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制動(dòng)缸緩解彈簧檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

ainet.cn   2009年11月30日

 0 引言

  制動(dòng)裝置是鐵路貨車(chē)的重要組成部分,是鐵路貨物運(yùn)輸秩序和安全的重要保障。鐵路貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)工作過(guò)程非常復(fù)雜、專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的系統(tǒng),制動(dòng)缸作為制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件,它的性能優(yōu)劣直接影響鐵路行車(chē)安全。制動(dòng)缸由制動(dòng)缸蓋、活塞、活塞桿、皮碗及緩解彈簧等組成,緩解彈簧作為制動(dòng)缸的主要部件,又直接影響制動(dòng)缸的各項(xiàng)制動(dòng)性能[1]。所以在車(chē)輛制動(dòng)缸的新造與檢修過(guò)程中,緩解彈簧也需進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法都是手工操作,檢測(cè)精度低、人為因素影響大、勞動(dòng)強(qiáng)度高,不便于管理。為此研制設(shè)計(jì)出了一種專(zhuān)門(mén)用于制動(dòng)缸緩解彈簧的檢測(cè)裝置,以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求[2]。

1 檢測(cè)裝置的組成及工作原理

  1.1 檢測(cè)裝置的組成

  在2007年《鐵路貨車(chē)制動(dòng)裝置檢修規(guī)則》中,規(guī)定彈簧須在數(shù)控彈簧測(cè)力機(jī)上進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)規(guī)則的技術(shù)要求,制動(dòng)缸緩解彈簧檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)如圖1所示。整個(gè)裝置采用雙工位作業(yè)設(shè)計(jì),由機(jī)械部分,電氣控制部分,計(jì)算機(jī)軟件部分三大部分組成。

圖1 制動(dòng)缸緩解彈簧檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

  1-工作臺(tái);2-檢驗(yàn)尺;3-壓力傳感器;4-緩解彈簧;5-彈簧固定桿;6-彈簧座;7-工作臺(tái);8-同步齒形帶;9-伺服電機(jī);10-伺服系統(tǒng);11-絲杠;12-轉(zhuǎn)向架;13-控制箱;14-控制按鈕;15-平板電腦;

  16-微型打印機(jī);17-鍵盤(pán)。

  1.1.1 機(jī)械部分

  檢測(cè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上考慮到彈簧上下貨的方便,將設(shè)備的外形尺寸定為1000m×600m×1800m(長(zhǎng)×寬×高)。在操作方面為使操作者能夠多角度操作,特將操作箱與床身由活動(dòng)的轉(zhuǎn)向架連接,可旋轉(zhuǎn)180°的角度。在安全作業(yè)方面,每個(gè)待測(cè)彈簧將放在帶有凹槽的彈簧座上防止側(cè)滑,四周由4根固定桿組成防護(hù)欄防止向外彈出,其中一根在上下貨時(shí)可拆卸。在移動(dòng)方面,檢測(cè)裝置安裝有4個(gè)帶剎車(chē)的滑輪,可方便的移動(dòng)與固定。在彈簧壓縮方面,檢測(cè)裝置采用絲杠帶動(dòng)彈簧座一起上下移動(dòng)來(lái)完成該動(dòng)作。

  1.1.2 電氣控制部分

  檢測(cè)裝置的電氣控制部分以PLC為控制核心,每個(gè)工位配有獨(dú)立壓力傳感器,伺服電機(jī),伺服系統(tǒng),傳送帶,控制按鈕等,可完成自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制功能。壓力傳感器選用量程為0~5000N,分辨率為0.1N,可反饋回4~20mA的電流型信號(hào)??紤]到被測(cè)件安放的穩(wěn)定性,對(duì)壓力傳感器的承壓部分進(jìn)行了改造,為提高測(cè)量精度,采用剛度大、變形小的底座??紤]到制動(dòng)缸緩解彈簧在壓縮過(guò)程中,壓縮行程精度允許誤差為1mm,要求精度沒(méi)有數(shù)控車(chē)床加工精度高,所以在伺服系統(tǒng)上采用開(kāi)環(huán)控制方式,伺服電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)。

  1.1.3 計(jì)算機(jī)軟件部分

  檢測(cè)裝置的計(jì)算機(jī)軟件部分,主要指測(cè)試裝置的監(jiān)控軟件。該軟件根據(jù)制動(dòng)缸緩解彈簧的特定工藝流程,基于VB6.0編程軟件編制而成的。具有對(duì)測(cè)試過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)顯示,彈簧壓縮參數(shù)設(shè)置,測(cè)試數(shù)據(jù)記錄查詢(xún),打印報(bào)表,模擬鍵盤(pán)輸入等功能。為使設(shè)備輕巧簡(jiǎn)單,上位機(jī)計(jì)算機(jī)采用帶觸摸功能的平板電腦,配備微型針孔打印機(jī),以及備用微型鍵盤(pán)。檢測(cè)裝置的主控制界面如圖2所示。

圖2 制動(dòng)缸緩解彈簧檢測(cè)裝置主控界面

  1.2 檢測(cè)裝置的工作原理

  為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸緩解彈簧檢測(cè)裝置檢測(cè)過(guò)程全自動(dòng)化,達(dá)到智能控制要求。操作員在進(jìn)行操作前,需要通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件對(duì)整個(gè)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,設(shè)置的內(nèi)容有彈簧類(lèi)型,彈簧壓縮次數(shù),每次壓縮行程,合格標(biāo)準(zhǔn),限位設(shè)置等多項(xiàng)內(nèi)容。

  檢測(cè)裝置根據(jù)設(shè)置可完成智能化運(yùn)行。通過(guò)壓力傳感器采集當(dāng)前彈簧壓縮狀態(tài)下的回彈力,并將其轉(zhuǎn)化成4~20mA的電流型信號(hào),傳遞給主控制器PLC的模擬量接收模塊。PLC對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波、整流等處理,再與上位機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信,把處理后的信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)的緩存區(qū)中。監(jiān)控軟件一方面通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中接收到的信息進(jìn)行解析,判斷處理,完成制動(dòng)缸緩解彈簧檢測(cè)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄、限位報(bào)警、故障診斷等操作;另一方面通過(guò)對(duì)PLC發(fā)送控制信息,完成對(duì)伺服系統(tǒng)高頻脈沖信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入。PLC與計(jì)算機(jī)的串行通信是通過(guò)PLC控制器上的RS-485串口和計(jì)算機(jī)上的RS-232串口來(lái)完成的[3]。伺服系統(tǒng)接收到控制信號(hào)后,可完成對(duì)伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度,旋轉(zhuǎn)速度等動(dòng)作的控制,通過(guò)同步齒形帶將動(dòng)作再次傳遞給絲杠,完成絲杠與彈簧座的一同上下動(dòng)作,從而使被測(cè)彈簧實(shí)現(xiàn)壓縮和緩解。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的工作原理如圖3所示。

圖3 制動(dòng)缸緩解彈簧檢測(cè)裝置的工作原理框圖

2 檢測(cè)裝置的測(cè)試要求及功能

 ?。?)本檢測(cè)裝置根據(jù)檢測(cè)需求,可完成如表1所示種類(lèi)制動(dòng)缸緩解彈簧的實(shí)驗(yàn):

  表1 制動(dòng)缸緩解彈簧技術(shù)參數(shù)


  (2)檢測(cè)裝置可使彈簧全壓縮5次,測(cè)試第4次及第5 次子自由高,不許有永久變形,并且彈簧在自由狀態(tài)下高度變化不超過(guò)-40mm,超出均視為不合格。壓縮次數(shù)可調(diào)。

 ?。?)由于緩解彈簧在制造及在廠段修時(shí),并未完全按照標(biāo)準(zhǔn)制造及安裝,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的現(xiàn)象存在,一般控制彈簧的自由高允許超出標(biāo)準(zhǔn)高度的+30~+50mm,超出范圍可進(jìn)行界面輸入選擇,此類(lèi)彈簧超出30~50mm內(nèi)的均視為合格。

 ?。?)在測(cè)試完成彈簧自由高以后,進(jìn)行分段回彈力實(shí)驗(yàn),表1中的5種緩解彈簧均可按照如下分段進(jìn)行實(shí)驗(yàn):

  第一段:壓縮81mm時(shí),回彈力>=934N;

  第二段:壓縮241mm時(shí),回彈力>=2780N;

  第三段:壓縮335mm時(shí),回彈力>=3864N;

 ?。?)可輸入并保存各種彈簧的類(lèi)型及參數(shù),選擇需要檢測(cè)的彈簧類(lèi)型后,進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

 ?。?)測(cè)量彈簧自由高時(shí)的接觸力(測(cè)自由高初始觸力)不得大于0.02N。

  (7)開(kāi)機(jī)后或每次試驗(yàn)后自動(dòng)對(duì)壓盤(pán)位移做一次校準(zhǔn)。

 ?。?)顯示屏上可同時(shí)顯示待測(cè)彈簧的所有標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和誤差允許范圍。

 ?。?)在每次自動(dòng)測(cè)試前,能自動(dòng)清除測(cè)力傳感器的零點(diǎn)漂移。

 ?。?0)測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)記錄并顯示實(shí)際測(cè)量結(jié)果,自動(dòng)判斷檢測(cè)項(xiàng)目是否合格。

 ?。?1)具有與HMIS聯(lián)網(wǎng)的接口??纱鎯?chǔ)、查詢(xún)、打印試驗(yàn)結(jié)果,上傳至其他電腦。

 ?。?2)檢測(cè)裝置性能參數(shù)滿(mǎn)足表2的要求。

  表2 數(shù)控彈簧測(cè)力機(jī)性能參數(shù)


  注:L為測(cè)定的任意位置壓盤(pán)間距離(mm)

3 伺服系統(tǒng)控制分析

  按數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)有無(wú)位置測(cè)量反饋裝置可分為開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)無(wú)位置反饋,是數(shù)控系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的伺服系統(tǒng),其驅(qū)動(dòng)元件主要為功率步進(jìn)電機(jī)。PLC發(fā)出的指令脈沖,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大送到步進(jìn)電機(jī),電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度,再通過(guò)同步齒形帶和絲杠螺母副帶動(dòng)絲杠和彈簧座上下移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度正比于指令脈沖的個(gè)數(shù),旋轉(zhuǎn)速度的大小正比于指令脈沖的頻率。由于沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置,系統(tǒng)中各部分誤差,如步進(jìn)電機(jī)的步距誤差、機(jī)械系統(tǒng)的誤差等綜合為系統(tǒng)的位置誤差,所以精度較低,速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制,低速不平穩(wěn),高速扭矩小。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制與調(diào)整,一般用于輕載、負(fù)載變化不大、精度要求不高的場(chǎng)合,在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床改造中使用較多。在制動(dòng)缸緩解彈簧檢測(cè)過(guò)程中,壓縮尺寸精度誤差要求為0.1mm,所以在伺服系統(tǒng)控制方式上采用開(kāi)環(huán)方式控制。本系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)

4 PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的定位控制

  PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的定位控制主要表現(xiàn)在,PLC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào),正/反轉(zhuǎn)信號(hào),使能信號(hào)等的控制,從而使伺服驅(qū)動(dòng)器能夠精確的控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、方向等,伺服電機(jī)再帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng),完成彈簧座的定位控制。在定位控制過(guò)程中主要影響定位精度的因素有: (1)定位控制過(guò)程中所涉及到的一系列傳動(dòng)機(jī)械誤差,包括絲杠間隙、同步齒形帶的松緊、絲杠絲母的配合等因素。(2)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算的PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確度。

  在本檢測(cè)裝置中,PLC選用了SIEMENS S7-200系列PLC,它具有高速脈沖輸出功能,能在輸出端產(chǎn)生高速脈沖,用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)精確控制。高速脈沖輸出有高速脈沖串輸出PTO和脈寬調(diào)制PWM兩種方式。PTO可以輸出一串脈沖(占空比50%),可以控制脈沖的周期和個(gè)數(shù)。脈沖周期變化范圍是10~65535us或2~65535ms,為16位無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù);脈沖個(gè)數(shù)用雙字無(wú)符號(hào)數(shù)表示,取值范圍是1~4294967295之間。PWM可以輸出連續(xù)的、占空比可調(diào)的脈沖串,可以控制脈沖的周期和脈寬。脈沖周期與PTO相同,脈寬變化范圍是0~65535us或0~65535ms。PTO/PWM輸出不受PLC掃描周期的影響[4],這樣可以滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)精確定位的要求。

  S7-200有兩個(gè)PTO/PWM發(fā)生器,它們可以產(chǎn)生一個(gè)高速脈沖串或者一個(gè)脈寬調(diào)制波形。這兩個(gè)發(fā)生器與過(guò)程映像寄存器共用數(shù)字輸出點(diǎn)Q0.0和Q0.1。當(dāng)在Q0.0或Q0.1上激活PTO或PWM功能時(shí),PTO/PWM發(fā)生器對(duì)輸出擁有控制權(quán),同時(shí)普通輸出點(diǎn)功能被禁止。每個(gè)高速脈沖發(fā)生器對(duì)應(yīng)一定數(shù)量的特殊寄存器、包括控制字節(jié)寄存器,狀態(tài)字節(jié)寄存器和參數(shù)數(shù)值寄存器,它們用以控制高速脈沖輸出形式,反映輸出狀態(tài)和參數(shù)值。各寄存器功能表如表3所示[5]。

  表3 相關(guān)寄存器的功能表


5系統(tǒng)檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

  根據(jù)鐵路貨車(chē)檢測(cè)工藝要求,制動(dòng)缸緩解彈簧需要完成自由高檢測(cè)和分段回彈力檢測(cè)兩項(xiàng)內(nèi)容。彈簧檢測(cè)設(shè)備必須為數(shù)控設(shè)備,并且具有機(jī)能檢查功能。來(lái)校驗(yàn)系統(tǒng)的精度。檢測(cè)設(shè)備在檢測(cè)彈簧之前需要對(duì)控制系統(tǒng),數(shù)控設(shè)備,傳感器,量具等自我檢測(cè)和校驗(yàn),以便保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。制動(dòng)缸緩解彈簧的上下貨過(guò)程由人工來(lái)完成,檢測(cè)過(guò)程可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制或人工手動(dòng)控制完成。系統(tǒng)整個(gè)檢測(cè)流程如圖5所示。

圖5

6 結(jié)束語(yǔ)

  上述彈簧檢測(cè)裝置,用同一臺(tái)設(shè)備可檢測(cè)多種型號(hào)的彈簧,測(cè)量速度快,無(wú)需檢測(cè)人員過(guò)多參與,從而避免了人為因素產(chǎn)生的誤差,客觀評(píng)定彈簧的質(zhì)量,同時(shí)又具有精度高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),是彈簧檢測(cè)工作較理想的設(shè)備。除了用于檢測(cè)制動(dòng)器彈簧外,只要將其加載機(jī)構(gòu)和控制軟件作相應(yīng)改動(dòng),還可用作其它彈簧的測(cè)量。目前,該裝置已被中國(guó)北車(chē)集團(tuán)沈陽(yáng)機(jī)車(chē)車(chē)輛有限責(zé)任公司使用,主要用于對(duì)制動(dòng)缸緩解彈簧進(jìn)行自由高檢測(cè)和分段回彈力檢測(cè)。

參考文獻(xiàn):

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(轉(zhuǎn)載)

標(biāo)簽:彈簧檢測(cè)裝置 我要反饋 
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