喻柳

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

當(dāng)前城市軌道交通車輛主要采用電制動(dòng)與空氣制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合的形式來(lái)對(duì)車輛進(jìn)行減速和停車，空氣制動(dòng)系統(tǒng)作為最后的安全保障，對(duì)行車安全至關(guān)重要。空氣制動(dòng)系統(tǒng)自1869年美國(guó)人喬治威斯汀豪斯成立西屋公司并開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，雖一直在不斷完善，但其結(jié)構(gòu)原理基本上變化不大，仍然大量使用了各種閥類產(chǎn)品[1，2]。如目前幾大空氣制動(dòng)供應(yīng)商的主流產(chǎn)品架控平臺(tái)，除了制動(dòng)控制模塊（Brake Control Unit，BCU）為各供應(yīng)商各自開(kāi)發(fā)以外，都應(yīng)用了大量的其他閥類產(chǎn)品，涉及球閥（截?cái)嗳T，帶電觸點(diǎn)截?cái)嗳T等）、減壓閥、單向閥、溢流閥、差壓閥、高度閥、解鉤電磁閥等。這些閥類產(chǎn)品形狀各異，接口多樣。以截?cái)嗳T為例，其安裝形式分為管式和面板式安裝兩種：接口尺寸和通徑。管式安裝有G1/4、G1/2、G3/4、G1等，板式截?cái)嗳T有DN8、DN10、DN20等多種口徑。如此多的種類和不同的接口形式，大幅增加了檢修的工作量。僅以管式安裝的球閥為例，在對(duì)其進(jìn)行架修維護(hù)過(guò)程時(shí)，經(jīng)過(guò)清理拆解，更換密封件并組裝完成以后，需要進(jìn)行功能和泄漏測(cè)試；測(cè)試之前需要將球閥先連接到測(cè)試設(shè)備，一般是采用與球閥適配接口的螺紋接頭加快插軟管的形式，這種方式需要手動(dòng)將兩頭的螺紋接頭旋入球閥，再采用扳手將其擰緊以保證接頭與球閥接合面的密封，測(cè)試完以后需要將兩個(gè)螺紋接頭旋出，同時(shí)還需要檢查球閥螺紋的完整性以及有無(wú)異物遺留；整個(gè)過(guò)程繁瑣，耗時(shí)，且存在較多的風(fēng)險(xiǎn)[3，4]，例如：測(cè)試工裝多次使用磨損后可能損壞球閥螺紋，可能帶入異物造成內(nèi)部密封面密封失效，緊固接頭時(shí)球閥沒(méi)有固定，可能造成操作者受傷等等。

此外，對(duì)其他閥件進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于各閥件的接口、尺寸、形狀、工作原理和參數(shù)性能各不相同，針對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品都需要定制一套特殊的測(cè)試工具、測(cè)試設(shè)備，測(cè)試過(guò)程也需要人員全程參與操作和記錄，占用大量的工時(shí)，且重復(fù)勞動(dòng)也容易產(chǎn)生疲勞，容易造成測(cè)試結(jié)果人為失誤。

為此，本文基于對(duì)各種閥類產(chǎn)品的接口和功能特點(diǎn)進(jìn)行分析，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了快速拆裝的工裝接口，以減少測(cè)試時(shí)的拆裝工作量，并通過(guò)微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)各閥類的例行測(cè)試過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，最終通過(guò)自動(dòng)測(cè)試來(lái)提升了作業(yè)效率。

1 綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)綜合測(cè)試系統(tǒng)的目的是采用一臺(tái)通用的設(shè)備，通過(guò)更換接口工裝的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種閥類產(chǎn)品的快速拆裝，并實(shí)現(xiàn)例行測(cè)試的自動(dòng)控制以節(jié)約工時(shí)、降低操作者工作強(qiáng)度。方案如下：根據(jù)各種閥件的安裝接口特性，將其大致分為管式和面板式安裝兩類；分別針對(duì)這兩種接口設(shè)計(jì)快拆形式的測(cè)試工裝，以減少裝拆的工作量，同時(shí)采用自動(dòng)測(cè)試的方式減少測(cè)試過(guò)程的人工操作。

1.1 管式安裝的閥類部件測(cè)試工裝設(shè)計(jì)

針對(duì)管式安裝的閥類部件，如球閥（截?cái)嗳T）、差壓閥等，其氣路接口均為一進(jìn)一出設(shè)計(jì)，且在同一直線上，區(qū)別在于螺紋尺寸和兩端間距，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)帶快拆接頭的氣動(dòng)夾具，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)，在測(cè)試時(shí)將閥類部件夾在兩個(gè)快拆接頭之間。以球閥為例設(shè)計(jì)的管式閥類測(cè)試工裝如圖1所示。管式閥類測(cè)試工裝由底座、固定夾具、活動(dòng)夾具、氣缸、快換接頭等部件組成。使用時(shí)，操作者將對(duì)應(yīng)口徑的快換接頭安放到夾具上，然后打開(kāi)氣缸控制閥使氣缸推動(dòng)活動(dòng)夾具，將被測(cè)閥件固定在兩個(gè)快換接頭之間。氣路連接則通過(guò)快換接頭中間的氣路通道來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如圖2所示。

圖1 管式閥類部件測(cè)試工裝

圖2 管式閥類部件測(cè)試工裝內(nèi)部氣路示意

如圖2所示，外部氣口分別設(shè)置在固定夾具和活動(dòng)夾具上，快換接頭設(shè)計(jì)成一端采用不同的尺寸以分別適配G1/4、G3/8、G1/2、G3/4、G1等多種接口的管式閥件。其另一端與兩個(gè)夾具之間則設(shè)計(jì)為統(tǒng)一的直插式接口，采用O型圈對(duì)端面進(jìn)行密封，這樣可以實(shí)現(xiàn)在測(cè)試不同的閥類部件時(shí)快速更換；氣路連接則通過(guò)兩個(gè)夾具上的進(jìn)氣口和出氣口，經(jīng)快換接頭與被測(cè)閥類部件連接。

1.2 面板式安裝的閥類部件測(cè)試工裝設(shè)計(jì)

面板式安裝的閥類部件，如溢流閥、單向閥、面板式截?cái)嗳T、停放電磁閥等，它們部件形狀各異，大小尺寸各不相同，氣路接口的通徑和位置也完全不一樣，但仍有以下共同的特點(diǎn)：

（1）氣路接口均為一進(jìn)氣口一出氣口的兩位兩通（單向閥、溢流閥和差壓閥等）或者一進(jìn)氣口一出氣口和一個(gè)排氣口的兩位三通（截?cái)嗳T、減壓閥和停放電磁閥等）。

（2）氣路接口均位于同一個(gè)平面上。

基于上述特點(diǎn)，面板式安裝的閥類部件測(cè)試工裝設(shè)計(jì)成通用底座和針對(duì)每種閥單獨(dú)設(shè)計(jì)的特殊接口板組合的形式，底板固定在測(cè)試臺(tái)上與測(cè)試臺(tái)的氣路相連，接口板則采用手動(dòng)快拆的方式安裝到底板上負(fù)責(zé)連接被測(cè)閥類部件。針對(duì)不同的閥更換不同的接口板，底座上僅提供進(jìn)氣口和出氣口兩個(gè)氣路連接，當(dāng)需要測(cè)試帶排氣功能的閥件時(shí)，可以通過(guò)在接口板上的排氣口進(jìn)行排氣。這樣可僅采用一套測(cè)試裝置滿足各種不同接口的面板式閥類部件的測(cè)試需求?；谝陨纤枷耄O(shè)計(jì)的溢流閥和截?cái)嗳T測(cè)試工裝方案如圖3所示。

圖3 面板式安裝閥類部件測(cè)試工裝

1.3 測(cè)試過(guò)程優(yōu)化

測(cè)試過(guò)程采用自控系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和判斷，以減少測(cè)試過(guò)程中的工作量。

根據(jù)各閥類產(chǎn)品的實(shí)際使用功能，測(cè)試內(nèi)容可分為以下幾大類：

（1）連通和斷開(kāi)狀態(tài)檢測(cè)以及泄漏情況：球閥（截?cái)嗳T）、單向閥、停放電磁閥和解鉤電磁閥等。其具體功能為：

球閥功能：手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)操作手柄到導(dǎo)通位，氣路導(dǎo)通；手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)操作手柄到截止位，氣路截?cái)唷?/p>

單向閥功能：氣流正向流動(dòng)時(shí)氣路導(dǎo)通，氣流逆向流動(dòng)時(shí)氣路截?cái)唷?/p>

停放電磁閥功能：緩解電磁閥得電，將氣路導(dǎo)通；施加電磁閥通電，將氣路截止并排空后端壓縮空氣。

解鉤電磁閥：通電導(dǎo)通，斷電截止并排空后端壓縮空氣。

（2）連通和斷開(kāi)狀態(tài)檢測(cè)以及泄漏情況，設(shè)定值檢查：差壓閥、溢流閥、減壓閥等。具體功能為：

差壓閥功能：控制兩個(gè)輸入壓力之間的壓力差值，當(dāng)一端的壓力值與另一端的壓力值之差大于設(shè)定值時(shí)，高壓端對(duì)低壓端進(jìn)行充氣。

溢流閥功能：當(dāng)輸入壓力大于設(shè)定值時(shí)氣路導(dǎo)通，輸入壓力值小于設(shè)定值時(shí)氣路截止。

減壓閥功能：對(duì)輸出壓力根據(jù)使用需求進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)輸入壓力大于設(shè)定值時(shí)后端壓力始終等于設(shè)定值。

為了在一套測(cè)試系統(tǒng)滿足以上兩種測(cè)試模式，系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4所示，內(nèi)部配置中，“控制及檢測(cè)器件”用于被測(cè)閥件對(duì)上下游的壓力及逆行調(diào)節(jié)和檢測(cè)；“0.75L風(fēng)缸”用于模擬工作容積以便于進(jìn)行泄漏測(cè)試；“工控機(jī)”內(nèi)部安裝有專用的測(cè)試程序來(lái)控制測(cè)試流程和采集數(shù)據(jù)；“顯示器”用于輸入輸出測(cè)試條件和測(cè)試結(jié)果。當(dāng)被測(cè)閥件被快速夾具裝夾到試驗(yàn)臺(tái)以后，工控機(jī)開(kāi)始控制內(nèi)部的電磁閥，調(diào)壓閥等對(duì)測(cè)試氣路充氣，并通過(guò)上下游的壓力傳感器對(duì)輸入輸出壓力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)并按照預(yù)先設(shè)定的判據(jù)進(jìn)行比較，判斷功能、設(shè)定值、泄漏量等參數(shù)指標(biāo)是否符合要求。

1.4 綜合測(cè)試系統(tǒng)

結(jié)合前文提到的用于兩種接口（管式和面板式安裝）的測(cè)試工裝，設(shè)計(jì)了一套綜合測(cè)試系統(tǒng)，內(nèi)部包含兩套完全一樣的氣路結(jié)構(gòu)（圖5），可以分別對(duì)這兩類閥件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。裝配完成的試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖6所示，其測(cè)試過(guò)程如下（以球閥測(cè)試為例）：

圖5 氣路原理圖

圖6 試驗(yàn)臺(tái)圖片

（1）將球閥安裝到測(cè)試工裝，使進(jìn)氣口與輸出1相連，出氣口與輸出2相連，并采用氣缸固定以后，激活測(cè)試系統(tǒng)中的自動(dòng)測(cè)試程序，輸入對(duì)應(yīng)的序列號(hào)、產(chǎn)品名稱、所屬項(xiàng)目等必要信息以后，即可開(kāi)始自動(dòng)測(cè)試。

（2）測(cè)試程序控制T2電磁閥閉合，將控制壓力接入到J2使球閥輸出端氣路斷開(kāi)。

（3）測(cè)試程序控制P1比例閥將壓力調(diào)節(jié)到900 kPa，再控制V1電磁閥閉合，此時(shí)壓力將被連接到輸出1口進(jìn)入球閥。當(dāng)球閥處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，氣壓將進(jìn)入輸出2口。

（4）此時(shí)球閥前端和后端的1L風(fēng)缸都將充入900 kPa的壓力，U1和U2兩個(gè)壓力傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄當(dāng)前的壓力數(shù)值。

（5）測(cè)試程序在一定時(shí)序以后控制T1電磁閥閉合，將控制壓力接入到J1使球閥輸入端氣路斷開(kāi)，此時(shí)球閥前后兩端以及兩個(gè)1L風(fēng)缸處于保壓狀態(tài)。

（6）測(cè)試程序?qū)?shí)時(shí)記錄U1和U2兩個(gè)壓力傳感器數(shù)值，在保壓一定的時(shí)間后對(duì)導(dǎo)通狀態(tài)的球閥的泄漏性能進(jìn)行判斷。

（7）測(cè)試程序?qū)⑻嵝褱y(cè)試人員將球閥手柄轉(zhuǎn)動(dòng)到截止?fàn)顟B(tài)，再控制T1電磁閥斷開(kāi)，使得J1導(dǎo)通對(duì)球閥氣路再次進(jìn)行充氣。

（8）重復(fù)之前的保壓過(guò)程，記錄U1和U2兩個(gè)壓力傳感器數(shù)值，判斷球閥的截?cái)喙δ苁欠裼行?，截?cái)嘁院笄岸耸欠翊嬖谛孤?/p>

（9）將之前的測(cè)試數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果輸出成電子文檔并打印報(bào)告。

至此，測(cè)試完成，以上測(cè)試過(guò)程對(duì)球閥的通斷功能和2種狀態(tài)下的泄漏進(jìn)行了檢測(cè)，并自動(dòng)輸出報(bào)告。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)各種閥類產(chǎn)品的安裝接口和具體功能特點(diǎn)的分析，結(jié)合當(dāng)前主流的微機(jī)控制理念，設(shè)計(jì)了一種采用快速安裝且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的綜合測(cè)試系統(tǒng)，并將其付諸實(shí)踐，在多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

采用上述綜合測(cè)試系統(tǒng)以后，經(jīng)實(shí)際操作對(duì)比測(cè)算，各類閥件的測(cè)試工時(shí)比之前節(jié)約30%以上。仍以球閥為例，一列6節(jié)編組的地鐵車輛，僅各種通徑的球閥就有約40個(gè)，采用之前的人工測(cè)試方法，每一個(gè)的測(cè)試耗時(shí)約12 min（包含連接管路，手動(dòng)操作，測(cè)試保壓，填寫報(bào)告等等），而使用此綜合測(cè)試系統(tǒng)以后耗時(shí)僅8 min，對(duì)于一列車僅球閥一項(xiàng)就最多可以節(jié)約出160 min的工時(shí)，大大提高了作業(yè)效率。此外，采用這一套綜合測(cè)試系統(tǒng)可以減少測(cè)試工裝的種類，減少了工具工裝的損耗，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了人為操作的誤差。