鐵路貨車微機控制制動缸試驗臺的研制

袁立福　李元玲　　趙金輝（北京鐵路局天津車輛段，天津　300012）

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鐵路貨車微機控制制動缸試驗臺的研制

袁立福李元玲趙金輝
（北京鐵路局天津車輛段，天津300012）

摘要：貨車制動缸試驗是保證車輛安全運行的重要手段。制動系統的機械控制核心——制動缸，其性能直接關系到制動試驗臺的制動效果，進而影響到機車的安全性能。目前，對制動缸的性能試驗，大部分檢修單位仍沿用肉眼觀讀手工檢測記錄方式，使試驗數據的準確性及真實性與實際結果有一定的差異。為了提高制動缸試驗數據的準確性及真實性，提高性能試驗的自動化程度，減輕工人的勞動強度，研制了微機控制制動缸試驗臺，通過微機對制動缸進行性能檢測，提高檢測精度和檢修效率。

關鍵詞：貨車；微機控制；制動缸；實驗臺

隨著貨物貨車提速與重載的全面實施，貨車制動故障越來越引起鐵路運營部門的關注。制動系統的機械控制核心——制動缸，其性能直接關系到制動試驗臺的制動效果，進而影響到機車的安全性能。制動缸性能的好壞將直接危及車輛的運行安全，必須經過嚴格試驗檢測，合格后方可裝車使用。因此貨車制動缸試驗是保證車輛安全運行的重要手段。

目前，對制動缸的性能試驗，大部分檢修單位仍沿用肉眼觀讀手工檢測記錄方式，使試驗數據的準確性及真實性與實際結果有一定的差異。為了提高制動缸試驗數據的準確性及真實性，提高性能試驗的自動化程度，減輕工人的勞動強度，研制了微機控制制動缸試驗臺，通過微機對制動缸進行性能檢測，提高檢測精度和檢修效率。

圖1

1. 目前國內技術現狀

目前國內進行廠修貨車制動缸試驗的主要方式為手動制動缸試驗，由手動操作操作閥，通過觀察機械表指針來進行人為控制，控制精度差，不能存儲數據，并且試驗效率低下，試驗過程缺乏科學性，對制動缸的性能試驗容易造成人為的判斷錯誤。

2. 試驗臺技術方案

2.1設計原則

（1）滿足國內所有型號的貨車制動缸試驗。

（2）依據《制規》要求試驗。

（3）滿足微機自動試驗，滿足脫離微機控制時手動試驗。

（4）所有部件調整如制動缸高度均滿足電控操作。

2.2試驗臺組成

試驗臺包括：試驗臺、球閥、油水分離器、氣缸、比例閥、電磁閥、壓力傳感器、電控升降器、工控機、西門子PLC控制器等。

試驗臺外部結構如圖1所示。

2.3工作原理

（1）系統硬件組成

微機控制制動缸試驗臺根據廠修貨車制動缸試驗要求進行功能設計，由試驗臺、球閥、油水分離器、氣缸、比例閥、電磁閥、壓力傳感器、電控升降器、工控機、西門子PLC控制器等設備組成。完成80kPa、600kPa的充風、保壓、排風、400kPa的80mm、120mm、160mm、200mm充風、保壓、排風等試驗項目。具有試驗數據曲線的保存、查詢和打印功能。

其氣路圖如圖2所示。

圖2微機控制制動缸試驗臺氣路圖

試驗臺對比例閥充風量進行控制，控制保壓閥的保壓，排風時下發比例閥的排風命令，同時關閉保壓閥，打開排風閥以加快排風速度。充風時試驗臺實時讀取壓力傳感器的測量值，采用逐次逼近法控制比例閥的充風量，達到最優的控制速度和控制效果。

比例閥：風路部分有3個接口，進風口通過油水分離器連接到風源；出風口與保壓電磁接口；排氣口直接接大氣。比例閥采集PLC輸出的0～10V的電壓信號，通過PID控制理論實現了對壓力的實時、無級、自動調節，輸出風壓通過壓力傳感器反饋給控制信號，輸出壓力控制精度高，輸出風壓誤差＜0.5%FS（精度和滿量程的百分比）。

氣缸：4個氣缸用于分別對四個擋板控制，接收自PLC控制器的打開關閉命令，進氣口通過油水分離器接至風源，氣缸和比例閥通過三通連接器與風源連接。出風口用死堵封閉。排氣口直接接大氣。

壓力表：為一機械壓力表，指針式，其特點直觀簡單。安裝于工控機上方，易于操作人員觀察氣路狀態。

油水分離器：濾除壓縮空氣里的水分、油和其他雜質。

保壓電磁閥：用來切斷和接通氣源和遮斷閥孔，實現充風和保壓。

排風電磁閥：用來排掉氣路中和制動缸中的氣體，和比例閥排風相結合，加快排風速度。

壓力傳感器：在進風口測量風源的壓力，出風口測量輸出的壓力，其精度較高，輸出4mA～20mA供PLC測量和試驗臺對制動缸充風量控制。

DC24V直流電源：為比例閥、傳感器、電磁閥、PLC提供工作電源。

PLC：執行控制器，采用Siemens公司的S7-200PLC，增加了EM235模擬量輸入輸出模塊。使用12路I/O輸入，6 路I/O輸出口，2路模擬輸入口（比例閥測量信號：0～5VDC，壓力傳感器測量信號：4mA～20mA），1路模擬輸出口（0～10VDC），作為風壓控制信號。采用RS485和上位機通信。

電控升降器：不同的制動缸活塞位置不同，為此增加了可調整高度的電控裝置。電控升降器就是為此設計的，升降電機加上減速螺旋部件實現了制動缸定位板的緩升緩降。升降電機由試驗臺起升和降落按鈕控制。

擋板：實驗臺上四塊擋板是為制動缸在400kPa試驗時，控制活塞行程而設計，分別由試驗臺內4個氣缸控制，氣缸的活塞伸出和縮回對應擋板的起落。

工控機：采用全屏觸摸式一體化工控機，和PLC通信實現對制動缸的試驗試驗。具有RS232、USB、網口、打印機接口。

微機控制試驗臺三維效果圖如圖3所示。

圖3

（2）主控軟件

主控軟件主要用來發送試驗器控制命令，采集風壓數據，試驗判定，試驗數據的存儲、查詢和打印。數據庫采用MicrosoftSqlServer2012，開發工具采用VS2012中的C#集成開發環境，運用WPF技術使人機界面更加柔和友好。軟件模塊包括：系統配置、通信連接、人員管理、記錄查詢、通信連接、試驗控制、檢測記錄、檢修記錄。

軟件主界面如圖4所示。

（3）數據流向

微機控制制動缸試驗系統數據流向包括主控機與PLC之間數據傳輸、PLC對氣泵、電磁閥的開關量輸出控制、PLC和比例閥的模擬量輸入輸出的測量和控制、PLC和壓力傳感器的模擬量輸入測量、PLC對按鈕狀態的輸入量測量等。其框圖如圖5所示。

主控軟件數據流向如圖6所示。

3. 關鍵技術和創新點

3.1智能化微機控制，采用主流配置的觸摸屏平板一體工控機作控制終端，依據《制規》要求自動完成自檢試驗，記錄保存試驗數據和曲線，可查詢、打印歷史數據。可追溯檢修質量。

3.2獨立的一體化試驗臺操作設備，可根據試驗需要移至不同的試驗地點。內部氣路和試驗部件安裝連接完好，只需將現場提供的風源接入試驗臺的進風口、將220V交流電接入電源口即可進行試驗，無需二次接線等施工工作。

圖4

3.3采用逐次逼近法實現對充風過程的控制，根據實時采集的制動缸壓力和相關試驗參數要求對充風進程進行初期大流量調控，以便提高試驗速度，當壓力接近目標值時進行微流量調控，實現試驗臺精準輸出，有效縮短試驗時間，提高試驗質量。

3.4氣缸及活塞行程定位座，采用微機控制風缸推動擋板的起落，達到制動缸活塞不同行程下的性能試驗。利用微機控制的電信號結合氣缸特性控制4個擋板的起落，設置5個活塞行程。

3.5電控升降器，用于升降制動缸，調整制動缸活塞高度，滿足不同型號的制動缸試驗。型號不同的制動缸活塞位置不同，采用電控升降器實現了制動缸活塞的精準定位。

圖5

4. 現場應用及效果

2015年11月26日，“鐵路貨車微機控制制動缸試驗臺”通過了北京鐵路局科委組織的專用設備技術審查。截至目前，北京局車輛系統共安裝微機控制制動缸試驗臺4套，在運行期間共試驗制動缸467個次，系統滿足《制規》貨車廠修制動缸試驗工藝要求完成試驗作業要求。運行主要效果如下：

4.1該試驗臺采用觸摸平板一體化工控機作為主控機，界面簡潔、清晰美觀，可對試驗基本信息參數等進行配置，使用靈活、方便。

4.2充風快，風壓控制精確、保壓精度高，避免了手動試驗器的精確度差和人為誤差。

4.3設備具有制動缸高度、活塞桿長度調節功能，精確定位制動缸活塞位置，滿足不同型號規格制動缸的試驗。

4.4支持多種操作模式，可在工控機上做自動或手動試驗，也可脫離工控機選擇全手動操作，完成制動缸試驗，使用方便。

4.5設備在自動試驗功能狀態，可按《制規》要求自動完成試驗過程，試驗中顯示試驗曲線和數據并保存，自動給出試驗結論：合格和不合格，具備歷史數據的查詢和打印功能。

圖6

結語

貨車制動缸試驗是保證車輛安全運行的重要手段。微機控制制動缸試驗臺實現了自動試驗和手動試驗相結合的技術方案，系統操作簡單方便、符合現場工作要求和使用習慣。便捷的試驗操作方式和記錄查詢滿足了新形勢下車輛段高效、安全生產的需要。微機控制制動缸試驗臺的應用，解決了作業效率低、人員勞動強度大、制動缸性能檢測不能追溯的缺點。為制動缸的可靠運行提供了有效的科學依據，避免了制動缸試驗數據不精確而造成貨車事故或隱患，有效地維護了鐵路運輸的“安全、暢通、快捷”性。

參考文獻

［1］吳勇，孫照富.壓力傳感器性能試驗臺液壓伺服系統設計［J］.液壓與氣動，2008 （8）：5-6.

［2］張志強，馬朝臣.渦輪增壓器性能試驗臺數據采集及處理系統［J］.節能技術，2005（1）：22-24.

中圖分類號：U270

文獻標識碼：A