列车制动软管试验台的方案设计❋

2013-12-23易毅坚刘丽华

机械工程与自动化 2013年2期

易毅坚，刘丽华

（1.广州地铁总公司设备检修分部，广东广州 510430；2.广州铁路职业技术学院，广东广州 510430）

0 引言

列车制动软管是车辆与车辆之间互相连接的重要配件，制动软管的质量是铁路列车安全的一项必要保障，制动软管的主要故障是泄漏和胀形。如果采用人工手动试验装置对其进行水风压试验，则存在工作效率低下、劳动强度大、试验数据不能记录等缺点。为提升制动系统的产品质量，我们自主研制了采用PLC 自动控制的列车制动软管试验台，该试验台可手动和自动完成制动软管的风水压试验。

1 列车制动软管水风压试验性能测试内容

根据我国铁路列车制动试验工艺要求，列车制动软管的试验内容分为风压试验和水压试验两项。

（1）风压试验：制动软管在水槽内缓慢通以600 kPa～700kPa的压缩空气，保压5min，制动软管无泄漏、破裂，若软管出现气泡逐渐减少并在10min内消失者可以使用。

（2）水压试验：风压试验合格后，以1 000kPa的水压进行强度试验，保压2min后无破损、外径无局部凸起则合格；若径向膨胀率大于3mm，长度变形大于9mm 则判废。

2 水风压试验的技术方案及论证

2.1 软管泄漏检测方案

列车制动软管泄漏检测有以下3种方案：

方案一：将被测软管充入规定压力的压缩空气，然后放入水槽中目测观察是否有气泡冒出。其设备简单，但是不能自动记录压力变化曲线。

方案二：将被测软管充入由加载泵增压的高压空气，采用压力传感器和压力数显表显示气体的泄漏情况，可实现自动检测。该方案的增压泵采用手动调节来控制加压大小。该方案可自动记录压力变化，但手动调节加载时，不能精确地控制被测软管内的压力，控制具有明显的滞后性，影响试验结果。

方案三：把方案二中增压泵的加载阀由原来的手动调节改为步进电机调节，通过PLC模糊控制方式进行智能加载，调节加载泵的压力，试验软管接口处加装压力传感器，软管出水口封闭保压，在保压状态下，传感器检测压力变化值在允许的范围内，则视为合格。该方案是在方案二的基础上进行了改进，用步进电机代替人工来调节压力，用PLC 控制步进电机，从而避免了超调和压力波动，并且可以对风压试验和水压试验进行自动控制。

综合上述3种方案的优缺点，本文的泄漏试验采用方案三：将被测软管充入规定压力的压缩空气，并采用压力传感器检测软管内压力的变化；同时将软管放入水槽中，压力传感器将被测压力值转化成电量送入PLC模拟量模块，通过触摸屏来显示压力的变化。当压力下降到允许的最低值时，报警灯亮报警，此时由操作人员观察软管两端接头处是否冒气泡，如果冒气泡则说明软管没连接好或者是软管自身耐压能力不够。

2.2 软管胀形检测方案

列车制动软管胀形检测有以下3种方案：

方案一：当软管充入高压水或高压空气后，由操作人员用标准检测板卡入软管外侧并移动检测，如果有卡住，则为胀形不合格。该检测方案简单，但缺点是需要人工检测，效率低。

方案二：将人工检测方法改为气动检测方法，即利用两个气缸实现人工检测，两个气缸分别控制检测板的上下移动和左右移动，检测板的内孔设置压力传感器，由压力传感器检测软管的应力变化。如果检测的压力值超过了设定值，将信号送入PLC，则PLC 产生声光报警，即软管胀形不合格。该检测方法虽可实现自动化操作，但由于制动软管是橡胶做的，一般情况下会有不同程度的弯曲，而实验检测时，一定要求软管要直，否则容易造成误报警。

方案三：为自动胀形检测方法。如图1所示，由增压泵2向软管4加压，此时阀门A 和阀门B 关闭，阀门C开启。当水压在软管4 中维持一定的压力和规定的时间后，阀门C关闭，阀门A 开启，水液流入量筒5，放置在量筒5上方的激光测距传感器6将量筒5水位通过计算机软件计算出来，根据量筒5的水位可算出软管4 的胀形量。测量完毕后，阀门B 打开，清空量筒5中的水。

图1 自动胀形检测原理图

经过上述3种方案的比较，我们决定选用方案三，该方案性能稳定，可通过PLC 控制，便于实现。在实施方案三时，我们把阀A、阀B、阀C 改为二位二通电磁阀，便于PLC控制。

3 软管水、风压试验台的设计

该试验台由机械部分和电气控制部分组成。

3.1 机械部分的组成

机械部分由试验水槽、储水槽、水泵、加载阀和机体组成。机体用角钢支撑，外框采用铝板制作，易清洁。机体上面有不锈钢试验水槽，在试验水槽上面安装网状软管试验防护网，以防软管在试验中发生意外而造成人体伤害。试验台水槽内有3个试验接头，并配置软管活接堵头3个，若两根软管连接后接在1个接头上，则每次最多可对6根软管进行试验。

3.2 试验台水、风压系统的工作原理

试验台的水、风压系统工作原理如图2所示。

图2 水、风压系统工作原理图

（1）水槽补水排水流程：水槽注水电磁阀V4得电→抽水泵抽水→水槽补水→试验软管风压试验开始。

（2）试验软管风压试验流程：压缩空气→加气压电磁阀V1→试验软管加压→时间到保压→泄压电磁阀V2得电→试验管释压。

（3）水压试验流程：试验管注水电磁阀V3打开→抽水泵抽水→软管充水→泄压电磁阀V2关闭→补水→试验管注水电磁阀V3 关闭→水泵停止→水压阀V6打开→步进电机加载→保压→激光测距传感器检测→胀形量检查。

（4）试验结束后，为方便水槽快速放水，在水槽底的中心部位开设了水槽排水电磁阀V5 作为放水开关，水压试验时，水槽排水电磁阀V5不通电关闭，当需要放水时，水槽排水电磁阀V5打开，可快速放水。

3.3 电气控制部分

由于本试验台要实现自动／手动／单步操作，各种开关、按钮较多，为方便接线和自动控制，选择用PLC和触摸屏相结合的控制方式。电路控制部分包括采集控制电路、电源、控制柜、报警电路和控制台。采集控制电路包括传感器、电磁阀、驱动电路。控制柜内装有水泵的主电路、水泵控制电路和PLC。电源包括交流稳压电源（220V）、供给PLC和触摸屏的直流电源（24 V）、传感器的直流电源（12V）。报警电路包括报警指示灯。控制台设在试验台的上方，控制台上有报警指示灯和触摸屏。

控制系统结构框图如图3所示。由PLC 输入端采集水压传感器、激光测距传感器等信号，PLC 输出端控制各种电磁阀和报警指示灯，PLC 与触摸屏通过端口RS232通讯，各种开关、按钮等输入信号通过触摸屏软元件设置，触摸屏上可显示系统的工作状态和压力等内部参数。

图3 控制系统结构框图

3.4 软件部分

软件设计包括PLC软件设计和触摸屏软件设计。

软管检测采用了手动、自动和单步3种模式。手动模式和单步模式提供了每部操作的提示和选择对话框，手动模式必须按电磁阀得电，才能进行下一步；单步可根据现场需要把气压试验和水压试验分开测试。一般情况不采用手动或单步模式，只是在试验台运行过程中发生故障时，通过此模式进行手动复位和故障判断。自动模式只需在触摸屏自动页面上按启动就可以完成充风、充水、保压、检测全部试验过程。自动模式可简化试验步骤和缩短试验流程。

触摸屏包括功能选择界面、手动界面、自动界面和操作界面4个界面。程序运行后，首先进入功能选择界面，该菜单包括手动、自动、操作帮助、退出4个主菜单。手动菜单（包括单步操作）包括各种阀的开关、充风、排风、充水、排水、停止、退出等按钮。自动界面只有启动、停止、退出等按钮。操作界面是帮助菜单，介绍试验台的操作方法，便于操作者了解试验操作方法。