制动缸性能试验台的设计研究

时云霄

（眉山中车制动科技股份有限公司，四川 眉山 620010）

旋压密封式制动缸是货车基础制动系统的重要部件，通过空气分配制阀的指令制动缸完成充排气，从而达到将闸瓦贴紧和离开车轮目的，产生制动和缓解的作用。由于其结构简单、运行稳定可靠的特点，被广泛运用到我国各型铁路货车上。制动缸性能满足工况要求，动作稳定可靠是铁路车辆安全的保障，为保证新造产品性能质量，适应工业产品批量化生产的要求，设计开发了制动缸性能试验台。

1 制动缸试验台的基本结构介绍

制动缸试验台主要由行程控制机构、试验台柜体、气动系统、电控系统和人机交互系统五个部分组成，其主要结构及外观如图1所示。试验台柜体作业布局按照50%成年人体尺寸为依据设计外形尺寸，在满足电器部件安装的基础上做到人机友好。气动系统包括储风缸、气缸、压力表、电磁阀、传感器、减压阀等气动元件；电控系统包含PLC、触目屏、打印机、直流电源、A/D模块、按钮和指示灯；人机交互系统由PLC控制程序、触目屏程序及界面构成。

图1 试验基本结构

2 工作原理

根据国家铁路局2015年最新颁布的TB/T2838《铁道车辆旋压制动缸》行业标准的要求，一方面，为满足车辆使用过程中的各种工况，其性能应满足，向制动缸内充气，30kPa之前能动作，80kPa活塞应达到全行程，排空制动缸后活塞应完全复位的感度试验；以及通过φ3的孔向制动缸内分别充入80kPa和600kPa压缩空气，分别在125mm、155mm及全行程的6个状态下气密性试验，保证泄漏量在控制范围内。

试验台采用精密减压阀控制,将3个储风缸稳定输出30、80和600kPa风源，通过电磁阀控制向制动缸内输入不同压力空气进行稳定、保压。通过压力传感器采集制动缸压力值，反馈回PLC进行计算判定合格与否。另一方面，行程控制机构由4个电磁阀驱动气缸，气缸带动不同厚度挡板组合来达到不同规格制动缸3种行程的控制。

3 电气原理设计

为适应工业化批量生产的要求，操作者装夹好制动缸后，通过触摸屏在试验界面录入产品流水编号，PLC控制程序通过控制电磁阀进行充、排气和行程挡板组合，对A/D模块返回的制动缸压力计算压力变化值。

PLC将过程信息和自动判断结果反馈显示在触摸屏，并且能将试验结果打印出来。

在PLC和触摸屏的选型从经济性和使用稳定性、可靠性方面，以及从气路原理输入输出点数上考虑选用PLC为FX2N-48MR，模拟量输入模块为FX2N-4A/D，触摸屏GP2500-SC41-24V。该方案可使试验台具备商品化、布局紧凑、使用稳定、维护简单等优点。

为实现对制动缸充排气、活塞行程的控制，控制气路主要分为3个部分。一是风源部分，分别是储风缸、80kPa风缸、30kPa风缸和行程控制挡板风源；二是制动缸充排气部分，主要有三个压力充气阀、排气阀、指针压力表开启阀及压力传感器。80kPa和600kPa充气为24V二位三通常闭电磁阀。30kPa充气及缓解排气阀为二位三通常闭气控阀，用二位三通电磁阀作为先导阀以使电磁阀阀芯能正常开闭。压力传感器测量范围0～1MPa，输出信号为4～20mADC；三是行程挡板控制部分，由4个二位五通电磁阀控制气缸来带动不同组合的挡板。

4 柜体及行程控制机构的设计

（1）试验台柜体设计为1750×1200×1750mm一体式，整体性好。其操作面板尺寸设计引用GB10000年龄在18～60岁范围的中国成年人男性，百分位为50的人体数据，站姿下眼高1568mm，肘高1024mm，手功能高741mm、上臂长313、前臂长237、肩宽375。结合根据机械设计手册关于立姿操作有利于工作区域及方向的建议。

压力表具地面高度以眼高1568mm取为1570mm，工作台面高度750mm、按钮高度1040mm、触摸屏高度1285mm。

（2）行程控制机构框架以槽钢焊接而成，试验使用轨道小车运送至工位进行性能试验，框架工位可同时试验两套制动缸。

为确保试验强度安全可靠，对其进行计算。

制动缸输出力F=PS

P为制动缸最大压力600kPa；S为制动缸活塞最大面积，直径356mm（14英寸）。

制动缸最大输出力

焊接结构的框架由材料为Q235的10号槽钢拼接成空心柱后对接成龙门型框架，主要考虑其焊接强度，每根拼接空心柱的对接焊缝长度为392mm。

F为制动缸最大输出力，两套制动缸同时试验作用在空心柱上的拉力为29846N；δ为槽钢壁厚取5.3mm。

5 控制程序设计

试验台控制系统操作显示主要由GP2500触摸屏完成，人录入信息发出指令，设备反馈试验过程中的时间、压力、进程等信息，实现人机信息交互。操作人员通过选择制动缸规格进入试验主界面。选择制动缸规格，PLC程序自动控制行程机构的挡板组合，以调整适应8、10、12和14英寸制动缸不同总长度。

各项信息录入完整后点击执行，先对各电磁阀及PLC内部继电器进行复位，再逐项进行试验。

6 试验验证情况

6.1 产品试验

对产品进行试验，漏泄检测较手动试验台精度提升，判定结果正确（如图2）。

图2 产品试验记录

6.2 试错试验

为验证试验程序逻辑正确性及设备安全性，进行了漏泄产品试验和中途异常停电试验两项测试。人为制造漏泄产品试验结果为不合格；中途异常停电后，各电磁阀按设定实现了复位，制动缸压缩空气排出，重新上电后存储试验结果的数据由于停电保持得以恢复，PLC程序内部继电器、计数器等重置，试验程序正常运用。

6.3 试验效率

采用快速装夹接头，一次试验2套制动缸，试验过程无需人工干预，单台试验完成时间24分钟，1台试验台单班产能达到32台。

7 结语

通过采用PLC系统实现控制制动缸不同工作压力的输出和不同行程状态的调整，进行气密性等试验项目和结果的判定，达到了快速试验、消除人为误判、降低劳动强度的目的。目前，试验台正常运用5年多，累计试验交出合格产品10万多套，确保了铁路货车制动缸性能可靠，车辆运行安全。