制動系統閥類疲勞性能綜合試驗臺的研制

孟艷紅，白永偵

(1. 中車青島四方車輛研究所有限公司 智能裝備事業部；山東 青島 266031；2. 青島新瑞泰電氣設備有限公司，山東 青島 266031)

車輛制動系統是保證車輛行車安全的重要系統。車輛制動系統中包含很多種控制閥，每個控制閥都起著關鍵的作用。由于車輛需要頻繁啟停，制動系統中各種閥容易產生疲勞失效，導致疲勞失效的原因除了材料疲勞，還跟產品的加工工藝、組裝工藝及設計有關。為此，本文研究設計了制動系統閥類疲勞性能綜合試驗臺，用來驗證和優化各種閥類產品的材料強度、設計方案和工藝方案。

軌道車輛制動系統閥種類較多，主要包括：減壓閥、中繼閥、電磁閥、平均閥、換向閥、安全閥、高度閥、排風閥等20余種閥。各種閥由于功能、設計結構和設計工藝不同，導致試驗件安裝及氣路連接復雜，若每種閥做一個試驗設備既占用空間又浪費人力和物力資源。因此，研制閥類疲勞性能綜合試驗臺從設計角度分析應攻克以下四大難點：一是氣路復雜，怎樣統一規劃既條理清楚又使用方便；二是怎樣設計工藝方案才能使安裝既簡便快捷又兼容性強；三是如何實現不同的閥既能多路同步試驗又互不干擾；四是如何實現大量的實時數據采集、保存及回放分析。

1 設計原理及工藝結構

閥類疲勞性能綜合試驗臺[1]主要模擬各種閥在實際使用過程中不斷充排氣、不斷通斷電情況，記錄每個疲勞周期詳細數據，以驗證產品的疲勞可靠性[2]。試驗臺設計可同時分別進行10個閥的疲勞試驗，每個閥疲勞試驗過程參數如輸入壓力、輸出壓力、線圈電壓、疲勞次數、動作時間特性等可獨立設置。試驗中能詳細記錄每個閥的動作疲勞周期、壓力曲線、電壓曲線、電流曲線、性能判定結果等，并對試驗數據進行回放處理，方便研究產品的性能和壽命。

閥類疲勞性能綜合試驗臺由電氣部分、氣控部分、安裝工藝和軟件部分組成。

1.1 氣控部分設計

氣控部分設計包括氣源處理系統、氣控閥、電磁閥、壓力傳感器及儲風缸等[3]。氣控閥和電磁閥用于控制氣路管道的通斷。氣路用的大流量閥采用先導電磁閥加氣控閥的組合式結構，氣控閥良好的氣密性性能保證了試驗臺的整體氣密性要求。電磁閥和氣控閥的使用壽命達到幾千萬次，可以保證試驗時連續疲勞動作的正常執行。

試驗臺氣路原理圖如圖1所示。氣路接口設計總數為30個，為了將復雜氣路和工藝簡化，氣路設計為A、B、C三大類，A類為8路直接導通的輸出氣源，通過減壓閥、小風缸后輸出，其中兩路為高壓(0～1.5 MPa)輸出，其余為常規壓力(0～1 MPa)輸出。B類為12路可電控的輸出氣源，通過減壓閥、小風缸、氣控閥(自動控制進氣或排氣)，設置節流閥調節流量，其中1路為高壓(0～1.5 MPa)輸出，其余為常規壓力(0～1 MPa)輸出。C類為10路輸入壓力監測氣路，其中5路采用直通式，直接進入小風缸；5路帶采用氣控閥實現自動控制排氣功能，其中1路為高壓。A、B類通路均配備調壓閥用于調節對應氣路的輸出壓力大小，并安裝在面板上方便操作。每個氣路接口處都設有壓力傳感器，實時監控氣壓值。并能通過安裝在試驗臺面板的機械壓力表顯示氣壓值。該機械壓力表進氣時可通過塞門隔離，不用時關閉，避免指針長時間反復動作。小風缸容積1 L，用于確保壓力測量的準確性，總風缸容量50 L，用于穩定供風風壓。

F.氣源處理系統過濾器;V0～V21.減壓閥；R0-1～R0-20.塞門；R1～R30.帶排氣的塞門；M0～M30.壓力表；P1～P30.壓力傳感器；YV0～YV2.高壓大流量氣控閥；Y0～Y2.先導電磁閥；YV3～YV29.氣控閥；JV1～JV12.節流閥；A1～A8.A類氣路接口；B1～B12.B類氣路接口；C1～C10.C類氣路接口。

上述設計可保證氣路能夠滿足各種要求的閥，輸入、輸出接口可以隨意搭配，隨意使用，這樣不僅方便使用者需求，同時清晰明了且操作簡單。

1.2 安裝工藝設計

試驗臺機械設計包含一個主控柜和一個工裝柜組。主控柜操作面板包含人機界面、試驗報警、控制開關及狀態指示燈。柜體內安裝有工控機、打印機、可調直流電源、低壓電氣配電板等。

由于閥的種類多，各種閥的結構及安裝形式都不相同，因此為每種閥設計一個轉接板，轉接板的一端可方便固定在試驗臺臺面上，另一端連接試驗閥。工裝柜臺面上配置了直線導軌，直線導軌上面安裝有3種不同尺寸的安裝支架，用于安裝不同外形閥體的轉接板。試驗時將閥體的轉接板安裝在支架上，支架的安裝底座通過滑動調節位置并通過螺絲與導軌鎖緊。導軌上可同時安裝10種閥，安裝位置比較靈活，新增試件測試只需更換轉接板即可。工裝柜臺面靠近上面板處安裝有氣路接口，接口單元采用快插接頭的方式，接口的輸入輸出分配靈活，縮短了氣路接口與閥之間的距離和連接氣管的長度。上述工藝結構及布局設計使得設備實用、整潔、美觀，而且大大增強了設備的兼容性和擴展性。

1.3 電氣部分設計

為了實現不同的閥多路同步試驗又互不干擾，且能夠處理大量的實時數據，試驗臺采用工控機系統，試驗過程編制專用軟件，軟件通過多線程可實現10個工位的獨立控制，并可同時進行測試。試驗數據通過高精度高頻率響應的A/D卡采集，可達到試驗要求的數據準確性和實時性，而且在滿足測試目的前提下降低了工控機CPU使用率。控制閥動作和線圈供電通過固態繼電器進行準確控制，高壽命和高可靠性的固態繼電器可保證設備的整體使用壽命。

由于疲勞試驗需要測試的次數達到30萬次甚至100萬次，平均每3 min完成1次循環，這3 min內每3 s需要記錄1次試驗數據，數據內容包括：閥名稱及基本參數、試驗次數、試驗壓力、試驗電壓電流、試驗結果等，數據相當龐大。通過強大的工控機操作系統、內存和硬盤容量才能保證超大的試驗數據保存。軟件存儲設計上既要提高存儲速度又要減小系統內存的使用率，選擇保存為TXT文本文件的方式。還需要通過數據回放功能詳細直觀地顯示出閥的整個疲勞過程特性。

1.4 軟件部分設計

疲勞試驗軟件主頁面設計如圖2所示。頁面上方是試驗數據顯示區，能夠實時顯示每個通道的壓力和供電電壓。軟件將測試值和設定值進行比較并自動判斷試驗過程是否正常。頁面下方是試驗循環次數記錄及操作控制按鈕。頁面右側是動作單獨控制按鈕區，通過點擊按鈕可打開或關閉氣路中對應的閥，控制對應電源電壓輸出，在進行試驗前，可以通過這些按鈕操作確保氣路控制及閥體動作的正確性。頁面左側及中間是10個工位試驗的基本參數設置及數據監控。

1.5 軟件功能

1.5.1 試驗過程

點擊“開始”按鈕系統自動開始疲勞試驗，每3 s記錄1次試驗數據，系統自動累計顯示當前試驗循環次數，將監測的數據與用戶自定義的判定標準進行對比，不符合判定標準則立即報出故障，并對故障進行可追溯性記錄。試驗中通過點擊實時數據，彈出實時曲線頁面，可連續實時顯示出此工位上的輸入壓力、輸出壓力和線圈或觸點電壓電流的實時曲線。

疲勞試驗過程不需要人員把守，具有全自動試驗、實時自動判斷、實時自動報警功能，并自動記錄實時數據及報警故障原因及時間，自動處理各類故障。如果某一工位出現故障停止試驗，不會影響其他工位正常工作。

1.5.2 故障報警

試驗過程中如果出現故障，試驗頁面警報狀態將高亮顯示紅色“警報”字樣并且操作柜面板上的警報蜂鳴器開始聲光報警。如不人為關閉，故障燈將常亮，當按下“警報”按鈕關閉報警，蜂鳴器將不再聲光報警。軟件自動記錄故障信息，故障信息包括：故障名稱、故障時刻、故障數據、被試件名稱、被試件編號、試驗員等。

1.5.3 數據回放

為了方便科研人員對產品壽命的研究，試驗臺配備了專門的數據回放軟件(圖3)。試驗結束后，將保存的2個TXT文本存放到數據回放軟件的指定文件夾下，運行軟件后，數據列表中自動加載文件，點擊文件名稱，數據和曲線加載完成后，下方會顯示出閥疲勞試驗總的周期數、實際完成的周期數、試驗時使用的通道、設置的壓力范圍等參數。通過鼠標能夠平行移動、放大和縮小波形曲線，改變數據及圖像密度，并顯示鼠標移動當前曲線對應的周期數。也可通過具體次數查詢顯示出整個周期內某一區段的性能曲線。

圖3 數據回放軟件頁面

2 結論

本文研制的閥類疲勞性能綜合試驗臺適用于制動系統各種閥的疲勞試驗，實現了閥疲勞性能綜合檢測。系統采用工控機自動控制及數據處理、回放分析顯示，提高了檢測精準度和檢測效率，降低了人工檢測難度和檢測誤差，對產品的質量及壽命分析提供了有效保證。與特定試件使用特定功能試驗臺檢測，檢測試件種類多且需購買多臺疲勞試驗臺相比，此綜合試驗臺大大降低了設備采購和維護成本，降低了電能和壓縮空氣的使用，達到了節約能源的目的。