列车阀检测试验台设计[含CAD图纸和说明书等资料]
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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： 0923095学生姓名： 李敏虎 指导教师： 薛庆红 （职称：副教授 ） （职称： ） 2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械92 学 号： 0923095 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 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）； 2.专业外语翻译（大于800010000字符，约合汉字5000字符）； 机械92 班 姓名 李敏虎 五、开始及完成日期：自2012年11月12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27日I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。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。关键词：列车制车系统；感载比例阀；检测；试验台AbstractFeeling 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.Because trains are proportional valve importance related to the personal safety, the quality put forward higher requirements, therefore to train load proportional valve test is also put forward more requirements. According to the properties of the sense of train load proportional valve, proportional valve testing test-bed design studied. Finally after the actual test shows that the test high test precision, stable performance, loading and unloading test parts quickly and accurately, short test time, test results, high degree of visualization, historical data query is convenient, can be developed for train sense of proportional valve and provide reliable testing basis and on-line detection methods.Key words: train car manufacturing system; Load proportional valve; Detection; Test bench43目 录摘 要IIIAbstractIV1 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2 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3 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4 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5 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5.6计算机控制系统6 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7 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8 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8.4.1 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9 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10 结论与展望致 谢参考文献391 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。列车制动系统比例阀测控试验台设计与研究2 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。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1。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。2.2 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。 3 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图3. 3 德国KNORR公司生产的空气制动系统原理图图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。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4。 图3. 7 感载比例阀信号压力与输出压力变换比例4 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01000kPa。列车感载比例阀信号风的工作压力范围0600 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C5kPa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。图4.1 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5。图4. 1 含EP阀的气动回路1、气源（1.2MPa） 2、气源压力表YB50 3、精密调压阀1R102001 4、压力表YB150.1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YB150，0.4级 11、负载容积1L4.2 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。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。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PCv2300+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6。5 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。7图5.1 主要性能测试系统原理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8。 图5.2 计算机控制系统框图6 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9。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：（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10。图6.3 主控系统方案7 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11。8 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。图8.1 原控制系统图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。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YB50 3、精密调压阀1R102001 4、压力表YB150.1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。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YB50 3、精密调压阀1R102001 4、压力表YB150.1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YB150，0.4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12。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。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05V 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。图8. 3 压力传感器外形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13。图8. 4 高速数据采集卡8.4 试验台硬件优化措施8.4.1 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。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14-16。9 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如图9.1所示测控系统气路回路图，图9.2所示为实验台外形图，参照电磁阀的工作状态如表9.1所示，从而确定测控系统的试验步骤如下：图9. 1 测控系统气路图按“开始检测” 2秒后5DT得电，2秒后1DT脉冲得电使1YBSQ到5KPa，保压10秒后1DT继续脉冲得电30秒后使1YBSQ到290-310KPa合格，否则不合格。间隔2秒后5DT失电，2DT、3DT得电6秒后，使1YBSQ290KPa合格，否则不合格。2DT、3DT失电。（1） 2秒后4DT得电6秒，使1YBSQ迅速下降到3KPa以下合格，否则不合格。2DT得电6秒，使2YBSQ下降到2KPa以下。（2） 2秒后3DT得电，1DT脉冲得电使2YBSQ到300KPa，保压30秒，1DT继续脉冲得电使2YBSQ 稳定在300KPa，保压15秒，1DT继续脉冲得电使2YBSQ增加50 KPa，保压15秒后，再以此上升到600 KPa，保压15秒后2DT脉冲得电使2YBSQ下降50 KPa， 图9. 2 列车感载比例阀测控系统实验台内部安装外形图表9-1 电磁阀状态表序号检测名称1DT2DT3DT4DT5DT1工作压力范围-+-2缓解性-+-3回差性+-4密封性+-+-+-+-（3） 保压15秒后以此下降到300 KPa，保压20秒后2DT再次得电使2YBSQ下降到10 KPa以下，检测当2YBSQ的压力值在上升和下降过程中相同数值所对应的1YBSQ值得绝对值应小于15 KPa合格，否则不合格。（4） 2秒后1DT、3DT得电1分钟后，1DT断电，稳压1分后1YBSQ和2YBSQ开始检测1分钟，1YBSQ和2YBSQ在1分钟检测过程中列车感载比例阀由于泄漏而造成的压力降3KPa不合格。3DT断电。（5） 2秒后，2DT、4DT得电1分钟，放空检测系统的压缩空气17。9.2 检测试验及其结果分析试验数据必须满足3个条件：尽快逼近目标压力值；不出现过充、过排现象；精度控制的稳定性。通过198次实验，每次采集18000个左右的数据值，对试验方法、气动回路和电控系统的可行性进行论证，对试验数据的稳定性、有效性、一致性进行数据分析。9.2.1 试验台性能指标经过试验论证，试验台性能指标较高，如表9-2所示。表 9-2 试验台性能指标性能指标试验台时间指标2-3s压力精度2KPa重复性5%影响试验台精度的主要因素有数据采集卡、压力变送器、电磁阀。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PC机出故障可立刻更换，减少停工现象出现，提高机器设备柔性。压力变送器的精度影响因素为零飘、时飘、温飘。压力变送器软件标定可修正零飘；长时间测试后，用0.2级压力表标定解决时飘；温飘可实时修正。采用硬驱动方式改造普通电磁阀，实现高频工作，提高控制精度和灵敏度。9.2.2 充风、排风方式分析列车感载比例阀的空气动力学模型可简化为变容收缩形管道的充风和排风问题，充风初期，管道内气体流速高，列车感载比例阀的信号风充风为音速充风，随着阀内气压上升，阀口流速逐渐减小并趋于零，充风过程结束。排风初期，管道内气体流速高，列车感载比例阀的信号风排风为音速排风，随着阀内气压下降，阀口流速逐渐减小并趋于零，排风过程结束。3种充风排风方式充风阶段中，信号压力上升过快，容易出现过充现象；过慢则会延长试验时间，试验效率低。同理，排风阶段也存在过排和排气速度过慢的问题。在实现精确控制的前提下，如何提高试验效率成为研究的重点，设定信号压力为300KPa，研究了3种充风排风方式：快充快排、慢充慢排和阶段充排。快充：当1DT得电常开，气流迅速进入阀体，阀内气压急剧上升，信号压力等于300KPa时1DT失电，此时信号压力持续上升，出现过充现象，过充率（过充值/额定值300）大于25%。为了减少过充现象，1DT以6Hz频率工作进行慢充，信号压力上升明显缓慢，但试验时间过长。结合列车感载比例阀空气动力学模型、
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