兼容型閘調(diào)器試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計

張昭英 張曉明 杜劍宇 孟艷紅

摘?要：本文介紹了兼容型閘調(diào)器試驗臺的機械系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)的組成及試驗臺的功能，重點闡述了試驗臺的測控系統(tǒng)設(shè)計。試驗臺可對拉伸型、壓縮性閘調(diào)器進行性能試驗和疲勞試驗，解決了以往需要針對不同類型閘調(diào)器和試驗內(nèi)容配備對應試驗臺的情況，減小試驗裝置支出，提高經(jīng)濟效益和試驗效率。性能試驗上位機控制程序使用NI LabVIEW編寫，通過NI OPC Serviers建立筆記本電腦與PLC的OPC通信;疲勞試驗使用觸摸屏作為HMI與PLC通信。經(jīng)驗證試驗臺滿足不同類型閘調(diào)器的測試需求，試驗項目能正確完成，測試數(shù)據(jù)精確，具有良好的應用效果。

關(guān)鍵詞：儀器儀表技術(shù);試驗臺;測控系統(tǒng);閘調(diào)器;兼容

Abstract：Introduced the mechanical system，pneumatic control system，measurement and control system and the functions of the compatible brake slack adjusters test bed，with emphasis on the design of the measurement and control system of the test bed.The test bench can be used for performance test and fatigue test of tension type and compression type brake slack adjusters，which solves the problem that the corresponding test bench should be equipped for different types of brake slack adjusters and test contents in the past，reduces the expenditure of test device，and improves the economic benefit and test efficiency.The control program of upper computer in performance test was written by NI LabVIEW，and the OPC communication between notebook computer and PLC was established by NI OPC Servers;the touch screen was used as HMI to communicate with PLC in fatigue test.It has been verified that the test bench can match the test requirements of different types of gate regulators，the test project can be completed correctly，the test data is accurate，and has good application effect.

Keywords：instrument technology;test bed;measurement and control system;brake slack adjusters;compatible

雙向閘瓦間隙自動調(diào)整器（以下簡稱“閘調(diào)器”）[1]是鐵道貨車基礎(chǔ)制動裝置的重要組成部分。在鐵道貨車制動過程中，若閘瓦和車輪之間的間隙過大，使車輛的制動力過小，制動距離過長，影響行車安全;反之若閘瓦和車輪之間的間隙過小，使車輛的制動力過大，輪對產(chǎn)生短時滑行造成踏面擦傷[2-3]。因此閘瓦間隙發(fā)生變化時閘調(diào)器應能自動伸長或縮短，并使制動缸活塞行程控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，使車輛獲得合適的制動力[4]。

閘調(diào)器試驗根據(jù)閘調(diào)器的工作方式（拉伸式和壓縮式）和試驗內(nèi)容（性能試驗和循環(huán)試驗）需要分別配備對應的試驗臺[5-6]。本文設(shè)計了兼容型閘調(diào)器試驗臺，可兼容上述試驗臺的所有功能，減小試驗裝置支出和占用的試驗場地，提高經(jīng)濟效益和試驗效率。

1 試驗臺組成及功能

試驗臺主要由機械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)及測控系統(tǒng)組成。

控制柜放置于機械結(jié)構(gòu)內(nèi)，試驗臺底部安裝萬向輪，便于整體移動。便攜式計算機通過網(wǎng)線與控制柜內(nèi)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機連接。

1.1 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)為安裝閘調(diào)器試驗工裝的結(jié)構(gòu)框架，由加載機構(gòu)、間隙調(diào)整機構(gòu)、延長機構(gòu)組成，三部分機構(gòu)通過螺栓組裝為一個整體（圖2）。

1.1.1 加載機構(gòu)

加載機構(gòu)主要由增力結(jié)構(gòu)、制動缸、框架、力傳感器組成。通過給制動缸充排氣，增力機構(gòu)內(nèi)部斜塊上升、下降，帶動閘調(diào)器的拉桿頭水平方向移動。

采用鐵路貨車12寸制動缸，該制動缸能夠經(jīng)受-50℃的低溫，同時能夠經(jīng)受25萬次的循環(huán)試驗。由于制動缸在600kPa壓力作用下所產(chǎn)生的推力達不到78kN的載荷數(shù)值要求，因此采用增力機構(gòu)。

增力結(jié)構(gòu)采用斜楔增力，具有結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、調(diào)整方便的優(yōu)點。

1.1.2 間隙調(diào)整機構(gòu)

間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)主要由絲杠、傳動結(jié)構(gòu)、框架、伺服電機、減速機、手輪組成。

自動模式下由伺服電機帶動減速機和齒輪組轉(zhuǎn)動，手動模式下通過手動轉(zhuǎn)動手輪實現(xiàn)絲杠傳動。

該機構(gòu)可根據(jù)所試驗的閘調(diào)器調(diào)整安裝位置，縮減試驗臺長度。

1.1.3 延長機構(gòu)

延長機構(gòu)由框架三及支撐橫梁組成，用于為大尺寸閘調(diào)器試驗時，絲杠及傳動機構(gòu)位置的調(diào)整。

1.2 氣動系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)通過為制動缸充氣和排氣提供閘調(diào)器試驗的制動和緩解工況。

圖3為氣動系統(tǒng)原理圖，二位二通手動球閥至開啟位，節(jié)流閥調(diào)整至最大流量，調(diào)節(jié)過濾減壓閥至壓力如右表顯示為試驗需要的壓力，控制三位五通電磁閥或二位三通手動球閥充排氣，調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制制動缸動作速度。

1.3 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要由控制柜、筆記本計算機、測控程序、西門子S7-1200系列PLC、位移傳感器、載荷傳感器、壓力變送器、限位開關(guān)、電力電纜及通信電纜等構(gòu)成。

通過人機交互調(diào)用相應試驗程序控制電磁閥、伺服電機的動作及試驗數(shù)據(jù)的采集分析。

控制柜可嵌入機械框架內(nèi)，減小占用空間，方便整體移動。

1.4 試驗臺功能

試驗臺主要為閘調(diào)器進行性能試驗和循環(huán)試驗。

1.4.1 性能試驗

拉伸式閘調(diào)器的性能試驗包括：穩(wěn)定性、全行程伸長、全行程縮短、調(diào)整精度、靈敏度、最小啟動力、簡體旋轉(zhuǎn)阻力。

壓縮式閘調(diào)器的性能試驗包括：穩(wěn)定性、全行程伸長、全行程縮短、調(diào)整精度、靈敏度、最小啟動力、復位阻力[7-9]。

1.4.2 循環(huán)試驗

型式試驗項目中包括循環(huán)試驗：在試驗載荷下，調(diào)整閘調(diào)器至初始長度，對閘調(diào)器重復施加、卸除試驗載荷，每循環(huán)10次，調(diào)整螺桿伸出量增加2mm，直到試驗調(diào)整范圍;調(diào)整螺桿伸出量縮短2mm，循環(huán)10次，達到初始長度，以此往復直至施加、卸除試驗載荷循環(huán)10萬次后，閘調(diào)器無裂損，再進行性能試驗[10]。

2 主要技術(shù)參數(shù)

試驗臺兼容各類型的閘調(diào)器，最大可測試行程為600mm的閘調(diào)器，試驗臺的長度根據(jù)不同的閘調(diào)器可調(diào)整。下表為試驗臺主要技術(shù)參數(shù)。

3 測控系統(tǒng)

3.1 電路設(shè)計

圖5為電路原理示意圖，AC220V經(jīng)過上電控制模塊，為筆記本計算機、觸摸屏、工業(yè)以太網(wǎng)交換機、伺服驅(qū)動器供電，開關(guān)電源將AC220V轉(zhuǎn)換為DC24V，為PLC、位移傳感器、壓力變送器、力傳感器、限位開關(guān)供電，西門子S7-1200系列PLC處理傳感器信號AI采集、限位開關(guān)DI輸入、電磁閥DO控制和伺服驅(qū)動器的DO+脈沖控制。筆記本計算機、觸摸屏、PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機互相通信。

3.2 性能試驗程序設(shè)計

試驗臺性能試驗采用筆記本電腦作為人機交互工具，控制程序使用NI LabVIEW編寫，通過NI OPC Serviers建立筆記本電腦與PLC的OPC通信，讀取PLC處理的傳感器、限位開關(guān)、控制狀態(tài)等狀態(tài)信息，下發(fā)程序控制指令。

3.2.1 主界面

圖6為性能試驗主界面，分為菜單欄、基礎(chǔ)設(shè)置、手動調(diào)整、實時數(shù)據(jù)、試驗提示、單項自動試驗幾個區(qū)域。

在基礎(chǔ)設(shè)置框中選擇被試件型號，將調(diào)取數(shù)據(jù)庫中保存的該型號的參數(shù)，賦值到各個試驗的試驗設(shè)置框中。

手動調(diào)整框為操作員直接控制電機動作制動缸動作，此框和自動試驗互鎖。

實時數(shù)據(jù)框中顯示PLC采集的各傳感器數(shù)據(jù)。

單項自動試驗選項卡中點擊開始按鈕，即可自動完成相應試驗。

點擊菜單的選項，可進入相應的界面。

3.2.2 被試件庫管理界面

具有管理員權(quán)限的用戶可進入該界面對被試件參數(shù)進行編輯。

該界面左側(cè)表格中顯示數(shù)據(jù)庫中已保存的被試件參數(shù)，雙擊其中的一行自動賦值至相應屬性框，數(shù)據(jù)庫將根據(jù)操作員按下的按鈕進行相應操作。

3.2.3 報表查詢界面

在該界面選擇查詢篩選條件后，點擊查詢按鈕，表格中顯示符合條件的數(shù)據(jù)。勾選需要的記錄，若點擊導出報表按鈕，對應記錄的報表將以Excel格式保存在程序?qū)窂降膱蟊砦募A下;若點擊打印報表按鈕，對應記錄的報表將直接打印。

3.2.4 標定界面

具有管理員權(quán)限的用戶，可在該界面對試驗臺的傳感器進行標定、顯示數(shù)字量輸入狀態(tài)、控制數(shù)字量輸出、控制電機輸出。

PLC框中顯示PLC采集的原始值、當前的系數(shù)和零點;修正值框中修正值將根據(jù)對應更改的零點和系數(shù)變化，按下保存標定值按鈕后，修正值框中的零點和系數(shù)將至數(shù)據(jù)庫并下發(fā)至PLC。

3.3 疲勞試驗程序設(shè)計

疲勞試驗采用觸摸屏作為人機交互工具，控制程序使用TIA Portal編寫，登錄、標定、試驗設(shè)置、試驗主界面。

結(jié)語

兼容型閘調(diào)器試驗臺可對拉伸型、壓縮性閘調(diào)器進行性能試驗和疲勞試驗。目前，該試驗臺已在中鐵檢驗認證（青島）車輛檢驗站有限公司使用，經(jīng)驗證試驗臺滿足不同類型閘調(diào)器的測試需求，試驗項目能正確完成，測試數(shù)據(jù)精確，具有良好的應用效果。

參考文獻：

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[8]TB 1899-87，ST1-600型雙向閘瓦間隙調(diào)整器[S].

[9]TJ/CL461-2016，壓縮式閘瓦間隙調(diào)整器技術(shù)條件[S].

[10]TJ/CL464-2016，DBA型單元制動缸技術(shù)條件[S].

作者簡介：張昭英（1987—?），女，漢族，福建三明人，碩士，工程師，主要從事軌道車輛部件測試設(shè)備開發(fā)和試驗研究工作。