铁路货车微机控制制动缸试验台的研制

袁立福　李元玲　　赵金辉（北京铁路局天津车辆段，天津　300012）



铁路货车微机控制制动缸试验台的研制

袁立福李元玲赵金辉
（北京铁路局天津车辆段，天津300012）

摘要：货车制动缸试验是保证车辆安全运行的重要手段。制动系统的机械控制核心——制动缸，其性能直接关系到制动试验台的制动效果，进而影响到机车的安全性能。目前，对制动缸的性能试验，大部分检修单位仍沿用肉眼观读手工检测记录方式，使试验数据的准确性及真实性与实际结果有一定的差异。为了提高制动缸试验数据的准确性及真实性，提高性能试验的自动化程度，减轻工人的劳动强度，研制了微机控制制动缸试验台，通过微机对制动缸进行性能检测，提高检测精度和检修效率。

关键词：货车；微机控制；制动缸；实验台

随着货物货车提速与重载的全面实施，货车制动故障越来越引起铁路运营部门的关注。制动系统的机械控制核心——制动缸，其性能直接关系到制动试验台的制动效果，进而影响到机车的安全性能。制动缸性能的好坏将直接危及车辆的运行安全，必须经过严格试验检测，合格后方可装车使用。因此货车制动缸试验是保证车辆安全运行的重要手段。

目前，对制动缸的性能试验，大部分检修单位仍沿用肉眼观读手工检测记录方式，使试验数据的准确性及真实性与实际结果有一定的差异。为了提高制动缸试验数据的准确性及真实性，提高性能试验的自动化程度，减轻工人的劳动强度，研制了微机控制制动缸试验台，通过微机对制动缸进行性能检测，提高检测精度和检修效率。

图1

1. 目前国内技术现状

目前国内进行厂修货车制动缸试验的主要方式为手动制动缸试验，由手动操作操作阀，通过观察机械表指针来进行人为控制，控制精度差，不能存储数据，并且试验效率低下，试验过程缺乏科学性，对制动缸的性能试验容易造成人为的判断错误。

2. 试验台技术方案

2.1设计原则

（1）满足国内所有型号的货车制动缸试验。

（2）依据《制规》要求试验。

（3）满足微机自动试验，满足脱离微机控制时手动试验。

（4）所有部件调整如制动缸高度均满足电控操作。

2.2试验台组成

试验台包括：试验台、球阀、油水分离器、气缸、比例阀、电磁阀、压力传感器、电控升降器、工控机、西门子PLC控制器等。

试验台外部结构如图1所示。

2.3工作原理

（1）系统硬件组成

微机控制制动缸试验台根据厂修货车制动缸试验要求进行功能设计，由试验台、球阀、油水分离器、气缸、比例阀、电磁阀、压力传感器、电控升降器、工控机、西门子PLC控制器等设备组成。完成80kPa、600kPa的充风、保压、排风、400kPa的80mm、120mm、160mm、200mm充风、保压、排风等试验项目。具有试验数据曲线的保存、查询和打印功能。

其气路图如图2所示。

图2微机控制制动缸试验台气路图

试验台对比例阀充风量进行控制，控制保压阀的保压，排风时下发比例阀的排风命令，同时关闭保压阀，打开排风阀以加快排风速度。充风时试验台实时读取压力传感器的测量值，采用逐次逼近法控制比例阀的充风量，达到最优的控制速度和控制效果。

比例阀：风路部分有3个接口，进风口通过油水分离器连接到风源；出风口与保压电磁接口；排气口直接接大气。比例阀采集PLC输出的0～10V的电压信号，通过PID控制理论实现了对压力的实时、无级、自动调节，输出风压通过压力传感器反馈给控制信号，输出压力控制精度高，输出风压误差＜0.5%FS（精度和满量程的百分比）。

气缸：4个气缸用于分别对四个挡板控制，接收自PLC控制器的打开关闭命令，进气口通过油水分离器接至风源，气缸和比例阀通过三通连接器与风源连接。出风口用死堵封闭。排气口直接接大气。

压力表：为一机械压力表，指针式，其特点直观简单。安装于工控机上方，易于操作人员观察气路状态。

油水分离器：滤除压缩空气里的水分、油和其他杂质。

保压电磁阀：用来切断和接通气源和遮断阀孔，实现充风和保压。

排风电磁阀：用来排掉气路中和制动缸中的气体，和比例阀排风相结合，加快排风速度。

压力传感器：在进风口测量风源的压力，出风口测量输出的压力，其精度较高，输出4mA～20mA供PLC测量和试验台对制动缸充风量控制。

DC24V直流电源：为比例阀、传感器、电磁阀、PLC提供工作电源。

PLC：执行控制器，采用Siemens公司的S7-200PLC，增加了EM235模拟量输入输出模块。使用12路I/O输入，6 路I/O输出口，2路模拟输入口（比例阀测量信号：0～5VDC，压力传感器测量信号：4mA～20mA），1路模拟输出口（0～10VDC），作为风压控制信号。采用RS485和上位机通信。

电控升降器：不同的制动缸活塞位置不同，为此增加了可调整高度的电控装置。电控升降器就是为此设计的，升降电机加上减速螺旋部件实现了制动缸定位板的缓升缓降。升降电机由试验台起升和降落按钮控制。

挡板：实验台上四块挡板是为制动缸在400kPa试验时，控制活塞行程而设计，分别由试验台内4个气缸控制，气缸的活塞伸出和缩回对应挡板的起落。

工控机：采用全屏触摸式一体化工控机，和PLC通信实现对制动缸的试验试验。具有RS232、USB、网口、打印机接口。

微机控制试验台三维效果图如图3所示。

图3

（2）主控软件

主控软件主要用来发送试验器控制命令，采集风压数据，试验判定，试验数据的存储、查询和打印。数据库采用MicrosoftSqlServer2012，开发工具采用VS2012中的C#集成开发环境，运用WPF技术使人机界面更加柔和友好。软件模块包括：系统配置、通信连接、人员管理、记录查询、通信连接、试验控制、检测记录、检修记录。

软件主界面如图4所示。

（3）数据流向

微机控制制动缸试验系统数据流向包括主控机与PLC之间数据传输、PLC对气泵、电磁阀的开关量输出控制、PLC和比例阀的模拟量输入输出的测量和控制、PLC和压力传感器的模拟量输入测量、PLC对按钮状态的输入量测量等。其框图如图5所示。

主控软件数据流向如图6所示。

3. 关键技术和创新点

3.1智能化微机控制，采用主流配置的触摸屏平板一体工控机作控制终端，依据《制规》要求自动完成自检试验，记录保存试验数据和曲线，可查询、打印历史数据。可追溯检修质量。

3.2独立的一体化试验台操作设备，可根据试验需要移至不同的试验地点。内部气路和试验部件安装连接完好，只需将现场提供的风源接入试验台的进风口、将220V交流电接入电源口即可进行试验，无需二次接线等施工工作。

图4

3.3采用逐次逼近法实现对充风过程的控制，根据实时采集的制动缸压力和相关试验参数要求对充风进程进行初期大流量调控，以便提高试验速度，当压力接近目标值时进行微流量调控，实现试验台精准输出，有效缩短试验时间，提高试验质量。

3.4气缸及活塞行程定位座，采用微机控制风缸推动挡板的起落，达到制动缸活塞不同行程下的性能试验。利用微机控制的电信号结合气缸特性控制4个挡板的起落，设置5个活塞行程。

3.5电控升降器，用于升降制动缸，调整制动缸活塞高度，满足不同型号的制动缸试验。型号不同的制动缸活塞位置不同，采用电控升降器实现了制动缸活塞的精准定位。

图5

4. 现场应用及效果

2015年11月26日，“铁路货车微机控制制动缸试验台”通过了北京铁路局科委组织的专用设备技术审查。截至目前，北京局车辆系统共安装微机控制制动缸试验台4套，在运行期间共试验制动缸467个次，系统满足《制规》货车厂修制动缸试验工艺要求完成试验作业要求。运行主要效果如下：

4.1该试验台采用触摸平板一体化工控机作为主控机，界面简洁、清晰美观，可对试验基本信息参数等进行配置，使用灵活、方便。

4.2充风快，风压控制精确、保压精度高，避免了手动试验器的精确度差和人为误差。

4.3设备具有制动缸高度、活塞杆长度调节功能，精确定位制动缸活塞位置，满足不同型号规格制动缸的试验。

4.4支持多种操作模式，可在工控机上做自动或手动试验，也可脱离工控机选择全手动操作，完成制动缸试验，使用方便。

4.5设备在自动试验功能状态，可按《制规》要求自动完成试验过程，试验中显示试验曲线和数据并保存，自动给出试验结论：合格和不合格，具备历史数据的查询和打印功能。

图6

结语

货车制动缸试验是保证车辆安全运行的重要手段。微机控制制动缸试验台实现了自动试验和手动试验相结合的技术方案，系统操作简单方便、符合现场工作要求和使用习惯。便捷的试验操作方式和记录查询满足了新形势下车辆段高效、安全生产的需要。微机控制制动缸试验台的应用，解决了作业效率低、人员劳动强度大、制动缸性能检测不能追溯的缺点。为制动缸的可靠运行提供了有效的科学依据，避免了制动缸试验数据不精确而造成货车事故或隐患，有效地维护了铁路运输的“安全、畅通、快捷”性。

参考文献

［1］吴勇，孙照富.压力传感器性能试验台液压伺服系统设计［J］.液压与气动，2008 （8）：5-6.

［2］张志强，马朝臣.涡轮增压器性能试验台数据采集及处理系统［J］.节能技术，2005（1）：22-24.

中图分类号：U270

文献标识码：A