阀类综合试验台系统设计与应用研究

0引言

近些年来,轨道交通技术快速发展,制动系统[1]作为列车安全运行的核心部件,其可靠性直接影响车辆运行效率与乘客安全。阀类元件[2] (如后备制动阀、减压阀、切换阀等)是制动系统的关键执行单元,需在高压、高频工况下保持稳定的气密性、响应速度及耐久性。传统的阀类产品人工检测方法存在效率低、误差大、数据管理困难等问题,因此亟需自动化、高精度的综合试验设备。

本研究以中车制动系统有限公司研发的阀类试验台为对象,旨在探讨其设计原理、功能实现及验证方法。该试验台通过集成气路控制、电气系统及智能软件,实现了对多种阀类元件的 自动化测试与数据管理,为行业提供了一套高效、可靠的解决方案。本文的研究成果可为同类设备的设计优化及制动系统质量控制提供参考。

1 阀类试验台工作原理

阀类试验台[3—4]由空气管路控制系统、电气系统、软件系统三大部分组成,具有结构合理、设计先进成熟、人机界面良好、操作简单、测试快速精确、稳定可靠、维护方便、安全性高、使用寿命长等优点。

1.1 空气管路控制系统

气路系统是试验台的核心部分,由空气管路、精密压力传感器、电子调压阀、电磁阀及多容积风缸(25、15、8 L等)组成。其工作原理为:通过工控机发送指令,控制电磁阀的开闭与调压阀的输出,模拟实际工况下的压力变化。压力传感器实时采集数据并反馈至软件系统,完成气密性、灵敏度及动作性能的检测。系统采用不锈钢管路与模块化设计,耐压1.6 MPa,并预留检测口以支持定期校准。气路原理图如图1所示。

1.2电气系统

电气系统由PLC(可编程逻辑控制器)、继电器、DC可调电源(0~150 V)及安全保护模块构成。PLC负责接收软件指令并协调气路执行机构动作,同时采集传感器信号。可调电源为被试品提供稳定的电力输入,断电保护功能确保试验台断电时夹紧状态维持,产品试验气路自动排风卸压,避免设备损坏。

1.3 软件系统

软件系统基于人机交互界面(HMI)开发[5],具备以下功能:

1)工艺定义:用于新车型时具备定义功能,并可与自动试验软件自动关联,通过对输入、输出参数的新增或调整,实现对产品试验项点、试验参数等内容的定义。

2)自检:能保持自检结果记录,并且能够编辑自检的项点。

3)用户操作界面:简体中文界面,软件设计在界面显示,界面设计简单直观、可操作性强,软件主要完成试验参数设置、试验过程控制、试验结果数据显示、试验结果数据录入、试验报表生成、试验数据存储、历史数据查询等功能。

4)数据管理: 自动生成试验报表,支持历史数据查询与结构化分析,系统定期备份数据,保证系统正常运行以及宕机恢复。

5)安全监控:通过语音提示与紧急停止功能保障操作安全。

6)语音播报:实现“试验开始”“外观检查是否合格”“请进行压力调节”“溢流口是否排风”“溢流口是否停止排风”“请将手柄移置中立位/制动位/缓解位”“试验结束”等语音播报。

2试验台设计分析

2.1 结构设计

试验台采用分体式模块化设计,分为气路模块、电气柜及操作面板三部分。气路模块集成不锈钢管路与风缸,布局紧凑且易于维护;电气柜内置PLC与电源模块,通过电磁屏蔽设计减少干扰;操作面板配置触摸屏与物理按键,支持手动/自动模式切换。

2.2 主要技术参数

结合中车制动系统有限公司现场车间实际情况,考虑到电压、风压等因素,阀类综合试验台的主要基本技术参数如表1所示。

2.3 安全设计

紧急停止按钮:一键切断电源与气源。主界面中可选择“手动试验”方式,为确保试验安全性,只有在“手动试验”方式下才能对夹具进行“夹紧”或“松开”操作。通过压力衰减算法实时判断管路密封性。

权限管理:多级用户登录机制,防止误操作。

3组装与调试

3.1 组装流程

基础安装需将试验台固定于硬化地面,调节脚轮确保水平;管路连接按原理图,安装不锈钢管路与风缸,进行气密性初检;电气接线按照电路原理图,连接PLC、传感器与电源模块,测试信号传输稳定性;软件配置需安装工控机系统,导入工艺参数与用户权限设置。

3.2 调试与校准

气路校准使用标准压力表对比传感器读数,调整偏差值,在调试窗口中可检查各数字量输入输出、各压力传感器数值是否合格、各管路有无泄漏。点击主界面中“计量管理”进入设备计量周期管理窗口。试验台计量完成后,通过后台进行计量完成确认,系统自动提示有效期剩余天数。

4 实施与操作

4.1 测试流程

检查风源压力(≥900 kpa),安装被试阀类产品,检查是否压装牢固;通过系统登录阀类综合试验台APP,并使用用户权限验证进入主界面。主界面图如图2所示。

根据需求选择手动或自动试验;使用扫描枪扫产品图号,并输入阀件型号及编号;关联CAA程序,执行启动程序,阀类试验台自动启动自动程序;试验结束后进行数据保存,生成pDF报表并上传至数据库。

4.2 典型应用案例

阀类综合试验台能够满足HB—2p后备制动阀、HB—3p后备制动阀、逆流止回阀等阀类产品的气密性及灵敏性试验。具体如表2所示。

5性能验证与数据分析

5.1 验证方法

1)首先确认总风源压力不小于900 kpa,检查空气管路是否有破损。

2)将被试品可靠地压装在对应夹具上,检查是否压装牢固;为确保试验安全性,只有在“手动试验”方式下才能对夹具进行“夹紧”或“松开”操作。

3)连接好试验台和被试件之间的管路及检测线。

4)闭合“电钥匙”至开位,电源指示灯亮;双击桌面上“阀类综合试验台”图标,进入软件系统。

以减压阀为例,利用阀类综合试验台对减压阀进行压力调整试验、溢流性能试验、气密性试验、灵敏性试验,并且记录自动化试验的时间,同时设置手动试验,并记录手动化的时间。现场实操图如图3所示。

5.2 阀类试验台性能验证

首先通过重复性测试,对同一阀件进行10次连续试验,在CAA(计算机辅助装配系统)中保存连续的试验数据,统计结果标准差;其次通过对比试验,对比分析自动化试验与传统手动试验之间效率的差距;最后进行长期稳定性测试,持续运行阀类综合试验台120 h,记录阀类试验台故障率与测试结果数据漂移情况,同时对阀类综合试验台内部传感器进行计量来确认传感器精度,确保传感器的精度计量合格。

5.3 验证结果

如表3所示,同一阀体做10次试验时,溢流压力测量标准差≤0.05%,体现了设备的稳定性和测试精度好; 自动测试时间较手动化试验的作业时间缩短22%,阀类部件的试验效率得到了显著提升;120 h运行无宕机,传感器漂移<0.1%。

6 结论与展望

本研究通过理论分析与试验验证,证明所提阀类综合试验台在自动化程度、测试精度及性能稳定性和安全性方面具有显著优势。阀类综合试验台的 自动化时间较手动化时间缩短了22%,同时其模块化设计便于扩展与维护,适用于多类型阀件检测。未来可进一步集成AI算法,实现故障预测与自适应校准,推动制动系统检测技术向智能化发展。

[参考文献]

[1]蒋廉华.DK—2型机车电空制动系统的研制[D].成都:西南交通大学,2013.

[2]庞元凤,丁辉.城轨制动系统阀类部件综合试验台的研制

[J].铁道车辆,2012,50(9):34—37.

[3] 陕西青华机电研究所.阀类产品性能试验台[Z],2007.

[4]孟艳红,白永侦.制动系统阀类疲劳性能综合试验台的研制[J].铁道车辆,2022,60(3):108—110.

[5]徐杰杰,马其华.基于PLC的汽车涂胶机控制系统设计[J].农业装备与车辆工程,2024,62(4):120-123.

《机电信息》2025年第15期第10篇