（光学工程专业论文）紧急排风阀试验台的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 和谐型大功率交流传动电力机车制动系统采用模块化设计，包括司机制动阀、直通 制动模块、自动制动模块、停放制动模块、备用制动模块和紧急制动模块等。各模块可 以完成相应功能，所有模块有机结合在一起，就形成了复杂的机车制动系统。紧急制动 模块保证机车在异常情况下实施紧急制动，使列车迅速获得最大制动力，对列车的行车 安全有十分重要的意义。紧急排风阀是紧急制动模块的核心部件，紧急排风阀性能的好 坏直接影响紧急制动模块的性能。 本文旨在设计一个可以准确高效地检测紧急排风阀性能的试验台。文章首先根据紧 急制动模块的工作原理和紧急排风阀的结构确定测试项目和检测方法。并根据测试系统 的结构提出试验台的总体设计方案。 在确定试验台的总体方案后，文章根据试验台的功能要求分别设计了试验台气路和 电气系统。根据试验台的性能要求完成元器件的选型工作，组成试验台的硬件系统。 为了实现试验台试验过程的半自动化，提高生产效率，本文根据试验流程设计了紧 急排风阀试验程序。设计了便于人员操作的程序界面，并编写了不同的程序模块以实现 数据采集、处理及输出，文件管理和保存，传感器标定，人员管理，打印输出等功能。 试验软件与试验台硬件系的有机结合大大提高了试验结果的准确性和效率。 本文设计的试验台采用先进的测试技术，避免了一些有人工操作引起的误差，使试 验结果更精确，试验过程更高效，可以用于紧急排风阀性能的测试。 关键词：制动系统；紧急排风阀；试验台；研制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t h e x i et y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v eh a v eam o d u l a rb r a k es y s t e m ，w h i c hi n c l u d i n ga u t o m a t i c d r i v e r sb r a k ev a l v e ，i n d i r e c tb r a k em o d u l e ，d i r e c tb r a k em o d u l e ，p a r k i n gb r a k em o d u l e ， b a c k u pb r a k em o d u l ea n de m e r g e n c yb r a k em o d u l e e a c hm o d u l eh a si t so w nf u n c t i o n ，a n d t h eb r a k es y s t e mi st h eo r g a n i cc o m b i n a t i o no fa l lt h em o d u l e s ，i ti sac o m p l e xs y s t e m t h e e m e r g e n c yb r a k em o d u l ec a ne n s u r et h a tt h el o c o m o t i v ec o u l da p p l yt h ee m e r g e n c yb r a k ei n u n u s u a ls i t u a t i o n i nt h i ss i t u a t i o nt h et r a i nc a ng e tt h em a x i m u mb r a k ef o r c ei nas h o r tt i m e i t h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r t h es a f e t yo ft h et r a i n e x h a u s tv a l v ei st h ec o r ec o m p o n e n to f t h ee m e r g e n c yb r a k em o d u l e ，w h o s ep e r f o r m a n c eh a sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo f t h eb r a k es y s t e m t h i sp a p e ra i m st od e s i g nat e s tb e n c h w h i c hc a r ld e t e c tt h ee x h a u s tv a l v e sp e r f o r m a n c e a c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l y a tt h eb e g i n n i n gt h ep a p e rd e t e r m i n e st h et e s ti t e m sa n dt h et e s t m e t h o d sa n dp r o p o s e st h eo v e r a l lp r o je c to ft h et e s tb e n c h a f t e rt h i st h ep a p e rd e s i g n st h ep n e u m a t i cs c h e m ea n de l e c t r i cs c h e m ea c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o no ft h et e s tb e n c ha n dc h o o s e st h ea d a p t i v ec o m p o n e n t sa c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so f t h et e s tb e n c h t h e s ec o m p o n e n t sf o r mt h eh a r d w a r es y s t e mo ft h et e s tb e n c h i no r d e rt oa c h i e v et h es e m i - a u t o m a t i o no ft h et e s tp r o c e s s ，i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ， t h ep a p e rc o m p i l e ss o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h et e s tp r o c e s s t h i ss o f t w a r eh a sap r o g r a m i n t e r f a c et h a tt h ew o r k e rc o u l do p e r a t ee a s i l y ，a l s oh a ss o m em o d u l e st h a tc o u l da c h i e v et h e f u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n do u t p u t ，f i l em a n a g e m e n ta n dc o n s e r v a t i o n ，s e n s o r c a l i b r a t i o n ，p e r s o n n e lm a n a g e m e n t ，a n dp r i n tt e s tr e p o r t t h ec o m b i n a t i o no ft h eh a r d w a r ea n d t h es o f t w a r eg r e a t l yi m p r o v e dt h ea c c u r a c yo ft h et e s tr e s u l ta n dt h ee f f i c i e n c yo ft h et e s t b e n c h t h ed e s i g no ft h et e s tb e n c hu s e ss o m ea d v a n c e dt e s t i n gt e c h n o l o g yw h i c hc o u l da v o i d t h ee r r o r sc a u s e db ym a n u a lo p e r a t i o n t h et e s tr e s u l ti sa c c u r a t ea n dt h et e s tp r o c e s si s e f f i c i e n c y t h i st e s tb e n c hm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h ee x h a u s tv a l v e sp e r f o r m a n c et e s t i n g k e yw o r d s ：b r a k es y s t e m ；e x h a u s tv a l v e ；t e s tb e n c h ；d e v e l o p m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文目的及意义 第1 章绪论 当今铁路发展的趋势是高速和重载技术，这两项技术的飞速发展对经济发展起到了 巨大的推动作用。其中高速列车技术主要用于客运，现阶段已取得了瞩目的成就，给人 民的生活提供了便捷；重载技术主要应用于货运，大秦线已成功开行2 万吨重载列车。 列车制动技术作为列车核心技术之一也得到了很大的发展 1 4 】。传统的东风系列内燃机 车和韶山系列电力机车已经逐渐被和谐系列机车所取代。在和谐系列机车上，传统的 j z 7 、d k 1 制动机也被新型的制动系统所取代，例如克诺尔的c c b i i 制动系统和法维 莱制动系统。与传统的制动机相比较，新型的制动系统采用了先进的理念和控制技术， 使制动系统的功能更全面、控制更精确。法维莱制动系统采用模块化系统，将制动系统 划分为若干模块：司机制动阀、直通制动模块、自动制动模块、停放制动模块、备用制 动模块和紧急制动模块等。各个模块发挥相应的功能，并有机结合起来使制动系统的功 能完备，控制精确。各个模块主要以各种类型的气动阀、电磁阀和电空模块组成，因此 这些阀的性能将会对整个制动系统的性能起决定性的作用。 紧急制动模块对行车的安全起着十分重要的作用，紧急制动模块的核心部件是紧急 排风阀，因此紧急排风阀的性能对列车的安全运行起着十分重要的作用。现在的机车有 紧急制动按钮、车长阀等可以实施紧急制动功能的装置，但将制动控制手柄推至紧急制 动位通常是司机的首选操作。而且，机车紧急制动的相关指标如紧急制动列车管排风的 时间都与紧急排风阀的性能息息相关。此外，如果行车过程中紧急排风阀故障而导致了 意外的紧急制动，将会造成很大的损失，不但会损坏轮对、钢轨，甚至会有脱轨和断钩 的危险。 本文的主要目的是针对紧急排风阀的性能要求，研制一个易操作、可靠性高、检测 精确的试验台用于检测紧急排风阀性能，保证装车的紧急排风阀安全可靠，从而保证列 车的运行安全。此外，用于机车的阀类部件很多，本文也可为其他阀类试验台的研制提 供参考。单阀试验台在很大程度上保证了单个阀的性能，从而可以避免由阀的故障而导 致制动系统调试或单机试验时一些问题的发生，有效提高系统调试和故障排查的效率。 1 2 国内外研究概况 制动装置都要按规定进行一系列的性能试验，合格后方准装车，因此针对老式的空 气制动机的试验台应运而生。国内主要有沈阳机车车辆机械厂成批生产制动试验台。有 用于检测三通阀、分配阀或控制阀的试验台，例如7 0 1 型试验台可用于三通阀的性能试 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 验，7 0 5 型试验台可用于1 0 4 1 0 3 及1 2 0 制动机的主阀和紧急阀的性能试验。7 0 5 试验台 简图如图1 1 所示。 州 安 装 座 翊l f 再二f 二二二二远；一 j 一一舾一西_ 癖擘垂率。一。 一-_ 睹风缸 图卜17 0 5 试验台简图 7 0 5 试验台和1 2 0 试验台对1 2 0 分配阀进行性能检测时，试验时间长，并且阀的某 些性能需要在低温下进行检测，因此出现对小容积试验台的需求。小容积试验台可以减 小设备体积，便于小房间低温环境使用，同时也减少试验时间，降低试验台制造成本。 大连交通大学利用计算机仿真系统，仿真对比标准试验台和小容积试验台试验，通过仿 真同一个阀在两种容积试验台上的试验过程，寻求等效于7 0 5 试验台试验标准的小容积 试验台的对应标准。 铁道部沈阳机车车辆配件厂、四方车辆研究所、天津机车车辆机械工厂曾联合研制 了j z 7 型空气制动机试验台。该试验台模拟机车制动系统，对j z 7 型机车制动机进行 综合性能测试，即能对单阀进行性能测试，也能检测各单阀产生的故障的部位，经测试 达到技术标准的各单阀可以互换作用，具有良好性能。j z 7 型机车制动机试验台经过实 际运用验证，达到设计技术要求，具有国内制动机试验台的先进水平，可以满足j z 7 型 机车制动机技术性能测试的需要。该试验台的研制，为我国机车制动机性能测试，增添 了统一的标准检测设备，为我国铁路向高速度、长大列车发展提供可靠的制动机检测设 备。 莱芜钢铁集团有限公司运输部在j z 7 型制动机试验台的基础上进行改进，设计制作 出f 6 型分配阀试验装置。设计时，充分考虑了f 6 型分配阀试验装置构造简单、操作灵 活同时还考虑了f 6 和f 一7 两种分配阀试验的快速切换，使该试验台可以满足f 一6 和f 7 嚣f 擐 意 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 两种分配阀的性能试验。 新型的和谐型电力机车使用了更先进的制动系统，分别为克诺尔c c bi i 和法维莱制 动系统。由于两种制动系统控制原理有差别，其构成制动系统的阀也各不相同。两个公 司都针对各自产品利用不同的试验台检测各种阀的性能。图卜2 就是法维莱公司紧急排 风阀试验台的外观图。该试验台采用电磁阀控制气路，人工测量和读取数据。此外，国 内的四方机车车辆研究所和株洲电力机车研究所也对单阀试验台的研制进行了相关研究 工作。 1 3 本文的主要工作 图1 - 2 法维莱紧急排风阀试验台 本文以h x d 2 c 型电力机车制动系统紧急排风阀为对象，设计一个可以用于测试该阀 性能的自动化试验台。以机械气路为基础，应用电气元件和计算机结合先进的测控技术 实现对试验参数的精确测量和自动读取、处理、存储和输出。本文主要完成的工作内容 如下： ( 1 ) 根据紧急制动模块和紧急排风阀的原理和结构，确定试验台需要完成的测试项 目，并以此提出试验台总体设计方案。 ( 2 ) 设计试验台气路，根据试验台性能要求完成试验台气动元件的选型。并确定试 验具体操作步骤，形成试验规范。 ( 3 ) 完成试验台电气系统的设计，根据性能要求完成电气元件的选型。在完成所有 器件选型后，设计试验台柜体，完成试验台总成。 ( 4 ) 按照试验流程和要求编写试验软件，实现试验数据的自动测量、读取、存储和 输出功能，并编写试验相关模块，如传感器标定程序，试验人员管理程序等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章试验台总体方案设计 本章首先介绍h x d 2 c 机车制动系统紧急制动模块以及紧急排风阀的工作原理与结 构组成，对其性能和功能要求进行分析，从而确定需要对紧急排风阀测量和检查的项目。 针对这些测试项目确定测试方法，根据测试系统的组成及设计步骤有针对性的提出整个 试验台的总体方案及子系统的组成，并确定设计思路及步骤。 2 1 h x d 2 c 电力机车紧急制动功能 h x d 2 c 制动系统由司机制动阀、备用模块、自动制动模块、直通制动模块、停放 制动模块以及紧急制动模块组成。紧急制动功能通过紧急制动模块实现 8 】。 根据安全导向的原则，大部分机车的制动系统都采用失电紧急的原则。考虑到如果 仅仅是紧急制动模块的供电系统出现问题，则会产生不必要的紧急制动；而且，现代的 电力机车技术已经非常先进且较为完备，一般机车都具有多重冗余的紧急制动功能，例 如车长阀、紧急制动按钮、电紧急制动按钮、l k j 惩罚紧急制动等，这些安全措施不都 完全依靠制动系统的紧急制动模块。因此，h x d 2 c 型电力机车紧急制动采用得电紧急 的原则，虽然有悖于普遍认可的失电紧急的原则，但可以避免由紧急制动模块意外失电 而造成的不必要的紧急制动。同时，由于现代机车都具有较高的可靠性，紧急制动模块 功能丢失的可能性极低，而且冗余的紧急制动功能完全可以保证在非常情况下紧急制动 功能的施加。 2 1 1h x d 2 c 机车制动系统紧急制动模块 h x d 2 c 紧急制动模块由两个紧急电磁阀、一个紧急排风阀、一个紧急模块隔离阀 门和一个压力开关组成。紧急制动模块的原理图如图2 1 所示。 醪 图2 1 紧急制动模块原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 紧急排风阀q ( e c h ) i u r g 为带微动开关的两位两通气动阀，其预控压力来自总风管， 并由电磁阀控制总风管到紧急排风阀先导腔室气路的通断。一旦气路导通，在先导压力 的作用下，紧急排风阀为导通位，从而使列车管排大气，实现紧急制动，微动开关的导 通状态可以告知制动控制单元紧急排风阀的位置。电磁阀v e u r g l 和一u r g 2 均为 两位三通电磁阀，分别由机车的安全装置和制动控制单元控制，任意一个电磁阀得电， 均可使总风管到紧急排风阀先导腔的气路导通。紧急模块隔离阀门r b ( i s ) q ( e c h ) u r g 的作用则是在故障状态下隔离紧急制动模块，微动开关的信号可以指示紧急制动模块的 隔离状态。当阀门打到隔离位置时，列车管到紧急排风阀的通路被切断，即使紧急电磁 阀得电，列车管无法通过紧急排风阀排大气，因而机车也无法通过紧急制动模块实施紧 急制动。需要隔离紧急制动模块的故障状态一般有以下几种情况：紧急排风阀气密性不 良导致列车管泄漏、紧急排风阀阀芯卡滞以及紧急电磁阀意外常得电等。当紧急排风模 块被隔离后，机车仍可通过气动紧急制动按钮，车长阀等装置实施紧急制动功能。 2 1 2 紧急排风阀 紧急制动时，列车管通过紧急排风阀排大气。紧急排风阀结构非常简单，为一个带 微动开关的二位二通气动阀，其先到压力可以为一个压力控制，也可以为多个压力控制， 根据不同的需求，紧急排风阀可以有不同的形式，其结构原理简图如图2 2 所示。 先导压力 大气 先昌压力 丈气 碉车譬 a d 撵气口 先胥渤 先唇励 翻车譬 b e 图2 2 紧急排风阀原理图 先禺肋 大气 翻车譬 e f 捧气口 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 2 显示了几种紧急排风阀的形式，从结构来区分，其中a 、b 、c 三种是带微动 开关的紧急排风阀；d 、e 、f 是不带微动开关的紧急排风阀；从控制压力来区分，其中a 、 d 为一类，通过控制压力运行。其控制室上下气室通入不同的气源，其中控制室上气室 接先导压力，且上气室可以有两个先导压力，其中任意一个先导压力都起控制作用，即 两路先导压力是“或”的关系，控制室下气室接大气，正常情况下，上下气室的压力均 为大气压力，在弹簧的作用下排气阀保持关闭，控制装置起动时，向上气室通入先导压 力，当先导压力足以克服弹簧力时，活塞杆向下运动，排气口打开，列车管通大气。b 、 e 为一类，通过控制压力运行。其控制室上下气室通入不同的气源，其中控制室上气室 接先导压力，且上气室只有一个先导压力，而下气室通大气。正常情况下，上下气室的 压力均为大气压力，在弹簧的作用下排气阀保持关闭，控制装置起动时，向上气室通入 先导压力，当先导压力足以克服弹簧力时，活塞杆向下运动，排气口打开，列车管通大 气。c 、f 为一类，通过差动控制运行。上、下气室连通相同的气源，下气室入口处增加 缩堵，正常情况下，上下气室压力相同，阀口闭合，当下气室排气气路接通后大气后， 下气室压力迅速下降，由于缩堵的作用，下气室的压力不能立即得到补充从而使上下气 室形成压力差，当上下气室的压力差足以克服弹簧压力时，活塞杆向下运动，排气口打 开，列车管排大气。在闭合下气室排气口，经过一定的时间，下气室压力稳定后，控制 室上、下气室压力相同，在弹簧力的作用下，排气口闭合，列车管停止排大气。 根据h x d 2 c 型电力机车制动系统紧急模块的原理可知，紧急排风阀的先导压力为 总风，当紧急电磁阀得电后，总风压力通入上气室，活塞杆向下运动，排气孔打开，列 车管排大气。因此，h x d 2 c 紧急排风阀应选择图2 2 中b 型紧急排风阀。紧急排风阀的 具体结构如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 匿 卜阀体；2 、5 、1 2 、2 8 - 0 型圈；3 一下弹簧座；4 、9 、11 、3 1 - 弹簧；6 一推杆； 7 一活塞杆；8 、2 2 - 弹簧座；1 4 、1 7 、2 4 、2 7 - 垫圈；1 5 一微动开关；1 6 、2 8 - 螺母； 1 8 一绝缘纸；1 9 一螺栓：2 0 - 定距套；2 1 - 上盖板；2 3 - 膜板；2 5 - 活塞； 2 6 - g 1 ”h 排风管；3 0 - 底板；3 2 - 阀芯；3 3 上阀体；3 4 - 衬套；3 5 - 止簧；3 6 - 法兰 图2 - 3 紧急排风阀结构组成图 如图2 3 所示，紧急排风阀主要由控制室上气室，下气室，排风阀组成。膜板活塞 上方为控制室上气室，总风压力作为先导压力通过视图b - b 所示的管路进入上气室，即 膜板活塞上方。膜板活塞下方为控制室下气室，h x d 2 c 紧急排风阀的先导压力只有总风 压力，因此，控制室下气室不接入先导压力，直接连通大气。排风阀由阀芯和阀座组成， 阀芯为精密金属件，阀座表面为橡胶层，在弹簧的作用下，阀芯与阀座压合在一起，切 断出入口通路。当先导压力进入控制室上气室，膜板活塞带动阀杆向下运动，推动阀座， 从而打开阀口，使列车管的压力迅速排大气。 紧急排风阀阀杆受力示意图如图2 4 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页、 图2 - 4 活塞杆受力示意图 如图2 4 所示，活塞杆主要受三个力的作用，其中f 1 是控制室上下气室压差产生的 先导力，f 1 = p s l ，控制室活塞膜板的尺寸为中8 6 ；f 2 为列车管压力作用于阀产生 的向上的力，f 2 = p s 2 ，列车管压力为5 0 0 k p a ，活塞尺寸为q b 4 0 ；f 3 为弹簧产生的向 上的力，弹簧刚度k 为11 2 n m m ，紧急排风阀安装完成后，弹簧会被压缩，并产生2 5 0 n 的力。由f i = f 2 + f 3 建立平衡关系，可以得出p 约为1 5 0 k p a 。因此要使阀口打开，控 制室上下气室间的压力差至少为1 5 0 k p a 。活塞杆运动时受力还有摩擦力和活塞自重，但 这两个力对活塞运动的影响较小，可以忽略不计。 2 2 紧急排风阀性能要求及测试方法 设计紧急排风阀试验台的目的是为了在紧急排风阀安装到制动控制柜进行例行试验 之前就能够对阀的基本功能及性能进行测试，确保其质量可靠。虽然依靠制动控制柜的 例行试验一般也可以检测相关气动阀或电磁阀的功能，但是，一旦试验因某个阀的质量 问题而中断，需要花费一定的时间从整个制动系统的角度去分析排查故障源，锁定故障 件。而通过单阀试验台的测试就可以基本确定阀是否合格。一般通过单阀试验台测试的 气动阀在安装到制动控制柜上进行例行试验时，都能顺利通过试验，可以提高生产效率。 此外，制动系统对于列车的行车安全至关重要，通过单阀试验台和制动控制柜例行试验 的双重检测，可以在很大程度上保证产品质量。 2 2 1 紧急排风阀性能要求 要准确检测紧急排风阀的功能及一- i , 工, q - - 厶匕日匕，必须在设计紧急排风阀试验台时结合整个制 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 动系统对紧急排风阀的要求，尽可能的模拟出紧急排风阀的工作环境。紧急排风阀的技 术指标见表2 1 。 表2 1 紧急排风阀技术指标 紧急排风阀应用在紧急制动模块中，必须能够实现紧急制动功能的相关要求。根据 h x d 2 c 机车制动系统单机例行试验规范的要求，对紧急制动功能有如下具体要求： ( 1 )实施紧急制动时，列车管压力从定压( 5 0 0 k p a 6 0 0 k p a ) 降至4 0 k p a 的时间 3 s ； ( 2 )实施紧急制动时，制动缸压力达到4 5 0 1 0 k p a ，且制动缸压力从0 到最大压力 的9 5 所用的时间t - = 4 l s 。 上述要求中，第一点与紧急排风阀有关，即紧急制动时，紧急排风阀能够在3 s 内将 列车管的压力由定压排到4 0 k p a 以下。在设计试验台时，应重点测试紧急排风阀的此项 功能，并将紧急排风阀的工况考虑在内，例如列车管的总容积、紧急排风阀排风口的尺 寸等参数。 在测试紧急排风阀的功能时，要考虑到阀动作的灵敏度与不灵敏度。不灵敏度指一 定范围内的泄漏不会引起阀的动作；灵敏度指上下控制气室的压制达到一定值后，阀就 动作，并考察列车管压力从定压降到4 0 k p a 的时间是否符合相关要求。 紧急排风阀为气动阀，因此，对阀体的气密性有较高的要求。试验过程应该对紧急 排风阀控制室的上、下气室和排风阀进行气密性测试，尤其是排风阀的气密性。因为排 风阀用于控制列车管的排风，如果排风阀气密性不符合要求，那么列车管将会通过排风 阀泄漏，造成安全隐患。 h x d 2 c 机车的紧急排风阀为带微动开关的紧急排风阀，因此试验还应考虑开关的 断开、闭合状态是否与阀的动作一致，以保证开关发送出了正确的开关量信号。 2 2 2 试验台测试项目及方法 试验台主要用于产品出厂的例行试验，以保证产品的出厂质量。根据紧急排风阀性 能的要求，可以确定紧急排风阀试验台的例行试验测试项目及方法。具体测试项目如下： ( 1 ) 目测产品外观是否完好。紧急排风阀用于气动系统中，如果阀体存在划痕， 例如阀体与系统的连接面出现划痕，极可能出现泄漏问题。因此，试验前应对产品外观 进行目测检查，第一时间排除损坏件，以避免后续不必要的试验工作，提高生产效率。 ( 2 ) 气密性检测。气密性检测是所有气动产品必须检查的项目。根据紧急排风阀 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的结构，其气密性的检测主要有3 个腔室，分别是控制室上气室，控制室下气室以及排 风阀。其中排风阀的气密性检测包括高压气密性和低压气密性的检测。 常用的气密性检查方法主要有：水检法、直接压力测试法、流量测量法、差压法、 氦气测量法以及超声波测量法等。其中水检法和氦气测量法属于直接测量法，即直接测 定泄漏量；其他几种方法都属于间接测量法。直接压力测试法、流量测量法和压差法是 利用气体流量公式，通过检测相关的参数来检测气体的泄漏量，其参数选取对泄漏量检 测的精度影响很大1 l 。 水检法 水检法是传统的泄漏检测方法。水检法是指将被测件放入水中，通过观察气泡的产 生情况来判断泄漏，此方法可以确定泄漏发生的位置，且易操作。但是，此方法多适用 于密封容器的泄漏检测，不适用于紧急排风阀，且无法检测内漏。 直接压力测试法 直接压力测试法是指向被测件通入一定压力的气体( 如空气，氮气等) ，然后切断进 气口，监测压力，经过一定的时间后，如果压力下降则说明被测件存在泄漏现象。可以 通过压力变化的大小计算泄漏量；也可以直接参考降压量来评定被测件的气密性。此方 法的精度有所使用的压力传感器的精度确定。该方法具有操作简单，测试快速等优点， 比较适用于紧急排风阀气密性的检测。直接压力测试法的测试原理如图2 5 所示。 图2 5 直接压力测试法原理图 直接压力测试法有一个不足之处就是被测工件被充入一定压力的气体后需要动作阀 门以隔绝气源。根据有关研究显示，动作阀门时会对被测工件气室内的压力造成一定的 波动，降低测试精度。动作阀门产生的压力波动如图2 - 6 所示。针对这种现象，试验时 可采取先稳压后测泄漏的方法避免，即关闭阀门后，先稳压l 2 m i n ，然后进入一定时间 的保压过程，并记录下保压开始和结束时的压力值，通过比较两个值来评价被测工件的 气密性。 压力值t p 图2 - 6 压力波动图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 流量测试法 流量测试法是利用微小流量测试仪器测量被测工件的泄漏量。测试原理如图2 7 所 不。 流量传感器 _ 被测工件 图2 7 流量测试法原理图 流量测试法的测量精度由所使用的流量传感器决定。目前使用的流量传感器主要有 节流式、层流管式、容积式、动量式、涡流式等多种。由于流量测试法测量的流量大小 与喷管的横截面积成正比，如果要求的精度比较高，则要求喷管截面小，且泄漏量较小 时，气阻很大，测试时间就会很长。因此，这种测量方法比较适合测量大泄漏。 差压测试法 差压测试法是同时相两个工件充入一定压力的气体，两个工件中，一个位标准件， 即无泄漏件，另一个为被测件。当被测件有泄漏时，通过两个工件间的压差传感器测出 泄漏件与标准件之间的压差，并计算泄漏量。因为差压传感器具有很高的精度，因此该 方法可以用于微小泄漏的精确检测。差压测试法原理如图2 8 所示。 图2 8 差压测试法原理图 ( 3 ) 功能检测 气密性检测完成后，需要检测紧急排风阀的功能。紧急排风阀功能性试验主要包括 两个部分：灵敏度试验和不灵敏度试验。灵敏度试验是指在控制气室上下气室产生一定 的压差后，排风阀能够立即打开，并在一定的时间内使列车管降压力到一定的范围内； 不灵敏度试验是指，只要控制气室上下气室之间的压力差在一定的范围内，排风阀不会 动作，保持闭合。 同时，功能检测过程中还应该检测微动开关的状态。只需将微动开关串连进一个带 有指示灯的回路，通过观察指示灯的状态来判断微动开关的状态。测试原理如图2 - 9 所 示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 试验台总体方案提出 图2 - 9 微动开关测试原理 紧急排风阀试验台实质上是一个测试系统，因此该试验台的设计应该遵循测试系统 设计的相关原则。因此，本节首先介绍测试系统的概念，为试验台总体方案的提出提供 理论依据，然后提出试验台的具体方案及设计思路及步骤，并提出组成试验台子系统的 框架。 2 3 。1 测试系统概述 测试技术是通信技术、自动控制技术、计算机科学等有机结合、综合发展的产物。 随着现代工业发展，测试技术对于产品生产过程中控制和改进产品的质量等方面都起着 重要作用，是发展现代工业技术的重要措施之一。 2 3 1 1 测试系统组成 测试系统的主要任务是获得被测物理量的真实可信的测量值，这些物理量多以信号 的形式体现，如位移信号，速度信号、电压信号、电流信号等。因此，首先要检测出被 测对象所呈现的有关信号，再加以分析处理，最后将结果提交给信息处理装置。一般情 况下，一个测试系统包括如下内容：激励源、传感器、信号处理、显示记录或运用，可 用图2 1 0 所示框图表示。现代化的测试系统都采用以微型计算机为核心的数据采集处理 系统，结合了硬件和软件以实现数据采集和处理的自动化和高精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 厂一一一显示记录 被 信 测 传 口 信 亏 传 号1 一显示记录 对 惑预 - - - l i d , i i 象 器 处 输处 i 理 理 i- q 运用 l _ l 激励源卜一- 激励控制一 图2 一l o 测试系统框图 激励源：向被测对象输入能量，激发出能充分表征有关信息且易被检测的信号。有 些试验，被测对象在适当的工作状态下即可产生所需的信号，不需要激励源；有些试验 则需要外部装置的激励才能产生所需的信号。 传感器：是测试系统与被测对象直接发生联系的部分，能感受规定的被测量并按一 定规律转换成同一种或另一种便于显示或传递的输出信号的器件或装置。传感器通常由 敏感元件和转换元件组成。敏感元件直接感受被测量，转换元件将敏感元件的输出转换 为适于传输和测量的信号。许多传感器中敏感元件和转换元件是合为一体的。传感器的 好坏直接影响检测系统的精确度和其他指标，是测试系统中非常重要的环节，通常要求 传感器具有一定的准确性、稳定性和灵敏性。 信号处理：将传感器输出信号转换成便于输出和处理的规范信号。因为传感器输出 信号一般是微弱且混有噪声的信号，不便于处理、传输或记录，所以一般要经过调制、 放大、解调和滤波等处理，或进一步做变换，如模拟量转换为数字量等。一般要求测试 系统的信号处理环节能够准确、稳定、可靠地传输、放大和转换信号，并且具有一定的 抗干扰能力。 显示记录或运用：通常希望知道被测量得瞬时值、累加值或者其随时间变化的情况。 因此通过显示、记录设各将处理结果显示或记录下来，供测试者作进一步的分析。若该 测试系统是某一控制系统中的一个环节，处理结果将直接被运用。 测试系统的组成与研究任务有关，因此，测试系统的设计需要根据实际应用的情况 而定，不一定必须包含上述系统框图的所有环节，同样也可以根据实际需要适当增加一 些环节。 2 3 1 2 测试系统设计的原则及一般步骤 测试系统设计的基本原则有：测量装置选用：满足关键指标、合理的带宽、借口标 准；误差分配：综合误差最小或合成不确定度最小，选择直接测量量精度适中的方案， 降低难度；传感器选用：优先考虑功能；可行性评估。 测试系统设计的一般步骤为：确定测试任务，选择测量方法，选择传感器，后续测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 量系统的选定，软件设计，测量系统性能评定。 确定测试任务首先要明确要求检测或监测的参数以及参数的计算，例如传递函数 等。然后要了解测试环境，例如，高温、高压、高冲击；工作介质，例如水、油、空气 等。 测量方法的选择首先要考虑功能的满足：在线测量或离线测量；实时测量或离线分 析；实时测控；数据存储、数据发布及数据传输。其次要考虑测量指标：非线性度、精 度、量程、分辨率；稳定性、温漂、零漂、频响。最后要根据成本选择相应的测量方法。 简易方法：传感器+ 电压表；传感器+ 模数转换板+ 微机。适中的方法：传感器+ 信号处 理+ 信号测量。先进的方法：传感器+ 信号处理+ 信号的测量、传输和分析。 传感器的选择要同时兼顾被测量的特点和测试系统的性能要求。 软件设计要满足测试系统的功能要求，并尽可能使界面简洁，操作方便。 2 3 2 试验台基本要求 本文设计的紧急排风阀试验台，主要用于对装配完毕或返修的紧急排风阀阀进行功 能和性能试验，从得出的试验数据和试验报告来评价紧急排风阀的功能和性能是否符合 要求为合格产品。 紧急排风阀试验台的基本要求为： 试验台应具有高可靠性，测试结构精确、易操作，有较高的自动化程度； 试验台工作噪声低、节省能源、控制成本； 系统所用测量仪表、传感器按国家标准配置； 能够进行紧急排风阀的气密性试验和性能试验； 能够储存试验数据，输出试验报告； 能够根据产品序列号查询历史数据，用于产品追溯。 2 3 3 试验台总体方案提出 紧急排风阀试验台本质上就是一套测试系统，用于监测紧急排风阀工作时相关腔室 及进、排气口的压力值，以判断紧急排风阀的功能和性能是否符合要求。因此试验台的 设计思路可以遵循测试系统的设计步骤和设计原则进行。根据试验台的主要要求，该试 验台选择传感器+ 数据处理+ 微机的组成形式。 首先要确定测试任务。紧急排风阀需要监测的项目在2 2 节已经根据紧急排风阀的 功能和性能要求一一列出，主要包括气密性检测和功能检测。主要的被测量均为压力， 而紧急排风阀只有安装到制动控柜上并接通风源及相关管路后，相关的腔室及进、排气 口才会在不同的工作状态下产生对应的压力。因此，为了实现对紧急排风阀工作时各腔 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 室压力的测量，需要设计一个气路系统模拟制动系统中的紧急制动单元从而确保紧急排 风阀各工况下测的数据的准确性。气路设计完成后需要通过三维建模软件将气路图实现 为三维模型，为试验台柜体的生产加工提供依据。 其次是试验台的电气原理设计，根据测试系统框图，此部分包括数据采集与数据处 理的等部分。具体应该涉及到传感器的选择与使用，数据采集电路的设计，工控机的选 择以及供电模块等。 最后是根据试验流程设计试验软件。 2 4 本章小结 本章首先介绍了h x d 2 c 电力机车紧急制动模块的工作原理，紧急排风阀的结构组 成及工作原理。以此为测试对象，根据测试系统的组成及设计原理，提出了紧急排风阀 试验台的总体方案以及子系统的组成，提出了试验台的设计思路及主要步骤，为后续的 子系统的具体设计提供基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章试验台气路设计 根据上一章的内容，紧急排风阀需要检测的项目主要包括气密性检测和功能检测， 因此在气路设计时不仅需要能够模拟紧急制动模块的相关功能，还要求能够利用已有的 气路实现气密性检测的功能。由此，气路的设计应该包括实现紧急排风阀功能的气路以 及气密性检测两个基本气路，此外，h x2 c 电力机车使用的紧急排风阀带有微动开关， 因此在气路设计好后还需加入微动开关的检测电路。在设计气路时应根据实际情况尽可 能使得气路简洁，在保证功能的同时控制试验台制造的成本。本章将针对检测的内容设 计相应的气路并合成最终的气路，在气路设计完成后，针对试验台的具体要求进行元器 件选型。 3 1 气密性检测气路设计 根据图2 3 紧急排风阀结构组成可知，紧急排风阀的整个阀体主要由两部分组成， 即控制室和排风阀。其中控制室又可分为上控制室和下控制室两个腔体。因此整个阀体 的气密性检测对象包括控制室上、下控制室以及排风阀三个腔体的气密性。 气密性检测的具体方法在上一章也已经一列出，主要有水检测法，直接压力测量 法，流量测试法等。综合比较各种方法的特点，本文选择直接压力测量法，并且采用隔 绝气源并保压一段时间后再进行气密性测量的测试流程来消除关闭阀门时产生的压力波 动对被测压力的影响，从而保证测试结果的准确性。测量的精确度由选用的压力传感器 的精度决定，本章后续章节会针对本试验台的性能要求以及成本控制等多方面因素综合 考虑选取适合的传感器。 在测量气密性时，气源给各个腔室提供的压缩空气应该为各个腔室工作的额定压力。 因此给控制室上、下气室通入压力为5 b a r 的压缩空气，因为控制室上、下气室由膜板活 塞隔开，检测时应分别给上、下气室充入5 b a r 的压缩空气，而保持另一气室压力为o ； 排风阀与列车管连通，列车运行时列车管压力在不断变化，因此需要分别在高压和低压 两种工况下检测排风阀的气密性，高压工况和低压工况分别选择5 b a r 和0 5 b a r 。 根据直接压力测量法的原理，可以初步得到如下的气密性检测气路原理图，见图3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 一l 气密性检测原理图 如图3 1 所示，气密性检测气路包括9 5 b a r 的气源，过滤器，调压阀，阀门r i r 8 ， 压力表m 0 m 4 ，安装板以及被测紧急排风阀。 过滤器用于净化试验所用的压缩空气，过滤气体中的水分，油与其他固体杂质。如 果试验用的压缩空气含有较多水分，有可能会对试验台管路中的金属部件造成腐蚀，影 响其气密性，从而影响试验的准确性以及试验台的使用寿命。油容易造成橡胶元件的腐 蚀和老化，紧急排风阀内有橡胶膜板等橡胶元件，如果试验过程中残留部分油分，会影 响紧急排风阀的使用寿命。固体杂质，尤其是硬度较大的杂质容易对金属元件造成磨损， 如紧急排风阀阀口如果被磨损或产生划痕则会影响排气阀的气密性，有可能在试验过程 中就损坏阀体，使产品报废。因此，在气源后接入过滤器是十分必要和重要的，对试验 结果，试验台本身的使用寿命以及被测紧急排风阀的质量都有十分重要的作用。 过滤器与调压阀之间接入压力表m 0 ，用于监测气源压力值。当气源压力小于试验过 程所需的压力时，试验无法正常进行。 调压阀用于调节从过滤器输出的压缩空气，根据试验相关步骤的具体要求得到相应 的压力值。例如检测控制室上、下气室的气密性时，需要的压力值为5 b a r ，而检测排气 阀的气密性时需要分别调到高压为5 b a r ，低压为0 5 b a r 两种情况检测。因为在气密性 检测试验过程中，紧急排风阀的控制室和排风阀是相对独立的，所以经过调压阀之后， 将气路分为两路，一路通往控制室，由阀门r 1 控制该路的通断；另一路通往排气阀，由 阀门r 2 控制管路的通断。当检测控制室的气密性时，r 1 导通，r 2 闭合，反之亦然，从 而使两部分的气密性检测可以分别进行。控制室的气路在r 1 之后，气路又分为两路，分 别通往控制室上、下气室，并通过阀门r 5 阀门r 5 控制管路的通断。当测量上气室的气 密性时r 5 导通，r 5 闭合，反之亦然。由于下气室有两个空气入口，因此接入由阀门 r 4 控制的气路，在检测下气室气密性时，阀门r 4 保持关闭状态。控制室上、下气室的 气密性检测必须分别进行，因为试验时上、下气室所使用压缩空气的压力相同，均为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 5 b a r ，如果过同时检测上、下气室的气密性，阀门r 5 和r 5 同时打开，确实可以检测整 个控制室的气密性，但是上、下气室之间的内漏就无法检测了。因此，上、下气室的气 密性应该分别检测以保证同时可以检测控制室外漏和内漏的情况。在上一章的内容中已 经提到，由于关闭阀门时会造成压力波动，因此试验过程中，再给气室通入指定压力的 压缩空气后，先在关闭阀门保压一段时间，等压力值稳定后再通过观察压力表的显示压 力值的变化来判定气密性，如果保压过程中压力一直下降，需要检查阀门是否关闭良好。 控制室为密闭气室，气密性检测试验完成后需要将气室内的压缩空气排空后才能安全将 紧急排风阀从试验台上拆除，因此试验气路中需要加入排气气路。由阀门r 3 控制的气路 即可起到排气的作用。当气密性检测试验完成后，阀门r 1 为关闭状态，阀门r 5 为开启 状态，只要将阀门r 3 打开，即可排空控制室上气室内的压缩空气。控制室下气室也可使 用r 3 控制的气路作为排气气路。另外由阀门r 4 控制的气路也可作为