常程城，趙春光，韓曉輝，曹伯楠

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

制動(dòng)器作為車輛基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，是列車黏著制動(dòng)時(shí)的關(guān)鍵裝置。制動(dòng)器需在車下相對(duì)復(fù)雜、惡劣的條件下保持長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此對(duì)制動(dòng)器可靠性的要求極高[1-2]?；A(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)是列車制動(dòng)系統(tǒng)中的最后一道安全保障，制動(dòng)器更是基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的核心，其安全可靠性直接影響著列車的安全運(yùn)行及乘客生命安全［3］。

依據(jù)型式試驗(yàn)要求，制動(dòng)器需進(jìn)行疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證［4］。但傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)臺(tái)僅可吊掛或放置制動(dòng)器進(jìn)行簡單的制動(dòng)、緩解試驗(yàn)，無法模擬現(xiàn)車運(yùn)行中的實(shí)際工況狀態(tài)，因而無法提供完全安全有效的試驗(yàn)結(jié)果。

制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)臺(tái)通過六自由度平臺(tái)設(shè)計(jì)，可模擬多種行車工況。試驗(yàn)臺(tái)在滿足UIC（國際鐵路聯(lián)盟）疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了橫向偏移量、繞縱向、垂向轉(zhuǎn)角等試驗(yàn)工況。同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)通過友好的人機(jī)交互界面，具備制動(dòng)器單缸測(cè)試能力，為新產(chǎn)品的開發(fā)和可靠性考核提供試驗(yàn)手段。

1 試驗(yàn)臺(tái)的組成及特點(diǎn)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)組成

制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械、氣動(dòng)、電氣、控制4 大部分組成，如圖1 所示，可模擬列車在運(yùn)行過程中，制動(dòng)器相對(duì)制動(dòng)盤、車輪的各種極限相對(duì)位置，并在這些極限位置狀態(tài)下進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。

圖1 制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)臺(tái)總圖

機(jī)械部分主要用于模擬制動(dòng)器和制動(dòng)盤或車輪在試驗(yàn)過程中的相對(duì)位置關(guān)系，由六自由度平臺(tái)、模擬輪、電動(dòng)缸、支撐座、定位及垂直電動(dòng)缸等組成。六自由度平臺(tái)通過6 臺(tái)電動(dòng)缸的伸縮達(dá)到動(dòng)平臺(tái)不同的位姿。制動(dòng)器通過工裝固定，隨動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而達(dá)到試驗(yàn)要求的位姿。模擬輪用于模擬制動(dòng)盤或車輪，配合制動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)。定位和垂直電動(dòng)缸模擬踏面單元制動(dòng)器磨耗狀態(tài)及制動(dòng)夾鉗單元垂向制動(dòng)摩擦力狀態(tài)。

氣動(dòng)系統(tǒng)由氣源處理單元、比例調(diào)壓閥、方向控制閥、氣管、氣缸等組成，用來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的制動(dòng)、緩解及手緩解過程。試驗(yàn)臺(tái)通過對(duì)壓縮空氣進(jìn)行壓力調(diào)整和流向控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器常用缸、停放缸、手緩解裝置進(jìn)行氣動(dòng)控制。

電控系統(tǒng)接收控制系統(tǒng)輸出的指令數(shù)據(jù)，并將其傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器放大信號(hào)后，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)，并最終使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)及軌跡運(yùn)動(dòng)。

控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)接收指令，并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)具備友好的人機(jī)交互界面，可直觀、迅速地對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)功能控制和氣路壓力調(diào)整，并實(shí)時(shí)顯示氣路壓力、試驗(yàn)進(jìn)程及試驗(yàn)工況姿態(tài)等，方便試驗(yàn)人員操作和確定試驗(yàn)狀態(tài)。

1.2 UIC 541-01 標(biāo)準(zhǔn)簡 介

UIC 541-01 標(biāo)準(zhǔn)，是國際鐵路聯(lián)盟頒布的，有關(guān)空氣制動(dòng)器用制動(dòng)缸或裝置認(rèn)證和使用的一般條件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氣動(dòng)制動(dòng)缸和制動(dòng)單元相關(guān)設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和認(rèn)證的要求。

UIC 541-01 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，制動(dòng)器疲勞試驗(yàn)需分3 個(gè)階段循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，分別模擬摩擦副無磨損狀態(tài)、半磨耗狀態(tài)和全磨耗狀態(tài)。每個(gè)循環(huán)階段共施加3 703 次制動(dòng)缸動(dòng)作試驗(yàn)、370 次停放缸動(dòng)作試驗(yàn)和11 次手緩解試驗(yàn)操作，重復(fù)上述循環(huán)90次，共進(jìn)行100 萬次制動(dòng)缸動(dòng)作試驗(yàn)，10 萬次停放缸動(dòng)作試驗(yàn)和3 000 次手緩解試驗(yàn)［5］。

上述3 個(gè)階段中，各階段90%的試驗(yàn)次數(shù)采用100% 額定工作壓力，10% 的試驗(yàn)次數(shù)采用120%的額定工作壓力。并且規(guī)定，50% 的次數(shù)制動(dòng)器不傾斜，40% 的次數(shù)制動(dòng)器繞縱向軸傾斜±1°，10% 的次數(shù)繞縱向軸傾斜±2.5°。另外，3 000 次手緩解功能測(cè)試，既可以在上述循環(huán)中進(jìn)行，也可以單獨(dú)進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)特點(diǎn)

制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)臺(tái)基于六自由度平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可滿足制動(dòng)器繞試驗(yàn)臺(tái)縱向軸（方向如圖2 所示）進(jìn)行最大限度±2.5°范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)要求。同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)100% 額定和120% 的額定工作壓力技術(shù)要求，控制系統(tǒng)可監(jiān)控試驗(yàn)進(jìn)程，并進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)數(shù)和反饋，使試驗(yàn)臺(tái)滿足UIC 541-01 有關(guān)制動(dòng)器疲勞試驗(yàn)要求。

圖2 制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)臺(tái)坐標(biāo)圖

同時(shí)，考慮到制動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在橫向偏移及繞垂向軸傾斜等工況，基于六自由度平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)，將試驗(yàn)位置工況擴(kuò)展到可進(jìn)行橫向位移±10 mm 范圍移動(dòng)、繞垂向軸±1°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在UIC 541-01 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了制動(dòng)器疲勞試驗(yàn)工況范圍，使制動(dòng)器更貼近實(shí)際車輛運(yùn)行狀態(tài)的工況下進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。

進(jìn)一步地，試驗(yàn)臺(tái)的垂向電動(dòng)缸設(shè)計(jì)，可模擬列車制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)夾鉗單元和制動(dòng)盤之間的垂向摩擦力。定位電動(dòng)缸設(shè)計(jì)，可模擬踏面單元制動(dòng)器磨耗到限制動(dòng)狀態(tài)，使制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)更貼近列車運(yùn)行實(shí)際工作狀態(tài)，使試驗(yàn)結(jié)果更具有實(shí)際意義。

2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 六自由度平臺(tái)組成

六自由度平臺(tái)由動(dòng)平臺(tái)、6 臺(tái)伺服電動(dòng)缸、6 套支座組件和靜平臺(tái)組成。

6 臺(tái)伺服電動(dòng)缸組件是六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的核心元件。6 臺(tái)伺服電動(dòng)缸系統(tǒng)通過軟件、硬件傳遞控制信號(hào)，控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)缸的控制，實(shí)現(xiàn)六自由度平臺(tái)準(zhǔn)確調(diào)整到所需工況位置。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的上、下平臺(tái)分別是動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)。6 臺(tái)伺服電動(dòng)缸組件通過6 組支座組件分別安裝在動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)上，構(gòu)建出試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體。

6 組支座組件均采用雙聯(lián)十字軸結(jié)構(gòu)形式，具有承載能力強(qiáng)、擺動(dòng)角度大、配合間隙小、維護(hù)保養(yǎng)方便等特點(diǎn)。動(dòng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)有連接接口，可滿足不同試件的安裝需求，僅需通過工裝將試件與動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行螺栓緊固即可。靜平臺(tái)是試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝基礎(chǔ)，是地基與設(shè)備連接的中間紐帶，保障設(shè)備平穩(wěn)安全運(yùn)行。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)總圖如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)總圖

2.2 模擬輪組成

模擬輪組件可適用于踏面單元和制動(dòng)夾鉗2種類型的制動(dòng)器，采用分體式設(shè)計(jì)，由輪基座、輪軸、輪軸座、踏面、閘片調(diào)節(jié)板、支撐座及垂直電動(dòng)缸等組成，如圖4 所示。踏面和輪基座組合可滿足踏面單元制動(dòng)器的試驗(yàn)。閘片調(diào)節(jié)板通過更換結(jié)構(gòu)形狀相似但尺寸規(guī)格不同的多組工裝，模擬閘片不同磨損工況下的制動(dòng)夾鉗單元可靠性試驗(yàn)。支撐座是整個(gè)模擬輪組件的支撐底座。垂直電動(dòng)缸用來模擬垂向摩擦力，與輪基座通過銷軸連接，另一端與靜平臺(tái)通過支座連接。模擬輪組件在電動(dòng)缸的驅(qū)動(dòng)下，在支撐座上移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)合適試驗(yàn)位置。輪基座是閘片調(diào)節(jié)板及踏面的固定基座，在閘片調(diào)節(jié)板或踏面固定好后，輪基座可以繞輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。輪軸是踏面單元制動(dòng)器試驗(yàn)過程的主要受力件。輪軸座是輪軸的安裝座，可承受夾鉗因位姿變化而引起的扭轉(zhuǎn)力矩。輪軸座的底部通過法蘭與導(dǎo)軌滑塊連接，可模擬車輪沿試驗(yàn)臺(tái)縱向平移。

圖4 模擬車輪組件總圖

2.3 定位缸組成

定位缸組件由定位電動(dòng)缸、定位缸底座組件和緩沖裝置組成，如圖5 所示，其作用是滿足不同工況下踏面單元制動(dòng)器的試驗(yàn)。

圖5 定位缸組件總圖

在試驗(yàn)過程中，定位電動(dòng)缸可通過伸縮活塞桿推動(dòng)模擬車輪達(dá)到不同的工況位置，以滿足制動(dòng)器與車輪合適的相對(duì)位置。定位缸底座組件是將定位缸的力傳遞給動(dòng)平臺(tái)的唯一部件，同時(shí)也是避免動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)定位缸破壞的關(guān)鍵部件。在踏面單元制動(dòng)器試驗(yàn)過程中，制動(dòng)器對(duì)踏面有沖擊作用，長時(shí)間不間斷的沖擊會(huì)對(duì)電動(dòng)缸及平臺(tái)產(chǎn)生不利影響，因此定位缸組成設(shè)計(jì)有緩沖裝置，盡可能地消耗試驗(yàn)過程中的沖擊能量，最終有效地保護(hù)其他零部件。

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

制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)臺(tái)的氣路系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)3 個(gè)制動(dòng)功能，即空氣制動(dòng)、停放制動(dòng)和手緩解功能。同時(shí)，空氣制動(dòng)和停放制動(dòng)需具備壓力可調(diào)功能，并實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)氣壓壓力。

整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)，在通過氣源處理單元后分為3路，分別通往制動(dòng)器的常用制動(dòng)缸、停放制動(dòng)缸及手緩解缸。整個(gè)氣路氣源的通斷可以通過氣源處理單元中的手動(dòng)開關(guān)閥來控制。氣路原理如圖6所示。

圖6 制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)臺(tái)氣路系統(tǒng)圖

3.1 制動(dòng)缸和停放缸動(dòng)作試驗(yàn)支路

在制動(dòng)缸和停放缸動(dòng)作試驗(yàn)過程中，通過比例調(diào)壓閥對(duì)相應(yīng)支路的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。制動(dòng)器的制動(dòng)缸和停放缸所在支路都采用了2 位三通閥對(duì)相應(yīng)缸的動(dòng)作實(shí)施控制。在試驗(yàn)過程中，可以通過方向控制閥后的單向流量控制閥調(diào)節(jié)制動(dòng)器的作動(dòng)速度，同時(shí)可以在界面上觀測(cè)壓力變送器傳回來的各支路壓力。

3.2 手緩解支路

手緩解支路采用了2 位五通閥對(duì)動(dòng)作進(jìn)行控制，同時(shí)可以通過該支路中的調(diào)壓閥對(duì)氣缸輸出力進(jìn)行調(diào)節(jié)。手緩解缸選用行程可調(diào)的小型氣缸，可以滿足不同制動(dòng)器的手緩解行程。2 位五通閥上安裝的排氣節(jié)流閥可以調(diào)節(jié)缸的作動(dòng)速度，以便滿足試驗(yàn)需求。

每種制動(dòng)器手緩解拉繩都可能不一樣，所以選用了行程可調(diào)的氣缸?？梢愿鶕?jù)需求調(diào)節(jié)氣缸的調(diào)節(jié)螺母和手緩解拉繩接頭來調(diào)整行程。

更換不同型號(hào)的手緩解拉繩時(shí)，可先松開鎖緊螺母1，根據(jù)需要調(diào)整調(diào)節(jié)螺母到合適位置，然后擰緊鎖緊螺母1。同時(shí)松開鎖緊螺母2，調(diào)節(jié)拉繩支架到合適位置，再擰緊鎖緊螺母2，完成整個(gè)拉繩支架位置的固定。手緩解執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成如圖7 所示。

圖7 手緩解執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成

4 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)組成主要分為3 部分，分別是軟件、電控和機(jī)械部分，如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)組成圖

軟件部分主要包括用戶界面程序、伺服算法程序、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置程序等。用戶界面程序采用高級(jí)語言編寫，人機(jī)界面友好，可接收外部的指令，使平臺(tái)根據(jù)報(bào)文指令隨動(dòng)。

電控部分接收控制系統(tǒng)輸出的指令數(shù)據(jù)，并將其傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)放大后控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)，最終使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)及軌跡運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械部分用于支撐負(fù)載。動(dòng)平臺(tái)由電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行橫滾、偏移、俯仰3 個(gè)姿態(tài)和3 個(gè)方向的平移，共六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

4.2 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)采用PLC 系統(tǒng)，選用EtherCAT 總線型伺服驅(qū)動(dòng)器?？刂葡到y(tǒng)的流程如圖9 所示，主控制器（PLC）接收到有關(guān)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的指令后，經(jīng)過空間運(yùn)動(dòng)模型變換，反解運(yùn)算，補(bǔ)償運(yùn)算，得出6 臺(tái)電動(dòng)缸的伸長量，通過總線傳遞給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部控制器得到信息并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)缸按照指令伸縮，平臺(tái)亦運(yùn)行到指定姿態(tài)。而安裝在電動(dòng)機(jī)上的編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的力矩、速度、位置信息并發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成電動(dòng)缸閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)精確地控制各電動(dòng)缸的伸長量，同時(shí)信息傳輸給微型控制器，微型控制器通過正解運(yùn)算，計(jì)算出平臺(tái)實(shí)時(shí)姿態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整平臺(tái)姿態(tài)，以作為下次動(dòng)作指令的參考，以確?？刂凭?。

圖9 控制系統(tǒng)作用原理圖

4.3 控制軟件界面

試驗(yàn)臺(tái)軟件操作界面根據(jù)功能和操作方法共分為3 個(gè)子界面，分別是可靠性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試、可靠性手動(dòng)測(cè)試和單缸測(cè)試。

可靠性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試界面主要應(yīng)用于按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)，如圖10 所示。試驗(yàn)前，可根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)選擇UIC 541-01 有關(guān)制動(dòng)器可靠性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，或是選擇更加嚴(yán)格的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。在確定標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)一步選擇制動(dòng)器類型，配合工裝確定模擬盤的磨損狀態(tài)。準(zhǔn)備就緒后，試驗(yàn)臺(tái)按照標(biāo)準(zhǔn)流程開始100 萬次的多工況可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，會(huì)出現(xiàn)更換模擬盤磨損狀態(tài)的彈窗，手動(dòng)更換工裝后，可繼續(xù)試驗(yàn)，如此循環(huán)至試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中，操作人員可通過實(shí)時(shí)記錄確定當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)。

圖10 可靠性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試界面

可靠性手動(dòng)測(cè)試界面應(yīng)用于臨時(shí)性可靠性試驗(yàn)，如圖11 所示。當(dāng)試驗(yàn)需要模擬制動(dòng)器在制動(dòng)過程中某一工況時(shí)，可通過手動(dòng)測(cè)試界面讓試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)到指定工況狀態(tài)。同時(shí)手動(dòng)測(cè)試界面集成了所有可能發(fā)生的制動(dòng)器制動(dòng)功能，可在試驗(yàn)前任意調(diào)整操作制動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試順序，并可以更改制動(dòng)器制動(dòng)缸、停放缸和手緩解裝置的充、排氣順序，為新開發(fā)產(chǎn)品試驗(yàn)提供幫助。

圖11 可靠性手動(dòng)測(cè)試界面

單缸測(cè)試界面用于測(cè)試制動(dòng)器的性能，如圖12 所示?？墒謩?dòng)對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)缸、停放缸和手緩解裝置輸入不同數(shù)值的氣壓壓力，進(jìn)行制動(dòng)器單缸功能測(cè)試。同時(shí)，界面也可以實(shí)現(xiàn)六自由度平臺(tái)的手動(dòng)位置調(diào)整，也可以對(duì)制動(dòng)時(shí)的垂向摩擦力進(jìn)行設(shè)置。

圖12 單缸測(cè)試界面

5 結(jié) 論

制動(dòng)器多工況可靠性試驗(yàn)臺(tái)在能夠滿足UIC（國際鐵路聯(lián)盟）疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了制動(dòng)器多種工況的模擬功能，能夠在不同摩擦副磨損狀態(tài)、制動(dòng)器橫移量、繞縱向轉(zhuǎn)角、繞垂向轉(zhuǎn)角等條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，有效地提高了制動(dòng)器試驗(yàn)?zāi)M狀態(tài)，使試驗(yàn)更加貼近實(shí)際使用情況，進(jìn)而獲得更加真實(shí)、準(zhǔn)確、有效的測(cè)試結(jié)果。