王學(xué)影　陳勇飛　胡曉峰　郭斌

摘要：目前中繼閥的檢測(cè)主要依靠整體制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，且檢測(cè)步驟繁瑣，測(cè)試精度、效率無(wú)法保障。針對(duì)中繼閥由總風(fēng)遮斷閥、管座、雙閥口式中繼閥3部分組成的結(jié)構(gòu)，采用自動(dòng)控制與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，設(shè)計(jì)一套中繼閥性能檢測(cè)系統(tǒng)。基于PCI數(shù)據(jù)采集控制卡，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，開發(fā)LabVIEW中繼閥數(shù)據(jù)采集控制軟件，搭建中繼閥實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。模擬中繼閥在緩解充氣、緩解保壓、制動(dòng)、制動(dòng)保壓、過充5種狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)總風(fēng)遮斷閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)、列車管階段增壓減壓、活塞靈敏度、供氣閥供氣、排氣閥排氣、過充等6項(xiàng)測(cè)試，并采用差壓法對(duì)其密封性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試得到總風(fēng)遮斷閥平均動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.206 s，活塞靈敏度平衡性能最大壓力不確定度為0.849kPa，供氣閥供氣性能最大壓力不確定度為0.864kPa，排氣閥排氣性能最大壓力不確定度為0.854kPa，過充最大壓力不確定度為0.851kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足中繼閥各性能測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：中繼閥；數(shù)據(jù)采集；計(jì)算機(jī)控制；自動(dòng)化；不確定度

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）05-0037-06

0引言

中繼閥是軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是軌道車輛對(duì)列車管壓強(qiáng)的間接控制機(jī)構(gòu)，它直接將空氣制動(dòng)的控制信號(hào)放大輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用膜板活塞加雙閥口的機(jī)構(gòu)形式，其性能好壞將直接影響列車制動(dòng)與行車安全。面對(duì)數(shù)額龐大的軌道車輛，其制動(dòng)機(jī)普遍存在構(gòu)造復(fù)雜、檢修手段落后等問題。哈爾濱鐵路局齊齊哈爾科研所研制的機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)工況檢測(cè)儀、蘭州交通大學(xué)設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器的嵌入式機(jī)車空氣制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)都包含對(duì)中繼閥的檢測(cè)項(xiàng)，西南交通大學(xué)楊連宇等研制的中繼閥試驗(yàn)臺(tái)，這些測(cè)試臺(tái)或是對(duì)各型整體制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的改進(jìn)，或是測(cè)試項(xiàng)目不明確，無(wú)法滿足對(duì)中繼閥測(cè)試效率與測(cè)試精度的要求。采用自動(dòng)控制、測(cè)試，數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)并通過計(jì)算機(jī)對(duì)中繼閥各參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、輸出可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中繼閥性能檢測(cè)水平的升級(jí)，同時(shí)也擺脫了原有對(duì)制動(dòng)機(jī)整體檢測(cè)臺(tái)的依賴，能有針對(duì)性地對(duì)中繼閥各性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。

1測(cè)試需求分析

為有針對(duì)性設(shè)計(jì)中繼閥性能檢測(cè)系統(tǒng)，本文選用國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的JZ-7型中繼閥，其由總風(fēng)遮斷閥、管座和雙閥口式中繼閥3部分組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1密封性需求分析

JZ-7型中繼閥的密封膜片、管座與殼體等均存在泄漏的可能，需要對(duì)中繼閥的密封性進(jìn)行測(cè)試。原技術(shù)方案中采用氣泡法檢測(cè)各管口氣密性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定量測(cè)漏且測(cè)量精度低、效率差，經(jīng)比較，差壓法具有檢測(cè)壓力高且能檢測(cè)到微小泄漏等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用差壓法。測(cè)試項(xiàng)包括控制口、輸人口非工作狀態(tài)氣密性與輸入口全工作、半工作狀態(tài)氣密性。測(cè)氣密性時(shí)，設(shè)置平衡時(shí)間為15 s，測(cè)量時(shí)間為30 s，得到泄漏量結(jié)果。

1.2功能特性需求分析

總風(fēng)遮斷閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試：總風(fēng)遮斷閥起著控制總風(fēng)口（輸入口）通斷的作用?？傦L(fēng)遮斷管口加額定氣壓時(shí)，輸人口關(guān)閉；通大氣時(shí)，瞬間打開，測(cè)試輸出口壓力開始上升的時(shí)間。

列車管階段增壓階段減壓測(cè)試：對(duì)列車管口（控制口）循環(huán)進(jìn)行升壓與保壓直至達(dá)到額定工作氣壓500 kPa，之后進(jìn)行循環(huán)減壓與保壓，直至250 kPa停止，每0.05 s氣壓變化15kPa，測(cè)試輸出口氣壓的變化，根據(jù)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)JZ-7中繼閥的要求，測(cè)試過程中控制口與輸出口的壓力差應(yīng)始終小于10kPa。

活塞靈敏度測(cè)試：中繼閥工作時(shí)，當(dāng)輸出口壓力達(dá)到額定氣壓，使輸出口減壓后關(guān)閉排氣閥，測(cè)試輸出口壓力變化曲線。根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，輸出口減壓5 kPa后關(guān)閉排氣閥壓力應(yīng)能恢復(fù)。記活塞靈敏度平衡壓力為P10。

供氣閥供氣測(cè)試：總風(fēng)口作為輸入口，當(dāng)各管口正常打開后，瞬間向總風(fēng)管口通人額定輸入氣壓，測(cè)試輸出口氣壓隨時(shí)間變化的曲線。依據(jù)指標(biāo)，輸出口氣壓由0上升到480kPa的時(shí)間應(yīng)不大于3 s。記供氣閥供氣平衡壓力為P20。

排氣閥排氣測(cè)試：中繼閥控制口定壓為500kPa時(shí)，當(dāng)控制口減壓250kPa，輸出口壓力由500kPa降至與控制口壓力平衡的時(shí)間應(yīng)不大于3 s。記排氣閥排氣平衡壓力為P30。

過充測(cè)試：過充管口作為JZ-7型中繼閥特有的管口，當(dāng)過充管口通入額定氣壓時(shí)，可使得列車管（輸出口）獲得超過規(guī)定壓力25-40 kPa的過充壓力，從而縮短列車初充氣和再充氣的時(shí)間。當(dāng)不通氣時(shí)，列車管的過充壓力能自動(dòng)緩慢消除且不會(huì)引起機(jī)車的自然制動(dòng)。記過充壓力為P40。

2中繼閥性能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括測(cè)試管路設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1測(cè)試管路設(shè)計(jì)

中繼閥工作位置分為以下5個(gè)狀態(tài)：緩解充氣位、緩解后保壓位、制動(dòng)位、制動(dòng)后保壓位與過充位。由于測(cè)試管路較多，40L儲(chǔ)氣罐可以滿足所有氣路的測(cè)試要求。為達(dá)到更好的測(cè)試效果，除過充管口外與氣密性閥板上采用電磁閥外，管路其他控制閥為滿足快速充氣響應(yīng)這一要求，統(tǒng)一采用氣控閥，并獨(dú)立于氣密性測(cè)試管路。為了精確控制氣壓，除在各個(gè)管路分別設(shè)置減壓閥外，在控制口還設(shè)置電氣比例閥以滿足測(cè)試時(shí)的特殊供氣需求。為達(dá)到階段增壓、減壓，系統(tǒng)采用SMC的ITV3050-313CL型電氣比例閥，其控制電壓輸入為0～I(xiàn)OV，壓力輸出范圍為0.005-0.9 MPa。

根據(jù)測(cè)試需求，中繼閥性能檢測(cè)系統(tǒng)管路原理如圖2所示，主要由氣壓傳感器、電磁閥、氣控閥、電氣比例閥、減壓閥、消音器和基準(zhǔn)腔組成。中繼閥過充管口、列車管口、總風(fēng)管口、中均管口裝有氣壓傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控氣壓變化：氣控閥與消音器可實(shí)現(xiàn)快排功能，電磁閥與節(jié)流孔則可模擬慢排氣的工作情況：電氣比例閥可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣氣壓的精確調(diào)整：在列車管口（輸出口）連接一儲(chǔ)氣罐，負(fù)責(zé)模擬負(fù)載的工況。

2.2數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用兩塊數(shù)據(jù)采集卡：PCI-1711u帶有最高采樣率可達(dá)100kHz的12位A/D轉(zhuǎn)換器、2通道12位模擬量輸出與16通道數(shù)字量輸入/輸出；PCI-1730具有32路隔離數(shù)字量I/O，負(fù)責(zé)數(shù)字量輸出控制的需要。

開關(guān)電源、線性電源、數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)組成了數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。開關(guān)電源與線性電源分別為電磁閥與傳感器供電。工控機(jī)為系統(tǒng)的核心，結(jié)合PCI-1711U與PCI-1730兩塊數(shù)據(jù)采集卡，通過板卡的AO輸出電壓給電氣比例閥；AI通道采集傳感器信號(hào)；DI用于系統(tǒng)檢測(cè)故障與處理用戶操作：DO用于控制電磁閥的通斷與信號(hào)報(bào)警燈。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)如圖3所示。

3測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.1密封性測(cè)試分析

采用差壓法對(duì)控制口、輸入口非工作狀態(tài)與輸人口半工作、全工作狀態(tài)的氣密性分別測(cè)試10次，記錄的氣密性測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3.2特性測(cè)試分析

3.2.1總風(fēng)遮斷閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試

總風(fēng)遮斷閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試曲線如圖4所示，測(cè)試前控制口通入500kPa壓力，頂桿將供氣閥打開，但此時(shí)總風(fēng)口因總風(fēng)遮斷閥口通入600kPa壓力而關(guān)閉，列車管口無(wú)壓力。測(cè)試時(shí)將總風(fēng)遮斷管口通大氣，輸入口瞬時(shí)打開，往供氣閥室供氣，當(dāng)壓力達(dá)到控制口輸入值時(shí)，供氣閥關(guān)閉，保持與控制口壓力一致。圖中列車管壓力瞬時(shí)超過500kPa是由于供氣閥關(guān)閉瞬間，擠壓了供氣閥室的空間，使得供氣閥室與列車管相連通的整體空間壓力有了一個(gè)瞬時(shí)升高。此時(shí)頂桿帶動(dòng)排氣閥打開排氣，使得列車管壓力最終保持與控制口一致?？傦L(fēng)遮斷閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間是指從總風(fēng)遮斷閥口通大氣排壓到列車管口（輸出口）開始升壓的時(shí)間，具體如表2所示，測(cè)試10次所得的平均響應(yīng)時(shí)間為0.206 s。

3.2.2列車管階段增壓、減壓測(cè)試

列車管階段增壓、減壓測(cè)試曲線如圖5所示，設(shè)定輸入口氣壓為505 kPa，測(cè)試時(shí)，通過電氣比例閥使控制口實(shí)現(xiàn)增壓一保壓一增壓與減壓一保壓一減壓過程：由圖5可知，輸出口壓力隨著控制口不斷變化。在升壓階段，輸出口壓力跟隨性較好；減壓階段輸出口壓力跟隨性略遜于增壓階段。增壓階段輸出口壓力變化雖落后于控制口，但在保壓階段能夠達(dá)到與控制口一樣的壓力值：減壓階段輸出口壓力跟隨性明顯不如增壓階段，但仍然達(dá)到了壓力差值不超過10kPa的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3活塞靈敏度測(cè)試

活塞靈敏度測(cè)試曲線如圖6所示，當(dāng)壓力穩(wěn)定后，4.5 s時(shí)使輸出口泄壓5 kPa，由圖可知，活塞對(duì)于5 kPa的壓力有響應(yīng)，壓力下降，隨后壓力逐漸恢復(fù)，活塞靈敏度達(dá)到測(cè)試要求。

3.2.4供氣閥供氣測(cè)試

供氣閥供氣測(cè)試曲線如圖7所示，曲線達(dá)到穩(wěn)定氣壓前的波動(dòng)是由電器比例閥自身PID調(diào)節(jié)造成的，并不會(huì)對(duì)測(cè)試造成過多影響（以下測(cè)試曲線同理）。從圖中可知，對(duì)控制口快充氣使得供氣閥快速打開，列車管口（輸出口）壓力由0上升到480kPa的時(shí)間明顯小于3 s。測(cè)試10次得增壓過程時(shí)間如表3所示，平均升壓時(shí)間為0.379 s，達(dá)到測(cè)試要求。

3.2.5排氣閥排氣測(cè)試

排氣閥排氣測(cè)試曲線如圖8所示，當(dāng)列車管壓力穩(wěn)定在500kPa后，控制口瞬時(shí)減壓240kPa，此時(shí)頂桿頂開排氣閥進(jìn)行排氣，列車管壓力降至與控制口壓力相同時(shí)間為0.485 s，符合壓力平衡時(shí)間不超過3 s的測(cè)試要求。

3.2.6過充測(cè)試

過充測(cè)試曲線如圖9所示，列車管達(dá)到控制口壓力500kPa后，向過充管口加600kPa壓力，此時(shí)過充口壓力推動(dòng)過充柱塞頂在中繼閥膜板活塞上，使活塞左側(cè)壓力增加25.78 kPa，延長(zhǎng)供氣閥口開啟時(shí)間，從而使列車管過充25.78 kPa。從圖中可知，當(dāng)過充管口壓力排盡后，過充壓力逐漸降低并消除，列車管壓力恢復(fù)至500 kPa。

上述測(cè)試數(shù)據(jù)與圖像表明，中繼閥性能檢測(cè)系統(tǒng)滿足了設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中繼閥各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試并給出了具體量化的測(cè)試結(jié)果，被測(cè)中繼閥經(jīng)檢測(cè)合格。

3.3不確定度分析

分析測(cè)試系統(tǒng)的誤差源主要有氣壓傳感器、差壓傳感器的測(cè)量誤差，數(shù)據(jù)采集過程中的量化誤差、偏移誤差、增益誤差。JJF 1059——2012根據(jù)《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》中不確定度的定義及評(píng)定要求，對(duì)中繼閥性能檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評(píng)定。對(duì)活塞靈敏度平衡壓力為PIO、供氣閥供氣平衡壓力為P20、排氣閥排氣平衡壓力為P30、過充壓力為P40分別測(cè)試10組數(shù)據(jù)記錄于表4。

測(cè)試系統(tǒng)的誤差主要由測(cè)量重復(fù)性、氣壓傳感器、差壓傳感器、數(shù)據(jù)采集卡引起。測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u_A用A類評(píng)定；氣壓、差壓傳感器帶來(lái)的不確定度分量u₁與數(shù)據(jù)采集卡帶來(lái)的不確定度分量u₂采用B類評(píng)定。

氣壓傳感器的精度、線性、遲滯和重復(fù)性的總和小于0.3%FS，在量程內(nèi)引起的最大誤差為2.7kPa，屬于均勻分布，所以氣壓傳感器的不確定度分量u。為0.577 kPa，同理可得差壓傳感器產(chǎn)生的不確定度分量u₁₂為0.0001kPa。

數(shù)據(jù)采集卡的量化誤差、偏移誤差與增益誤差合成后對(duì)氣壓傳感器和差壓傳感器產(chǎn)生的不確定度分量分別為H21為0.623 kPa、H恐為0.004kPa。

測(cè)試系統(tǒng)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u_c采用以下公式

根據(jù)上式計(jì)算各合成不確定度如表5所示，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好，滿足測(cè)試要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套中繼閥性能檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中繼閥各性能測(cè)試項(xiàng)的檢測(cè)，測(cè)試過程高效、精確、自動(dòng)化程度高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，已成功投入到企業(yè)生產(chǎn)中。彌補(bǔ)了JZ-7型中繼閥技術(shù)條件中一些檢測(cè)項(xiàng)模糊的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)后續(xù)新標(biāo)準(zhǔn)的制定具有借鑒意義。

（編輯：劉楊）