列車閥檢測試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
列車閥檢測試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),列車,檢測,試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)
編號(hào)
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 列車制動(dòng)系統(tǒng)比例閥測控試驗(yàn)臺(tái)
設(shè)計(jì)與研究
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923095
學(xué)生姓名： 李敏虎
指導(dǎo)教師： 薛慶紅 （職稱：副教授 ）
（職稱： ）
2013年5月25日
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 列車制動(dòng)系統(tǒng)比例閥測控試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與研究 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機(jī)械92
學(xué) 號(hào)： 0923095
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 列車制動(dòng)系統(tǒng)比例閥測控試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與研究
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
列車感載比例閥可以使車輛的制動(dòng)率不隨載重量的變化而變化，保持為一常數(shù)，以減小列車制動(dòng)時(shí)的縱向沖動(dòng)，避免空車時(shí)因制動(dòng)力過大而使閘瓦抱死車輪，使車輪在鋼軌上滑行擦傷車輪，及重車時(shí)因制動(dòng)力不足而不能在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車。由于列車感載比例閥涉及人身安全重要性，對其質(zhì)量提出較高的要求，因此對列車感載比例閥的測試也提出了較多的要求。根據(jù)列車感載比例閥的特性，設(shè)計(jì)研究了比例閥的檢測試驗(yàn)臺(tái)。最后實(shí)際檢測后表明，該試驗(yàn)臺(tái)測試精度高、性能穩(wěn)定、裝卸被測試件快速準(zhǔn)確、測試時(shí)間短、測試結(jié)果可視化程度高、歷史數(shù)據(jù)查詢方便, 可為列車感載比例閥的研制和在線檢測提供可靠的測試依據(jù)和試驗(yàn)手段。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
四、接受任務(wù)學(xué)生：
1.編寫設(shè)計(jì)說明書（大于40頁）；
2.專業(yè)外語翻譯（大于8000~10000字符，約合漢字5000字符）；
機(jī)械92 班 姓名 李敏虎
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名
信機(jī) 系主任 簽名
2012年11月27日
I
摘 要
感載比例閥是列車制動(dòng)系主要元件之一,它能使制動(dòng)壓力隨載荷的變化而得到調(diào)整,保證列車在不同載荷和速度情況下制動(dòng)的穩(wěn)定性。為了保證列車行駛的安全性, 感載比例閥必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試, 各項(xiàng)性能指標(biāo)必須滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前, 國內(nèi)主要采用手工控制測試或采用進(jìn)口的性能試驗(yàn)臺(tái)對感載比例閥進(jìn)行測試。手工控制測試精度低、同步性差、工作節(jié)拍長、生產(chǎn)效率低, 性能檢測常常滯后于生產(chǎn)加工,而且檢測結(jié)果不能儲(chǔ)存, 在出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)無法提交有效的檢測報(bào)告。進(jìn)口試驗(yàn)臺(tái)價(jià)格昂貴, 軟件維護(hù)不方便, 人機(jī)交互性差, 且多數(shù)為專用型, 無法滿足個(gè)性化需要。
由于列車感載比例閥涉及人身安全重要性，對其質(zhì)量提出較高的要求，因此對列車感載比例閥的測試也提出了較多的要求。根據(jù)列車感載比例閥的特性，設(shè)計(jì)研究了比例閥的檢測試驗(yàn)臺(tái)。最后實(shí)際檢測后表明，該試驗(yàn)臺(tái)測試精度高、性能穩(wěn)定、裝卸被測試件快速準(zhǔn)確、測試時(shí)間短、測試結(jié)果可視化程度高、歷史數(shù)據(jù)查詢方便, 可為列車感載比例閥的研制和在線檢測提供可靠的測試依據(jù)和試驗(yàn)手段。
關(guān)鍵詞：列車制車系統(tǒng)；感載比例閥；檢測；試驗(yàn)臺(tái)
Abstract
Feeling is proportional valve train brake system is one of the main components, it can make brake pressure along with the change of load adjustment, ensure trains under the condition of different load and speed braking stability. In order to guarantee the safety of the train, sense of proportion valve must go through rigorous testing, the performance indicators must meet industry standards. At present, our country mainly adopts manual control the import of test or use the performance of the test-bed for proportional valve test load. Manual control low test precision, poor synchronicity, long work rhythm, the production efficiency is low, performance testing is often lags behind the production and processing, and the test results cannot be stored, when quality problems cannot submit valid test report. Import test bench is expensive, software maintenance is not convenient, man-machine interactivity is poor, and the most special, can't satisfy personalized needs.
Because trains are proportional valve importance related to the personal safety, the quality put forward higher requirements, therefore to train load proportional valve test is also put forward more requirements. According to the properties of the sense of train load proportional valve, proportional valve testing test-bed design studied. Finally after the actual test shows that the test high test precision, stable performance, loading and unloading test parts quickly and accurately, short test time, test results, high degree of visualization, historical data query is convenient, can be developed for train sense of proportional valve and provide reliable testing basis and on-line detection methods.
Key words: train car manufacturing system; Load proportional valve; Detection; Test bench
43
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒論 １
1.1本課題的研究內(nèi)容和意義 １
1.2國內(nèi)外的發(fā)展概況 １
1.3本課題應(yīng)達(dá)到的要求 １
2 列車制動(dòng)系統(tǒng)簡介 ２
2.1列車制車系統(tǒng) ２
2.1.1制動(dòng)方式 ２
2.1.2制動(dòng)系統(tǒng)組成 ３
2.1.3制動(dòng)控制裝置 ３
2.2 空氣制動(dòng)系統(tǒng)的組成及其作用 ３
3 列車感載比例閥技術(shù)分析 ５
3.1 列車感載比例閥的用途 ５
3.2 列車感載比例閥的結(jié)構(gòu)及其工作原理 ８
3.2.1 列車感載比例閥的結(jié)構(gòu) ８
3.2.2 列車感載比例閥工作原理 ８
4 列車感載比例閥的技術(shù)要求 ９
4.1 主要技術(shù)指標(biāo) ９
4.1.1 工作壓力范圍： ９
4.1.2 緩解特性： ９
4.1.3 回差： ９
4.1.4 跟隨性： ９
4.1.5 密封性： ９
4.1.6 耐壓： ９
4.1.7 壽命： ９
4.1.8 外觀： ９
4.2 列車感載比例閥試驗(yàn)檢測 １０
4.2.1 試驗(yàn)條件 １０
4.2.2 試驗(yàn)方法 １１
5 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理以及控制方法 １３
5.1真空系統(tǒng) １３
5.2主要性能測試系統(tǒng) １３
5.3彈簧拉伸裝置 １４
5.4殘液排空和回收裝置 １４
5.5氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) １４
5.6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) １４
6 列車感載比例閥的測試方案設(shè)計(jì) １６
6.1 試驗(yàn)系統(tǒng)總體方案 １７
6.2 主控系統(tǒng)方案 １８
7 PLC的特點(diǎn)及與其它控制系統(tǒng)的比較 １９
7.1 PLC的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) １９
7.1.1 CPU的構(gòu)成及功能 １９
7.1.2 I/O模塊 １９
7.1.3 內(nèi)存 ２０
7.1.4 電源模塊 ２０
7.1.5 底板或機(jī)架 ２０
7.1.6 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備 ２０
7.1.7 PLC的通信聯(lián)網(wǎng) ２０
7.2 PLC具有許多優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于各種控制場合 ２０
7.2.1 可靠性高 ２０
7.2.2 編程簡單 ２１
7.2.3通用性好 ２１
7.2.4 功能強(qiáng)大 ２１
7.2.5 體積小、功耗低 ２１
7.2.6 設(shè)計(jì)施工周期短 ２１
8 列車感載比例閥測試方案的硬件選擇 ２２
8.1 試驗(yàn)臺(tái)硬件平臺(tái) ２２
8.2 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)氣動(dòng)回路設(shè)計(jì) ２２
8.2.1 電磁閥的選擇 ２２
8.2.2 電磁閥取代EP閥 ２２
8.2.3 電磁閥氣動(dòng)回路 ２４
8.2.4 優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)氣動(dòng)回路 ２５
8.3 試驗(yàn)臺(tái)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ２５
8.3.1 電控系統(tǒng)組成 ２５
8.3.2 壓力變送器選用 ２６
8.3.3 高速數(shù)據(jù)采集卡選用 ２７
8.4 試驗(yàn)臺(tái)硬件優(yōu)化措施 ２８
8.4.1 普通電磁閥代替EP閥 ２８
8.4.2 提高精密調(diào)壓閥調(diào)壓壓力 ２８
8.4.3 增加氣容 ２９
9 列車感載比例閥測控試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用與試驗(yàn) ３０
9.1 列車感載比例閥試驗(yàn)步驟 ３０
9.2 檢測試驗(yàn)及其結(jié)果分析 ３３
9.2.1 試驗(yàn)臺(tái)性能指標(biāo) ３３
9.2.2 充風(fēng)、排風(fēng)方式分析 ３３
9.2.3 回差性分析 ３５
9.2.4 信號(hào)壓力-輸出壓力分析 ３５
10 結(jié)論與展望 ３７
致 謝 ３８
參考文獻(xiàn) 39
1 緒論
1.1本課題的研究內(nèi)容和意義
列車感載比例閥可以使車輛的制動(dòng)率不隨載重量的變化而變化，保持為一常數(shù)，以減小列車制動(dòng)時(shí)的縱向沖動(dòng)，避免空車時(shí)因制動(dòng)力過大而使閘瓦抱死車輪，使車輪在鋼軌上滑行擦傷車輪，及重車時(shí)因制動(dòng)力不足而不能在規(guī)定的制動(dòng)距離內(nèi)停車。由于列車感載比例閥涉及人身安全重要性，對其質(zhì)量提出較高的要求，因此對列車感載比例閥的測試也提出了較多的要求。根據(jù)列車感載比例閥的特性，設(shè)計(jì)研究了比例閥的檢測試驗(yàn)臺(tái)。最后實(shí)際檢測后表明，該試驗(yàn)臺(tái)測試精度高、性能穩(wěn)定、裝卸被測試件快速準(zhǔn)確、測試時(shí)間短、測試結(jié)果可視化程度高、歷史數(shù)據(jù)查詢方便, 可為列車感載比例閥的研制和在線檢測提供可靠的測試依據(jù)和試驗(yàn)手段。
1.2國內(nèi)外的發(fā)展概況
鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，它擔(dān)負(fù)著十分繁重的客貨運(yùn)輸任務(wù)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，鐵路客貨運(yùn)量在持續(xù)增長，從而對鐵路系統(tǒng)的運(yùn)輸能力提出了越來越高的要求。在此情況下，除了需要開行更多的鐵路線路外，提高列車速度是解決運(yùn)力不足的更有效辦法。2008年8月1日，京津城際鐵路正式通車運(yùn)營，標(biāo)志著中國列車高速時(shí)代的到來，越來越多的高鐵線路將會(huì)在未來開通。
1.3本課題應(yīng)達(dá)到的要求
試驗(yàn)臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)包括試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)氣動(dòng)回路、電控系統(tǒng)、硬件優(yōu)化等。首先，基于列車感載比例閥的性能檢測試驗(yàn)需求，提出回路設(shè)計(jì)的初始方案，明確了設(shè)計(jì)的思路與方法；然后，通過性價(jià)比分析，對初始方案進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)；最后，選配了壓力變送器、數(shù)據(jù)采集卡等電控系統(tǒng)主要測控部件，最終完成了列車感載比例閥測控試驗(yàn)臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)。
說明書分為9個(gè)大章節(jié)：
.緒論
.列車制車系統(tǒng)簡介
.列車感載比例閥技術(shù)分析
.列車感載比例閥的技術(shù)要求
.測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理以及控制方法
.PLC的特點(diǎn)及與其它控制系統(tǒng)的比較
.列車感載比例閥測試方案的硬件選擇
.列車感載比例閥測控試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用與試驗(yàn)
具體介紹了列車制動(dòng)，感載比例閥，測試系統(tǒng)以及PLC。通過進(jìn)行的對比與測試，最終選定了試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)造。
列車制動(dòng)系統(tǒng)比例閥測控試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與研究
2 列車制動(dòng)系統(tǒng)簡介
2.1列車制車系統(tǒng)
2.1.1制動(dòng)方式
1）制動(dòng)控制方式
動(dòng)車組動(dòng)車使用電制動(dòng)、拖車使用空氣制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)方式。動(dòng)車電制動(dòng)優(yōu)先，低速區(qū)域的電制動(dòng)停止工作時(shí)或電制動(dòng)故障時(shí)，不足的部分由空氣制動(dòng)力補(bǔ)充實(shí)施。制動(dòng)時(shí)，列車首先最大限度地利用電制動(dòng)力制動(dòng)列車，減輕拖車的空氣制動(dòng)負(fù)荷，減少拖車的機(jī)械制動(dòng)部件的磨損。
通過ATP的自動(dòng)控制及手動(dòng)制動(dòng)光傳送指令式采用再生制動(dòng)并用電氣指令式空氣制動(dòng)延遲控制，首先讓動(dòng)車（再生制動(dòng)）負(fù)擔(dān)制動(dòng)力，減小拖車自身制動(dòng)力的方式。以1輛動(dòng)車、1輛拖車為控制單位進(jìn)行延遲控制。
2）制動(dòng)的種類
通常運(yùn)行時(shí)司機(jī)用制動(dòng)控制器操作常用制動(dòng)（表示為1級～7級的7個(gè)檔位的制動(dòng)力）和快速制動(dòng)。ATP動(dòng)作時(shí)常用最大制動(dòng)（7級）和快速制動(dòng)作用相同。緊急制動(dòng)、輔助制動(dòng)，在故障時(shí)等異常情況下通過開關(guān)操作。耐雪制動(dòng)是積雪時(shí)通過開關(guān)操作，制動(dòng)力幾乎不作用。
3）制動(dòng)方式
①適應(yīng)粘著變化規(guī)律的速度-粘著控制模式；
②根據(jù)載荷變化自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)力；
③防滑保護(hù)控制；
④以1M1T為單元進(jìn)行制動(dòng)力的協(xié)調(diào)配合，充分利用動(dòng)車再生制動(dòng)力，減少拖車空氣制動(dòng)力的使用，僅在再生制動(dòng)力不足時(shí)才由空氣制動(dòng)力補(bǔ)充；
⑤優(yōu)先響應(yīng)車載ATP/LKJ2000接口的指令，可施行安全制動(dòng)；
⑥故障診斷和相關(guān)信息保存功能；
⑦當(dāng)安全控制回路分離時(shí)產(chǎn)生緊急制動(dòng)；
常用制動(dòng)：常用制動(dòng)力為1級～7級；延遲控制，在初速度為75km/h以上時(shí)，由動(dòng)車的再生制動(dòng)負(fù)擔(dān)拖車部分的制動(dòng)力，在65km/h以下切換成為單獨(dú)控制。
快速制動(dòng)：具備常用制動(dòng)1.5倍的制動(dòng)力，在手動(dòng)制動(dòng)操作時(shí)及在閉塞區(qū)間無法減速至設(shè)定的速度時(shí)根據(jù)ATP指令動(dòng)作。
緊急制動(dòng)：當(dāng)列車分離、總風(fēng)管壓力降低及手柄取出時(shí)均會(huì)實(shí)施緊急制動(dòng)。此時(shí)，不具有按照負(fù)荷大小調(diào)整制動(dòng)力的功能。
耐雪制動(dòng)：在降雪時(shí)，為了防止冰雪進(jìn)入制動(dòng)盤和閘瓦之間，使得閘瓦無間隙輕輕接觸制動(dòng)盤。在110km/h的速度以下，接通耐雪制動(dòng)開關(guān)，通過操作制動(dòng)手柄動(dòng)作。制動(dòng)缸壓力設(shè)定為40±20kPa，可以操作制動(dòng)控制器的開關(guān)調(diào)整設(shè)定值。
輔助制動(dòng)：以在制動(dòng)控制裝置異常、制動(dòng)指令線路斷線、以及在救援等時(shí)使用為目的而設(shè)置。操作司機(jī)臺(tái)的設(shè)定開關(guān)及各單元（Tc車）的配電盤開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作，與常用、快速制動(dòng)不同，制動(dòng)力為與速度無關(guān)的定值。
停車制動(dòng)：采用鐵靴實(shí)施停車制動(dòng)［1］。
2.1.2制動(dòng)系統(tǒng)組成
制動(dòng)控制系統(tǒng)包括：制動(dòng)信號(hào)發(fā)生裝置（司機(jī)制動(dòng)控制器），制動(dòng)信號(hào)傳輸裝置（列車信息控制系統(tǒng)，包括中央裝置、車輛終端裝置），制動(dòng)控制裝置（內(nèi)部集成了電子控制單元和制動(dòng)控制單元（BCU）、空氣制動(dòng)管路上所需的各種閥門及風(fēng)缸等）。
基礎(chǔ)制動(dòng)裝置位于轉(zhuǎn)向架上，由帶防滑閥的增壓氣缸及油壓盤式制動(dòng)裝置等組成。空氣供給系統(tǒng)由位于3、5、7號(hào)車地板下的3臺(tái)空氣壓縮機(jī)、干燥器，及用于每輛車的總風(fēng)缸、制動(dòng)供給風(fēng)缸，以及貫穿全車的總風(fēng)管等組成。
2.1.3制動(dòng)控制裝置
制動(dòng)控制裝置包括制動(dòng)控制器、空氣制動(dòng)相關(guān)閥門及儲(chǔ)氣缸實(shí)現(xiàn)單元化，吊裝在車下。制動(dòng)控制單元（BCU）采用微處理器數(shù)字運(yùn)算處理方式，來自司機(jī)臺(tái)的制動(dòng)指令通過中央裝置、傳輸終端由光纜傳輸，根據(jù)各車廂的負(fù)荷信號(hào)及速度信息計(jì)算出需要的制動(dòng)力，對電氣制動(dòng)力、空氣制動(dòng)力進(jìn)行控制。關(guān)于與再生制動(dòng)的協(xié)調(diào)采用延遲控制，負(fù)擔(dān)一部分的拖車制動(dòng)力。
防滑控制功能：對于空氣制動(dòng)的防滑，通過防滑控制閥對各軸進(jìn)行控制。對于電氣制動(dòng)的防滑，通過調(diào)整電氣制動(dòng)曲線實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)軸的再次粘著控制，與傳輸終端進(jìn)行信息傳輸，實(shí)時(shí)輸出各種控制數(shù)據(jù)。制動(dòng)力切換功能打滑再次粘著功能（空氣壓力控制式）對應(yīng)負(fù)荷功能耐雪制動(dòng)控制功能不足不緩解檢測功能監(jiān)視功能故障信息保存功能其它車輛制動(dòng)輸出功能（從動(dòng)車向拖車的EP閥指令功能）電氣空氣壓縮機(jī)［2］。
2.2 空氣制動(dòng)系統(tǒng)的組成及其作用
圖2.1 自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)
各部分作用如下：
1.空氣壓縮機(jī)（1）、總風(fēng)缸（2）：原動(dòng)力系統(tǒng)?？諝鈮嚎s機(jī)：制造壓縮空氣；總風(fēng)缸：儲(chǔ)存壓縮空氣，供全列車系統(tǒng)使用。
2.給風(fēng)閥（4）：將總風(fēng)缸的壓縮空氣調(diào)至規(guī)定壓力，經(jīng)自動(dòng)制動(dòng)閥（5）充入制動(dòng)管。
3.自動(dòng)制動(dòng)閥（5）：操縱部件。通過它向制動(dòng)管充入壓縮空氣/將制動(dòng)管壓縮空氣排向大氣。
4.制動(dòng)管（14）：貫通全列車的壓縮空氣導(dǎo)管。向列車中各車輛的制動(dòng)裝置輸送壓縮空氣。通過自動(dòng)制動(dòng)閥（5）控制管內(nèi)壓縮空氣壓力變化實(shí)現(xiàn)操縱各列車制動(dòng)機(jī)。
5.三通閥（8）：車輛空氣制動(dòng)裝置的主要部件，控制制動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同作用。和制動(dòng)管聯(lián)通，由制動(dòng)管壓力的變化產(chǎn)生作用位置。制動(dòng)機(jī)緩解：制動(dòng)管連通副風(fēng)缸，制動(dòng)缸連通大氣。向副風(fēng)缸充入壓縮空氣，把制動(dòng)缸內(nèi)壓縮空氣排向大氣。制動(dòng)機(jī)制動(dòng)：制動(dòng)管通大氣，副風(fēng)缸通制動(dòng)缸。副風(fēng)缸內(nèi)壓縮空氣充入制動(dòng)缸，產(chǎn)生制動(dòng)作用。
6.副風(fēng)缸（11）：緩解儲(chǔ)存的壓縮空氣，為制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸的動(dòng)力源。
7.制動(dòng)缸（10）：制動(dòng)時(shí)，把從副風(fēng)缸送來的壓縮空氣轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械推力。
8.基礎(chǔ)制動(dòng)裝置（17）：制動(dòng)時(shí)，將制動(dòng)缸推力放大若干倍傳遞到閘瓦，使閘瓦夾緊車輪產(chǎn)生制動(dòng)；緩解時(shí)，靠閘瓦自重使閘瓦離開車輪實(shí)現(xiàn)緩解。
9.閘瓦、車輪和鋼軌：實(shí)現(xiàn)制動(dòng)三大要素。制動(dòng)時(shí)，閘瓦壓緊轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪踏面后，閘瓦與車輪間的摩擦力借助鋼軌，在與車輪接觸點(diǎn)上產(chǎn)生與列車運(yùn)行方向相反（與鋼軌平行）的反作用力，即制動(dòng)力。（黏著效應(yīng)）
制動(dòng)缸壓力計(jì)算
1 空氣制動(dòng)機(jī)的工作過程就是利用空氣受壓縮后體積與壓力的自動(dòng)變化來實(shí)現(xiàn)的。
2 車輛制動(dòng)機(jī)工作過程的壓縮空氣狀態(tài)變化接近于等溫變化過程。一般采用等溫變化過程進(jìn)行理論計(jì)算。
3 列車感載比例閥技術(shù)分析
3.1 列車感載比例閥的用途
列車感載比例閥主要用于快速列車氣制動(dòng)單元中，根據(jù)車輛的重量對車輛進(jìn)行空重車調(diào)整的一部件，它能根據(jù)來自車載感知空簧的壓力信號(hào)對輸出壓力大小進(jìn)行控制，在一定范圍內(nèi)能夠自動(dòng)、無級地調(diào)整制動(dòng)缸壓力，從而明顯縮小車輛從空車位至重車位不同載重狀態(tài)下的制動(dòng)率變化，以保證行車的安全。圖3.1和3.2所示為上海磁懸浮列車和上海地鐵空氣制動(dòng)系統(tǒng)。圖3.3所示為德國KNORR公司生產(chǎn)的ESRA氣動(dòng)制動(dòng)控制裝置的工作原理圖，圖3.4所示為該氣動(dòng)裝置現(xiàn)場工作照片。
圖3. 1 上海臨港低速磁浮空氣制動(dòng)系統(tǒng)
圖3. 2 上海地鐵一號(hào)線國產(chǎn)化擴(kuò)編改造車輛空氣制動(dòng)系統(tǒng)
圖3. 3 德國KNORR公司生產(chǎn)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)原理圖
圖3. 4 德國KNORR公司生產(chǎn)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)場照片
圖3.4所示的ESRA制動(dòng)系統(tǒng)控制單元，包括制動(dòng)電子控制裝置和氣動(dòng)控制裝置兩部分，其中氣動(dòng)控制裝置主要是由電空模擬轉(zhuǎn)換閥、緊急電磁閥、中繼閥、空重車調(diào)整閥和氣路板等等組成，共同完成列車運(yùn)行所需的多種制動(dòng)功能。
列車感載比例閥作為氣動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成部分，主要功能是根據(jù)車重信號(hào)調(diào)整輸出氣壓大小。雖然不同廠家生產(chǎn)的列車感載比例閥在結(jié)構(gòu)上有所不同，但其工作原理是類似的。
中繼閥是直接將壓力空氣輸出給制動(dòng)缸的一個(gè)裝置，其作用是將壓力空氣信號(hào)流量進(jìn)行放大，以縮短制動(dòng)執(zhí)行裝置的響應(yīng)時(shí)間。
電磁閥是自動(dòng)控制中應(yīng)用最多的閥，主要由線圈和氣動(dòng)兩部分組成。在制動(dòng)系統(tǒng)中使用的主要是直動(dòng)式電磁閥，其作用是根據(jù)需要切斷和接通氣路。在線圈得電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起,閥門打開；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。
常用制動(dòng)時(shí)，總風(fēng)壓力經(jīng)過電空轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為與電子控制裝置制動(dòng)指令成比例的預(yù)控壓力，然后驅(qū)動(dòng)中繼閥為制動(dòng)缸充風(fēng)，從而施加制動(dòng)。其中，輸入電空轉(zhuǎn)換模塊的電控信號(hào)基于制動(dòng)指令進(jìn)行了載荷調(diào)整和沖動(dòng)限制；同時(shí)，為保證可靠制動(dòng)，電空轉(zhuǎn)換模塊輸出的預(yù)控壓力須通過緊急閥和空重車調(diào)整閥，然后進(jìn)入中繼閥，再進(jìn)入制動(dòng)缸進(jìn)行制動(dòng)。
?緊急制動(dòng)時(shí)，緊急電磁閥失電使總風(fēng)不經(jīng)電空轉(zhuǎn)換模塊直接進(jìn)入空重車調(diào)整閥，產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)載荷調(diào)整的緊急預(yù)控壓力，通過中繼閥給制動(dòng)缸施加緊急制動(dòng)壓力［3］。
3.2 列車感載比例閥的結(jié)構(gòu)及其工作原理
3.2.1 列車感載比例閥的結(jié)構(gòu)
列車感載比例閥又稱列車感載比例閥，其外形結(jié)構(gòu)如圖3.4所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3.5所示，主要組成部分有：測重部、杠桿部、壓力作用部、空氣壓力給排部四部分，由閥體、壓力調(diào)整彈簧、調(diào)整螺釘、活塞等組成。從結(jié)構(gòu)上可以看到，列車感載比例閥一共有3個(gè)主要通道與外部連接，分別為總風(fēng)口、輸出口和信號(hào)風(fēng)口。列車感載比例閥的空車彈簧能保證在信號(hào)風(fēng)沒有輸入情況下仍然有一定的輸出。
圖3. 5 列車感載比例閥外形圖
圖3. 6 列車感載比例閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
3.2.2 列車感載比例閥工作原理
列車感載比例閥是為獲得與車輛載荷相適應(yīng)的制動(dòng)力而設(shè)置的，根據(jù)與車輛的載荷相應(yīng)的空氣彈簧壓力(AS壓力)而輸出隨重壓力(VL壓力)。AS壓力與VL壓力隨著車輛不同而有差異。但信號(hào)壓力與輸出壓力的比率變化很小。如圖3.7所示［4］。
圖3. 7 感載比例閥信號(hào)壓力與輸出壓力變換比例
4 列車感載比例閥的技術(shù)要求
4.1 主要技術(shù)指標(biāo)
4.1.1 工作壓力范圍：
列車感載比例。閥總風(fēng)工作壓力范圍為0～1000kPa。
列車感載比例閥信號(hào)風(fēng)的工作壓力范圍0～600 Pa。
4.1.2 緩解特性：
在列車感載比例閥的總風(fēng)壓力Cv1為0的情況下，其輸出壓力應(yīng)小于5kPa。
4.1.3 回差：
列車感載比例閥的信號(hào)壓力上升至某值，繼續(xù)上升后再下降回至該值，其輸出口的壓力在上升和下降過程中的差值應(yīng)≤15kPa。
4.1.4 跟隨性：
列車感載比例閥應(yīng)保證在信號(hào)壓力變化△C＞5kPa時(shí)，輸出壓力會(huì)隨著信號(hào)壓力的變化而變化。
4.1.5 密封性：
閥在試驗(yàn)壓力條件下由于泄漏而造成的壓力降低≤3kPa/min。
4.1.6 耐壓：
列車感載比例閥在規(guī)定的試驗(yàn)條件下經(jīng)耐壓試驗(yàn)后檢查各處應(yīng)無泄漏、無開裂、變形等損壞。復(fù)檢后應(yīng)合格。
4.1.7 壽命：
閥內(nèi)的橡膠件、彈簧能經(jīng)受120萬次壽命試驗(yàn)不損壞，壽命試驗(yàn)后復(fù)檢應(yīng)合格。
4.1.8 外觀：
列車感載比例閥外表應(yīng)光滑、平整，無明顯的磕碰、劃傷、銹蝕等缺陷，和安裝底面應(yīng)無油漆及其它異物。
根據(jù)列車感載閥的技術(shù)要求及檢測指標(biāo)，初步擬定了試驗(yàn)裝置的原理如圖4.1所示。
圖4.1 列車感載比例閥試驗(yàn)原理
DMV 減壓閥； D 節(jié)流孔； R 風(fēng)缸； M1、M2、M3 壓力表；
H1、H2、H3、H4、H5 隔離塞門； Y1、Y2 壓力傳感器
試驗(yàn)裝置在不帶負(fù)載的條件下、通入600kPa壓縮空氣、保壓2分鐘后，測得5分鐘內(nèi)由于泄漏而造成壓降應(yīng)≤5kPa。
試驗(yàn)裝置所用的壓力計(jì)量器的精度為0.4級。
記錄儀由壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集儀器組成，數(shù)據(jù)采集儀器應(yīng)能自動(dòng)將所采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成壓力時(shí)間曲線［5］。
圖4. 1 含EP閥的氣動(dòng)回路
1、氣源（1.2MPa） 2、氣源壓力表YB－50 3、精密調(diào)壓閥1R1020－01
4、壓力表YB－150.1級 5、充風(fēng)球閥 6、充風(fēng)、緩解組合閥 7、排風(fēng)球閥
8、被測感載比例閥 9、壓力變送器 10、壓力表YB－150，0.4級 11、負(fù)載容積1L
4.2 列車感載比例閥試驗(yàn)檢測
4.2.1 試驗(yàn)條件
4.2.1.1 介質(zhì)：
試驗(yàn)介質(zhì)為經(jīng)過濾、除水、除油霧的壓縮空氣，過濾精度為雜質(zhì)顆粒直徑小于50um。室溫下試驗(yàn)。
4.2.1.2 試驗(yàn)裝置
根據(jù)列車感載閥的技術(shù)要求及檢測指標(biāo)，初步擬定了試驗(yàn)裝置的原理如圖2.9所示。
圖4.2.1 列車感載比例閥試驗(yàn)原理
DMV 減壓閥； D 節(jié)流孔； R 風(fēng)缸； M1、M2、M3 壓力表；
H1、H2、H3、H4、H5 隔離塞門； Y1、Y2 壓力傳感器
試驗(yàn)裝置在不帶負(fù)載的條件下、通入600kPa壓縮空氣、保壓2分鐘后，測得5分鐘內(nèi)由于泄漏而造成壓降應(yīng)≤5kPa。
試驗(yàn)裝置所用的壓力計(jì)量器的精度為0.4級。
記錄儀由壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集儀器組成，數(shù)據(jù)采集儀器應(yīng)能自動(dòng)將所采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成壓力時(shí)間曲線。
4.2.2 試驗(yàn)方法
按試驗(yàn)原理圖裝好試驗(yàn)氣路，并將列車感載比例閥裝在試驗(yàn)回路上。
4.2.2.1 工作壓力范圍
關(guān)閉塞門H1、將調(diào)壓閥DMV1的壓力調(diào)至5kPa（M1顯示）后打開塞門H1、列車感載比例閥的輸出口Cv2應(yīng)有5kPa 壓縮空氣輸出（M3顯示）；分別調(diào)節(jié)調(diào)壓閥DMV1、DMV2在工作壓力范圍內(nèi)變化，在DMV1壓力不大于DMV2壓力在閥動(dòng)作壓力曲線對應(yīng)輸出壓力值時(shí)，輸出口Cv2壓力應(yīng)與Cv1相同；當(dāng)DMV1壓力大于DMV2壓力在閥動(dòng)作壓力曲線對應(yīng)輸出壓力值時(shí)，輸出口Cv2壓力應(yīng)與閥動(dòng)作曲線輸出壓力值相同。
調(diào)節(jié)調(diào)壓閥DMV1壓力為700kPa（M1顯示），關(guān)閉塞門H3、將調(diào)壓閥DMV2的壓力調(diào)回至0kPa（M2顯示）后打開塞門H3、將調(diào)壓閥DMV2的信號(hào)壓力從0 kPa緩慢調(diào)至600kPa。當(dāng)DMV2的信號(hào)壓力不大于300kPa時(shí)列車感載比例閥的輸出口Cv2的壓縮空氣輸出均為300kPa（M3顯示）；當(dāng)DMV2的信號(hào)壓力大于300kPa時(shí)列車感載比例閥的輸出口Cv2的壓縮空氣輸出應(yīng)滿足PCv2＝300+ΔT×tgα (kPa)。
關(guān)閉塞門H1、將調(diào)壓閥DMV1的壓力調(diào)至1000kPa（M1顯示）后打開塞門H1、列車感載比例閥的輸出口Cv2仍應(yīng)有300kPa 壓縮空氣輸出（M3顯示）
關(guān)閉塞門H3、將調(diào)壓閥DMV2的壓力調(diào)回至0kPa（M2顯示）后打開塞門H3、將調(diào)壓閥DMV2的信號(hào)壓力從0 kPa緩慢調(diào)至600kPa。當(dāng)DMV2的信號(hào)壓力不大于300kPa時(shí)列車感載比例閥的輸出口Cv2的壓縮空氣輸出仍均為300kPa（M3顯示）；當(dāng)DMV2的信號(hào)壓力大于300kPa時(shí)列車感載比例閥的輸出口Cv2的壓縮空氣輸出仍應(yīng)滿足Cv2＝300+ΔT×tgα (kPa)。
4.2.2.2 緩解特性；
將減壓閥DMV1的壓力調(diào)至900kPa，減壓閥DMV2調(diào)至500kPa后打開塞門H2、H3，當(dāng)列車感載比例閥充氣1min后關(guān)閉塞門H2、H3，打開塞門H1，開通記錄儀，列車感載比例閥輸出口Cv2的壓力應(yīng)小于5kPa。
4.2.2.3 回差
關(guān)塞門H1、H2，開通記錄儀后關(guān)塞門H3，調(diào)節(jié)減壓閥DMV1的壓力至900kPa，將減壓閥DMV2的壓力回調(diào)至0kPa后開塞門H3保壓20s、連續(xù)向上調(diào)節(jié)減壓閥DMV2至360kPa后繼續(xù)以20kPa的壓力梯度向上調(diào)節(jié)減壓閥DMV2至600kPa（每上調(diào)20kPa保壓20s）；以20kPa的壓力梯度向下回調(diào)減壓閥DMV2至360kPa（每下調(diào)20kPa保壓20s）后連續(xù)將減壓閥DMV2的壓力向下回調(diào)至0kPa，在信號(hào)控制調(diào)壓閥DMV2上升和下降的過和中測得列車感載比例閥的輸出口Cv2的上升時(shí)的壓力P Cv2O和下降時(shí)的壓力P Cv2D之差的絕對值應(yīng)不大于15kPa。
4.2.2.4 跟隨性；
開通記錄儀，將減壓閥DMV2調(diào)至400kPa、穩(wěn)壓30s后繼續(xù)調(diào)節(jié)減壓閥DMV2將壓力升高5kPa，列車感載比例閥的輸出口Cv2的壓力應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。當(dāng)將減壓閥DMV2調(diào)至500kPa繼續(xù)上調(diào)5kPa、測得列車感載比例閥的輸出口Cv2的壓力也應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。
調(diào)節(jié)減壓閥DMV2使列車感載比例閥的信號(hào)壓力從500kPa回調(diào)至495kPa、則列車感載比例閥的輸出口Cv2的壓力應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。繼續(xù)向下調(diào)節(jié)減壓閥DMV2使列車感載比例閥的信號(hào)壓力至400kPa后再下調(diào)5kPa、測得列車感載比例閥的輸出口Cv2的壓力也應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。
4.2.2.5 密封性；
將減壓閥DMV1調(diào)至900kPa，減壓閥DMV2調(diào)至500kPa后開塞門H2、H3，充氣1min，用檢漏劑檢查列車感載比例閥應(yīng)無泄漏。關(guān)塞門H2、H3，開通記錄儀，保壓2min后測得列車感載比例閥輸出口的壓力PCv2及信號(hào)壓力PT由于泄漏造成的壓力降應(yīng)不大于3kPa/min。
4.2.2.6 耐壓；
從列車感載比例閥的Cv1口通入1.5MPa高壓氮?dú)?、同時(shí)在其信號(hào)口輸入600 kPa壓力的壓縮空氣，保壓一分鐘后檢查各處應(yīng)無泄漏、無開裂、變形等損壞。
耐壓試驗(yàn)完成后列車感載比例閥應(yīng)無損壞，復(fù)檢4.3.1.2至4.3.1.5條后均應(yīng)合格。
4.2.2.7 壽命試驗(yàn)
列車感載比例閥內(nèi)橡膠、彈簧等易損易耗件在可靠性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，能經(jīng)受150萬次不損壞。壽命試驗(yàn)后，復(fù)檢4.3.1.2至4.3.1.5條均應(yīng)合格［6］。
5 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理以及控制方法
依據(jù)列車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和列車感載比例閥生產(chǎn)廠家的要求, 結(jié)合目前列車感載比例閥性能試驗(yàn)臺(tái)的現(xiàn)狀和現(xiàn)有機(jī)電液控制技術(shù)水平, 對多種可行的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)案進(jìn)行了分析、比較, 最后確定試驗(yàn)臺(tái)主體由真空系統(tǒng)、主要性能測試系統(tǒng)、彈簧拉伸裝置、殘液排空和回收裝置、氣動(dòng)夾緊裝置等單元組成, 試驗(yàn)臺(tái)的性能及測試原理如下。
5.1真空系統(tǒng)
真空系統(tǒng)由真空源( 由真空泵組、真空罐、真空電磁閥組成)、兩位兩通電磁真空閥、數(shù)字真空儀表和真空測試平臺(tái)構(gòu)成, 其作用是為真空性能測試提供所需的真空度。測試時(shí)將列車感載比例閥安裝在真空測試平臺(tái)上, 通過兩位兩通電磁真空閥與真空源相連, 測試平臺(tái)上裝有真空計(jì)壓阻應(yīng)變規(guī)管, 真空計(jì)與二次數(shù)顯儀表相連。操作者可以在試驗(yàn)臺(tái)前方隨時(shí)觀察到真空值, 同時(shí)真空計(jì)將真空值輸出給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng), 控制系統(tǒng)根據(jù)真空值的大小控制電磁閥的開關(guān), 從而保證檢測過程的自動(dòng)化。
5.2主要性能測試系統(tǒng)
主要性能測試系統(tǒng)如圖5.1所示, 列車油源部分為測試系統(tǒng)提供壓力, 壓力值可以通過控制信號(hào)改變列車比例溢流閥的線圈電流進(jìn)行實(shí)時(shí)線性調(diào)整。由于測試時(shí)使用的測試介質(zhì)為制動(dòng)液, 其粘度非常低(50 ℃時(shí)僅為 4.2 mm2/s), 潤滑性能差, 不能直接將其作為油源的介質(zhì), 所以油源部分采用粘度大、潤滑性能好的 32# 列車油作為工作介質(zhì), 通過增壓缸分隔兩種不同介質(zhì)。這樣, 既保證了油源部分的正常運(yùn)轉(zhuǎn), 又減小油源部分所需功率, 從而減小油源部分的安裝體積和能源消耗。壓力測試和保壓部分由高精度壓力傳感器和零泄漏電磁球閥等組成, 從而可保證各項(xiàng)性能測試的精度和可靠性。［7］
圖5.1 主要性能測試系統(tǒng)原理
5.3彈簧拉伸裝置
彈簧拉伸裝置由步進(jìn)電機(jī)、升降機(jī)、拉力傳感器、拉桿等組成。步進(jìn)電機(jī)位移控制精度高, 能很好地保證列車感載比例閥彈簧的拉伸長度。拉力傳感器與拉桿連接, 可測量彈簧承受的拉力, 檢驗(yàn)彈簧拉伸位置, 并可以為產(chǎn)品的改型和研發(fā)提供彈簧設(shè)計(jì)和檢測的依據(jù)。
5.4殘液排空和回收裝置
性能測試結(jié)束后, 列車感載比例閥中會(huì)有部分殘留的制動(dòng)液, 由于制動(dòng)液成本高、腐蝕性大, 如果處理不當(dāng), 不僅會(huì)造成浪費(fèi)、增加生產(chǎn)成本, 而且會(huì)污染環(huán)境。為此, 該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置了完整的殘液排空和回收裝置, 使得大部分殘液得到循環(huán)使用。
5.5氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)
試驗(yàn)臺(tái)上安裝有導(dǎo)向和定位裝置, 使得安裝有列車感載比例閥的隨行夾具能準(zhǔn)確快速地達(dá)到工作位置, 然后氣缸帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)把隨行夾具可靠地夾緊在試驗(yàn)臺(tái)上, 為安全試驗(yàn)和生產(chǎn)提供了保障, 同時(shí)保證了測試節(jié)拍。
5.6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的核心部分, 它用于設(shè)置測試項(xiàng)目和測試參數(shù)、發(fā)布控制指令、采集各傳感器的測試數(shù)據(jù), 最后生成測試報(bào)告和存儲(chǔ)測試結(jié)果。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(圖 2)由 PLC、上位計(jì)算機(jī)、通訊單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制器、按鈕操作臺(tái)等組成。以 PLC為主的控制系統(tǒng)是獨(dú)立于上位計(jì)算機(jī)的, 在不使用上位機(jī)的的情況下仍可以按照設(shè)定好的測試參數(shù)完成測試項(xiàng)目并給出測試結(jié)果, 其缺點(diǎn)是無法繪制測試曲線和存儲(chǔ)測試結(jié)果。上位計(jì)算機(jī)通過通訊單片機(jī)與PLC 通訊, 可以完成測試數(shù)據(jù)的上傳、計(jì)算、顯示, 生成并打印測試報(bào)告。通過上位機(jī)還可以對彈簧拉伸長度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定, 有利于列車感載比例閥的改型試驗(yàn)和對其性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究［8］。
圖5.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖
6 列車感載比例閥的測試方案設(shè)計(jì)
圖 6.1為用所研制的試驗(yàn)臺(tái)對列車感載比例閥進(jìn)行測試后得到的曲線。圖 6.1中虛線內(nèi)區(qū)域 1、2 分別為滿載和空載合格曲線區(qū)域, 曲線 3 為測試曲線。由圖 6.1可看出, 測試曲線在初始段時(shí)出口壓力等比增加, 在入口壓力為 3.5 M Pa 時(shí)斜率發(fā)生改變, 曲線 3始終在空載合格曲線區(qū)域 2 的范圍內(nèi), 說明測試曲線符合標(biāo)準(zhǔn), 被測工件是合格的。
1
圖6.1 列車感載比例閥性能測試曲線
列車感載比例閥性能測試曲線通過對列車感載比例閥的測試表明:
a.試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)感載比例閥的真空密封性等主要測試項(xiàng)目的在線檢測, 并可以對測試數(shù)據(jù)生成曲線和報(bào)表, 可顯示及打印結(jié)果。
b.試驗(yàn)臺(tái)測試精度高、性能穩(wěn)定、裝卸被測試件快速準(zhǔn)確、測試時(shí)間短、測試結(jié)果可視化程度高、歷史數(shù)據(jù)查詢方便。
c.根據(jù)測試報(bào)表可以判斷產(chǎn)品可能存在的缺陷, 為列車感載比例閥的產(chǎn)品質(zhì)量提供保障。
d.試驗(yàn)臺(tái)工作安全: 當(dāng)氣動(dòng)夾緊裝置未夾緊試件時(shí), 測試系統(tǒng)不能進(jìn)行性能測試; 系統(tǒng)有最高壓力設(shè)定; 設(shè)有安全隔離板。
e.試驗(yàn)臺(tái)測試項(xiàng)目具有可選擇性。通過測試項(xiàng)目控制平臺(tái)可以選取全部或者任意幾個(gè)項(xiàng)目的組合, 以滿足在線檢測和產(chǎn)品研發(fā)的不同需求。檢測項(xiàng)目可以在自動(dòng)和人工干預(yù)兩種情況下進(jìn)行。
f.試驗(yàn)臺(tái)可以在滿載和空載兩種工況下進(jìn)行測試, 通過上位計(jì)算機(jī)與 PLC 的通訊可以調(diào)整滿載和空載的參數(shù)。
g.通過對試驗(yàn)臺(tái)隨行夾具的簡單改造, 可以實(shí)現(xiàn)對各種型號(hào)的列車感載比例閥及其它壓力閥的在線檢測［9］。
6.1 試驗(yàn)系統(tǒng)總體方案
根據(jù)上述列車感載比例閥技術(shù)指標(biāo)，本試驗(yàn)臺(tái)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是：完成感載比例閥的工作壓力范圍、緩解性、回差性和密封性四個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，并檢測相關(guān)性能數(shù)據(jù)，評判其四項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否合格。
傳統(tǒng)檢測方法通過手調(diào)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況變化，工況點(diǎn)是有限的、離散的，試驗(yàn)結(jié)果也是通過讀表手抄到試驗(yàn)表格中的，不僅測試效率低而且試驗(yàn)的誤差大，難以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及表征產(chǎn)品性能的有關(guān)信息。但是，由于試驗(yàn)裝置十分簡單，傳統(tǒng)檢測方法通常不會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)停工等異常的現(xiàn)象。目前，計(jì)算機(jī)控制測試技術(shù)在系統(tǒng)控制測試中的應(yīng)用十分廣泛，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、分析、控制等已成為現(xiàn)代測試系統(tǒng)的主流，但使用計(jì)算機(jī)測試技術(shù)的一個(gè)明顯的不足是，一旦出現(xiàn)程序死機(jī)等計(jì)算機(jī)故障，必須由專業(yè)技術(shù)人員維修，會(huì)延誤工期，這在工程應(yīng)用中往往是難以接受的。
考慮到上述兩種不同檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案采用多路控制試驗(yàn)系統(tǒng)，即采用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)檢測技術(shù)，同時(shí)保留傳統(tǒng)檢測方法作為備用。正常狀態(tài)下，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況自動(dòng)控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；同時(shí)，為了避免計(jì)算機(jī)故障等導(dǎo)致正常狀態(tài)失效，造成試驗(yàn)臺(tái)停工現(xiàn)象出現(xiàn)，可采用備用的傳統(tǒng)手動(dòng)控制試驗(yàn)檢測系統(tǒng)。具體試驗(yàn)系統(tǒng)包括：
計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)（主控系統(tǒng)）；全部試驗(yàn)工況由計(jì)算機(jī)控制，性能檢測數(shù)據(jù)的記錄和分析由計(jì)算機(jī)軟件完成。
面板按鈕支持手動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)（備用系統(tǒng)1，氣動(dòng)系統(tǒng)）；當(dāng)主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，而試驗(yàn)氣動(dòng)回路的電氣系統(tǒng)仍可正常工作時(shí)，可由試驗(yàn)臺(tái)操作面板上的啟動(dòng)按鈕完成充氣和排氣控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)需人工從壓力表上讀取并記錄。
開關(guān)閥支持的手動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)（備用系統(tǒng)2，手動(dòng)系統(tǒng)）；當(dāng)氣動(dòng)回路中電氣系統(tǒng)失靈時(shí)，也可以手動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)閥，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)試驗(yàn)回路的充氣和排氣控制，并手動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖6.2主控系統(tǒng)用于正常狀態(tài)高效、高精度試驗(yàn)，兩套備用系統(tǒng)主要用于在主控系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)急使用和協(xié)助系統(tǒng)排除故障，同時(shí)方便試驗(yàn)臺(tái)的定期維修和檢驗(yàn)。
圖6.2 試驗(yàn)臺(tái)多路柔性控制系統(tǒng)
6.2 主控系統(tǒng)方案
計(jì)算機(jī)輔助測試技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式是多樣的，主要有下面兩種方式：
（1）微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)組成的主從結(jié)構(gòu)，微機(jī)完成工況控制信號(hào)生成、檢測信號(hào)處理、繪圖輸出等功能；單片機(jī)完成控制信號(hào)輸出和數(shù)據(jù)采集功能，但是數(shù)據(jù)采集有時(shí)間的滯后性，不能滿足數(shù)據(jù)采集、控制的實(shí)時(shí)性要求。
（2）工控機(jī)加數(shù)據(jù)采集卡的單機(jī)測控模式，這種模式具有測試精度高，功能擴(kuò)展靈活的優(yōu)點(diǎn)，但工控機(jī)的價(jià)格較高。
由于本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高，方式（1）主從結(jié)構(gòu)不能滿足測試要求；為克服方式（2）中工控機(jī)價(jià)格較高的不足，采用PC機(jī)取代工控機(jī)，形成“PC機(jī)十?dāng)?shù)據(jù)采集卡十虛擬儀器軟件”的模式，如圖6.3所示，使得數(shù)據(jù)采集、控制的響應(yīng)時(shí)間快，性價(jià)比高，較為合理［10］。
圖6.3 主控系統(tǒng)方案
7 PLC的特點(diǎn)及與其它控制系統(tǒng)的比較
PLC即可編程控制器(Programmable Logic Controller),是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(huì)(International Electrical Committee)頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,它采用一類可編程的存儲(chǔ)器,用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過數(shù)字或模擬式輸入,輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。
7.1 PLC的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
從結(jié)構(gòu)上分PLC,分為固定式和組合式,模塊式,兩種。固定式PLC包括PLC板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等,這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架,這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置舊。
7.1.1 CPU的構(gòu)成及功能
CPU是PLC的核心,起神經(jīng)中樞的作用,主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成CPU,單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。每套PLC至少有一個(gè)CPU,它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù),用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù),并存入規(guī)定的寄存器中,同時(shí),診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后,從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取指令,經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),去指揮有關(guān)的控制電路。對使用者來說,不必詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路,但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作,由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令,但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算,在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算,并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果,它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù),它們決定著PLC的工作速度、IO數(shù)量及軟件容量等,因此限制著控制規(guī)模。
7.1.2 I/O模塊
PLC與電氣回路的接口,是通過輸入輸出部分(I/O)完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路,其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài),輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng),輸出模塊相反。I/O種類有開關(guān)量輸入(DI),開關(guān)量輸出(DO),模擬量輸入(AI),模擬量輸出(AO)等。
開關(guān)量是指只有開和關(guān)(或1和0)兩種狀態(tài)的信號(hào),模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：
開關(guān)量：按電壓水平分,有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分,有繼電器隔離和晶體管隔離。
模擬量：按信號(hào)類型分,有電流型（4-20mA，0-20mA）、電壓型（0-10V，0-5V，-10-10V）等,按精度分,有12bit，14bit，16bit等。
除了上述通用IO外,還有特殊IO模塊,如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少,但其最大數(shù)受PLC所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。
7.1.3 內(nèi)存
內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù),是PLC不可缺少的組成單元。不同機(jī)型的PLC期內(nèi)存大小也不盡相同,除主機(jī)單元的已有的內(nèi)存區(qū)外,大部分機(jī)型還可根據(jù)用戶具體需要加以擴(kuò)展。
7.1.4 電源模塊
PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí),有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。
7.1.5 底板或機(jī)架
大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架,其作用是：電氣上,實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系,使CPU能訪問底板上的所有模塊,機(jī)械上,實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接,使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。
7.1.6 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備
（1） 編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件,用于編寫程序、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況,但它不直接參與現(xiàn)場控制運(yùn)行。某些PLC也配有手持型編程器,目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。
（2） 人機(jī)界面：最簡單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕,目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛,由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面也非常普及。
（3） 輸入輸出設(shè)備,用于永久性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù),如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器,輸入模擬量的電位器,打印機(jī)等。
7.1.7 PLC的通信聯(lián)網(wǎng)
依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此,網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著,甚至有人提出“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點(diǎn)說法。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能,它使PLC與PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息,形成一個(gè)統(tǒng)一的整體,實(shí)現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口,還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信,還未實(shí)現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，PLC各廠家均有采用。對于一個(gè)自動(dòng)化工程（特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng)）來講,選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先,網(wǎng)絡(luò)必須是開放的,以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展：其次,針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求,選擇網(wǎng)絡(luò)的形式,這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和機(jī)制的前提下進(jìn)行：再次,綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題,確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
7.2 PLC具有許多優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于各種控制場合
7.2.1 可靠性高
可編程序控制器采用了微電子技術(shù),大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體集成電路完成。內(nèi)部處理過程不依賴于機(jī)械觸點(diǎn),而是通過對存儲(chǔ)器的內(nèi)存進(jìn)行讀或?qū)憗硗瓿?因此不會(huì)出現(xiàn)繼電接觸器控制系統(tǒng)的接線老化、觸點(diǎn)接觸不良、觸點(diǎn)電弧等現(xiàn)象。此外,在制造工藝上加強(qiáng)了抗干擾措施。如在輸入、輸出端口均采用了光電隔離,使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了直接電的聯(lián)系,可有效地抑制外部電磁干擾。PLC還具有完整的自診斷功能,檢查判斷故障方便,因而便于維修。FLC特殊的外殼封裝結(jié)構(gòu),使其具有良好的密封、防塵、抗振等作用,因此可以工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。由于PLC具有高可靠性,其平均故障間隔時(shí)間約為2~3萬小時(shí)。
7.2.2 編程簡單
PLC最大的特點(diǎn),是采用了易學(xué)易懂的梯形圖語言。它是以計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)構(gòu)成人們已習(xí)慣的繼電器模型,形成一套獨(dú)具風(fēng)格的,以繼電器線路圖為基礎(chǔ)的形象程序編程語言。梯形圖語言的電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路接線圖相當(dāng)接近,只用PLC的幾十條開關(guān)量邏輯指令就可以實(shí)現(xiàn)繼電接觸器電路的功能。只要通過閱讀PLC的使用手冊或接受短期培訓(xùn),電氣操作人員就可以編制用戶程序。正因?yàn)槿绱耍琍LC才能迅速普及。
梯形圖語言實(shí)際上是一種面向用戶的高級語言。PLC在執(zhí)行梯形圖程序時(shí),通過解釋程序?qū)⑺胺g”成匯編語言去執(zhí)行。與直接用匯編語言相比,雖然執(zhí)行時(shí)間要長一些,但對大多數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說是微不足道的。
7.2.3通用性好
PLC是通過軟件來實(shí)現(xiàn)控制的。同一臺(tái)PLC可用于不同的控制對象,只需改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的控制要求,充分體現(xiàn)了靈活性、通用性。各種PLC都有各自的系列化產(chǎn)品。同一系列PLC,不同機(jī)型功能基本相同,可以互換,可以根據(jù)控制要求進(jìn)行擴(kuò)展,包括容量擴(kuò)展、功能擴(kuò)
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