一种用于地铁制动阀类产品的综合测试系统

喻柳

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

当前城市轨道交通车辆主要采用电制动与空气制动系统结合的形式来对车辆进行减速和停车，空气制动系统作为最后的安全保障，对行车安全至关重要。空气制动系统自1869年美国人乔治威斯汀豪斯成立西屋公司并开始应用以来，虽一直在不断完善，但其结构原理基本上变化不大，仍然大量使用了各种阀类产品[1，2]。如目前几大空气制动供应商的主流产品架控平台，除了制动控制模块（Brake Control Unit，BCU）为各供应商各自开发以外，都应用了大量的其他阀类产品，涉及球阀（截断塞门，带电触点截断塞门等）、减压阀、单向阀、溢流阀、差压阀、高度阀、解钩电磁阀等。这些阀类产品形状各异，接口多样。以截断塞门为例，其安装形式分为管式和面板式安装两种：接口尺寸和通径。管式安装有G1/4、G1/2、G3/4、G1等，板式截断塞门有DN8、DN10、DN20等多种口径。如此多的种类和不同的接口形式，大幅增加了检修的工作量。仅以管式安装的球阀为例，在对其进行架修维护过程时，经过清理拆解，更换密封件并组装完成以后，需要进行功能和泄漏测试；测试之前需要将球阀先连接到测试设备，一般是采用与球阀适配接口的螺纹接头加快插软管的形式，这种方式需要手动将两头的螺纹接头旋入球阀，再采用扳手将其拧紧以保证接头与球阀接合面的密封，测试完以后需要将两个螺纹接头旋出，同时还需要检查球阀螺纹的完整性以及有无异物遗留；整个过程繁琐，耗时，且存在较多的风险[3，4]，例如：测试工装多次使用磨损后可能损坏球阀螺纹，可能带入异物造成内部密封面密封失效，紧固接头时球阀没有固定，可能造成操作者受伤等等。

此外，对其他阀件进行测试时，由于各阀件的接口、尺寸、形状、工作原理和参数性能各不相同，针对每一个产品都需要定制一套特殊的测试工具、测试设备，测试过程也需要人员全程参与操作和记录，占用大量的工时，且重复劳动也容易产生疲劳，容易造成测试结果人为失误。

为此，本文基于对各种阀类产品的接口和功能特点进行分析，针对性地设计了快速拆装的工装接口，以减少测试时的拆装工作量，并通过微机控制系统对各阀类的例行测试过程实现自动控制，最终通过自动测试来提升了作业效率。

1 综合测试系统设计

设计综合测试系统的目的是采用一台通用的设备，通过更换接口工装的方式，实现对各种阀类产品的快速拆装，并实现例行测试的自动控制以节约工时、降低操作者工作强度。方案如下：根据各种阀件的安装接口特性，将其大致分为管式和面板式安装两类；分别针对这两种接口设计快拆形式的测试工装，以减少装拆的工作量，同时采用自动测试的方式减少测试过程的人工操作。

1.1 管式安装的阀类部件测试工装设计

针对管式安装的阀类部件，如球阀（截断塞门）、差压阀等，其气路接口均为一进一出设计，且在同一直线上，区别在于螺纹尺寸和两端间距，为此设计了一个带快拆接头的气动夹具，通过气缸驱动，在测试时将阀类部件夹在两个快拆接头之间。以球阀为例设计的管式阀类测试工装如图1所示。管式阀类测试工装由底座、固定夹具、活动夹具、气缸、快换接头等部件组成。使用时，操作者将对应口径的快换接头安放到夹具上，然后打开气缸控制阀使气缸推动活动夹具，将被测阀件固定在两个快换接头之间。气路连接则通过快换接头中间的气路通道来实现，具体如图2所示。

图1 管式阀类部件测试工装

图2 管式阀类部件测试工装内部气路示意

如图2所示，外部气口分别设置在固定夹具和活动夹具上，快换接头设计成一端采用不同的尺寸以分别适配G1/4、G3/8、G1/2、G3/4、G1等多种接口的管式阀件。其另一端与两个夹具之间则设计为统一的直插式接口，采用O型圈对端面进行密封，这样可以实现在测试不同的阀类部件时快速更换；气路连接则通过两个夹具上的进气口和出气口，经快换接头与被测阀类部件连接。

1.2 面板式安装的阀类部件测试工装设计

面板式安装的阀类部件，如溢流阀、单向阀、面板式截断塞门、停放电磁阀等，它们部件形状各异，大小尺寸各不相同，气路接口的通径和位置也完全不一样，但仍有以下共同的特点：

（1）气路接口均为一进气口一出气口的两位两通（单向阀、溢流阀和差压阀等）或者一进气口一出气口和一个排气口的两位三通（截断塞门、减压阀和停放电磁阀等）。

（2）气路接口均位于同一个平面上。

基于上述特点，面板式安装的阀类部件测试工装设计成通用底座和针对每种阀单独设计的特殊接口板组合的形式，底板固定在测试台上与测试台的气路相连，接口板则采用手动快拆的方式安装到底板上负责连接被测阀类部件。针对不同的阀更换不同的接口板，底座上仅提供进气口和出气口两个气路连接，当需要测试带排气功能的阀件时，可以通过在接口板上的排气口进行排气。这样可仅采用一套测试装置满足各种不同接口的面板式阀类部件的测试需求。基于以上思想，设计的溢流阀和截断塞门测试工装方案如图3所示。

图3 面板式安装阀类部件测试工装

1.3 测试过程优化

测试过程采用自控系统来自动进行检测和判断，以减少测试过程中的工作量。

根据各阀类产品的实际使用功能，测试内容可分为以下几大类：

（1）连通和断开状态检测以及泄漏情况：球阀（截断塞门）、单向阀、停放电磁阀和解钩电磁阀等。其具体功能为：

球阀功能：手动转动操作手柄到导通位，气路导通；手动转动操作手柄到截止位，气路截断。

单向阀功能：气流正向流动时气路导通，气流逆向流动时气路截断。

停放电磁阀功能：缓解电磁阀得电，将气路导通；施加电磁阀通电，将气路截止并排空后端压缩空气。

解钩电磁阀：通电导通，断电截止并排空后端压缩空气。

（2）连通和断开状态检测以及泄漏情况，设定值检查：差压阀、溢流阀、减压阀等。具体功能为：

差压阀功能：控制两个输入压力之间的压力差值，当一端的压力值与另一端的压力值之差大于设定值时，高压端对低压端进行充气。

溢流阀功能：当输入压力大于设定值时气路导通，输入压力值小于设定值时气路截止。

减压阀功能：对输出压力根据使用需求进行设定，当输入压力大于设定值时后端压力始终等于设定值。

为了在一套测试系统满足以上两种测试模式，系统气路结构设计方案如图4所示。

图4 总体结构示意图

如图4所示，内部配置中，“控制及检测器件”用于被测阀件对上下游的压力及逆行调节和检测；“0.75L风缸”用于模拟工作容积以便于进行泄漏测试；“工控机”内部安装有专用的测试程序来控制测试流程和采集数据；“显示器”用于输入输出测试条件和测试结果。当被测阀件被快速夹具装夹到试验台以后，工控机开始控制内部的电磁阀，调压阀等对测试气路充气，并通过上下游的压力传感器对输入输出压力值进行监测并按照预先设定的判据进行比较，判断功能、设定值、泄漏量等参数指标是否符合要求。

1.4 综合测试系统

结合前文提到的用于两种接口（管式和面板式安装）的测试工装，设计了一套综合测试系统，内部包含两套完全一样的气路结构（图5），可以分别对这两类阀件进行自动测试。装配完成的试验台实物如图6所示，其测试过程如下（以球阀测试为例）：

图5 气路原理图

图6 试验台图片

（1）将球阀安装到测试工装，使进气口与输出1相连，出气口与输出2相连，并采用气缸固定以后，激活测试系统中的自动测试程序，输入对应的序列号、产品名称、所属项目等必要信息以后，即可开始自动测试。

（2）测试程序控制T2电磁阀闭合，将控制压力接入到J2使球阀输出端气路断开。

（3）测试程序控制P1比例阀将压力调节到900 kPa，再控制V1电磁阀闭合，此时压力将被连接到输出1口进入球阀。当球阀处于导通状态时，气压将进入输出2口。

（4）此时球阀前端和后端的1L风缸都将充入900 kPa的压力，U1和U2两个压力传感器将实时检测并记录当前的压力数值。

（5）测试程序在一定时序以后控制T1电磁阀闭合，将控制压力接入到J1使球阀输入端气路断开，此时球阀前后两端以及两个1L风缸处于保压状态。

（6）测试程序将实时记录U1和U2两个压力传感器数值，在保压一定的时间后对导通状态的球阀的泄漏性能进行判断。

（7）测试程序将提醒测试人员将球阀手柄转动到截止状态，再控制T1电磁阀断开，使得J1导通对球阀气路再次进行充气。

（8）重复之前的保压过程，记录U1和U2两个压力传感器数值，判断球阀的截断功能是否有效，截断以后前端是否存在泄漏。

（9）将之前的测试数据和判断结果输出成电子文档并打印报告。

至此，测试完成，以上测试过程对球阀的通断功能和2种状态下的泄漏进行了检测，并自动输出报告。

2 结语

通过对地铁车辆制动系统各种阀类产品的安装接口和具体功能特点的分析，结合当前主流的微机控制理念，设计了一种采用快速安装且可以实现自动测试的综合测试系统，并将其付诸实践，在多个项目的实际应用中取得了良好的效果。

采用上述综合测试系统以后，经实际操作对比测算，各类阀件的测试工时比之前节约30%以上。仍以球阀为例，一列6节编组的地铁车辆，仅各种通径的球阀就有约40个，采用之前的人工测试方法，每一个的测试耗时约12 min（包含连接管路，手动操作，测试保压，填写报告等等），而使用此综合测试系统以后耗时仅8 min，对于一列车仅球阀一项就最多可以节约出160 min的工时，大大提高了作业效率。此外，采用这一套综合测试系统可以减少测试工装的种类，减少了工具工装的损耗，降低了劳动强度，避免了人为操作的误差。