列車閥檢測試驗臺設計

I 摘 要 感載比例閥是列車制動系主要元件之一 ,它能使制動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)過嚴格的測試 , 各項性能指標必須滿足行業(yè)標準。目前 , 國內(nèi)主要采用手工控制測試或采用進口的性能試驗臺對感載比例閥進行測試。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)果不能儲存 , 在出現(xiàn)質(zhì)量問題時無法提交有效的檢測報告。進口試驗臺價格昂貴 , 軟件維護不方便 , 人機交互性差 , 且多數(shù)為專用型 , 無法滿足個性化需要。 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，設計研究了比例閥的檢測試驗臺。最后實際檢測后表明，該試驗臺測試精度高、性能穩(wěn)定、裝卸被測試件快速準確、測試時間短、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)和試驗手段。 關(guān)鍵詞： 列車制車系統(tǒng)； 感載比例閥；檢測；試驗臺 II 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, cant 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 III 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 1 緒論 . 1.1 本課題的研究內(nèi)容 和 意義 . 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 . 1.3 本課題應 達到的要求 . 2 列車制動系統(tǒng)簡介 . 2.1 列車制車系統(tǒng) . 2.1.1 制動方式 . 2.1.2 制動系統(tǒng)組成 . 2.1.3 制動控制裝置 . 2.2 空氣制動系統(tǒng)的組成及其作用 . 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 . 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) . 3.2.2 列車感載比例閥工作原理 . 4 列車感載比例閥 的技術(shù)要求 . 4.1 主要技術(shù)指標 . 4.1.1 工作壓力范圍： . 4.1.2 緩解特性： . 4.1.3 回差： . 4.1.4 跟隨性： . 4.1.5 密封性： . 4.1.6 耐壓： . 4.1.7 壽命： . 4.1.8 外觀： . 4.2 列車感載比例閥 試驗檢測 . 4.2.1 試驗條件 . 4.2.2 試驗方法 . 5 測試系統(tǒng)設計原理以及控制方法 . 5.1 真空系統(tǒng) . 5.2 主要性能測試系統(tǒng) . 5.3 彈簧拉伸裝置 . 5.4 殘液排空和回收裝置 . IV 5.5 氣動夾緊機構(gòu) . 5.6 計算機控制系統(tǒng) . 6 列車感載比例閥的測試方案設計 . 6.1 試驗系統(tǒng)總體方案 . 6.2 主控系統(tǒng)方案 . 7 PLC 的特點及與其它控制系統(tǒng)的比較 . 7.1 PLC 的結(jié)構(gòu)與特點 . 7.1.1 CPU 的構(gòu)成及功能 . 7.1.2 I/O 模塊 . 7.1.3 內(nèi)存 . 7.1.4 電源模塊 . 7.1.5 底板或機架 . 7.1.6 PLC 系統(tǒng)的其它設備 . 7.1.7 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) . 7.2 PLC 具有許多優(yōu)點 ,因而被廣泛應用于各種控制場合 . 7.2.1 可靠性高 . 7.2.2 編程簡單 . 7.2.3 通用性好 . 7.2.4 功能強大 . 7.2.5 體積小、功耗低 . 7.2.6 設計施工周期短 . 8 列車感載比例閥測試方案的硬件選擇 . 8.1 試驗臺硬件平臺 . 8.2 試驗臺控制系統(tǒng)氣動回路設計 . 8.2.1 電磁閥的選擇 . 8.2.2 電磁閥取代 EP 閥 . 8.2.3 電磁閥氣動回路 . 8.2.4 優(yōu)化試驗臺氣動回路 . 8.3 試驗臺電控系統(tǒng)設計 . 8.3.1 電控系統(tǒng)組成 . 8.3.2 壓力變送器選用 . 8.3.3 高 速數(shù)據(jù)采集卡 選用 . 錯誤 !未定義書簽。 8.4 試驗臺硬 件優(yōu)化措施 . 8.4.1 普通電磁閥代替 EP 閥 . 8.4.2 提高精密調(diào)壓閥調(diào)壓壓力 . 8.4.3 增加氣容 . 9 列車感載比例閥測控試驗臺的應用與試驗 . 9.1 列車感載比例閥試驗步驟 . V 9.2 檢測試驗及其結(jié)果分析 . 9.2.1 試驗臺性能指標 . 9.2.2 充風、排風方式分析 . 9.2.3 回差性分析 . 9.2.4 信號壓力 -輸出壓力分析 . 10 結(jié)論與展望 . 致 謝 . 參考文獻 . 39 VI 列車制動系統(tǒng)比例閥測控試驗臺設計與研究 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)，以減小列車制動時的縱向沖動，避免空車時因制動力過大而使閘瓦抱死車輪，使車輪在鋼軌上滑行擦傷車輪，及重車時因制動力不足而不能在規(guī) 定的制動距離內(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，設計研究了比例閥的檢測試驗臺。最后實際檢測后表明，該試驗臺測試精度高、性能穩(wěn)定、裝卸被測試件快速準確、測試時間短、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)和試驗手段。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈，它擔負著十分繁重的客貨運輸任務。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的不斷進步，鐵路客貨運量在持續(xù)增 長，從而對鐵路系統(tǒng)的運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營，標志著中國列車高速時代的到來，越來越多的高鐵線路將會在未來開通。 1.3 本課題應 達到的要求 試驗臺的硬件設計包括試驗臺控制系統(tǒng)氣動回路、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需求，提出回路設計的初始方案，明確了設計的思路與方法；然后，通過性價比分析，對初始方案進行了進一步優(yōu)化改進；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臺的硬件設計。 說明書分為 9 個大章節(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)設計原理以及控制方法 .PLC 的特點及與其它控制系統(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臺的應用與試驗 具體介紹了列車制動，感載比例閥，測試系統(tǒng)以及 PLC。通過進行的對比與測試，最終選定了試驗臺的構(gòu)造。 無錫太湖學院學士學位論文 2 列車制動系統(tǒng)簡介 2.1 列車制車系統(tǒng) 2.1.1 制動方式 1） 制動控制方式 動 車組動車使用電制動、拖車使用空氣制動的復合制動方式。動車電制動優(yōu)先，低速區(qū)域的電制動停止工作時或電制動故障時，不足的部分由空氣制動力補充實施。制動時，列車首先最大限度地利用電制動力制動列車，減輕拖車的空氣制動負荷，減少拖車的機械制動部件的磨損。 通過 ATP 的自動控制及手動制動光傳送指令式采用再生制動并用電氣指令式空氣制動延遲控制，首先讓動車（再生制動）負擔制動力，減小拖車自身制動力的方式。以 1 輛動車、 1 輛拖車為控制單位進行延遲控制 。 2）制動的種類 通常運行時司機用制動控制器操作常用制動（表示為 1 級 7 級的 7 個檔位的制動力）和快速制動。 ATP 動作時常用最大制動（ 7 級）和快速制動作用相同。緊急制動、輔助制動，在故障時等異常情況下通過開關(guān)操作。耐雪制動是積雪時通過開關(guān)操作，制動力幾乎不作用。 3） 制動方式 適應粘著變化規(guī)律的速度 -粘著控制模式； 根據(jù)載荷變化自動調(diào)整制動力； 防滑保護控制； 以 1M1T 為單元進行制動力的協(xié)調(diào)配合，充分利用動車再生制動力，減少拖車空氣制動力的使用，僅在再生制動力不足時才由空氣制動力補充； 優(yōu)先響應車載 ATP/LKJ2000 接口的指令，可施行安全制動； 故障診斷和相關(guān)信息保 存功能； 當安全控制回路分離時產(chǎn)生緊急制動； 常用制動：常用制動力為 1 級 7 級；延遲控制，在初速度為 75km/h 以上時，由動車的再生制動負擔拖車部分的制動力，在 65km/h 以下切換成為單獨控制。 快速制動：具備常用制動 1.5 倍的制動力，在手動制動操作時及在閉塞區(qū)間無法減速至設定的速度時根據(jù) ATP 指令動作。 緊急制動：當列車分離、總風管壓力降低及手柄取出時均會實施緊急制動。此時，不具有按照負荷大小調(diào)整制動力的功能。 耐雪制動：在降雪時，為了防止冰雪進入制動盤和閘瓦之間，使得閘瓦無間隙輕輕接觸制動盤。在 110km/h 的速度以下，接通耐雪制動開關(guān)，通過操作制動手柄動作。制動缸壓力設定為 4020kPa，可以操作制動控制器的開關(guān)調(diào)整設定值。 輔助制動：以在制動控制裝置異常、制動指令線路斷線、以及在救援等時使用為目的列車制動系統(tǒng)比例閥測控試驗臺設計與研究 而設置。操作司機臺的設定開關(guān)及各單元（ Tc 車）的配電盤開關(guān)進行動作，與常用、快速制動不同，制動力為與速度無關(guān)的定值。 停車制動：采用鐵靴實施停車制動 1 。 2.1.2 制動系統(tǒng)組成 制動控制系統(tǒng)包括：制動信號發(fā)生裝置（司機制動控制器） ， 制動信號傳輸裝置（列車信息控制系統(tǒng)，包括中央裝置、車輛終端裝置） ， 制動 控制裝置（內(nèi)部集成了電子控制單元和制動控制單元（ BCU）、空氣制動管路上所需的各種閥門及風缸等）。 基礎制動裝置位于轉(zhuǎn)向架上，由帶防滑閥的增壓氣缸及油壓盤式制動裝置等組成。空氣供給系統(tǒng)由位于 3、 5、 7 號車地板下的 3 臺空氣壓縮機、干燥器，及用于每輛車的總風缸、制動供給風缸，以及貫穿全車的總風管等組成。 2.1.3 制動控制裝置 制動控制裝置包括制動控制器、空氣制動相關(guān)閥門及儲氣缸實現(xiàn)單元化，吊裝在車下。制動控制單元（ BCU）采用微處理器數(shù)字運算處理方式，來自司機臺的制動指令通過中央裝置、傳輸終端由光纜傳輸，根據(jù) 各車廂的負荷信號及速度信息計算出需要的制動力，對電氣制動力、空氣制動力進行控制。關(guān)于與再生制動的協(xié)調(diào)采用延遲控制，負擔一部分的拖車制動力。 防滑控制功能：對于空氣制動的防滑，通過防滑控制閥對各軸進行控制。對于電氣制動的防滑，通過調(diào)整電氣制動曲線實現(xiàn)滑動軸的再次粘著控制，與傳輸終端進行信息傳輸，實時輸出各種控制數(shù)據(jù)。制動力切換功能打滑再次粘著功能（空氣壓力控制式）對應負荷功能耐雪制動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輸出功能（從動車向拖車的 EP 閥指令功能）電氣空氣壓縮機 2 。 2.2 空氣制動系統(tǒng)的組成及其作用 圖 2.1 自動式空氣制動系統(tǒng) 無錫太湖學院學士學位論文 各部分作用如下： 1.空氣壓縮機（ 1）、總風缸（ 2）：原動力系統(tǒng)?？諝鈮嚎s機：制造壓縮空氣；總風缸 ：儲存壓縮空氣，供全列車系統(tǒng)使用。 2.給風閥（ 4）：將總風缸的壓縮空氣調(diào)至規(guī)定壓力，經(jīng)自動制動閥（ 5）充入制動管。 3.自動制動閥（ 5）：操縱部件。通過它向制動管充入壓縮空氣 /將制動管壓縮空氣排向大氣。 4.制動管（ 14）：貫通全列車的壓縮空氣導管。向列車中各車輛的制動裝置輸送壓縮空氣。通過自動制動閥（ 5）控制管內(nèi)壓縮空氣壓力變化實現(xiàn)操縱 各列車制動機。 5.三通閥（ 8）：車輛空氣制動裝置的主要部件，控制制動機產(chǎn)生不同作用。和制動管聯(lián)通，由制動管壓力的變化產(chǎn)生作用位置。制動機緩解：制動管連通副風缸，制動缸連通大氣。向副風缸充入壓縮空氣，把制動缸內(nèi)壓縮空氣排向大氣。制動機制動：制動管通大氣，副風缸通制動缸。副風缸內(nèi)壓縮空氣充入制動缸，產(chǎn)生制動作用。 6.副風缸（ 11）：緩解儲存的壓縮空氣，為制動時制動缸的動力源。 7.制動缸（ 10）：制動時，把從副風缸送來的壓縮空氣轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械推力。 8.基礎制動裝置（ 17）：制動時，將制動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；緩解時，靠閘瓦自重使閘瓦離開車輪實現(xiàn)緩解。 9.閘瓦、車輪和鋼軌：實現(xiàn)制動三大要素。制動時，閘瓦壓緊轉(zhuǎn)動的車輪踏面后，閘瓦與車輪間的摩擦力借助鋼軌，在與車輪接觸點上產(chǎn)生與列車運行方向相反（與鋼軌平行）的反作用力，即制動力。（黏著效應） 制動缸壓力計算 1 空氣制動機的工作過程就是利用空氣受壓縮后體積與壓力的自動變化來實現(xiàn)的。 2 車輛制動機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行理論計算。 列車制動系統(tǒng)比例閥測控試驗臺設計與研究 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單元中， 根據(jù)車輛 的 重量對車輛進行空重車調(diào)整的一部件，它能根據(jù) 來自車載感知 空簧 的 壓力信號對輸出壓力大小進行控制， 在一定范圍內(nèi)能夠自動、無級地調(diào)整制動缸壓力，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系統(tǒng)。圖 3.3 所示為德國 KNORR 公司生產(chǎn)的 ESRA 氣動制動控制裝置 的工作原理圖，圖 3.4 所示為該氣動裝置現(xiàn)場工作照片。 圖 3. 1 上海臨港低速磁浮空氣制動系統(tǒng) 圖 3. 2 上海地鐵一號線國產(chǎn)化擴編改造車輛空氣制動系統(tǒng) 無錫太湖學院學士學位論文 圖 3. 3 德國 KNORR 公司生產(chǎn)的空氣制動系統(tǒng) 原理圖 列車制動系統(tǒng)比例閥測控試驗臺設計與研究 圖 3. 4 德國 KNORR 公司生產(chǎn)的空氣制動系統(tǒng)現(xiàn)場照片 圖 3.4 所示的 ESRA 制動系統(tǒng)控制單元 ， 包括制動電子控制裝置和氣動控制裝置兩部分， 其中 氣動控制裝置主要 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 ，共同完成列車運行所需的多種制動功能 。 列車感載比例閥作為氣動控制系統(tǒng)的主要組成部分，主要功能是根據(jù)車重信號調(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缸的一個裝置，其作用是將壓力空氣信號流量進行放大，以縮短制動執(zhí)行裝置的響應時間。 電磁閥是自動控制中應用最多的閥，主要由線圈和氣動兩部分組成。在制動系統(tǒng)中使用的主要是直動式電磁閥，其作用是根據(jù)需要切斷和接通氣路。在線圈得電時，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，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。 常用制動時，總風壓力經(jīng)過電空轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為與電子控制裝置制動指令成比例的預控壓力，然后驅(qū)動中繼閥為制動缸充風，從而施加制動。 其中 ，輸入電空轉(zhuǎn)換模塊的電控信號基于制動指令進行了載荷調(diào)整和沖動限制； 同時 ， 為保證可靠制動， 電空轉(zhuǎn)換模塊輸出的預控壓力須通過緊急閥和空重車調(diào)整閥，然后進入中繼閥 ，再進入制動缸進行制動。 緊急制動時，緊急電磁閥失電使總風不經(jīng)電空轉(zhuǎn)換模塊直接進入空重車調(diào)整閥，產(chǎn)生一個經(jīng)載荷調(diào)整的緊急預控壓力，通過中繼閥給制動缸施加緊急制 動壓力 3 。 無錫太湖學院學士學位論文 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 個主要通道與外部連接，分別為總風口、輸出口和信號風口。列車感載比例閥的空車彈簧能保證在信號風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的制動力而設置的，根據(jù)與車輛的載荷相應的空氣彈簧壓力 (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 感載比例閥信號壓力與輸出壓力變換比例 列車制動系統(tǒng)比例閥測控試驗臺設計與研究 4 列車感載比例閥 的技術(shù)要求 4.1 主要技術(shù)指標 4.1.1 工作壓力范圍： 列車感載比例。閥總風工作 壓力范圍為 0 1000kPa。 列車感載比例閥信號風