列车阀检测试验台设计

I 摘 要 感载比例阀是列车制动系主要元件之一 ,它能使制动压力随载荷的变化而得到调整 ,保证列车在不同载荷和速度情况下制动的稳定性。为了保证列车行驶的安全性 , 感载比例阀必须经过严格的测试 , 各项性能指标必须满足行业标准。目前 , 国内主要采用手工控制测试或采用进口的性能试验台对感载比例阀进行测试。手工控制测试精度低、同步性差、工作节拍长、生产效率低 , 性能检测常常滞后于生产加工 ,而且检测结果不能储存 , 在出现质量问题时无法提交有效的检测报告。进口试验台价格昂贵 , 软件维护不方便 , 人机交互性差 , 且多数为专用型 , 无法满足个性化需要。 由于列车感载比例阀涉及人身安全重要性，对其质量提出较高的要求，因此对列车感载比例阀的测试也提出了较多的要求。根据列车感载比例阀的特性，设计研究了比例阀的检测试验台。最后实际检测后表明，该试验台测试精度高、性能稳定、装卸被测试件快速准确、测试时间短、测试结果可视化程度高、历史数据查询方便 , 可为列车感载比例阀的研制和在线检测提供可靠的测试依据和试验手段。 关键词： 列车制车系统； 感载比例阀；检测；试验台 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 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1.1 本课题的研究内容 和 意义 . 1.2 国内外的发展概况 . 1.3 本课题应 达到的要求 . 2 列车制动系统简介 . 2.1 列车制车系统 . 2.1.1 制动方式 . 2.1.2 制动系统组成 . 2.1.3 制动控制装置 . 2.2 空气制动系统的组成及其作用 . 3 列车感载比例阀技术分析 . 3.1 列车感载比例阀的用途 . 3.2 列车感载比例阀的结构及其工作原理 . 3.2.1 列车感载比例阀的结构 . 3.2.2 列车感载比例阀工作原理 . 4 列车感载比例阀 的技术要求 . 4.1 主要技术指标 . 4.1.1 工作压力范围： . 4.1.2 缓解特性： . 4.1.3 回差： . 4.1.4 跟随性： . 4.1.5 密封性： . 4.1.6 耐压： . 4.1.7 寿命： . 4.1.8 外观： . 4.2 列车感载比例阀 试验检测 . 4.2.1 试验条件 . 4.2.2 试验方法 . 5 测试系统设计原理以及控制方法 . 5.1 真空系统 . 5.2 主要性能测试系统 . 5.3 弹簧拉伸装置 . 5.4 残液排空和回收装置 . IV 5.5 气动夹紧机构 . 5.6 计算机控制系统 . 6 列车感载比例阀的测试方案设计 . 6.1 试验系统总体方案 . 6.2 主控系统方案 . 7 PLC 的特点及与其它控制系统的比较 . 7.1 PLC 的结构与特点 . 7.1.1 CPU 的构成及功能 . 7.1.2 I/O 模块 . 7.1.3 内存 . 7.1.4 电源模块 . 7.1.5 底板或机架 . 7.1.6 PLC 系统的其它设备 . 7.1.7 PLC 的通信联网 . 7.2 PLC 具有许多优点 ,因而被广泛应用于各种控制场合 . 7.2.1 可靠性高 . 7.2.2 编程简单 . 7.2.3 通用性好 . 7.2.4 功能强大 . 7.2.5 体积小、功耗低 . 7.2.6 设计施工周期短 . 8 列车感载比例阀测试方案的硬件选择 . 8.1 试验台硬件平台 . 8.2 试验台控制系统气动回路设计 . 8.2.1 电磁阀的选择 . 8.2.2 电磁阀取代 EP 阀 . 8.2.3 电磁阀气动回路 . 8.2.4 优化试验台气动回路 . 8.3 试验台电控系统设计 . 8.3.1 电控系统组成 . 8.3.2 压力变送器选用 . 8.3.3 高 速数据采集卡 选用 . 错误 !未定义书签。 8.4 试验台硬 件优化措施 . 8.4.1 普通电磁阀代替 EP 阀 . 8.4.2 提高精密调压阀调压压力 . 8.4.3 增加气容 . 9 列车感载比例阀测控试验台的应用与试验 . 9.1 列车感载比例阀试验步骤 . V 9.2 检测试验及其结果分析 . 9.2.1 试验台性能指标 . 9.2.2 充风、排风方式分析 . 9.2.3 回差性分析 . 9.2.4 信号压力 -输出压力分析 . 10 结论与展望 . 致 谢 . 参考文献 . 39 VI 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 1 绪论 1.1 本课题的研究内容 和 意义 列车感载比例阀可以使车辆的制动率不随载重量的变化而变化，保持为一常数，以减小列车制动时的纵向冲动，避免空车时因制动力过大而使闸瓦抱死车轮，使车轮在钢轨上滑行擦伤车轮，及重车时因制动力不足而不能在规 定的制动距离内停车。由于列车感载比例阀涉及人身安全重要性，对其质量提出较高的要求，因此对列车感载比例阀的测试也提出了较多的要求。根据列车感载比例阀的特性，设计研究了比例阀的检测试验台。最后实际检测后表明，该试验台测试精度高、性能稳定、装卸被测试件快速准确、测试时间短、测试结果可视化程度高、历史数据查询方便 , 可为列车感载比例阀的研制和在线检测提供可靠的测试依据和试验手段。 1.2 国内外的发展概况 铁路是国民经济的大动脉，它担负着十分繁重的客货运输任务。随着经济的快速发展和社会的不断进步，铁路客货运量在持续增 长，从而对铁路系统的运输能力提出了越来越高的要求。在此情况下，除了需要开行更多的铁路线路外，提高列车速度是解决运力不足的更有效办法。 2008 年 8 月 1 日，京津城际铁路正式通车运营，标志着中国列车高速时代的到来，越来越多的高铁线路将会在未来开通。 1.3 本课题应 达到的要求 试验台的硬件设计包括试验台控制系统气动回路、电控系统、硬件优化等。首先，基于列车感载比例阀的性能检测试验需求，提出回路设计的初始方案，明确了设计的思路与方法；然后，通过性价比分析，对初始方案进行了进一步优化改进；最后，选配了压力变送器、数据采 集卡等电控系统主要测控部件，最终完成了列车感载比例阀测控试验台的硬件设计。 说明书分为 9 个大章节： .绪论 .列车制车系统简介 .列车感载比例阀技术分析 .列车感载比例阀的技术要求 .测试系统设计原理以及控制方法 .PLC 的特点及与其它控制系统的比较 .列车感载比例阀测试方案的硬件选择 .列车感载比例阀测控试验台的应用与试验 具体介绍了列车制动，感载比例阀，测试系统以及 PLC。通过进行的对比与测试，最终选定了试验台的构造。 无锡太湖学院学士学位论文 2 列车制动系统简介 2.1 列车制车系统 2.1.1 制动方式 1） 制动控制方式 动 车组动车使用电制动、拖车使用空气制动的复合制动方式。动车电制动优先，低速区域的电制动停止工作时或电制动故障时，不足的部分由空气制动力补充实施。制动时，列车首先最大限度地利用电制动力制动列车，减轻拖车的空气制动负荷，减少拖车的机械制动部件的磨损。 通过 ATP 的自动控制及手动制动光传送指令式采用再生制动并用电气指令式空气制动延迟控制，首先让动车（再生制动）负担制动力，减小拖车自身制动力的方式。以 1 辆动车、 1 辆拖车为控制单位进行延迟控制 。 2）制动的种类 通常运行时司机用制动控制器操作常用制动（表示为 1 级 7 级的 7 个档位的制动力）和快速制动。 ATP 动作时常用最大制动（ 7 级）和快速制动作用相同。紧急制动、辅助制动，在故障时等异常情况下通过开关操作。耐雪制动是积雪时通过开关操作，制动力几乎不作用。 3） 制动方式 适应粘着变化规律的速度 -粘着控制模式； 根据载荷变化自动调整制动力； 防滑保护控制； 以 1M1T 为单元进行制动力的协调配合，充分利用动车再生制动力，减少拖车空气制动力的使用，仅在再生制动力不足时才由空气制动力补充； 优先响应车载 ATP/LKJ2000 接口的指令，可施行安全制动； 故障诊断和相关信息保 存功能； 当安全控制回路分离时产生紧急制动； 常用制动：常用制动力为 1 级 7 级；延迟控制，在初速度为 75km/h 以上时，由动车的再生制动负担拖车部分的制动力，在 65km/h 以下切换成为单独控制。 快速制动：具备常用制动 1.5 倍的制动力，在手动制动操作时及在闭塞区间无法减速至设定的速度时根据 ATP 指令动作。 紧急制动：当列车分离、总风管压力降低及手柄取出时均会实施紧急制动。此时，不具有按照负荷大小调整制动力的功能。 耐雪制动：在降雪时，为了防止冰雪进入制动盘和闸瓦之间，使得闸瓦无间隙轻轻接触制动盘。在 110km/h 的速度以下，接通耐雪制动开关，通过操作制动手柄动作。制动缸压力设定为 4020kPa，可以操作制动控制器的开关调整设定值。 辅助制动：以在制动控制装置异常、制动指令线路断线、以及在救援等时使用为目的列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 而设置。操作司机台的设定开关及各单元（ Tc 车）的配电盘开关进行动作，与常用、快速制动不同，制动力为与速度无关的定值。 停车制动：采用铁靴实施停车制动 1 。 2.1.2 制动系统组成 制动控制系统包括：制动信号发生装置（司机制动控制器） ， 制动信号传输装置（列车信息控制系统，包括中央装置、车辆终端装置） ， 制动 控制装置（内部集成了电子控制单元和制动控制单元（ BCU）、空气制动管路上所需的各种阀门及风缸等）。 基础制动装置位于转向架上，由带防滑阀的增压气缸及油压盘式制动装置等组成。空气供给系统由位于 3、 5、 7 号车地板下的 3 台空气压缩机、干燥器，及用于每辆车的总风缸、制动供给风缸，以及贯穿全车的总风管等组成。 2.1.3 制动控制装置 制动控制装置包括制动控制器、空气制动相关阀门及储气缸实现单元化，吊装在车下。制动控制单元（ BCU）采用微处理器数字运算处理方式，来自司机台的制动指令通过中央装置、传输终端由光缆传输，根据 各车厢的负荷信号及速度信息计算出需要的制动力，对电气制动力、空气制动力进行控制。关于与再生制动的协调采用延迟控制，负担一部分的拖车制动力。 防滑控制功能：对于空气制动的防滑，通过防滑控制阀对各轴进行控制。对于电气制动的防滑，通过调整电气制动曲线实现滑动轴的再次粘着控制，与传输终端进行信息传输，实时输出各种控制数据。制动力切换功能打滑再次粘着功能（空气压力控制式）对应负荷功能耐雪制动控制功能不足不缓解检测功能监视功能故障信息保存功能其它车辆制动输出功能（从动车向拖车的 EP 阀指令功能）电气空气压缩机 2 。 2.2 空气制动系统的组成及其作用 图 2.1 自动式空气制动系统 无锡太湖学院学士学位论文 各部分作用如下： 1.空气压缩机（ 1）、总风缸（ 2）：原动力系统。空气压缩机：制造压缩空气；总风缸 ：储存压缩空气，供全列车系统使用。 2.给风阀（ 4）：将总风缸的压缩空气调至规定压力，经自动制动阀（ 5）充入制动管。 3.自动制动阀（ 5）：操纵部件。通过它向制动管充入压缩空气 /将制动管压缩空气排向大气。 4.制动管（ 14）：贯通全列车的压缩空气导管。向列车中各车辆的制动装置输送压缩空气。通过自动制动阀（ 5）控制管内压缩空气压力变化实现操纵 各列车制动机。 5.三通阀（ 8）：车辆空气制动装置的主要部件，控制制动机产生不同作用。和制动管联通，由制动管压力的变化产生作用位置。制动机缓解：制动管连通副风缸，制动缸连通大气。向副风缸充入压缩空气，把制动缸内压缩空气排向大气。制动机制动：制动管通大气，副风缸通制动缸。副风缸内压缩空气充入制动缸，产生制动作用。 6.副风缸（ 11）：缓解储存的压缩空气，为制动时制动缸的动力源。 7.制动缸（ 10）：制动时，把从副风缸送来的压缩空气转变为机械推力。 8.基础制动装置（ 17）：制动时，将制动缸推力放大若干倍传递到 闸瓦，使闸瓦夹紧车轮产生制动；缓解时，靠闸瓦自重使闸瓦离开车轮实现缓解。 9.闸瓦、车轮和钢轨：实现制动三大要素。制动时，闸瓦压紧转动的车轮踏面后，闸瓦与车轮间的摩擦力借助钢轨，在与车轮接触点上产生与列车运行方向相反（与钢轨平行）的反作用力，即制动力。（黏着效应） 制动缸压力计算 1 空气制动机的工作过程就是利用空气受压缩后体积与压力的自动变化来实现的。 2 车辆制动机工作过程的压缩空气状态变化接近于等温变化过程。一般采用等温变化过程进行理论计算。 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 3 列车感载比例阀技术分析 3.1 列 车感载比例阀的用途 列车感载比例阀 主要用于快速列车气制动单元中， 根据车辆 的 重量对车辆进行空重车调整的一部件，它能根据 来自车载感知 空簧 的 压力信号对输出压力大小进行控制， 在一定范围内能够自动、无级地调整制动缸压力，从而明显缩小车辆从空车位至重车位不同载重状态下的制动率变化， 以保证行车的安全 。图 3.1 和 3.2 所示为上海磁悬浮列车和上海地铁空气制动系统。图 3.3 所示为德国 KNORR 公司生产的 ESRA 气动制动控制装置 的工作原理图，图 3.4 所示为该气动装置现场工作照片。 图 3. 1 上海临港低速磁浮空气制动系统 图 3. 2 上海地铁一号线国产化扩编改造车辆空气制动系统 无锡太湖学院学士学位论文 图 3. 3 德国 KNORR 公司生产的空气制动系统 原理图 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 图 3. 4 德国 KNORR 公司生产的空气制动系统现场照片 图 3.4 所示的 ESRA 制动系统控制单元 ， 包括制动电子控制装置和气动控制装置两部分， 其中 气动控制装置主要 是 由电空模拟转换阀、紧急电磁阀、中继阀、空重车调整阀 和气路板等 等 组成 ，共同完成列车运行所需的多种制动功能 。 列车感载比例阀作为气动控制系统的主要组成部分，主要功能是根据车重信号调整输出气压大小。虽然不同厂家生产的列车感载比例阀在结构上有所不同，但其工作原理是类似的。 中继阀是直接将压力空气输出给制动缸的一个装置，其作用是将压力空气信号流量进行放大，以缩短制动执行装置的响应时间。 电磁阀是自动控制中应用最多的阀，主要由线圈和气动两部分组成。在制动系统中使用的主要是直动式电磁阀，其作用是根据需要切断和接通气路。在线圈得电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起 ,阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 常用制动时，总风压力经过电空转换模块转换为与电子控制装置制动指令成比例的预控压力，然后驱动中继阀为制动缸充风，从而施加制动。 其中 ，输入电空转换模块的电控信号基于制动指令进行了载荷调整和冲动限制； 同时 ， 为保证可靠制动， 电空转换模块输出的预控压力须通过紧急阀和空重车调整阀，然后进入中继阀 ，再进入制动缸进行制动。 紧急制动时，紧急电磁阀失电使总风不经电空转换模块直接进入空重车调整阀，产生一个经载荷调整的紧急预控压力，通过中继阀给制动缸施加紧急制 动压力 3 。 无锡太湖学院学士学位论文 3.2 列车感载比例阀的结构及其工作原理 3.2.1 列车感载比例阀的结构 列车感载比例阀又称列车感载比例阀，其外形结构如图 3.4 所示，内部结构见图 3.5所示，主要组成部分有：测重部、杠杆部、压力作用部、空气压力给排部四部分，由阀体、压力调整弹簧、调整螺钉、活塞等组成。从结构上可以看到，列车感载比例阀一共有 3 个主要通道与外部连接，分别为总风口、输出口和信号风口。列车感载比例阀的空车弹簧能保证在信号风没有输入情况下仍然有一定的输出。 图 3. 5 列车感载比例阀外形图 图 3. 6 列车感载比例阀内部结构图 3.2.2 列车感载比例阀工作原理 列车感载比例阀是为获得与车辆载荷相适应的制动力而设置的，根据与车辆的载荷相应的空气弹簧压力 (AS 压力 )而输出随重压力 (VL 压力 )。 AS 压力与 VL 压力随着车辆不同而有差异。但信号压力与输出压力的比率变化很小。如图 3.7 所示 4 。 图 3. 7 感载比例阀信号压力与输出压力变换比例 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 4 列车感载比例阀 的技术要求 4.1 主要技术指标 4.1.1 工作压力范围： 列车感载比例。阀总风工作 压力范围为 0 1000kPa。 列车感载比例阀信号风