列车制动系统比例阀测控试验台设计论文说明书

编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 列车制动系统比例阀测控试验台 设计与研究 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称： 副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 I 无锡 太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、 题目 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 2、专题 二、课题来源及选题依据 列车感载比例阀可以使车辆的制动率不随载重量的变化而变化，保持为一常数，以减小列车制动时的纵向冲动，避免空车时因制动力过大而使闸瓦抱死车轮，使车轮在钢轨上滑行擦伤车轮，及重车时因制动力不足而不能在规定的制动距离内停车。由于列车感载比例阀涉及人身安全重要性， 对其质量提出较高的要求，因此对列车感载比例阀的测试也提出了较多的要求。根据列车感载比例阀的特性，设计研究了比例阀的检测试验台。最后实际检测后表明，该试验台测试精度高、性能稳定、装卸被测试件快速准确、测试时间短、测试结果可视化程度高、历史数据查询方便 , 可为列车感载比例阀的研制和在线检测提供可靠的测试依据和试验手段。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 四、接受任务学生： 1.编写设计说明书（大于 40 页）； II 2.专业外语翻译（大于 800010000 字符，约合汉字 5000 字符）； 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 信机 系主任 签名 2012 年 11 月 7 日 III 摘 要 感载比例阀是列车制动系主要元件之一 ,它能使制动压力随载荷的变化而得到调整 ,保证列车在不同载荷和速度情况下制动的稳定性。为了保证列车行驶的安全性 , 感载比例阀必须经过严格的测试 , 各项性能指标必须满足行业标准。目前 , 国内主要采用手工控制测试或采用进口的性能试验台对感载比例阀进行测试。手工控制测试精度低、同步性差、工作节拍 长 、生产效率低 , 性 能检测常常滞后于生产加工 ,而且检测结果不能储存 , 在出现质量问题时无法提交有效的检测报告。进口试验台价格昂贵 , 软件维护不方便 , 人机交互性差 , 且多数为专用型 , 无法满足个性化需要。为此 , 开发设计了感载比例阀性能试验台 (以下称试验台 )。该试验台操作简单 , 能够自动检测感载比例阀常温下的所有测试项目 ,测试参数可以现场设定 , 方便进行性能检测。 关键词： 列车制车系统； 感载比例阀；检测；试验台 IV Abstract Feeling is proportional valve train brake system is one of the main components, it can make brake pressure along with the change of load adjustment, ensure trains under the condition of different load and speed braking stability. In order to guarantee the safety of the train, sense of proportion valve must go through rigorous testing, the performance indicators must meet industry standards. At present, our country mainly adopts manual control the import of test or use the performance of the test-bed for proportional valve test load. Manual control low test precision, poor synchronicity, long work rhythm, the production efficiency is low, performance testing is often lags behind the production and processing, and the test results cannot be stored, when quality problems cannot submit valid test report. Import test bench is expensive, software maintenance is not convenient, man-machine interactivity is poor, and the most special, cant satisfy personalized needs. For this reason, the development and design sense proportional valve performance test stand (hereinafter referred to as test bench). The test rig simple operation, can automatically detect load proportional valve under normal temperature test project, all the test parameters can be set, convenient for performance testing. Key words: train car manufacturing system； Load proportional valve； Detection； Test bench V 目录 摘 要 . III Abstract . IV 第 1 章 绪论 . 1.1 本课题的研究内容 和 意义 . 1.2 国内外的发展概况 . 1.3 本课题应 达到的要求 . 第 2 章 列车制动系统简 介 . 2.1 列车制车系统 . 2.1.1 制动方式 . 2.1.2 制动系统组成 . 2.1.3 制动控制装置 . 2.2 空气制动系统的组成及其作用 . 第 3 章 列车感载比例阀技术分析 . 3.1 列车感载比例阀的用途 . 3.2 列车感载比例阀 的结构及其工作原理 . 3.2.1 列车感载比例阀的结构 . 3.2.2 列车感载比例阀工作原理 . 第 4 章 列车感载比例阀 的技术要求 . 4.1 主要技术指标 . 4.1.1 工作压力范围： . 4.1.2 缓解特性： . 4.1.3 回差： . 4.1.4 跟随性： . 4.1.5 密封性： . 4.1.6 耐压： . 4.1.7 寿命： . 4.1.8 外观： . 4.2 列车感载比例阀 试验检测 . 4.2.1 试验条件 . 4.2.2 试验方法 . 第 5 章 测试系统设计原理以及控制方法 . 5.1 真空系统 . 5.2 主要性能测试系统 . 5.3 弹簧拉伸装置 . 5.4 残液排空和回收装置 . 5.5 气动夹紧机构 . VI 5.6 计算机控制系统 . 第 6 章 列车感载比例阀的测试方案设计 . 6.1 试验系统总体方案 . 6.2 主控系统方案 . 第 7 章 PLC 的特点及与其它控制系统的比较 . 7.1 PLC 的结构与特点 . 7.1.1 CPU 的构成及功能 . 7.1.2 I/O 模块 . 7.1.3 内存 . 7.1.4 电源模块 . 7.1.5 底板或机架 . 7.1.6 PLC 系统的其它设备 . 7.1.7 PLC 的通信联网 . 7.2 PLC 具有许多优点 ,因而被广泛应用于各种控制场合。 . 7.2.1 可靠性高 . 7.2.2 编程简单 . 7.2.3 通用性好 . 7.2.4 功能强大 . 7.2.5 体积小、功耗低 . 7.2.6 设计施工周期短 . 第 8 章 列车感载比例阀测试方案的硬件选择 . 8.1 试验台硬件平台 . 8.2 试验台控制系统气动回路设计 . 8.2.1 电磁阀的选择 . 8.2.2 电磁阀取代 EP 阀 . 8.2.3 电磁阀气动回路 . 8.2.4 优化试验台气动回路 . 8.3 试验台电控系统设计 . 8.3.1 电控系统组成 . 8.3.2 压力变送器选用 . 8.3.3 高 速数据采集卡 选用 . 8.4 试验台硬件优化措施 . 3.4.1 普通电磁阀代替 EP 阀 . 8.4.2 提高精密调压阀调压压力 . 8.4.3 增加气容 . 第 9 章 列车感载比例阀测控试验台的应用与试验 . 9.1 列车感载比例阀试验步骤 . 9.2 检测试验及其结果分析 . VII 9.2.1 试验台性能指标 . 9.2.2 充风、排风方式分析 . 9.2.3 回差性分析 . 9.2.4 信号压力 -输出压力分析 . 总结 . 致谢 . 参考文献 . 46 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 第 1 章 绪论 1.1 本课题的研究内容 和 意义 列车感载 比例阀可以使车辆的制动率不随载重量的变化而变化，保持为一常数，以减小列车制动时的纵向冲动，避免空车时因制动力过大而使闸瓦抱死车轮，使车轮在钢轨上滑行擦伤车轮，及重车时因制动力不足而不能在规定的制动距离内停车。由于列车感载比例阀涉及人身安全重要性，对其质量提出较高的要求，因此对列车感载比例阀的测试也提出了较多的要求。根据列车感载比例阀的特性，设计研究了比例阀的检测试验台。最后实际检测后表明，该试验台测试精度高、性能稳定、装卸被测试件快速准确、测试时间短、测试结果可视化程度高、历史数据查询方便 , 可为列车感载比 例阀的研制和在线检测提供可靠的测试依据和试验手段。 1.2 国内外的发展概况 铁路是国民经济的大动脉，它担负着十分繁重的客货运输任务。随着经济的快速发展和社会的不断进步，铁路客货运量在持续增长，从而对铁路系统的运输能力提出了越来越高的要求。在此情况下，除了需要开行更多的铁路线路外，提高列车速度是解决运力不足的更有效办法。 2008 年 8 月 1 日，京津城际铁路正式通车运营，标志着中国列车高速时代的到来，越来越多的高铁线路将会在未来开通。 1.3 本课题应 达到的要求 试验台的硬件设计包括试验台控制系统气动回路、电控系统、 硬件优化等。首先，基于列车感载比例阀的性能检测试验需求，提出回路设计的初始方案，明确了设计的思路与方法；然后，通过性价比分析，对初始方案进行了进一步优化改进；最后，选配了压力变送器、数据采集卡等电控系统主要测控部件，最终完成了列车感载比例阀测控试验台的硬件设计。 说明书分为 9 个大章节： .绪论 .列车制车系统 简介 .列车感载比例阀 技术分析 .列车感载比例阀的 技术要求 .测试系统设计原理以及控制方法 .PLC 的特点及与其它控制系统的比较 .列车 感载比例阀测试 方案的硬件选择 .列车感载比例阀测控试验台的应用与试 验 具体介绍了列车制动，感载比例阀，测试系统以及 PLC。通过进行的对比与测试，最终选定了试验台的构造。 无锡太湖学院学士学位论文 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 第 2章 列车制动系统 简介 2.1 列车制车系统 2.1.1 制动方式 1） 制动控制方式 动车组动车使用电制动、拖车使用空气制动的复合制动方式。动车电制动优先，低速区域的电制动停止工作时或电制动故障时，不足的部分由空气制动力补充实施。制动时，列车首先最大限度地利用电制动力制动列车，减轻拖车的空气制动负荷，减少拖车的机械制动部件的磨损。 通过 ATP 的自动控制及手动制动光传送指令式采用再生制动并用电气指令式空气制动延 迟控制，首先让动车（再生制动）负担制动力，减小拖车自身制动力的方式。以 1 辆动车、 1 辆拖车为控制单位进行延迟控制 。 2）制动的种类 通常运行时司机用制动控制器操作常用制动（表示为 1 级 7 级的 7 个档位的制动力）和快速制动。 ATP 动作时常用最大制动（ 7 级）和快速制动作用相同。紧急制动、辅助制动，在故障时等异常情况下通过开关操作。耐雪制动是积雪时通过开关操作，制动力几乎不作用。 3） 制动方式 适应粘着变化规律的速度 -粘着控制模式； 根据载荷变化自动调整制动力； 防滑保护控制； 以 1M1T 为单元进行制动力的协 调配合，充分利用动车再生制动力，减少拖车空气制动力的使用，仅在再生制动力不足时才由空气制动力补充； 优先响应车载 ATP/LKJ2000 接口的指令，可施行安全制动； 故障诊断和相关信息保存功能； 当安全控制回路分离时产生紧急制动； 常用制动：常用制动力为 1 级 7 级；延迟控制，在初速度为 75km/h 以上时，由动车的再生制动负担拖车部分的制动力，在 65km/h 以下切换成为单独控制。 快速制动：具备常用制动 1.5 倍的制动力，在手动制动操作时及在闭塞区间无法减速至设定的速度时根据 ATP 指令动作。 紧急制动：当列 车分离、总风管压力降低及手柄取出时均会实施紧急制动。此时，不具有按照负荷大小调整制动力的功能。 耐雪制动：在降雪时，为了防止冰雪进入制动盘和闸瓦之间，使得闸瓦无间隙轻轻接触制动盘。在 110km/h 的速度以下，接通耐雪制动开关，通过操作制动手柄动作。制动缸压力设定为 4020kPa，可以操作制动控制器的开关调整设定值。 无锡太湖学院学士学位论文 辅助制动：以在制动控制装置异常、制动指令线路断线、以及在救援等时使用为目的而设置。操作司机台的设定开关及各单元（ Tc 车）的配电盘开关进行动作，与常用、快速制动不同，制动力为与速度无关的定值。 停车制动：采用铁靴实施停车制动。 2.1.2 制动系统组成 制动控制系统包括：制动信号发生装置（司机制动控制器） ， 制动信号传输装置（列车信息控制系统，包括中央装置、车辆终端装置） ， 制动控制装置（内部集成了电子控制单元和制动控制单元（ BCU）、空气制动管路上所需的各种阀门及风缸等）。 基础制动装置位于转向架上，由带防滑阀的增压气缸及油压盘式制动装置等组成。空气供给系统由位于 3、 5、 7 号车地板下的 3 台空气压缩机、干燥器，及用于每辆车的总风缸、制动供给风缸，以及贯穿全车的总风管等组成。 2.1.3 制动控制装置 制动 控制装置包括制动控制器、空气制动相关阀门及储气缸实现单元化，吊装在车下。制动控制单元（ BCU）采用微处理器数字运算处理方式，来自司机台的制动指令通过中央装置、传输终端由光缆传输，根据各车厢的负荷信号及速度信息计算出需要的制动力，对电气制动力、空气制动力进行控制。关于与再生制动的协调采用延迟控制，负担一部分的拖车制动力。 防滑控制功能：对于空气制动的防滑，通过防滑控制阀对各轴进行控制。对于电气制动的防滑，通过调整电气制动曲线实现滑动轴的再次粘着控制，与传输终端进行信息传输，实时输出各种控制数据。制动力切换功能 打滑再次粘着功能（空气压力控制式）对应负荷功能耐雪制动控制功能不足不缓解检测功能监视功能故障信息保存功能其它车辆制动输出功能（从动车向拖车的 EP 阀指令功能）电气空气压缩机 。 2.2 空气制动系统的组成及其作用 图 2.1 自动式空气制动系统 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 各部分作用如下： 1.空气压缩机（ 1）、总风缸（ 2）：原动力系统。空气压缩机：制造压缩空气；总风缸 ：储存压缩空气，供全列车系统使用。 2.给风阀（ 4）：将总风缸的压缩空气调至规定压力，经自动制动阀（ 5）充入制动管。 3.自动制动阀（ 5）：操纵部件。通过它向制动管充 入压缩空气 /将制动管压缩空气排向大气。 4.制动管（ 14）：贯通全列车的压缩空气导管。向列车中各车辆的制动装置输送压缩空气。通过自动制动阀（ 5）控制管内压缩空气压力变化实现操纵各列车制动机。 5.三通阀（ 8）：车辆空气制动装置的主要部件，控制制动机产生不同作用。和制动管联通，由制动管压力的变化产生作用位置。制动机缓解：制动管连通副风缸，制动缸连通大气。向副风缸充入压缩空气，把制动缸内压缩空气排向大气。制动机制动：制动管通大气，副风缸通制动缸。副风缸内压缩空气充入制动缸，产生制动作用。 6.副风缸（ 11）：缓 解储存的压缩空气，为制动时制动缸的动力源。 7.制动缸（ 10）：制动时，把从副风缸送来的压缩空气转变为机械推力。 8.基础制动装置（ 17）：制动时，将制动缸推力放大若干倍传递到闸瓦，使闸瓦夹紧车轮产生制动；缓解时，靠闸瓦自重使闸瓦离开车轮实现缓解。 9.闸瓦、车轮和钢轨：实现制动三大要素。制动时，闸瓦压紧转动的车轮踏面后，闸瓦与车轮间的摩擦力借助钢轨，在与车轮接触点上产生与列车运行方向相反（与钢轨平行）的反作用力，即制动力。（黏着效应） 制动缸压力计算 1 空气制动机的工作过程就是利用空气受压缩后体积与压力 的自动变化来实现的。 2 车辆制动机工作过程的压缩空气状态变化接近于等温变化过程。一般采用等温变化过程进行理论计算。 无锡太湖学院学士学位论文 第 3 章 列车感载比例阀技术分析 3.1 列车感载比例阀 的 用途 列车感载比例阀 主要用于快速列车气制动单元中， 根据车辆 的 重量对车辆进行空重车调整的一部件，它能根据 来自车载感知 空簧 的 压力信号对输出压力大小进行控制， 在一定范围内能够自动、无级地调整制动缸压力，从而明显缩小车辆从空车位至重车位不同载重状态下的制动率变化， 以保证行车的安全 。 图 3.1 和 3.2 所示为上海磁悬浮列车和上海地铁空气制动系统。图 3.3 所示为德国 KNORR 公司生产的 ESRA 气动制动控制装置 的工作原理图，图 3.4 所示为该气动装置现场工作照片。 图 3. 1 上海临港低速磁浮空气制动系统 图 3. 2 上海地铁一号线国产化扩编改造车辆空气制动系统 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 图 3. 3 德国 KNORR 公司生产的空气制动系统 原理图 无锡太湖学院学士学位论文 图 3. 4 德国 KNORR 公司生 产的空气制动系统现场照片 图 3.4 所示的 ESRA 制动系统控制单元 ， 包括制动电子控制装置和气动控制装置两部分， 其中 气动控制装置主要 是 由电空模拟转换阀、紧急电磁阀、中继阀、空重车调整阀和气路板等 等 组成 ，共同完成列车运行所需的多种制动功能 。 列车感载比例阀作为气动控制系统的主要组成部分，主要功能是根据车重信号调整输出气压大小。虽然不同厂家生产的列车感载比例阀在结构上有所不同，但其工作原理 是 类似 的 。 中继阀是直接将压力空气输出给制动缸的 一个 装置，其作用是将压力空气信号流量进行放大，以缩短制动执行装置的响应时间。 电 磁阀是自动控制中应用最多的阀，主要由线圈和气动 两 部分组成。在制动系统中使用的主要是直动式电磁阀，其作用是根据需要切断和接通气路。在线圈得电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起 ,阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭 。 常用制动时，总风压力经过电空转换模块转换为与电子控制装置制动指令成比例的预控压力，然后驱动中继阀为制动缸充风，从而施加制动。 其中 ，输入电空转换模块的电控信号基于制动指令进行了载荷调整和冲动限制； 同时 ， 为保证可靠制动， 电空转换模块输出的预控压力须通过紧急阀和空重车调 整阀，然后进入中继阀 ，再进入制动缸进行制动。 紧急制动时，紧急电磁阀失电使总风不经电空转换模块直接进入空重车调整阀，产生一个经载荷调整的紧急预控压力，通过中继阀给制动缸施加紧急制动压力。 3.2 列车感载比例阀 的 结构及 其 工作原理 3.2.1 列车感载比例阀 的 结构 列车感载比例阀又称列车感载比例阀，其外形结构如图 3.4 所示，内部结构见图 3.5列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 所示 ，主要组成部分有 ： 测重部、杠杆部、压力作用部、空气压力给排部四部分，由阀体、压力调整弹簧、调整螺钉、活塞等组成。从结构上可以看到，列车感载比例阀一共有 3 个主要通道与 外部连接，分别为总风口、输出口和信号风口。列车感载比例阀的空车弹簧能保证在信号风没有输入情况下仍然有一定的输出。 图 3. 5 列车感载比例阀外形图 图 3. 6 列车感载比例阀内部结构图 3.2.2 列车感载比例阀工作原理 列车感载比例阀是为获得与车辆载荷相适应的制动力而设置的，根据与车辆的载荷相应的空气弹簧压力 (AS 压力 )而输出随重压力 (VL 压力 )。 AS 压力与 VL 压力随着车辆不同而有差异。但信号压力与输出压力的比率变化很小。如图 3.7 所示。 图 3. 7 感载比例阀信号压力与输出压力变换比例 无锡太湖学院学士学位论文 第 4 章 列车感载比例阀 的 技术 要求 4.1 主要技术指标 4.1.1 工作压力范围： 列车感载比例。阀总风工作 压力范围为 0 1000kPa。 列车感载比例阀信号风的工作压力范围 0 600 Pa。 4.1.2 缓解特性： 在列车感载比例阀的总风压 力 Cv1 为 0 的情况下，其输出压力应小于 5kPa。 4.1.3 回差： 列车感载比例阀的信号压力上升至某值，继续上升后再下降回至该值，其输出口的压力在上升和下降过程中的差值应 15kPa。 4.1.4 跟随性： 列车感载比例阀应保证在信号压力变化 C 5kPa 时，输出压力会随着信号压力的变化而变化。 4.1.5 密封性： 阀在试验压力条件下由 于泄漏而造成的压力降低 3kPa/min。 4.1.6 耐压： 列车感载比例阀在规定的试验条件下经耐压试验后检查各处应无泄漏、无开裂、变形等损坏。复检后应合格。 4.1.7 寿命： 阀内的橡胶件、弹簧能经受 120 万次寿命试验不损坏，寿命试验后复检应合格。 4.1.8 外观： 列车感载比例阀外表应光滑、平整，无明显的磕碰、划伤、锈蚀等缺陷，和安装底面应无油漆及其它异物。 根据列车感载阀的技术要求及检测指标，初步拟定了 试验装置 的原理如图 4.1 所示。 1l图 4.1 列车感载比例阀试验原理 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 DMV 减压阀； D 节流孔； R 风缸； M1、 M2、 M3 压力表； H1、 H2、 H3、 H4、 H5 隔离塞门； Y1、 Y2 压力传感器 试验装置在不带负载的条件下、通入 600kPa 压缩空气、保压 2 分钟后，测得 5分钟内由于泄漏而造成压降应 5kPa。 试验装置所用的压力计量器的精度为 0.4 级。 记录仪由压力传感器及数据采集仪器组成 ， 数据采集仪器应能自动将所采集数据转化成压力时间曲线。 图 4. 1 含 EP 阀的气动回路 1、气源（ 1.2MPa） 2、气源压力表 YB 50 3、精密调压阀 1R1020 01 4、压力表 YB 150.1 级 5、充风球阀 6、充风、 缓解组合阀 7、排风球阀 8、被测感载比例阀 9、压力变送器 10、压力表 YB 150， 0.4 级 11、负载容积 1L 4.2 列车感载比例阀 试验检测 4.2.1 试验条件 4.2.1.1 介质： 试验介质为经过滤、除水、除油雾的压缩空气，过滤精度为杂质颗粒直径小于50um。室温下试验。 无锡太湖学院学士学位论文 4.2.1.2 试验装置 根据列车感载阀的技术要求及检测指标，初步拟定了 试验装置 的原理如图 2.9 所示。 1l图 4.2.1 列车感载 比例阀试验原理 DMV 减压阀； D 节流孔； R 风缸； M1、 M2、 M3 压力表； H1、 H2、 H3、 H4、 H5 隔离塞门； Y1、 Y2 压力传感器 试验装置在不带负载的条件下、通入 600kPa 压缩空气、保压 2 分钟后，测得 5分钟内由于泄漏而造成压降应 5kPa。 试验装置所用的压力计量器的精度为 0.4 级。 记录仪由压力传感器及数据采集仪器组成 ， 数据采集仪器应能自动将所采集数据转化成压力时间曲线。 4.2.2 试验方法 按试验原理图装好试验气路，并将列车感载比例阀装在试验回路上。 4.2.2.1 工作压力范围 关闭塞门 H1、将调压阀 DMV1 的压力调至 5kPa（ M1 显示）后打开塞门 H1、列车感载比例阀的输出口 Cv2应有 5kPa 压缩空气输出（ M3显示）；分别调节调压阀 DMV1、 DMV2在工作压力范围内变化，在 DMV1 压力不大于 DMV2 压力在阀动作压力曲线对应输出压力值时，输出口 Cv2 压力应与 Cv1 相同；当 DMV1 压力大于 DMV2 压力在阀动作压力曲线对应输出压力值时，输出口 Cv2 压力应与阀动作曲线输出压力值相同。 调节调压阀 DMV1 压力为 700kPa（ M1 显示），关闭塞门 H3、将调压阀 DMV2 的压力调回至 0kPa（ M2 显示）后打开塞门 H3、将调压阀 DMV2 的信号压力从 0 kPa 缓慢调至600kPa。当 DMV2 的信号压力不大于 300kPa 时列车感载比例阀的输出口 Cv2 的压缩空气输出均为 300kPa（ M3 显示）；当 DMV2 的信号压力大于 300kPa 时列车感载比例阀的输出口 Cv2 的压缩空气输出应满足 PCv2 300+Ttg (kPa)。 关闭塞门 H1、将调压阀 DMV1 的压力调至 1000kPa（ M1 显示）后打开塞门 H1、列车感载比例阀的输出口 Cv2 仍应有 300kPa 压缩空气输出（ M3 显示） 关闭塞门 H3、将调压阀 DMV2 的压力调回至 0kPa（ M2 显示）后打开塞门 H3、将调列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 压阀 DMV2 的信号压力从 0 kPa 缓慢调至 600kPa。当 DMV2 的信号压力不大于 300kPa 时列车感载比例阀的输出口 Cv2 的压缩空气输出仍均为 300kPa（ M3 显示）；当 DMV2 的信号压力大于 300kPa 时列车感载比例阀的输出口 Cv2 的压缩空气输出仍应满足 Cv2300+Ttg (kPa)。 4.2.2.2 缓解特性； 将减压阀 DMV1 的压力调至 900kPa，减压阀 DMV2 调至 500kPa 后打开塞门 H2、 H3，当列车感载比例阀 充气 1min 后关闭塞门 H2、 H3，打开塞门 H1，开通记录仪，列车感载比例阀输出口 Cv2 的压力应小于 5kPa。 4.2.2.3 回差 关塞门 H1、 H2，开通记录仪后关塞门 H3，调节减压阀 DMV1 的压力至 900kPa，将减压阀 DMV2 的压力回调至 0kPa 后开塞门 H3 保压 20s、连续向上调节减压阀 DMV2 至360kPa 后继续以 20kPa 的压力梯度向上调节减压阀 DMV2 至 600kPa（每上调 20kPa 保压20s）；以 20kPa 的压力梯度向下回调减压阀 DMV2 至 360kPa（每下调 20kPa 保压 20s）后连续将减压阀 DMV2 的压力向下回调至 0kPa，在信号控制调压阀 DMV2 上升和下降的过和中测得列车感载比例阀的输出口 Cv2 的上升时的压力 P Cv2O 和下降时的压力 P Cv2D之差的绝对值应不大于 15kPa。 4.2.2.4 跟随性； 开通记录仪，将减压阀 DMV2 调至 400kPa、稳压 30s 后继续调节减压阀 DMV2 将压力升高 5kPa，列车感载比例阀的输出口 Cv2 的压力应产生相应的变化。当将减压阀 DMV2调至 500kPa 继续上调 5kPa、测得列车感载比例阀的输出口 Cv2 的压力也应产生相应的变化。 调节减压阀 DMV2 使列车 感载比例阀的信号压力从 500kPa 回调至 495kPa、则列车感载比例阀的输出口 Cv2 的压力应产生相应的变化。继续向下调节减压阀 DMV2 使列车感载比例阀的信号压力至 400kPa 后再下调 5kPa、测得列车感载比例阀的输出口 Cv2 的压力也应产生相应的变化。 4.2.2.5 密封性； 将减压阀 DMV1 调至 900kPa，减压阀 DMV2 调至 500kPa 后开塞门 H2、 H3，充气 1min，用检漏剂检查列车感载比例阀应无泄漏。关塞门 H2、 H3，开通记录仪，保压 2min 后测得列车感载比例阀输出口的压力 PCv2 及信号压力 PT 由于 泄漏造成的压力降应不大于3kPa/min。 4.2.2.6 耐压； 从列车感载比例阀的 Cv1 口通入 1.5MPa 高压氮气、同时在其信号口输入 600 kPa 压力的压缩空气，保压一分钟后检查各处应无泄漏、无开裂、变形等损坏。 耐压试验完成后列车感载比例阀应无损坏，复检 4.3.1.2 至 4.3.1.5 条后均应合格。 4.2.2.7 寿命试验 列车感载比例阀内橡胶、弹簧等易损易耗件在可靠性试验台上进行试验，能经受无锡太湖学院学士学位论文 150 万次 不损坏。寿命试验后，复检 4.3.1.2 至 4.3.1.5 条均应合格。 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 第 5 章 测 试系统设计原理以及控制方法 依据列车行业标准和列车感载比例阀生产厂家的要求 , 结合目前列车感载比例阀性能试验台的现状和现有机电液控制技术水平 , 对多种可行的试验台设计案进行了分析、比较 , 最后确定试验台主体由真空系统、主要性能测试系统、弹簧拉伸装置、残液排空和回收装置、气动夹紧装置等单元组成 , 试验台的性能及测试原理如下。 5.1 真空系统 真空系统由真空源 ( 由真空泵组、真空罐、真空电磁阀组成 )、两位两通电磁真空阀、数字真空仪表和真空测试平台构成 , 其作用是为真空性能测试提供所需的真空度。测试时将 列车感载比例阀安装在真空测试平台上 , 通过两位两通电磁真空阀与真空源相连 , 测试平台上装有真空计压阻应变规管 , 真空计与二次数显仪表相连。操作者可以在试验台前方随时观察到真空值 , 同时真空计将真空值输出给计算机控制系统 , 控制系统根据真空值的大小控制电磁阀的开关 , 从而保证检测过程的自动化。 5.2 主要性能测试系统 主要性能测试系统如图 5.1 所示 , 列车油源部分为测试系统提供压力 , 压力值可以通过控制信号改变列车比例溢流阀的线圈电流进行实时线性调整。由于测试时使用的测试介质为制动液 , 其粘度非常低 (50 时仅为 4.2 mm2/s), 润滑性能差 , 不能直接将其作为油源的介质 , 所以油源部分采用粘度大、润滑性能好的 32# 列车油作为工作介质 , 通过增压缸分隔两种不同介质。这样 , 既保证了油源部分的正常运转 , 又减小油源部分所需功率 , 从而减小油源部分的安装体积和能源消耗。压力测试和保压部分由高精度压力传感器和零泄漏电磁球阀等组成 , 从而可保证各项性能测试的精度和可靠性。 图 5.1 主要性能测试系统原理 无锡太湖学院学士学位论文 5.3 弹簧拉伸装置 弹簧拉伸装置由步进电机、升降机、拉力传感器、拉杆等组成。步进电机位移控制精度高 , 能很好地保证列车感载比例阀弹簧的拉伸长度。拉力传感器与拉杆连接 , 可测量弹簧承受的拉力 , 检验弹簧拉伸位置 , 并可以为产品的改型和研发提供弹簧设计和检测的依据。 5.4 残液排空和回收装置 性能测试结束后 , 列车感载比例阀中会有部分残留的制动液 , 由于制动液成本高、腐蚀性大 , 如果处理不当 , 不仅会造成浪费、增加生产成本 , 而且会污染环境。为此 , 该试验台设置了完整的残液排空和回收装置 , 使得大部分残液得到循环使用。 5.5 气动夹紧机构 试验台上安装有导向和定位装置 , 使得安装有列车感载比例阀的随行夹具能准 确快速地达到工作位置 , 然后气缸带动夹紧机构把随行夹具可靠地夹紧在试验台上 , 为安全试验和生产提供了保障 , 同时保证了测试节拍。 5.6 计算机控制系统 计算机控制系统是试验台的核心部分 , 它用于设置测试项目和测试参数、发布控制指令、采集各传感器的测试数据 , 最后生成测试报告和存储测试结果。计算机控制系统 (图 2)由 PLC、上位计算机、通讯单片机、步进电机控制器、按钮操作台等组成。以 PLC 为主的控制系统是独立于上位计算机的 , 在不使用上位机的的情况下仍可以按照设定好的测试参数完成测试项目并给出测试结果 , 其缺点是无法绘制测试曲线和存储测试结果。上位计算机通过通讯单片机与 PLC 通讯 , 可以完成测试数据的上传、计算、显示 , 生成并打印测试报告。通过上位机还可以对弹簧拉伸长度等技术参数进行设定 , 有利于列车感载比例阀的改型试验和对其性能进行进一步的研究。 图 5.2 计算机控制系统框图 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 无锡太湖学院学士学位论文 第 6 章 列车 感载比例阀的测试 方案设计 图 6.1 为用所研制的试验台对列车感载比例阀进行测试后得到的曲线。图 6.1 中虚线内区域 1、 2 分别为满载和空载合格曲线区域 , 曲线 3 为测试曲线。 由图 6.1 可看出 , 测试曲线在初始段时出口压力等比增加 , 在入口压力为 3.5 M Pa 时斜率发生改变 , 曲线 3始终在空载合格曲线区域 2 的范围内 , 说明测试曲线符合标准 , 被测工件是合格的。 1 图 6.1 列车感载比例阀性能测试曲线 列车感载比例阀性能测试曲线通过对列车感载比例阀的测试表明 : a.试验台可以实现感载比例阀的真空密封性等主要测试项目的在线检测 , 并可以对测试数据生成曲线和报表 , 可显示及打印结果。 b.试验台测试精度高、性能稳定、装卸被测试件快速准确、测试时间短、测试结果可视化程度 高、历史数据查询方便。 c.根据测试报表可以判断产品可能存在的缺陷 , 为列车感载比例阀的产品质量提供保障。 d.试验台工作安全 : 当气动夹紧装置未夹紧试件时 , 测试系统不能进行性能测试 ； 系统有最高压力设定 ； 设有安全隔离板。 e.试验台测试项目具有可选择性。通过测试项目控制平台可以选取全部或者任意几个项目的组合 , 以满足在线检测和产品研发的不同需求。检测项目可以在自动和人工干预两种情况下进行。 f.试验台可以在满载和空载两种工况下进行测试 , 通过上位计算机与 PLC 的通讯可以调整满载和空载的参数。 g.通过对试验台随行夹具的简单改造 , 可以实现对各种型号的列车感载比例阀及其它压力阀的在线检测。 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 6.1 试验系统总体方案 根据上述列车感载比例阀技术指标，本试验台的主要设计目标是：完成感载比例阀的工作压力范围、缓解性、回差性和密封性四个试验项目，并检测相关性能数据，评判其四项技术指标是否合格。 传统检测方法通过手调实现试验工况变化，工况点是有限的、离散的，试验结果也是通过读表手抄到试验表格中的，不仅测试效率低而且试验 的 误差大，难以获得更准确的数据及表征产品性能的有关信息 。 但是，由于试验装置十分简单，传统检测方 法通常不会出现试验台停工等异常 的 现象。目前，计算机控制测试技术在系统控制测试中的应用十分广泛，利用先进的计算机技术实现试验数据采集、分析、控制等已成为现代测试系统的主流，但使用计算机测试技术的一个明显的不足是，一旦出现程序死机等计算机故障，必须由专业技术人员维修，会延误工期，这在工程应用中往往是难以接受的。 考虑到上述两种不同检测方法的优缺点，本试验台的设计方案采用多路控制试验系统，即采用计算机控制的自动检测技术，同时保留传统检测方法作为备用。正常状态下，采用计算机自动检测技术，实现试验工况自动控制，试验数 据自动采集并进行数据分析；同时，为了避免计算机故障等导致正常状态失效，造成试验台停工现象出现，可采用备用的传统手动控制试验检测系统。具体试验系统包括： 计算机控制的全自动试验系统（主控系统） ； 全部试验工况由计算机控制，性能检测数据的记录和分析由计算机软件完成。 面板按钮支持手动试验系统（备用系统 1，气动系统）；当主控计算机系统出现故障，而试验气动回路的电气系统仍可正常工作时，可由试验台操作面板上的启动按钮完成充气和排气控制，试验数据需人工从压力表上读取并记录。 开关阀支持的手动试验系统（备用系统 2，手动系统 ） ； 当气动回路中电气系统失灵时，也可以手动旋转开关阀，实现气动试验回路的充气和排气控制，并手动记录试验数据。 图 6.2 主控系统用于正常状态高效、高精度试验，两套备用系统主要用于在主控系统故障时应急使用和协助系统排除故障，同时方便试验台的定期维修和检验。 图 6.2 试验台多路柔性控制系统 6.2 主控系统方案 计算机辅助测试技术的实现形式是多样的，主要有下面 两 种方式： 备用电控系统气动控制系统手动系统被控对象主控系统PC 机数据采集卡（ USB 6009 )虚拟仪器软件（ L a b V I E W ）测量元件无锡太湖学院学士学位论文 （ 1） 微型计算机和单片机组成的主从结构，微机完成 工况控制 信号 生成 、 检测 信号处理、绘图输出 等 功能 ； 单片机完成 控制信号输出 和数据采集 功能，但是数据采集有时间的滞后性，不能满足数据采集、控制的实时性要求。 （ 2） 工控机 加 数据采集卡的 单机测控 模式，这种模式具有测试精度高，功能扩展灵活的优点，但工控机的价格较高。 由于 本 试验数据的实时性要求较高，方式 （ 1） 主从结构不能满足测试要求 ；为克服方式 （ 2） 中工控机价格较高 的不足 ， 采用 PC 机取代工控机， 形成“ PC 机十数据采集卡十虚拟仪器软件 ” 的模式，如图 6.3 所示，使得数据采集、控制的响应时间快，性价比高，较为合理。 P C 机L a b v i e w 信 号 分 析 与 处 理列 车 感 载 比 例 阀（ 被 测 对 象 ）P s - P o u t信 号 调 理数 据 采 集 卡（ N I U S B - 6 0 0 9 ）P s - P o u t信 号 处 理P s信 号 控 制虚 拟 仪 器 面 板（ 用 户 界 面 ）图 6.3 主控系统方案 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 无锡太湖学院学士学位论文 第 7 章 PLC 的特点及与其它控制系统的比较 PLC 即可编程控制器 (Programmable Logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会 (International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 :一种数字运算操作的电子系统 ,专为在工业环境应用而设计的 ,它采用一类可编程的存储器 ,用于其内部存储程序 ,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令 ,并通过数 字或模拟式输入 ,输出控制各种类型的机械或生产过程。 7.1 PLC 的结构与特点 从结构上分 PLC,分为固定式和组合式 ,模块式 ,两种。固定式 PLC 包括 PLC 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等 ,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU模块、 I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架 ,这些模块可以按照一定规则组合配置旧。 7.1.1 CPU 的构成及功能 CPU 是 PLC 的核心 ,起神经中枢的作用 ,主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成 CPU,单元还包括外围芯片、总线接 口及有关电路。每套 PLC 至少有一个 CPU,它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据 ,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据 ,并存入规定的寄存器中 ,同时 ,诊断电源和PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后 ,从用户程序存储器中逐条读取指令 ,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号 ,去指挥有关的控制电路。对使用者来说 ,不必详细分析 CPU 的内部电路 ,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。 CPU 的控制器控制 CPU 工作 ,由它读取指令、解释指令及执行指令 ,但工作节奏由震荡信 号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算 ,在控制器指挥下工作。寄存器参与运算 ,并存储运算的中间结果 ,它也是在控制器指挥下工作。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数 ,它们决定着 PLC 的工作速度、 IO 数量及软件容量等 ,因此限制着控制规模。 7.1.2 I/O 模块 PLC 与电气回路的接口 ,是通过输入输出部分 (I/O)完成的。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O电路 ,其输入暂存器反映输入信号状态 ,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统 ,输出模块相反。 I/O 种类有开关量输入 (DI),开关量输出 (DO),模拟量输入 (AI),模拟量输出 (AO)等。 开关量是指只有开和关 (或 1 和 0)两种状态的信号 ,模拟量是指连续变化的量。常用的I/O 分类如下： 开关量：按电压水平分 ,有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔离方式分 ,有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分 ,有电流型（ 4-20mA， 0-20mA）、电压型（ 0-10V， 0-5V， -10-10V）等 ,按精度分 ,有 12bit， 14bit， 16bit 等。 除了上述通用 IO 外 ,还有特殊 IO 模块 ,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格 及数量， I/O 模块可多可少 ,但其最大数受 PLC 所能管理的基本配置的能力 ,即受列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 最大的底板或机架槽数限制。 7.1.3 内存 内存主要用于存储程序及数据 ,是 PLC 不可缺少的组成单元。不同机型的 PLC 期内存大小也不尽相同 ,除主机单元的已有的内存区外 ,大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。 7.1.4 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时 ,有的还为输入电路提供24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VAC）。 7.1.5 底板或 机架 大多数模块式 PLC 使用底板或机架 ,其作用是：电气上 ,实现各模块间的联系 ,使 CPU能访问底板上的所有模块 ,机械上 ,实现各模块间的连接 ,使各模块构成一个整体。 7.1.6 PLC 系统的其它设备 （ 1） 编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件 ,用于编写程序、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况 ,但它不直接参与现场控制运行。某些 PLC 也配有手持型编程器 ,目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 （ 2） 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮 ,目前液晶屏（ 或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛 ,由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。 （ 3） 输入输出设备 ,用于永久性地存储用户数据 ,如 EPROM、 EEPROM 写入器、条码阅读器 ,输入模拟量的电位器 ,打印机等。 7.1.7 PLC 的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此 ,网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著 ,甚至有人提出“网络就是控制器”的观点说法。PLC 具有通信联网的功能 ,它使 PLC 与 PLC 之间、 PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息 ,形 成一个统一的整体 ,实现分散集中控制。多数 PLC 具有 RS-232 接口 ,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC 的通信 ,还未实现互操作性， IEC 规定了多种现场总线标准， PLC 各厂家均有采用。对于一个自动化工程（特别是中大规模控制系统）来讲 ,选择网络非常重要的。首先 ,网络必须是开放的 ,以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展：其次 ,针对不同网络层次的传输性能要求 ,选择网络的形式 ,这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行：再次 ,综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题 ,确定不同层次所 使用的网络标准。 7.2 PLC 具有许多优点 ,因而被广泛应用于各种控制场合。 7.2.1 可靠性高 可编程序控制器采用了微电子技术 ,大量的开关动作由无触点的半导体集成电路完成。内部处理过程不依赖于机械触点 ,而是通过对存储器的内存进行读或写来完成 ,因此不会出现继电接触器控制系统的接线老化、触点接触不良、触点电弧等现象。此外 ,在制造工艺上无锡太湖学院学士学位论文 加强了抗干扰措施。如在输入、输出端口均采用了光电隔离 ,使外部电路与内部电路之间避免了直接电的联系 ,可有效地抑制外部电磁干扰。 PLC 还具有完整的自诊断功能 ,检查判断故障方便 ,因而 便于维修。 FLC 特殊的外壳封装结构 ,使其具有良好的密封、防尘、抗振等作用 ,因此可以工作在环境恶劣的工业现场。由于 PLC 具有高可靠性 ,其平均故障间隔时间约为 23 万小时。 7.2.2 编程简单 PLC 最大的特点 ,是采用了易学易懂的梯形图语言。它是以计算机软件技术构成人们已习惯的继电器模型 ,形成一套独具风格的 ,以继电器线路图为基础的形象程序编程语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路接线图相当接近 ,只用 PLC 的几十条开关量逻辑指令就可以实现继电接触器电路的功能。只要通过阅读 PLC 的使用手册或接受短期培训 ,电气操作人员就可以编制用户程序。正因为如此， PLC 才能迅速普及。 梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言。 PLC 在执行梯形图程序时 ,通过解释程序将它“翻译”成汇编语言去执行。与直接用汇编语言相比 ,虽然执行时间要长一些 ,但对大多数自动控制系统来说是微不足道的。 7.2.3 通用性好 PLC 是通过软件来实现控制的。同一台 PLC 可用于不同的控制对象 ,只需改变软件就可以实现不同的控制要求 ,充分体现了灵活性、通用性。各种 PLC 都有各自的系列化产品。同一系列 PLC,不同机型功能基本相同 ,可以互换 ,可以根据控制要求进行 扩展 ,包括容量扩展、功能扩展 ,可以进一步满足控制需要。 7.2.4 功能强大 PLC 不仅可以完成逻辑运算、计数、定时 ,还可以完成算术运算以及 A/D， D/A 转换等。PLC 最广泛的应用场合是对开关量逻辑运算和顺序控制 ,同时还可以应用于对模拟量的控制。 PLC 可以控制一台单机、一条生产线 ,还可以控制一个机群、多条生产线 ,可以现场控制 ,也可远距离控制：可控制简单系统 ,也可控制复杂系统。在大系统控制中， PLC 可以作为下位机与上位机或在同级的 PLC 之间进行通讯 ,完成数据的处理和信息的交换 ,实现对整个生产过程的信息控制和管 理。 7.2.5 体积小、功耗低 由于 PLC 采用半导体集成电路 ,因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点 ,而且设计结构紧凑坚固 ,易于装入机械设备内部 ,是实现机电一体化的理想控制设备。 7.2.6 设计施工周期短 使用 PLC 完成一项控制工程 ,在系统设计完成之后 ,现场控制柜（台）等硬件的设计及现场施工和 PLC 的程序设计可以同时进行。 PLC 的程序设计可以在实验室模拟调试。输入信号可通过外接小开关送入 ,输出信号通过观察 PLC 主机面板上相应的发光二极管获得。程序设计好后 ,再将 PLC 安装在现场统调。由于 PLC 用软件取代继电 接触器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等低压电器 ,使整个的设计、安装、接线工作量大大减少。又由于 PLC 程序设计和硬件的现场施工可同时进行 ,因此大大缩短了施工周期。 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 无锡太湖学院学士学位论文 第 8 章 列车 感载比例阀测试 方案的硬件选择 8.1 试验台硬件平台 采用 “PC 机 +数据采集硬件 +虚拟仪器软件 ”的模式构成闭环控制系统。试验台主控系统由 PC 机和数据采集卡构成， PC 机和数据采集卡关系为主从结构，其中 PC 机完成信号分析处理、数据图形输出功能，数据采集卡完成数据采集和信号控制功能。由于数据采集卡采样率高达 48kS/s， 其采样和控制精度已摆脱 PC 机的控制精度。如果 PC 机出故障可立刻更换，在新的 PC 机上重新安装主控系统测控软件即可立刻投入使用，减少停工现象出现，提高机器设备柔性。 8.2 试验台控制系统气动回路设计 根据列车感载比例阀的主要测试指标，试验台必须能提供对列车感载比例阀的，为此，本文在初始设计方案一的基础上，通过对性价比的进一步优化与改进，形成了最终的最优气动回路构建方案。 8.2.1 电磁阀的选择 电磁阀是用来控制流体的方向的 自动化 基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。 电磁铁作为先导阀的驱动器 ， 其性能对整个元件的特性有重要的影响，无论是稳态控制精度和动态响应性能 ，还是抗干扰能力或工作可靠性都在很大程度上取决于电磁铁。改善电磁铁吸力特性的综合性能，在不增大先导阀外形尺寸前提下 ， 提高阀的换向性能 ， 使电磁铁在整个换向过程中的推力足以克服运动阀芯的各种阻力 ， 减少电磁铁的消耗功率 ， 以及节能、小型化等 ， 是提升电磁阀性能的目标。 电磁阀 选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次是根据六个方面的现场工况 (即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择。 在该气动回路中 ， 使用 4 个普通电磁阀，分别控制 Cv2 口的 信号风 (Ps)充风和排风，Cv1 口的 总风 (Pin) 充风和排风。 8.2.2 电磁阀取代 EP 阀 由于 Labview 测试软件的设定频率较高，一般使用美国 MAC 阀门公司生产的平衡式多用途阀（ EP 阀）进行测控。型号为： 120B-501BAAD、 140B-501BAAD。高达 50Hz 的频率，灵敏度高，价 格相对较高 。 普通电磁阀价位在 60 元 /对，但是普通电磁阀无法实现 EP 阀的高频动作，必须进行相应的改造。 经试验测得计算机发出控制指令到电磁阀工作要 12ms，驱动时间过长，需要将驱动时间缩小至 910ms，驱动频率为 11Hz。 为此，设计中从以下两方面入手 减少驱动时间： 将原 mos 管 +继电器模式变为改进 mos 管驱动系统 ，如图 8.1、图 8.2 所示； 改造电磁阀。 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 采 集 卡控 制 信 号 输 出m o s 管 继 电 器 E P 电 磁 阀图 8.1 原控制系统 采 集 卡控 制 信 号 输 出改 进 m o s 管 驱 动 系 统 普 通 电 磁 阀图 8.2 改 造后控制系统 为实现 直流电磁铁 的 快速吸合、释放，有 两 种驱动方式： 硬驱动（不变功率驱动）： 改变行程驱动 加隔磁片 软驱动（变功率驱动）： 开始高脉冲、高吸合，吸合后低电平维持，高电平释放。日本丰田剑杆织机采用高平驱动、低平维持。软驱动实现需要额外的设备和费用，从经济角度考虑， 本设计 采用硬驱动方式对电磁阀硬件部分改造： (1) 阀口减小，由 2mm 减至 1mm，减缓气流 ； (2) 降低 在低压差的驱动频率 ； (3) 适当减少电磁阀行程 0.2mm； (4) 电磁阀衔铁处加了隔磁片，为了降低电磁阀复位时剩磁影响。 通 过控制系统 和电磁阀的 改造，使用电磁阀取代 EP 阀 ，并使 改造后的精度可以提高到 2KPa，但出现 了 过充现象，因此，可以在电磁阀进出口处，加 0.75mm 的节流孔，使得气流平缓。 无锡太湖学院学士学位论文 8.2.3 电磁阀气动回路 图 8.3 电磁阀取代 EP 阀的气动回路 1、气源（ 1.2MPa） 2、气源压力表 YB 50 3、精密调压阀 1R1020 01 4、压力表 YB 150.1 级 5、充风球阀 6、充风、缓解组合阀 7、排风球阀 8、恒节流孔塞 9、被测感载比例阀 使用 4 个二位二通电磁阀和 1 个二位三通电磁阀代充风、缓 解组合阀，如图 8.3 所示，控制原理如下： （ 1） 1DT、 2DT 控制列车感载比例阀的信号风压力， 3DT 、 4DT、 5DT 控制列车感载比例阀输出口压力； （ 2） 当 1DT 得电， 2DT 失电，实现列车感载比例阀信号风充气； （ 3） 为了防止气流过大，出现信号风过充现象，在 1DT 后端放置恒节流孔塞，以减缓气流，提高控制精度； （ 4） 信号风出现过充现象后，可通过 2DT 排气，降低信号风气压； （ 5） 3DT 控制输出口的风源， 4DT 为输出口的排风； （ 6） 5DT 可以实现信号风按照不同的要求进行充气，但是气流不稳，控制精度低； 本 设计方案的成本低，性价比高。 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 8.2.4 优化试验台气动回路 图 8.4 优化试验台气动回路 1、气源（ 1.2MPa） 2、气源压力表 YB 50 3、精密调压阀 1R1020 01 4、压力表 YB 150.1级 5、充风球阀 6、充风、缓解组合阀 7、排风球阀 8、恒节流孔塞 9、被测感载比例阀10、压力变送器 11、终端压力表 YB 150， 0.4 级 12、负载容积 1L 在图 8.3 的基础上， 对气路进行进一步优化改进， 将 5DT 放置在 1DT 的恒节流孔塞后，既可以实现不同要求的充 风，也可以利用同一个恒节流孔塞减缓气流，减少气压波动，提高控制精度 。由此形成了本试验台的气动回路的最终设计方案，其气动回路原理图如 图 8.4所示。 8.3 试验台电控系统设计 8.3.1 电控系统组成 试验台电控系统由高速继电器板、数采机插座、 NI 数据采集卡 6009、四芯仪表座、开关电源等构成，如图 3.8 所示。数据采集卡 6009 使用了 1、 2、 3、 4、 5 个数字端口控制高速继电器板上的 1GJ、 2GJ、 3GJ、 4GJ、和 5GJ 共 5 个继电器，由继电器控制 1DT、 2DT、3DT、 4DT 和 5DT 共 5 个电磁阀，实现列车感 载比例阀的充风、缓解、保压等测试。 无锡太湖学院学士学位论文 图 8. 2 试验台电控系统 压力变送器 P1、压力变送器 P2 为 Druck-德鲁克 XT 1510，压力变送器 P1、 P2 输出标准电信号，经过串联 250 的电阻，数据采集卡采集串联电阻两端的电压值，通过换算，转化为信号压力和输出压力。 压力信号处理过程是 :传感器把压力转换成 mV 级的弱电信号，经过调理电路，将信号放大、滤波，处理成可被数据采集卡接收的 0 5V 标准电压信号，在数据采集卡内进行A/D 转换处理，将模拟信号转化为数字信号 ，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，然后由测试软件对数据进行显示、并进行进一步的分析与处理以及存储打印。 8.3.2 压力变送器选用 传感器是借助于检测元件 (敏感元件 )接收一种形式的信息，并按一定的规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信号也有各种形式。本系统采用的压力传感器，是将系统压力信号转为电信号的一种装置。 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 压力传感器的结构和工作原理： 图 3.9 所示为一种常见的普通压力传感器，压 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力 传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性 27 。 综合以上论述，本试验台采用 德鲁克 XT 1510 压力变送器 。 8.3.3 高 错误 !未指定书签。 错误 !未指定书签。 速数据采集卡 选用 数据采集 (DAQ)，是指从 传感器 和其它待测设备等 模拟 和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析 、 处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前 调制 传感器信号 ， 包括对 其进行 增益 或衰减和隔离 ， 放大，滤波等 。对待某些传感器，还需要提供激励信号 。 数据采集卡，即实现数据采集 （ DAQ） 功能的计算机扩展卡，可以通过 USB、 PXI、PCI、 PCI Express、 火线 (1394)、 PCMCIA、 ISA、 Compact Flash 等总线接入 个人计算机 。 数据采集卡是列车感载比例阀测控系统的一个核心部件，传感器所检测到的信号 需要通过数据采集卡才能进入到计算机系统。本测控系统 采用 NI 公司生产的 USB-6009 数据采集卡， 开发出一种精度和自动化程度较高的测试设备，实现了 电压 信号的实时采集、显示及保存、分析、报表打印功能。图 8.10 所示即 为采用 USB 接口 的 外置式 12 位、 10kS/s 多功能数 据采集卡，其特点如下： (1) 8 路 12 位模拟输入通道； (2) 12 路 数字 I/O 线； (3) 2 路模拟输出通道 ； (4) 1 个计数器； (5) 方便而易于携带的总线供电型设计； (6) 即插即用的 USB 安装便于快速设置。 图 8. 3 压力传感器外形 无锡太湖学院学士学位论文 图 8. 4 高速数据采集卡 8.4 试验台硬件优化措施 3.4.1 普通电磁阀代替 EP 阀 使用 普通 电磁阀取代 EP 阀 ，实现精度要求，经过改造后可提高工作 频率，灵敏度高，价格 低，减少 过充过排现象。 如图 8.11 所示。 图 8. 5 电磁阀外形图 8.4.2 提高精密调压阀调压压力 要使流经被测元件的流量达到稳定的音速流状态， 必须具备一个庞大的气源系统来提供足够的压缩空气。实际使用时，在电磁阀的进口处外接调压阀，能减少电磁阀进口气压的波动，稳定进入气腔的气压，进而大幅提高稳定精度。 精密调压阀的调压压力越 高，则 高压与低压间的 压差越大，信号风压力 Ps 上升越快越稳。在此系统中，信号风压力 Ps 最大值为 525KPa，因此将精密调压阀的压力调到 700KPa，使得高压差较高，利于信号风压力 Ps 平稳快速的到达 525KPa。 图 8.12 为精密调压阀的组成结构图。 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 图 8. 6 精密调压阀的组成结构图 8.4.3 增加气容 气流不平稳， Ps、 Pout 曲线波动厉害，因此在气动回路中的充风处加一个气容，使得进入列车感载比例阀的气流平稳，波动性小，利于阀的精度控制。 本测控系统具有较好 的压力控制精度，在不同的工作点 ， 控制参数应做相应调整。但存在快速性和稳定性之间的矛盾 ， 电磁阀的响应频率、调压阀的设定压力是影响测控系统的重要因素。提高电磁阀的响应频率和增加调压阀的设定压力可减小输出压力振动幅度和提高输出压力精度 ， 但也降低了系统的响应速度。因此 ， 在设计该测控系统时 ， 各项参数应该优化 ， 使之最大程度地满足实际的需要。