通用型制动夹钳单元试验台的研制

2020-09-02白旺旺余欲为王苏敬

铁道机车车辆 2020年4期

谭杰，白旺旺，余欲为，，康旭，，王苏敬，

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 10081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094)

制动夹钳单元是铁路车辆空气制动的执行机构，是保证车辆正常运行的关键部件，在保证车辆的安全性方面具有重要作用。制动夹钳单元是一种以压缩空气为动力的力输出装置，制动夹钳单元上的闸片抱紧制动盘，在压缩空气的作用下利用杠杆原理将正压力放大和传递，通过制动盘和闸片之间的摩檫力形成制动力。

通用型制动夹钳单元试验台，可以满足不同型号制动夹钳单元的强度测试、气密性、灵敏度、缓解间隙、一次伸长量、总调整量、输出力、制动效率等试验项点，是新造和检修制动夹钳单元的有效设备。

1 试验台的组成及特点

1.1 试验台的组成

通用型制动夹钳单元试验台主要由机械系统、气动系统、电气系统和控制系统4部分组成。

机械系统由箱体、调整机构、测试机构等组成，是主要负责制动夹钳单元的吊装、3点吊装自由度调整、力和位移测试的主要部件。不同型号的制动夹钳单元由于3点吊挂尺寸不一致，调整机构可通过横向、纵向、垂向结构调整，满足吊装尺寸要求，具备测试条件；测试机构是测力机构和测距机构组成，执行机构相互独立，互不影响测试状态，保证测试精度。

气动系统是对压缩空气的控制系统，通过电气系统控制气路元件对压缩空气进行压力调整及流向控制，以实现制动夹钳单元充风、保压和排气功能；制动夹钳单元反向排气时，过滤装置能够有效防止外部污染空气进入气路系统。气动系统主要由过滤调压阀、比例阀，压力传感器、电磁阀和反向过滤器等组成。

1-控制系统；2-调整机构；3-制动夹钳单元;4-气路系统；5-测试机构；6-电气系统。图1 通用型制动夹钳单元试验台总图

电气系统主要实现开关量输入输出、模拟量输入输出，同时对试验过程中位移、力值、压力等参数采集。开关量输入：急停按钮；开关量输出：电磁阀；模拟量输入：压力传感器、力传感器、位移传感器；模拟量输出：压力比例阀。主要由一体机电脑、扫码枪、模拟量及开关量数据采集系统、24 V直流电源、空气开关、开关按钮、急停按钮、继电器、打印机、传感器等元件组成。

谭杰(1963—)男，副研究员(收稿日期：2020-02-19)

1.2 试验台特点

通用型制动夹钳单元试验台由箱体将机械、电气、气路系统组成一体化结构，电脑操作系统采用3D旋转支架支撑，可以在一定空间范围内更换操作位置，适应不同身形操作人员的需求，人机工程友好。

试验台通过调整机构中各自由度的尺寸调整，可以满足对不同型号制动夹钳单元的试验项点进行全自动检测，且具备存储和打印数据报告功能。

2 机械系统设计

2.1 制动夹钳单元测试项点

制动夹钳单元主要测试项点有：强度试验、气密性、缓解间隙、一次伸长量、总调整量、输出力、制动效率等，与测力机构相关的试验项点是：强度试验、输出力、制动效率；与测距机构相关的试验项点是：一次伸长量、总调整量；同时需测力机构和测距机构配合的试验项点是：缓解间隙，二者皆不需的试验项点是：气密性试验。通过气路系统控制测力机构和测距机构实现相应动作，以满足试验台对制动夹钳单元试验项点的测试需求。

2.2 机械结构设计

试验台箱体采用铝合金型材结构，内部布置气路系统，机械系统和电气系统固定于型材结构上，一体机与3D旋转支架连接，安装在机械系统上。

在进行制动夹钳单元试验之前，将调整机构3点吊装尺寸调整至正确位置，再通过吊装机构将制动夹钳单元吊装在试验台相应位置，启动试验，测力机构与测距机构根据试验项点需求，由执行气缸控制其相应位置进而完成测试。

2.2.1调整机构

如图2调整机构图所示，不同型号的制动夹钳单元由于3点吊挂尺寸不一致，调整机构可通过横向、纵向、垂向结构调整，以满足吊装尺寸要求，制动夹钳单元垂向中心位置通过吊装机构调整得以实现。

吊耳横向调整：双侧吊耳通过燕尾槽结构相互滑动，导轨上刻有尺寸标识，双侧吊耳通过刻度精确控制横向位置，调整至正确位置后，通过其上的锁紧螺钉紧固，横向位置调整完成。

吊耳垂向调整：垂向调整螺杆与吊耳横向调整机构相连，与垂向调整螺杆配合的螺母安装在试验台框架上，拧动螺母，垂向螺杆可实现垂向位置调整，调整至正确位置后，通过螺杆上的紧固螺母紧固，垂向位置调整完成。

吊耳纵向调整：以试验台框架为滑道，与吊装机构配合的横梁为导轨，刻有刻度标识的横梁可沿着滑道前行或后退，纵向位置调整至正确位置后，滑道上侧锁紧螺钉紧固，纵向位置调整完成。

1-吊耳横向调整；2-吊耳垂向调整；3-吊耳纵向调整；4-吊装机构。图2 调整机构图

2.2.2吊装机构

吊装机构相对于试验台是独立机构，用于吊装制动夹钳单元，同时制动夹钳单元垂向中心位置由吊装机构调整实现。如图3吊装机构图所示，在吊装制动夹钳单元前，旋转调整丝杠，并观察刻度尺上的位置信息，调整至正确位置后，锁紧调整丝杠上的紧固螺母，制动夹钳单元的垂向中心位置调整完成。用行车通过吊环吊取吊装机构，吊架勾取制动夹钳单元相应吊点，安装在试验台上，启动测试。

1-吊装块；2-调整丝杠；3-刻度尺；4-吊架。图3 吊装机构图

2.2.3测试机构

测试机构是制动夹钳单元测试过程中力和位移参数的硬件采集系统，其上安装有力和位移传感器。根据制动夹钳单元测试项点需求，由气路系统分别控制测力机构和测距机构动作，对试验项点进行测试。

如图4测试机构总图所示，图示位置为测试机构待测试状态，根据测试项点需求，假盘、位移传感器由控制系统控制假盘执行气缸、位移传感器执行气缸伸出，并位于制动夹钳单元的双侧闸瓦托内，双侧闸瓦托相向移动夹紧假盘，假盘内置的力传感器测试其夹紧力，同时位移传感器读取此刻双侧闸瓦托位移量，制动夹钳单元缓解，双侧闸瓦托松开，此刻位移传感器读取双侧闸瓦托位移量，从而实现对制动夹钳单元的力值、位移量及位移变化量的测试。

1-假盘执行气缸；2-位移传感器执行气缸；3-导轨；4-假盘；5-位移传感器。图4 测试机构总图

假盘结构为自由悬浮，通过钢丝绳悬挂假盘，自动晃动，制动夹钳单元和假盘不受相互位置关系影响，假盘能够适应制动夹钳单元的测试状态，与其随动，自动找平衡位置也即最佳测试状态，保证在测试过程中不与制动夹钳单元安装状态产生影响，从而提高测试准确性。假盘双侧由4条直线轴承保证平行，且可沿直线轴承滑动，保证内置力传感器能够准确测试夹紧力的大小。

3 气路系统设计

如图5气动原理图所示，制动夹钳单元在测试过程中由常用缸和停放缸两路气控制，常用缸和停放缸又分别由高、低压控制，控制系统通过给气路元件指令可以实现对压缩空气的压力输入和流向控制。

常用缸高压控制，按顺序打开电磁阀H3、H2，常用缸充气，所需压力稳定后，按顺序关闭H2、H3，打开H4，实现对常用缸保压；关闭H3，打开H2、H4，实现对常用缸排气；常用缸低压控制，比例阀调整为所需压力后，按顺序打开电磁阀H1、H2，常用缸充气，所需压力稳定后，按顺序关闭H2、H1，打开H4，实现对常用缸保压；关闭H1，打开H2、H4，实现对常用缸排气。

图5 气动原理图

停放缸高压控制，按顺序打开电磁阀H7、H6，停放缸充气，所需压力稳定后，按顺序关闭H6、H7，打开H8，实现对停放缸保压；关闭H7，打开H6、H8，实现对停放缸排气；停放缸低压控制，比例阀调整为所需压力后，按顺序打开电磁阀H5、H6，常用缸充气，所需压力稳定后，按顺序关闭H6、H5，打开H8，实现对停放缸保压；关闭H5，打开H6、H8，实现对常用缸排气。在充排气过程中，M1、M2压力传感器负责压力采集，并将采集信号反馈给比例阀形成闭环控制，使得输入压力控制更加精确。