制动系统阀类疲劳性能综合试验台的研制

孟艳红，白永侦

(1. 中车青岛四方车辆研究所有限公司 智能装备事业部；山东 青岛 266031；2. 青岛新瑞泰电气设备有限公司，山东 青岛 266031)

车辆制动系统是保证车辆行车安全的重要系统。车辆制动系统中包含很多种控制阀，每个控制阀都起着关键的作用。由于车辆需要频繁启停，制动系统中各种阀容易产生疲劳失效，导致疲劳失效的原因除了材料疲劳，还跟产品的加工工艺、组装工艺及设计有关。为此，本文研究设计了制动系统阀类疲劳性能综合试验台，用来验证和优化各种阀类产品的材料强度、设计方案和工艺方案。

轨道车辆制动系统阀种类较多，主要包括：减压阀、中继阀、电磁阀、平均阀、换向阀、安全阀、高度阀、排风阀等20余种阀。各种阀由于功能、设计结构和设计工艺不同，导致试验件安装及气路连接复杂，若每种阀做一个试验设备既占用空间又浪费人力和物力资源。因此，研制阀类疲劳性能综合试验台从设计角度分析应攻克以下四大难点：一是气路复杂，怎样统一规划既条理清楚又使用方便；二是怎样设计工艺方案才能使安装既简便快捷又兼容性强；三是如何实现不同的阀既能多路同步试验又互不干扰；四是如何实现大量的实时数据采集、保存及回放分析。

1 设计原理及工艺结构

阀类疲劳性能综合试验台[1]主要模拟各种阀在实际使用过程中不断充排气、不断通断电情况，记录每个疲劳周期详细数据，以验证产品的疲劳可靠性[2]。试验台设计可同时分别进行10个阀的疲劳试验，每个阀疲劳试验过程参数如输入压力、输出压力、线圈电压、疲劳次数、动作时间特性等可独立设置。试验中能详细记录每个阀的动作疲劳周期、压力曲线、电压曲线、电流曲线、性能判定结果等，并对试验数据进行回放处理，方便研究产品的性能和寿命。

阀类疲劳性能综合试验台由电气部分、气控部分、安装工艺和软件部分组成。

1.1 气控部分设计

气控部分设计包括气源处理系统、气控阀、电磁阀、压力传感器及储风缸等[3]。气控阀和电磁阀用于控制气路管道的通断。气路用的大流量阀采用先导电磁阀加气控阀的组合式结构，气控阀良好的气密性性能保证了试验台的整体气密性要求。电磁阀和气控阀的使用寿命达到几千万次，可以保证试验时连续疲劳动作的正常执行。

试验台气路原理图如图1所示。气路接口设计总数为30个，为了将复杂气路和工艺简化，气路设计为A、B、C三大类，A类为8路直接导通的输出气源，通过减压阀、小风缸后输出，其中两路为高压(0～1.5 MPa)输出，其余为常规压力(0～1 MPa)输出。B类为12路可电控的输出气源，通过减压阀、小风缸、气控阀(自动控制进气或排气)，设置节流阀调节流量，其中1路为高压(0～1.5 MPa)输出，其余为常规压力(0～1 MPa)输出。C类为10路输入压力监测气路，其中5路采用直通式，直接进入小风缸；5路带采用气控阀实现自动控制排气功能，其中1路为高压。A、B类通路均配备调压阀用于调节对应气路的输出压力大小，并安装在面板上方便操作。每个气路接口处都设有压力传感器，实时监控气压值。并能通过安装在试验台面板的机械压力表显示气压值。该机械压力表进气时可通过塞门隔离，不用时关闭，避免指针长时间反复动作。小风缸容积1 L，用于确保压力测量的准确性，总风缸容量50 L，用于稳定供风风压。

F.气源处理系统过滤器;V0～V21.减压阀；R0-1～R0-20.塞门；R1～R30.带排气的塞门；M0～M30.压力表；P1～P30.压力传感器；YV0～YV2.高压大流量气控阀；Y0～Y2.先导电磁阀；YV3～YV29.气控阀；JV1～JV12.节流阀；A1～A8.A类气路接口；B1～B12.B类气路接口；C1～C10.C类气路接口。

上述设计可保证气路能够满足各种要求的阀，输入、输出接口可以随意搭配，随意使用，这样不仅方便使用者需求，同时清晰明了且操作简单。

1.2 安装工艺设计

试验台机械设计包含一个主控柜和一个工装柜组。主控柜操作面板包含人机界面、试验报警、控制开关及状态指示灯。柜体内安装有工控机、打印机、可调直流电源、低压电气配电板等。

由于阀的种类多，各种阀的结构及安装形式都不相同，因此为每种阀设计一个转接板，转接板的一端可方便固定在试验台台面上，另一端连接试验阀。工装柜台面上配置了直线导轨，直线导轨上面安装有3种不同尺寸的安装支架，用于安装不同外形阀体的转接板。试验时将阀体的转接板安装在支架上，支架的安装底座通过滑动调节位置并通过螺丝与导轨锁紧。导轨上可同时安装10种阀，安装位置比较灵活，新增试件测试只需更换转接板即可。工装柜台面靠近上面板处安装有气路接口，接口单元采用快插接头的方式，接口的输入输出分配灵活，缩短了气路接口与阀之间的距离和连接气管的长度。上述工艺结构及布局设计使得设备实用、整洁、美观，而且大大增强了设备的兼容性和扩展性。

1.3 电气部分设计

为了实现不同的阀多路同步试验又互不干扰，且能够处理大量的实时数据，试验台采用工控机系统，试验过程编制专用软件，软件通过多线程可实现10个工位的独立控制，并可同时进行测试。试验数据通过高精度高频率响应的A/D卡采集，可达到试验要求的数据准确性和实时性，而且在满足测试目的前提下降低了工控机CPU使用率。控制阀动作和线圈供电通过固态继电器进行准确控制，高寿命和高可靠性的固态继电器可保证设备的整体使用寿命。

由于疲劳试验需要测试的次数达到30万次甚至100万次，平均每3 min完成1次循环，这3 min内每3 s需要记录1次试验数据，数据内容包括：阀名称及基本参数、试验次数、试验压力、试验电压电流、试验结果等，数据相当庞大。通过强大的工控机操作系统、内存和硬盘容量才能保证超大的试验数据保存。软件存储设计上既要提高存储速度又要减小系统内存的使用率，选择保存为TXT文本文件的方式。还需要通过数据回放功能详细直观地显示出阀的整个疲劳过程特性。

1.4 软件部分设计

疲劳试验软件主页面设计如图2所示。页面上方是试验数据显示区，能够实时显示每个通道的压力和供电电压。软件将测试值和设定值进行比较并自动判断试验过程是否正常。页面下方是试验循环次数记录及操作控制按钮。页面右侧是动作单独控制按钮区，通过点击按钮可打开或关闭气路中对应的阀，控制对应电源电压输出，在进行试验前，可以通过这些按钮操作确保气路控制及阀体动作的正确性。页面左侧及中间是10个工位试验的基本参数设置及数据监控。

1.5 软件功能

1.5.1 试验过程

点击“开始”按钮系统自动开始疲劳试验，每3 s记录1次试验数据，系统自动累计显示当前试验循环次数，将监测的数据与用户自定义的判定标准进行对比，不符合判定标准则立即报出故障，并对故障进行可追溯性记录。试验中通过点击实时数据，弹出实时曲线页面，可连续实时显示出此工位上的输入压力、输出压力和线圈或触点电压电流的实时曲线。

疲劳试验过程不需要人员把守，具有全自动试验、实时自动判断、实时自动报警功能，并自动记录实时数据及报警故障原因及时间，自动处理各类故障。如果某一工位出现故障停止试验，不会影响其他工位正常工作。

1.5.2 故障报警

试验过程中如果出现故障，试验页面警报状态将高亮显示红色“警报”字样并且操作柜面板上的警报蜂鸣器开始声光报警。如不人为关闭，故障灯将常亮，当按下“警报”按钮关闭报警，蜂鸣器将不再声光报警。软件自动记录故障信息，故障信息包括：故障名称、故障时刻、故障数据、被试件名称、被试件编号、试验员等。

1.5.3 数据回放

为了方便科研人员对产品寿命的研究，试验台配备了专门的数据回放软件(图3)。试验结束后，将保存的2个TXT文本存放到数据回放软件的指定文件夹下，运行软件后，数据列表中自动加载文件，点击文件名称，数据和曲线加载完成后，下方会显示出阀疲劳试验总的周期数、实际完成的周期数、试验时使用的通道、设置的压力范围等参数。通过鼠标能够平行移动、放大和缩小波形曲线，改变数据及图像密度，并显示鼠标移动当前曲线对应的周期数。也可通过具体次数查询显示出整个周期内某一区段的性能曲线。

图3 数据回放软件页面

2 结论

本文研制的阀类疲劳性能综合试验台适用于制动系统各种阀的疲劳试验，实现了阀疲劳性能综合检测。系统采用工控机自动控制及数据处理、回放分析显示，提高了检测精准度和检测效率，降低了人工检测难度和检测误差，对产品的质量及寿命分析提供了有效保证。与特定试件使用特定功能试验台检测，检测试件种类多且需购买多台疲劳试验台相比，此综合试验台大大降低了设备采购和维护成本，降低了电能和压缩空气的使用，达到了节约能源的目的。