（车辆工程专业论文）智能全自动单车试验器的研制与开发.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在铁路列车全面提速的形势下，铁道部加强了对铁路车辆大、中、小 修的工艺验收，以确保行车安全。铁路货车的制动等关键部位，实施检测 微机化、自动化，以消除测试过程中人为因素对钡4 试结果的影响，用先进 的设备保证行车安全，尤为重要。铁道车辆智能单车试验器就是在这种大 背景下研制开发出来的。它采用闭环控制，实现测试过程自动化；动态显 示车辆单车试验测试全过程；良好的人机界面，便于现场工人掌握和操作； 灵活的操作程序，适应各种作业要求：自动化程度高，测试效率高：采用 数据联网，实现科学管理，为铁道车辆单车试验智能化做出了有益的探索。 关键词：智能单车试验器铁道车辆制动 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s t r a c t a st h er a i l w a yt r a i n sa r ei m p r o v i n gt h e i rs p e e d sa l ls i d e l y , t h er a i l w a y m i n i s t r yh a se n h a n c e dt e c h n o l o g i c a lc h e c k i n ga n da c c e p t a n c et ot h ea l lk i n d s o fr e p a i r so fr a i l w a yv e h i c l e si no r d e rt om a k et h ev e h i c l e ss a f e w ew i l lu s e c o m p u t e r sa n da u t o m a t i o nt ot e s tt h ek e yp l a c e s ，s u c ha st h eb r a k eo fr a i l w a y f r e i g h tw a g o n s ，s oa st or e d u c et h et e s t i n gr e s u l tt h a tp e o p l ew i l ld o i no r d e r t om a k et h et r a i n sm o v e s a f e l y ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o ru st ot e s tt h eb r a k e so f v e h i c l e s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ei n s t r u m e n to fi n t e l l e c t u a le x p e r i m e n t a l s i n g l ec a ri nr a i l w a yv e h i c l e si s i n v e n t e d i ti sc l o s e d ，c o n t r o l l e da n dt e s t e d a u t o m a t i c a l l y ；i tc a nd i s p l a yt h ew h o l ep r o c e s st h a t t h ev e h i c l e sb r a k ei s t e s t i n g ；i t c a nb em a s t e r e da n do p e r a t e db yw o r k e r s ；t h ef l e x i b l e o p e r a t i o n p r o c e d u r ei sa d a p t t od i f f e r e n tp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s ；a u t o m a t i o ni ss t i l la t av e r yh i g hl e v e l ，t h et e s t i n gi se f f i c i e n t ；t h en e t w o r ko fd a t ai sc o n n e c t e d ，t h e m a n a g e m e n t i ss c i e n t i f i c w eh a v ed o n eal o to fv a l u a b l ee x p l o r a t i o n st om a k e t h ee x p e r i m e n to f r a i l w a yv e h i c l e ss i n g l ec a rh a v ei n t e l l e c t u a lp o w e r k e yw o r d s ：i n t e l l e c t u a lp o w e r i n s t r u m e n to fs i n g l ec a r e x p e r i m e n t v e h i c l e sb r a k e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 绪论 在铁路列车全面提速和铁道部以科技创新保安全的形势下，确保行车万无 一失、安全运输非常重要。车辆制动机是影响车辆安全行车的核心部件。为了 保证行车安全，车辆段在车辆进行检修后，需对车辆单车制动技术性能逐项进 行严格测试，符合( 铁标) 要求后方能投入运行。 铁路货车的走行、制动等关键部位，在安全运输中占有重要地位。实施检 测微机化、自动化，减小测试过程中人为因素对测试结果的影响，用先进的设 备保证行车安全，特别是车辆制动性能测试项目尤为重要。 现有车辆段采用传统的单车试验测试方式，以人工手动完成，测试过程烦 琐，而车辆制动性能人为因素影响加剧了控制测试质量的难度。机械式单车试 验器的使用使工人劳动强度大，效率低下。以站修车辆为例，由于车辆制动机 型号不同，单车测试时间需要3 0 4 0 分钟。测试时，检测人员既要手动操作单 车试验器，操纵手把状态改变，又要眼盯风表压力变化，同时还要卡表计时， 耳昕车辆制动声响，还要多次钻到车底用卡尺测量制动缸活塞行程，记录测试 结果。由于每天车辆检修量大，测试任务十分频繁，检测人员车前下不停奔跑， 十分辛苦，更重要的是不能客观评价测试结果，测试结果难以排除人为因素- 进而直接影响测试质量，存在安全隐患，难以实现检测自动化的标准化管理。 为保证行车安全铁路对车辆制动机技术性能要求愈来愈高。据统计，全 路运行的货车车辆达7 0 余万辆，根据技规要求，运行一年以上的车辆需要段修， 运行半年以上的车辆需要站修，还有不少临修车辆，各车辆段检修车辆任务非 常繁重。显而易见，沿用年代已久的第一代机械式单车试验器已不适应需要。 随着铁路现代化进程的加快，铁道部多次行文，要求将机械式单车试验器更新 换代实现自动测试，从根本上排除人为因素的影响。提高测试质量，确保行 车安全。 我们和洛阳车辆段等单位联合攻关，共同开发出具有闭环控制功能的智能 型单车试验机。在攻关中我们坚持科研开发与生产实践相结合，组成的科研攻 关小组，充分发挥科研小组的积极性，不断深入现场，跟班作业，与工人师傅 一道体验使用机械式单试验器人工测试车辆制动性能的全过程，探索实现自动 测试方案，找出问题症结所在不断改进和完善设计方案，缩短了研制周期， 解决了许多技术难题，在较短时间内生产出样机。在研究开发过程中- 有丰富 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 测试经验的工人师傅参与软件编程修改，将他们积累的测试技能编入操作程序。 经过一年多的艰苦努力，智能式单车试验机投入试验运用，实现了自动测试， 为站修车辆制动机检验准确校对提供了安全运用保障。 铁路几次提速后面临着一系列技术问题需要跟迸解决，必然迎来铁路产业 技术革命。尤其铁路工装现代化更是势在必行。现在开发出的智能单车试验机， 使车辆单车制动性能检测实现了闭环控制、自动测试的目标，排出了人为因素 干扰。符合铁道部要求。经现场应用操作灵活，使用方便，达到了设计目的， 受到现场欢迎。由于开发时间紧，需要进一步改进机械结构及外观设计，提高 产品质量，以适应铁路现代化提速的需要。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 第1 章研究与开发智能单车试验器概况 一、研制项目的由来 中华人民共和国铁路主要技术政策指出： 铁路是国家重要的基础设施，国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干。 为贯彻国家可持续发展战略，适应和促进国民经济发展和社会进步，应充分发 挥铁路技术经济优势，积极发展铁路，满足运输市场需求 铁路技术发展的总原则是： 在国家发展战略指导下，加快科技进步，突出技术创新，以市场为导向， 加快科技进步，突出技术创新，以市场为导向，以经济效益为中心，以运输安 全为前提，不断提高运输能力、质量和效率。坚持自主开发与引进相结合，积 极采用高新技术，重视技术的综合集成。根据不同运输需求，采用不同层次的 技术和装备，系统配套，发挥整体效能。改革管理体制，制订相应的政策，推 动新技术尽快转化为生产力 铁路技术发展的总目标是实现铁路现代化。逐步建立客运快速、货运快捷 和重载、行车高密技术协调发展，高新技术与适用技术并重，不同层次技术装 备并存的具有中国铁路特点的技术体系。建成能力太、质量高、效益好、安全 可靠、全面信息化的现代化铁路。技术发展方向是：旅客运输高速化、快速化， 货物运输重载化、快捷化，运营管理信息化，安全装备系统化，建设技术现代 化，经营管理科学化 积极推进机车车辆修制改革，在预防修基础上，开展状态修、换件修和主 要零部件得专业化集中修，推广先进检测手段和维修装备，形成运用、维修的 现代化管理体系，建立和完善客车按走行公里检修模式 铁路运输生产必须坚持“安全第一”的原则，依靠先进技术和装备，保障 行车安全。以行车安全为核心，保障旅客运输安全为重点，系统配套发展铁路 安全技术与装备，制订、修订有关行车安全的规程、法规和标准，加强安全管 理，完善行车安全保障体系 大力发展安全检测技术，建立监测、控制和管理决策为一体的高度信息化 的安全监控网络 完善并推广机车和车辆故障检测诊断系统、对固定设施进行多层次多方位 检测的技术和装各、机车车辆安全运行的地面检测系统，研究采用固定设备在 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 线自动检测、远程诊断及故障预报预警技术，实现列车安全运行动态检测和行 车主要设备的实时监测与控制 从新颁布的我国铁路技术政策的有关条文不难看出，科学技术是现代生产 力最活跃的因素和最主要的推动力量。它不仅会导致社会生产力的迅速提高 也将会引起人类社会生活进行深刻的变革。科技进步已成为国际经济竞争和综 合国力较量的焦点，科技的竞争将关系到国家兴衰和民族存亡。科学技术是第 一生产力。 。 近半个多世纪以来，发达国家的铁路竞相采用高新技术，在货运重载、客 运高速和信息技术等方面取得了重大突破，实现了从传统产业向现代化产业的 转变，世界铁路依靠科技进步在各种现代化交通运方式的激烈竞争中得到了振 兴和发展，使曾经一度被称为夕阳产业的铁路，得到了再度兴盛，进入了一个 新的大发展时期。几十年来，我国铁路的科学技术也得到了很大的发展，取得 了许多成果，科学技术在铁路提高能力、保证安全、增加效益等方面起到了重 太推动作用。 但是，从总体水平看，我国铁路运输能力不足，技术装备水平低，管理手 段落后，运输质量较差，不能适应市场经济发展的需要。客运高速技术研究处 于初级阶段，信息技术应用进展相对缓慢，运营管理和调度指挥基本沿用传统 手段和方法，我国铁路尚未完成从传统产业向现代化产业的转变。随着公路、 民航系统的迅速发展，铁路在国家运输工作总量中的份额在不断下降，出现了 各种运输方式相互竞争的局面，铁路面临着严峻挑战。 铁路作为我国国民经济的大动脉，综合运输体系中的骨干，对于实现国民 经济和社会发展目标，具有极为重要的作用。从现在起到本世纪2 0 2 0 年，是我 国铁路深化改革，加速发展。实现从“短缺型”向“适应型”、传统产业向现代 化产业转变的关键历史时期。为了实现顺应世界科技进步潮流，把握世界铁路 发展趋势，适应社会主义市场经济的特点，满足国民经济发展的需求，进一步 扩大运能，提高质量，改善服务保证安全，增加市场竞争能力，就必须采用 现代化科学技术，依靠科技进步实现铁路科技进步历史性的飞跃。 ， 目前，我国铁路的安全技术装备落后于运输生产不断发展的要求，运量与 运能的尖锐矛盾，是我国铁路存在超负荷运用铁路设备的严重倾向，长此以往， 必将降低设备的安全系数，缩短使用寿命，危机行车安全。此外，铁路运输自 身固有的点多、线长、生产的连续性、协作性和全天候等特点，使铁路设备也 具有种类多、数量大、配置分散、连续运转、自然力影响大和有形损耗严重等 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 特点，不仅加大了保证设备技术状态经常性良好的难度，而且还不易使运用中 的设备始终处于有效的监控之下。所有这些，使铁路运输安全基础建设面临更 为复杂和艰巨的挑战。发达国家铁路技术发展的实践表明，随着现代铁路高速、 重载和信息技术的应用与发展安全技术已成为与一系列高新技术相互融合、 彼此渗透、不可分割的先导技术，研制和发展先进的高质量的运输基础设备和 安全技术检测设备已经成为铁路现代化的重要标志。因此在我国铁路大发展 的形势下，强调运输设备的基础作用不失时机地进行机辆设备的系统配套改 进和安全技术装备的加强，改善车辆状态，改善检测装备提高安全保障能力， 必将大大加强我国铁路的安全基础设备。 因此，在铁路列车全面提速和铁道部以科技创新保安全的形势下，铁道部 加强了对铁路车辆的大、中、小修的工艺验收，以确保行车安全运输就成为必 然。 现行铁路货车的走行、制动等关键部位，实旖检测微机化、自动化，以消 除原始人工测试过程中人为因素对测试结果的影响，用先进的设备保证行车安 全尤为重要，其中车辆制动性能测试项目更加突出。传统的制动测试以人工手 动完成，测试过程中，工人一手持操纵把位手柄，作各种制动与缓解操作，并 依铁道部标准逐项实施检查并记录风压、声音、长度等一系列相关数据，再通 过复杂的经验性的综合判断，来确定货车制动性能是否符合铁道部单车试验要 求，而整车性能的不确定性、随机性因素加剧了这个检测过程的难度。从以上 工艺过程不难看出，单车试验测试工艺的复杂性。 现有车辆段采用机械式单车试验器人工测试车辆制动技术性能测试过程 繁索，工人劳动强度大，效率低。以站修车辆为例，由于车辆制动机型号不同， 单车试验测试时间大约需要3 0 一4 0 分钟。测试时，检测人员既要手动操作单车 试验器，操纵手把状态改变，又要眼盯风表压力变化，同时还要卡表计时，耳 听车辆制动声响，还要多次钻到车底用卡尺测量制动缸活塞行程，记录测试结 果。由于每天车辆检修量大，测试任务十分频繁，检测人员车前车后车底下不 停奔跑十分辛苦，更重要的是测试结果不能作到客观，难以排除人为因素 影响，进而直接影响测试质量，存在安全隐患，难以实现检测自动化的标准化 管理。 据统计，全路运行的货车车辆达7 0 余万辆，根据技规要求，运行一年以上 的车辆需要段修，运行半年以上的车辆需要站修，还有不少临修车辆，各车辆 段检修车辆任务非常繁重。显而易见，沿用年代已久的第一代机械式单车试验 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 器已不适应铁路现代化建设的需要。随着铁路现代化进程的加快铁道部多次 行文，要求将机械式单车试验器更新换代，实现自动测试，从根本上排除人为 因素的影响，提高测试质量，确保行车安全。 与此同时，有关单位开发了第二代单车试验器，采用单片机或微机实现了 部分功能自动控制( 手把转换及风压控制) ，而制动参数测试( 动态时间及制动缸 活塞行程) 仍需人工测量，再将测量数据人工输入微机处理。这种称为微机控制 的单车试验器采用的是开环控制的测试方法，不能实现自动测试，测试结果同 样不能排除人为因素影响。检测人员测试时，时而自动，时而手测，使用不便， 现场应用积极性不高，仍然存在安全隐患。 2 0 0 0 年5 月，我们根据郑州铁路局科学技术委员会下达的科研项目一一 铁道车辆智能全自动单车试验器的研究与开发，和洛阳车辆段等单位联合攻 关，共同开发出具有闭环控制功能的智能型单车试验器。在攻关中我们坚持科 研开发与生产实践相结合，加大科技攻关力度。我们深入现场一线，跟班作业， 与工人师傅一道体验使用机械式单试验器人工测试车辆制动性能和全过程，探 索实现自动测试的有效方案，找出问题症结所在，不断改进和完善设计方案， 缩短了研制周期，解决了许多技术难题，在较短时间内生产出样机，投入现场 应用。有丰富测试经验的工人师傅参与软件编程修改，将他们积累的测试技能 编入操作程序。经过共同努力，智能全自动单车试验器投入试运用，使单车试 验实现了自动测试，为站修车辆单车试验的自动化提供了保障。 二、单车试验的目的和手动单车试验器简介 l 、单车试验的目的 铁道车辆经过检修后( 包括摘车临修，摘车轴检或处理制动故障以及辅修 以上修程) ，必须进行单车制动性能试验( 简称单车试验) ，检查制动机及车辆 制动系统的检修质量是否符合铁道部技术管理规定的要求，以保证铁路的行车 安全。 2 、手动式单车试验器的构造及工作概况 机械式单车试验器的基本构造由制动软管连接器1 给风阀3 ，双针压力表 4 ，单车制动阀5 和远心集尘器2 等组成。这些配件都装在带构架的小车上，以 便于移动使用如下图所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 单车制动阀手把位置ii iv 充气或排气起止压力( k p a ) 5 0 - 1 5 05 0 0 4 0 05 0 0 - 3 0 05 0 0 2 0 0 客孔径参考尺寸( m m )6 41 o】22 44 8 车时间l g 一2 0l o _ 1 1 56 7 53 5 货孔径参考尺寸( m m )6 4o 6o 92 03 7 车时间5 0 5 21 5 1 6 58 - 93 5 5 3 、4 、6 、机能检查合格后，将客车单车试验器制动管压力调整至6 0 0 k p a 。 3 、4 、7 、单车试验器须装有风笛，风笛的作用须良好。 三、手动( 机械式) 单车试验器出现的技术问题 单车试验是针对铁道车辆大、中、小修完成后整车制动性能的测试而制定 的个关键工艺。现有车辆段采用机械式单车试验器人工测试车辆制动技术性 能，测试过程繁索，工人劳动强度大，效率低，所用的专用测试设备是单车试 验器。原始的单车试验器是人工手动设备，其构造简单，主要组成部分是过滤 减压器、回转阎、双针风表、连接软管等，过滤减压闼主要保证测试气压的稳 定和气体的清洁；双针风表分别观察两个主要的测试参数一风源压力及列管压 力；回转阀较为复杂，上有6 个把位： 一位快充风( 巾6 4 m m ) ， 二位是慢充风( 中0 6 r a m ) i 三位是保压位( 空档) ， 四位是感度慢排气( 书0 9 m m ) ， 五位是常用排风位( 巾2 o m m ) ， 六位是紧急排风( 由3 7 w - n ) ， 新增两个g 1 2 0 排风位五位常用排风位( 中2 9 m m ) ，六位是紧急排风位( 审 6 o m m ) 。 手动单车试验器的测试对象是车辆的单车制动系统，它主要由制动机、配 套风缸、闸调器、连杆、闸瓦等组成。核心部件是制动机，有g k 、1 0 3 、1 2 0 三种类型。不同的制动机配有不同的风缸系统，有些车还装有可自动调节闸瓦 间隙的闸调器、手动空重车调整器或空重车自动调整器( 4 0 2 ，k z w _ 4 ) 等，上述 部件的复杂的组合形成不同的制动系统，而不同的制动系统要求不同的测试方 法及相应的标准，这些都有相应的铁道部标准加以规定。其作用原理为列车管 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 压力的上升意味着缓解，此时系统中的副风缸与列车管相通，贮存列车制动时 所需的动力，同时制动风缸的风会排尽，制动缸活塞完全缩回：列车管压力的 下降意味着制动，此时系统中的副风缸与列车管自动切断，同时与制动风缸相 通，推动制动缸活塞伸出制动，这种转换由制动机中的三通阀或分配阀来 完成，列车管压力既是动力源又是制动环节的控制源。( 基本原理见下图) 空 三通棚制动作用位置圉 闸调器的作用也非常重要它是在制动机定性完成制动作用后，动态调整 制动缸活塞行程长度，使闸瓦在正常磨损范围内，制动行程不变，而制动行程 不变则可以保证制动缸的动力空气气压稳定，从而达到稳定制动力的目的。行 程过短，制动压力偏高，易抱死列车车轮，造成车轮踏面损伤：行程过长，制 动后制动缸压力偏低，制动压力不够。为区别空重车时对制动力矩的不同要求， 有些车采用了几种办法，简单的方法是手动空重车调整装置，还有采用空重车 自动调整装置的。 连接软管两节，一节是从气源到单车试验器，另一节是从单车试验器至列 车管。以站修车辆为例由于车辆制动机型号不同，单车测试时间需要3 0 4 0 分钟。测试时，检测人员既要手动操作单车试验器，操纵手把状态改变又要 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 眼盯风表压力变化，同时还要卡表计时，耳听车辆制动声响，还要多次钻到车 底用卡尺测量制动缸活塞行程，记录测试结果。由于每天车辆检修量大，测试 任务十分频繁，检测人员车前、车后、车下不停奔跑，十分辛苦，更重要的是 测试结果不能作到客观，难以排除人为因素对测试结果的影响，进而直接影响 测试质量，存在安全隐患，难以实现检测自动化的标准化管理。因此从技术上 实现单车试验的自动检测非常必要。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 第2 章车辆制动机制动理论分析 一、直接作用式制动机的制动缸压力计算( g k 型，1 2 0 型，g l 3 型等制动机) 在直接作用式制动机中各型三通阀和1 2 0 型空气控制阀控制的制动机，它 们具有相同的作用方式，制动缸压力的计算方法也是相同的。 为讨论方便，用以下代号、意义和单位： p l _ 一制动前制动管的绝对压力( k p a ) 。 p 。制动后制动管的绝对压力( k p a ) 。 p 。f _ 一制动前副风缸的绝对压力( k p a ) 。 p ，制动后副风缸的绝对压力( k p a ) 。 p 厂制动前制动缸的绝对压力( k p a ) 。 p ：。制动后制动缸的绝对压力( k p a ) 。 p ，制动前附加风缸的绝对压力( k p a ) 。 p 。制动后附加风缸的绝对压力( k p a ) 。 p 制动前降压气室的绝对压力( k p a ) 。 p 。制动管定压的绝对压力( k p a ) 。 r 制动减压量( k p a ) 。 r ，副风缸减压量( k p a ) 。 p 厂制动后制动缸的表压力( k p a ) 。 p 广一制动前副风缸的表压力( k p a ) 。 p 制动管定压的表压力( k p a ) 。 v f - 一副风缸容积( l ) 。 v ：制动前制动缸容积( l ) 。 v ：制动后制动缸容积( l ) 。 v ，降压气室容积( l ) 。 ( 一) 副风缸与制动管的压力关系 i 制动前，主活塞处于充气缓解位，制动管向副风缸充气达定压，因此： p 。f = p l _ p 2 制动后，常用制动后，制动管减压量小于最大有效减压量( r 1 73 5 61 7 95 9 货车 2 5 41 1 14 0 1 2 0 2 0 3 5 61 7 96 0 l 2 一a3 0 4 03 5 62 1 g7 31 6 7 客车 l 3 ，g l 3 4 0 5 04 0 52 8 59 42 3 0 l 3 ，g l 3 5 04 5 73 6 11 2 23 1 l 副风缸、附加风缸、制动缸存在着容积比值接近于： v f ：v z ：v f j = 3 5 ：1 ：8 但考虑到压缩空气逆流及连接管路容积等因素，其三者等效容积比值取： v f ：v z ：v f j = 3 2 5 ：1 ：7 8 在制动缸活塞行程达规定的最大行程2 0 0 姗( g k 型和1 2 0 型重车位制动缸 t ， 活塞行程1 6 0 棚) 称为标准行程。标准行程时式( 1 ) 中二上取3 2 5 ，则制动缸 屹i 压力计算表达式为： r = 3 2 5 r 一1 0 0 ( k p a )( 2 ) 在制动缸活塞行程为标准行程时，只要知道制动管的减压量值代入式( 2 ) 便可 容易地计算出制动缸地压力值。 事实上，在实际运用过程中，制动缸活塞行程大多为非标准行程，要较准 确地计算制动缸压力，只能利用式( 1 ) 去计算，根据制动缸地直径，活塞行程 加上缓解位活塞与后盖的间隙( 2 0 衄) 首先计算出制动缸容积v z ”求出值 y z i 与制动管减压量r 一起代入式( 1 ) 求出制动缸压力p z 值。 2 g k 型和1 2 0 型制动机空车位制动缸压力的计算 1 2 0 型空气制动机采用与g k 型空气制动机相同的手动二级空重车调整装 置，空车位时降压气室( v ，为1 7 l ) 与制动缸连通，相当于扩大了制动缸的容 积，以此来降低制动缸的压力。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 利用等温气体状态方程列出g k 型和1 2 0 型空车位制动前和制动后的压缩空 气状态方程式： pf v f + pz v z + pj v j = pf j v f + p2 i ( v z l + v j ) 上式中制动前取v ：= o ，所以p ：v z = o ：降压气室制动前为大气压力 p j = l o o k p a ： p ，i - p ，一r 。代入上式得： pr v f + 0 + l o o v 产( pr - - r ) v f + p ：i ( v l 。+ v j ) 化简整理得p ：i = i o = - o v j + 了v f r ( k p a ) v ，+ ， 表压力p z = p ：，一i 0 0 所以p z 2 筹一1 0 。( k p a ) ( 3 ) 空车位制动缸活塞行程运用中最大限度为1 3 5 咖，加上缓解位余隙2 0 姗， 则制动缸容积： v ：生x ( 1 3 5 + 0 2 0 ) ( l ) 4 代入1 4 i n 制动缸，直径d = 1 4 0 2 5 4 = 3 5 5 6 d m v 矿! ：! ! ! 鲨! ( 1 - 3 5 + 0 2 0 ) ：1 5 4 l 4 将各容器容积代入式( 3 ) 化简整理得： p z = 1 2 8 r 一4 7 5 ( k p a )( 4 ) 式( 4 ) 是在1 4 i n 制动缸空车位运用中制动缸活塞行程最大值1 3 5 姗特例 时导出的，一般情况下仍要根据制动缸活塞行程计算出制动缸容积与副风缸、 降压气室容积一起代入式( 3 ) 再代入相应的制动管减压量值，计算出制动缸 压力。 三、间接作用式制动机制动缸压力计算 我国采用1 0 3 型及1 0 4 型分配阀控制的车辆制动机均属于间接作用式制动 机。据其作用特点，制动缸压力受容积室压力控制。制动保压位，制动缸得到 与容积室接近相同的压力，只要计算出容积室的压力值也即求出了制动缸的压 力。 制动时，容积室的压缩空气来源室压力风缸。而制动前压力风缸的空气压 力是充气缓解结束后的制动管定压，制动后压力风缸的减压量与制动管减压量 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 1 页 基本相等。这样便可利用波义耳一马略特定律列出压力风缸与容积室在制动前和 制动后的气体状态方程式： p 。v 。+ p 。v 。= p 。v 。+ p 。v 。 式中p 。一一压力风缸制动前的绝对压力( 即为制动管定压的绝对压力) ( k p a ) ： p 。容积室制动前的绝对压力( 即为大气压力的绝对压力l o o k p a ) ( k p a ) ： p 。制动后压力风缸的绝对压力( p g l = p7 。一r r 为制动管减压量) ( k p a ) ： p + 。制动后容积室的绝对压力( k p a ) ； v r 压力风缸容积( l ) ； v 厂容积室容积( l ) ； 化简p + 。v , ：+ i o o v r _ ( p g r ) v 。+ p r 1 v r pr 1 v r = 1 0 0 v r + v c r p 。萨1 0 0 + 堡r ( k p a ) 表压力p r = p 。一1 0 0 p r = v or ( k p a ) 制动缸压力p z = p ，= 堡r ( k p a ) k 压力风缸、容积室与1 0 4 型副风缸和制动缸的容积见下表。 1 0 3 1 0 4 型制动机容积室与压力风缸容积 容积固定管路 阀体内容积总容积 名称容积容积 制动位缓解位制动位缓解位 容积室 3 90 2 6o 24 1 64 1 压力风缸 1 10 2 80 2 50 1 51 1 5 31 1 4 3 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 1 0 4 型制动机制动缸与副风缸容积( l ) 制动缸制动缸容积 制动前制动制动前制动 直径 副风缸总容积缸总容积 缸容积余隙2 0 0 r a m行程 ( m m ) 制动位缓解位 容积2 0 0 r a m 容积 3 5 61 2 01 9 91 9 8 51 9 92 1 8 4 4 0 61 8 02 5 92 5 9 42 5 92 8 5 4 考虑到减压开始压力风缸向制动管逆流等因素的影响，并经实验测定，采 用压力风缸容积v 。与容积室容积v 。的等效容积比为2 6 ，所以制动缸压力计算 公式为： p z = 2 6r ( k p a )( 5 ) 1 0 3 型( 重位车) 和1 0 4 型制动缸压力采用式( 5 ) 计算。 1 0 3 型空车位，制动缸压力近似等于容积室压力的一半，所以制动缸压力 为： p z = o 5p r 【- 1 3r ( k p a )( 6 ) 实际空车位在空车跳跃弹簧的作用下，制动缸压力要略大于重车位压力的 2 。1 0 3 型及1 0 4 型制动机制动缸压力计算。由于其压力风缸和容积均室固定 不变的，压力风缸与容积室的换算容积比永远取2 6 ，所以只要知道制动管减 压量代入公式( 5 ) 计算出p ：值就是重车位制动缸的实际压力。 从以上制动力的分析不难看出，制动缸的活塞行程是一个非常重要的物理 量。是制动过程中原始数据的基础，所以准确掌握制动缸行程是单车试验智 能自动化关键。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 第3 章智能单车试验器的方案设计 一、方案设计的思路 由手动单车试验器试验标准及内容可以看出，人工测试包括了：人工计时、 人工测长、人工操作、人工综合故障判断等内容。测试过程中，人为因素在单 车测试中的影响是显而易见的，不精确的单车试验方法与手段已不能适应铁路 提速对车辆制动性能的要求。针对手动单车试验器的构造和特点。曾经有些单 位做过一些简单的自动化改造，主要是风缸测控、手把位由电磁阀代替、测试 的部分过程自动化等，但关键的工艺动作制动和缓解的定性、定量判断还 依赖于人工，主要原因是直接定性和定量分析制动与缓解的重要参数制动 缸活塞行程长度不易自动测量确定，由于制动缸型号不同、形状不同、周围环 境不同等因素的影响，通常所采用的自动测长方法无法实现，至今仍由人工测 量记录，甚至还得由人工从制动机排气声响来判断制动和缓解，测试难度并未 改观，所以这样改造的单车试验器并未有质的飞跃。 上述分析可知，列车管压力的测量、手动操作手把位的电磁阀代替等环节 实现相对较易，单车试验嚣改造的难点在于制动缸活塞行程的有效测量上，即 研制一种专用的活塞行程测量器，它要求测长精度高、抗干扰、测量时安装方 便。有了它才有可能实现全自动闭环、智能测控，以及故障诊断等。 智能单车试验器用电磁阀代替原有回转阀手把位，保留原手动功能( 见手 动按扭) 。主机控制采用工控机( 5 8 6 ) 及附属测控板卡，初步设计为试验器应 能完成自动检测、自动测量、打印、存储、查询等任务。操作过程简单易懂 菜单式操作，信息全屏中文显示，提示内容丰富。最重要的是实现对单车制动 性能的直接闭环测控，对单车制动效果，缓解效果可以动态演示，改变咀往听 阀声、目测活塞行程的原始办法。制动效果由间接判断变为直接判断。 l 、系统结构： 采用5 8 6 主板、4 5 0 m h z 主频的工控机，1 4 英寸彩显标准键盘，高精度压 力传感器，1 2 位a o 采集卡设计专用的活塞行程测长器。智能单车试验器应 真正实现各种车辆单车实验的自动化。试验精度高，测试数据无人为干扰。 基于此，初步方案设计如下图： - 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 1 2345 1 一监视器 4 一挡板 2 一自动手动转换开关3 一手动测试按钮 5 一软钮6 一微机电源开关 7 一r e s e r 8 一双针风压表9 一单车试验器的总电源1 0 一监视器开关 操作专用键盘 2 、后面板布局： 采用如下图的布局方式。 1 2 左 多 l 一8 8 5 工业专用板数据线2 打印机接口 3 a d 专用接口4 一测长器专用接口 按钮 1 1 一 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 5 页 3 、电器控制系统 自动测量闭环系统加手动测量系统 4 、电源 2 2 0 v 的系统电源( 外接) ，内有断电自动延时3 0 分的u p s 不问断电源， 可保护临时掉电时测试的正常进行或安全关机。 5 、手动机制 用于微机临时故障之急用，此时无报表生成，平常使用。 其中设置8 个按钮，第l 一6 个用于g k ，1 0 3 阀；+ 5 ，+ 6 为g 1 2 0 阀的常制动与 紧急制动位。 6 、传感器l 路a d 压力信号输入 7 、活塞测量器管路部分 8 、管路部分如图 a过滤减压器 滤水滤尘、降压、稳压 b电磁阀 采用电动干式直接控制阀，无须油雾润滑。l 位和+ 6 位采用电磁阀问接控 制，其余直接控制。 l 位0 6 4 m m快充风 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 6 页 2 位中o 6 姗缓解感度 3 位保压 4 位中0 9 m制度感度 5 位 中2 o m m 常规制动( t tg 1 2 0 阔) 6 位 巾3 7 1 1 1 【n紧急制动( 非1 2 0 阀) + 5 位 由2 9 m mg 1 2 0 阀常规制 + 6 位 m6 6 哪 g 1 2 0 阀紧急制动 双针压力表 输入、输出气管的连接软管用快速接头连接。 智能单车试验机应在操作人员输入车辆号、制动机型号及相关技术参数， 就能根据操作指令按测试项目分类自动模拟手柄状态，控制列管风压变化，操 纵制动机完成要求的测试动作，并将采样的测试结果自动返回微机实时处理。 智能单车试验机应能动态显示车辆制动机测试过程，包括手把状态改变， 列管风压变化，制动缸活塞行程伸缩，操作者对制动机测试过程目了然，避 免测试人员车前、车后、车下反复检查之苦。 智能单车试验机还应能正确引导操作人员测试，自动显示测试项目，注意 事项，测试要求( 铁标) 标准，动态测试时间及最终的测试结果，提示故障， 判断合格与否。使智能单车试验机成为名符其实的专家诊断系统。 智能单车试验机的软件编程应充分考虑了车辆各种修程对单车制动性能测 试的需要，适应厂修、段修、站修、临修不同作业要求。同一种修程测试采用 了多种灵活的操作程序，可以按标准测、选项测、也可以单项重测，非常适应 现场作业。譬如，站修测试经常遇到这样的情况，单车制动试验已经进行了部 分项目测试，均合格通过。而接着做豹一项不合格，而且由此影响以后项目测 试，检测和排除车辆故障又需较长时间等待。在这种情况下智能单车试验机可 以保存被测车辆己测试数据，暂时中断，退出运行，进行其他车辆测试。以后 再对该车续测。只需输入该车车辆号即可完成续测内容，形成本车完整的测试 文件。 智能单车试验机必须实现测试过程自动化，缩短车辆单车制动性能测试时 间，保证了测试质量，减轻职工劳动强度，测试效率必须大幅度提高。 智能单车试验机的测试数据库可以容纳当班作业全部检修车辆制动机测试 数据，通过软盘将数据输入车间管理微机，打印标准的存档报表。同时与车辆 段管理系统联网，进而纳入规划中的路局或全路车辆管理系统网络对车辆运 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第：2 7 页 行与检修情况实行科学管理。 二、测量方案的确定 充分考虑到各种制动缸外形的特殊性和测量环境的限制，基于方便拆装的 原则，设计一种测长器，测长器主体的下部采用磁吸式可轻松地将它固定在 不规则的制动缸外壁上，测长拉绳伸出端由软质弹性塑料定位。可根据不同的 制动缸外形调整位绳伸出口的位置，使得拉出的测长绳与制动缸活塞伸出的方 向是平行的，以测得准确的制动缸活塞伸长量。测量的长度量通过a d 转换， 方便的输入计算机进行数据处理。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 8 页 第4 章智能单车试验器的工程设计 智能单车试验器组成及应用原理如下图所示 图中，除车辆制动要为测试对象及虚线连接部分外其余为智能单车试验 机组成设各，集中组装在可移动推行的测试车机柜中。 考虑到单车试验的工作特点，整个试验器要方便作业，灵活移动，符合安 全规章，因此单车试验整机设计成一个活动小车，在小车上安装完成单车试验 项目的数据采集、数据显示、压力传输、与风源和列车管相联结的设施、相关 继电器、电磁伐、工业控制计算机等设施设备。如下图示： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 9 页 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第3 0 页 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第3 1 页 面板设计要使用方便，方便观察。除了放置计算机监视器的位置，还设置 自动手动挡切换钮，电源开关，手动试验选择项目按钮以及双针风压表。一辆 车在进行完单车试验后除了打印相关报表外，还应对试验数据可靠保存。为了 存储数据的要求，设置软盘驱动器，方便数据的存储。面板设计如下图所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第3 2 页 一、硬件设计 前面已经指出，直接定性、定量反映制动、缓解的重要参数制动缸活 塞行程长度直接反映制动和缓解的重要因素，设计一种能满足各种车型、各种 型号制动机活塞杆自动测量的测长器非常重要。 测长器的原理与技术指标 充分考虑到各种制动缸外形的特殊性和测量环境的限制，基于方便拆装的 原则，设计了如下测长器见下图： 测长器主体的下部采用磁吸式，可轻松地将它固定在不规则的制动缸外壁上( 见 图) 测长拉绳伸出端由软质弹性塑料定位。可根据不同的制动缸外形调整位绳伸 出口的位置，使得拉出的测长绳与制动缸活塞伸出的方向是平行的。内有光电 旋转编码测长电路，可将测长信号转化为a 、1 3 两脉冲信号，其原理如下： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 3 页 a b a b 对于光码盘测长后所得到的a 、b 两测长脉冲( 相位相差9 0 。4 5 。) ，利用相 位差经特殊的电路处理可判向，从而得到相应的测长脉冲矢量值m 、n ，供微机 使用，实践应用中，5 个脉冲咖，采用二倍频方式，即上升沿、下降沿均有效 的方法，提高了测长精度( 0 1 唧) ，活塞行程l = ( h i - f i ) 掌2 女o 1 胁，上述测长方 式由于采用了数字方式，测长精度高，现场的抗干扰性能好，更为突出的特点 在于0 位的自整定功能，即它可在制动缸彻底缓解时( 活塞全部缩回时) 自动记 0 位。经现场使用，该测长器的性能完全达到铁标指标，大大降低了操作人员 的劳动强度。 下图是测长器人工拉出一定长度后，经光电旋转编码测长电路和计算机a d 模 数转换，在计算机屏幕上得到形象图形使操作者非常方便直观的掌握制动缸 活塞的伸出量。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 4 页 二、用户接口设计 对于整个系统而言，硬件骨架已经确立。接下来的首要任务就是软件的实 现，即操作与智能的结合。就现在的微机控制系统而言，存在着功能全、测控 任务多、控制简洁、实现容易、成本低的特点，现阶段计算机的技术水平结合 现代控制理论，开发具有一定人工智能的控制系统是可行的。就是在控制系统 中加入系统操作员的决策与控制。系统操作员在整个系统中，其逻辑推理能力、 决策能力都是最大的，因而把操作员的意志转移到控制系统中，可以极大的增 强控制系统的决策与逻辑判断推理能力。有取舍的加入操作员的智能就是软件 需要解决的第一个问题。这就是软件设计的人机接口( u m i ) ，准确的说应该是， 操作员与系统的融合设计接口。只有把这个问题解决好，才能使系统的可操作 性、灵活性以及决策能力达到较优的状态。结合单车试验的实际操作程序，我 们经过定义、建模、试验、总结，最后我们得到了下面的主要控制u m i 图： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 5 页 图： l 开始j 上 配置被检测车辆参数 j 测试任务配置 ii ，上上tt 1 l 标准测试选择测试数据处理手动测试退出系统 j r 1 r 选择需测试项目 i 机能检测l 上 ，上 数据