地鐵車輛單元制動器試驗臺研制

趙華　劉志遠　石晶

【摘 要】城市軌道交通的制動系統作為保障行車安全的核心系統，在經過維護或大修后，需進行相關功能的檢測和試驗，合格后方可重新安裝在車輛上。本研究針對該檢測技術難點，開發了用于地鐵車輛的單元制動器試驗臺，對管路選擇、管路連接方式、閥件選型、氣路及機械系統設計進行了研究，對檢修后的單元制動裝置進行多種功能試驗。經檢驗，該試驗臺可滿足地鐵列車制動系統單元制動器單元例行試驗的要求。

【關鍵詞】軌道交通；地鐵車輛制動系統；單元制動器試驗臺；研制

中圖分類號： U270.35 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0106-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.046

Research and development of brake test bench for metro vehicle unit

ZHAO Hua LIU Zhi-yuan SHI Jing

（hangzhou zhongche vehicle co.， LTD.， hangzhou， zhejiang 330013）

【Abstract】braking of urban rail transit system as the core for the safety of the system， after the maintenance or overhaul， need to related functions of inspection and test， qualified rear can reinstall on the vehicle. Aiming at the technology difficulty， this study developed a unit for metro vehicle brake test bench， the line selection， selection of pipe connections， valves， pneumatic and mechanical system design are studied， after the repair unit braking device for a variety of function test. According to the test， the test bench can meet the requirements of the routine test of the brake unit of the subway train braking system.

【Key words】Rail transit； Subway vehicle braking system； Unit brake test bench； To develop

0 引言

城市軌道交通作為具有運量大、速度快、安全、準點、環境友好、節約能源和節省用地等特點的一種交通工具，正在快速地發展，其制動系統作為保障行車安全的核心系統，其可靠性等檢測，已成為行業內技術人員攻克的熱點。

1 設計目的

制動系統單元制動器作為地鐵車輛制動系統的重要組成部分，經過維護或大修后，需進行相關功能的檢測和試驗，合格后方可重新安裝在車輛上。本文針對該產品試驗臺進行開發，最終目標是達到地鐵列車制動系統單元制動器單元例行試驗的要求。

2 設計思路

本試驗臺采用模塊化設計理念。試驗臺以組裝簡單為目標，功能配件裝配便利，在正常的測試壓力范圍內，氣流不易泄露，檢測的各個參數的精確性好；在設備上設置相關零部件標識及警惕標識，以便于維護和保養；結構設計合理、安全可靠、操作直觀簡便。

設備采用計算機自動控制。試驗時，相關試驗數據可以實時的在電腦屏幕上顯示，試驗結果可以自動保存或有選擇性的保存，可自動生成試驗報告單，并進行打印；有可靠的接地、漏電、過載保護系統；有可靠的安全防護、報警、保險措施，以防止誤操作或意外事故致使機器受損或人身傷亡；零件、儀表、面板指示、結果報告及全部圖紙資料的計量單位全部采用國際單位（SI）；所有儀表、零部件的設計、制造及所用材料符合ISO和IEC標準或其他同等標準，可對空壓機進行全面、精確的性能檢測。

3 設計過程及測試方法

單元制動器的動作通過壓縮空氣進行控制，因此試驗臺的動作控制主要通過氣路完成，根據不同的測試需求，需要不同的氣路來執行。對檢修后的實現單元制動裝置進行功能試驗，包括靈敏度試驗、制動缸低壓氣密性試驗、制動缸高壓氣密性試驗、停放缸低壓氣密性試驗、停放缸高壓氣密性試驗、制動和緩解試驗、手動緩解試驗、調整量及行程試驗、制動推出力試驗、停放推出力試驗。壓力測量精度需≥±0.5%FS，力值測量范圍需≥50kN（精度0.5%FS），位移測量范圍需≥200mm（綜合精度±0.5%FS）。

3.1 氣路元器件選型

3.1.1 管路選擇

為最大限度模擬單元制動器的工作環境，減少在試驗過程中不可控因素的干擾，在制動缸和停放缸的管路選擇上，選用與地鐵車輛所用管徑相同的管路（直徑18mm）。在控制氣路的管路選用10mm管路。

3.1.2 管路連接方式選擇

對于一般的氣路系統，管路的連接方式選用快速插頭，在設計的過程中，為保證設備的整體氣密性以及長期穩定性，采用卡套式連接。

3.1.3 閥件選型

單元制動裝置的最大工作壓力為0.6Mpa，在元器件選型時，需考慮元器件的最高工作壓力，元器件的最大工作壓力大于1Mpa即能滿足設計需求。

3.2 氣路及機械系統設計

氣路部分主要元器件由模擬風缸、電磁閥、氣控閥、壓力傳感器、壓力開關、過濾器、電氣比例閥、高壓調壓閥等部件組成；試驗臺采用知名品牌電氣比例閥調壓，調壓精準響應迅速經久耐用；試驗系統中各關鍵點的氣壓可以在面板計算機屏幕上顯示，試驗結果可以自動保存并生存試驗報表。

3.2.1 靈敏度試驗

試驗要求：閘瓦托初始動作時，壓縮空氣的壓力應不大于50kPa（帶停放單元制動裝置，應使停放缸處于緩解狀態），排風后應緩解。壓縮空氣的壓力可根據單元制動裝置的不同選擇30kPa～80kPa（壓力數值可調節）。

根據試驗要求，需要對常用制動及停放制動管路進行充風以及排風，同時還要控制充風壓力。實現此功能的管路如下圖：

通過電氣比例閥調節供氣壓力，通過二位三通氣控閥調節管路的充、排氣狀態，二位二通氣控閥控制測試端的充排氣及密封狀態。壓力傳感器測試實時壓力。

3.2.2 氣密性試驗

試驗要求：制動缸充風至測試壓力，壓力穩定后關斷氣路，保壓3min，記錄單元壓力下降量。壓力下降不超過3kPa（判斷依據壓力數值可調節）為合格。停放缸充風至測試壓力，壓力穩定后關斷氣路，保壓3min，記錄單元壓力下降量。壓力下降不超過3kPa（判斷依據壓力數值可調節）為合格。

根據試驗要求，通過上述管路設計即可達到試驗目的，在此功能的實現上，要求試驗臺自身具有較高的氣密性，該試驗裝置主要從以下幾個方面解決此問題：

（1）試驗裝置在設計的過程中并未采用常規氣路系統的快插連接方式，采用了城市軌道交通車輛常用的卡套式連接，相較于快插式連接方式，卡套式連接不容易受管路老化及環境溫度的影響，長期穩定性及氣密性效果好，經過對比測試，在壓力較高的狀態下，卡套式連接具有更好的氣密性。

（2）在測試管路末端，增加了1個氣控閥，在進行保壓測試時，氣控閥直接斷開與氣源的聯系，且測試管路部分連接的接口更少，進一步保證了實驗裝置的氣密性。同時在氣路設計的過程中，并未直接采用電磁閥來控制測試氣路的通斷，而是通過電磁閥控制氣控閥的方式來控制氣路的通斷，經過試驗對比，此種方式的氣密性更高。

3.2.3 制動、緩解試驗

試驗要求：制動缸充風至430kPa（壓力數值可調節），伸出桿頭與測試壓力傳感器之間接觸距離調為15mm，制動缸制動、緩解動作次數不少于5次，觀察記錄單元制動裝置動作情況，有無卡滯情況及制動缸推出力大小。

停放缸充風至530kPa（壓力數值可調節），伸出桿頭與測試壓力傳感器之間接觸距離調為13mm，實施排氣、充氣，使停放缸完全制動、緩解動作次數不少于3次，觀察記錄單元制動裝置動作情況，有無卡滯情況及停放缸推出力大小。

此實驗需要測量制動缸以及停放缸的推出力。此時推出力的獲取通過壓力傳感器獲取，壓力傳感器安裝在試驗臺的測試臺上，當單元制動器充風動作時，壓力傳感器可將壓力數值反饋至顯示屏。同時為了保證測量數值的精度，在受力端設計有仿形面，保證單元制動裝置的推出力能被精確測量。

3.2.4 手動緩解試驗

試驗要求：停放缸充風至530kPa（壓力數值可調節），制動缸壓力為0kPa，伸出桿頭與測試壓力傳感器之間接觸距離調為13mm，停放缸排氣制動后，拉動手動緩解拉桿后，停放缸緩解，手動緩解次數不少于3次，記錄停放缸制動力的數據變化。

根據試驗要求，上述管路即可完成試驗需求。

3.2.5 調整量及行程試驗

試驗要求：調整推桿頭到初始行程，制動缸充風至400kPa（壓力數值可調節），對制動缸重復進行制動、緩解，直到推桿頭調整至最大行程位，記錄在全行程范圍內每次推桿頭行程值，間隙調整機構總的調整量值。

調整推桿頭到初始位置，停放缸充風至530kPa（壓力數值可調節），對停放缸進行重復制動、緩解，測量每次最大行程和每次緩解后間隙調整量，直到推桿頭伸出至間隙調整達到設計最大的行程位，記錄在全行程范圍每次推桿頭行程值、間隙調整機構總的調整量值。根據試驗要求，在上述管路的基礎上需增加位移測量功能，為此，在試驗裝置上設計有滑臺機構，見下圖。

滑臺機構連接位移傳感器及復位氣缸。當單元制動裝置動作時，滑臺機構沿施力方向移動，單元制動裝置反復進行充、排氣直至單元制動裝置達到最大位置，通過位移傳感器獲取此時的位移值。當測試結束時，滑臺裝置通過復位氣缸進行復位。復位氣缸控制氣路見下圖。

3.2.6 制動力試驗

試驗要求：伸出桿頭與測試壓力傳感器之間接觸距離調為13mm，制動缸充風至400kPa（壓力數值可調節），制動缸制動、緩解3次，記錄閘瓦推出桿推出壓力并繪制壓力-推出力曲線。壓力值應符合要求（如34.95kN

根據試驗要求，通過常用制動管路即可完成此功能。

3.3 機械結構

試驗臺由操作主臺（見圖7）和執行工作輔臺（見圖8）組成，為分離式設計。

3.4 軟件系統

試驗臺軟件設計依靠PLC完成邏輯動作控制；計算機實時顯示試驗數據。除此之外，完成試驗數據的存儲及報表生成打印等。

3.4.1 軟件界面

軟件采用圖形化軟件平臺進行編程，軟件界面具備試驗操作功能和數據顯示功能。

3.4.2 用戶權限管理

軟件設計有4個不同等級（系統管理員、賬戶管理員、工程師和操作者）的用戶權限，以不同的權限登錄，可執行的動作不同。

3.4.3 試驗數據處理

數據處理包括試驗過程中的實時數據計算與試驗結束后數據計算分析。

試驗報表生成打印：可輸入被試品的編號、型號、參數等信息，在試驗結束時可生成試驗報表，另外部分信息如時間信息等計算機會根據計算機時鐘自動填入試驗報表，同時可打印報表。考慮數據保存的安全性，報表可根據需求寫入EXCEL文件。

（1）壓力值獲取。在壓力值獲取的過程中，計算機每秒接收幾百次壓力信號，通過數據處理手段，去掉單位時間內偏離較大的數值，對其他有效數值采用最小二乘法取出其平均值，確保壓力數值的整體穩定性。

（2）排氣壓力的控制。壓力傳感器精度為0.1%FS，電氣比例閥的精度為0.5%。壓力傳感器的精度遠高于電氣比例閥的控制精度。在壓力控制上采用閉環控制，進一步提高了試驗臺的控制精度。

3.4.4 運行信息記錄

試驗設備的運行信息以及運行過程中發生的故障可自動在計算機中記錄，方便設備維護和故障檢修。

4 結束語

本試驗臺研制以檢修過程中的需求為導向，最大限度地滿足單元制動器的檢修需求。在產品設計階段以模塊化設計為理念，在設備的安裝，維修的便利性、可靠性、檢測的準確性及試驗報告的輸出等方面均進行了提升，已交付用戶使用并得到了認可。本產品的成功研制很好地解決了地鐵車輛單元制動器穩定性等多維檢測，為確保地鐵車輛基礎制動的品質，保證行車安全提供了有力的保障。

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