移量，從而實現(xiàn)對制動夾鉗單元的力值、位移量及位移變化量的測試。

1-假盤執(zhí)行氣缸；2-位移傳感器執(zhí)行氣缸；3-導軌；4-假盤；5-位移傳感器。圖4 測試機構總圖

假盤結構為自由懸浮，通過鋼絲繩懸掛假盤，自動晃動，制動夾鉗單元和假盤不受相互位置關系影響，假盤能夠適應制動夾鉗單元的測試狀態(tài)，與其隨動，自動找平衡位置也即最佳測試狀態(tài)，保證在測試過程中不與制動夾鉗單元安裝狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而提高測試準確性。假盤雙側由4條直線軸承保證平行，且可沿直線軸承滑動，保證內(nèi)置力傳感器能夠準確測試夾緊力的大小。

3 氣路系統(tǒng)設計

如圖5氣動原理圖所示，制動夾鉗單元在測試過程中由常用缸和停放缸兩路氣控制，常用缸和停放缸又分別由高、低壓控制，控制系統(tǒng)通過給氣路元件指令可以實現(xiàn)對壓縮空氣的壓力輸入和流向控制。

常用缸高壓控制，按順序打開電磁閥H3、H2，常用缸充氣，所需壓力穩(wěn)定后，按順序關閉H2、H3，打開H4，實現(xiàn)對常用缸保壓；關閉H3，打開H2、H4，實現(xiàn)對常用缸排氣；常用缸低壓控制，比例閥調(diào)整為所需壓力后，按順序打開電磁閥H1、H2，常用缸充氣，所需壓力穩(wěn)定后，按順序關閉H2、H1，打開H4，實現(xiàn)對常用缸保壓；關閉H1，打開H2、H4，實現(xiàn)對常用缸排氣。

圖5 氣動原理圖

停放缸高壓控制，按順序打開電磁閥H7、H6，停放缸充氣，所需壓力穩(wěn)定后，按順序關閉H6、H7，打開H8，實現(xiàn)對停放缸保壓；關閉H7，打開H6、H8，實現(xiàn)對停放缸排氣；停放缸低壓控制，比例閥調(diào)整為所需壓力后，按順序打開電磁閥H5、H6，常用缸充氣，所需壓力穩(wěn)定后，按順序關閉H6、H5，打開H8，實現(xiàn)對停放缸保壓；關閉H5，打開H6、H8，實現(xiàn)對常用缸排氣。在充排氣過程中，M1、M2壓力傳感器負責壓力采集，并將采集信號反饋給比例閥形成閉環(huán)控制，使得輸入壓力控制更加精確。

4 電氣及控制系統(tǒng)設計

結合機械及氣路系統(tǒng)分析如下信號測控。

11路開關量輸出—11個電磁閥控制

5路開關量輸入—接近開關(執(zhí)行氣缸)、急停按鈕

2路模擬量輸出—2個比例閥控制

8路模擬量輸入—4個位移傳感器、3個壓力傳感器、1個力傳感器。

3U信號調(diào)理機箱，AIAO調(diào)理板電路板實現(xiàn)電流信號4～20 mA的輸入輸出；DIDO調(diào)理板電路板實現(xiàn)DC 24 V電壓的輸入輸出控制。

控制系統(tǒng)主要是指制動夾鉗單元試驗項點的程序控制實現(xiàn)，根據(jù)測試項點要求，實現(xiàn)對電磁閥的控制，控制系統(tǒng)同時也是通用型制動夾鉗單元試驗臺的大腦。

5 結束語

通用型制動夾鉗單元試驗臺是有效提高制動夾鉗單元檢測精度、降低工人勞動強度、減少勞動力、提高制動夾鉗單元檢測效率的有效設備，其能夠?qū)χ苿訆A鉗單元各個試驗項點進行完整準確的自動化檢測，同時可通過調(diào)整機械結構狀態(tài)檢測不同型號制動夾鉗單元，滿足通用性要求，且能夠存儲和打印數(shù)據(jù)報告。