高速動(dòng)車組制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)

張 犀，楊 欣，邵 軍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

高速動(dòng)車組制動(dòng)性能測(cè)試有如下特點(diǎn)：測(cè)試車輛多、同一車輛測(cè)點(diǎn)布置分散、需測(cè)試的參數(shù)多、參數(shù)種類多，同時(shí)動(dòng)車組運(yùn)行速度高，啟動(dòng)加速度大，整車車體密封性好，電氣設(shè)備電磁干擾大，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)要求更高。

1 硬件設(shè)備及測(cè)試原理

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖1）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用德國(guó)IMC集成測(cè)控公司生產(chǎn)的系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

采集儀器堅(jiān)固、輕巧，內(nèi)建信號(hào)調(diào)理模塊，可測(cè)量：電壓、電流、熱電偶、Pt100及電橋；每通道最大采樣率50kHz。通過局域網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，多臺(tái)儀器聯(lián)網(wǎng)同步測(cè)試，或連接CAN總線擴(kuò)展。配合光纖，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離、大容量傳送?？捎脙?nèi)置CF卡、本地計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)硬盤同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)靈活可靠。

該系統(tǒng)配合傳感器已能夠?qū)χ苿?dòng)性能所有關(guān)鍵參數(shù)，如空氣壓力參數(shù)、再生制動(dòng)參數(shù)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置參數(shù)及制動(dòng)熱負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行采集，基本滿足了動(dòng)車組制動(dòng)性能測(cè)試的要求。

測(cè)試系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

（1）采集通道可擴(kuò)展

圖1 制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)示意圖

每臺(tái)C1數(shù)據(jù)采集儀器具有8個(gè)多用途測(cè)試通道，如一次試驗(yàn)需更多通道，只需在網(wǎng)絡(luò)上增加數(shù)據(jù)采集儀器即可，真正實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性。

（2）分布式數(shù)據(jù)采集

當(dāng)被測(cè)對(duì)象分散，尤其是動(dòng)力分散式動(dòng)車組，可采用測(cè)試儀器與被測(cè)量就近布置，分布式采集，通過網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)連接，避免因信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸而造成干擾，大大減少了布置測(cè)試導(dǎo)線的數(shù)量。

（3）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)遇有烈日、大風(fēng)等不利氣象條件時(shí)，可通過長(zhǎng)網(wǎng)線或無線HUB，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，尤其是當(dāng)進(jìn)行制動(dòng)靜態(tài)傳動(dòng)效率等試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員可在車內(nèi)或房間內(nèi)進(jìn)行工作，大大改善了試驗(yàn)工作條件。

（4）溫度適應(yīng)范圍大

該測(cè)試系統(tǒng)可在－25℃～50℃的外溫條件下正常工作，克服了原有測(cè)試系統(tǒng)溫度適應(yīng)范圍窄，低溫和高溫條件下不能正常工作的缺陷。

（5）可測(cè)試信號(hào)種類多樣化

該測(cè)試系統(tǒng)除能測(cè)試常規(guī)的空氣壓力信號(hào)外，還能測(cè)試再生制動(dòng)電流、電壓信號(hào)，制動(dòng)盤片溫度信號(hào)，制動(dòng)盤片應(yīng)變信號(hào)等，基本滿足制動(dòng)性能試驗(yàn)所有測(cè)試參數(shù)的要求。

（6）采樣頻率高

可進(jìn)行空電聯(lián)合制動(dòng)電空時(shí)序分析、減速度分析，以及防滑試驗(yàn)時(shí)的速度及防滑閥動(dòng)作狀態(tài)分析。

1.2 空氣壓力測(cè)試

動(dòng)車組空氣壓力測(cè)量范圍為0～1 100kPa；

采用英國(guó)德魯克公司生產(chǎn)的PTX1061型0～1 000 kPa或0～1 500kPa空氣壓力傳感器，該傳感器零飄小，線性度和重復(fù)度好，輸入為9～36V寬電壓，輸出為4～20mA電流，可遠(yuǎn)距離傳輸且只需用兩芯線?？諝鈮毫涌跒镚1／4內(nèi)螺紋，可配各類快速接頭，在裝有快速接口的空氣管路上安裝拆卸方便。在沒有快速測(cè)試口的管路上則需要預(yù)先準(zhǔn)備工裝，且傳感器體積較大。在狹窄的地方不易安裝。

1.3 列車速度信號(hào)

動(dòng)車組速度測(cè)量范圍：0～110m／s

速度傳感器安裝在車軸軸頭，是一個(gè)旋轉(zhuǎn)式增量編碼器，通過碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生80個(gè)脈沖。通過記錄單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)可得到車輪旋轉(zhuǎn)角度，微分得到車輪角速度。

1.4 溫度信號(hào)

1.4.1 閘片溫度（如圖2所示）

閘片溫度測(cè)量范圍：0～900℃

在測(cè)量閘片溫度時(shí)，選用了Pt1000型熱電阻傳感器，因?yàn)槠渚雀?，抗線纜電阻干擾能力比Pt100強(qiáng)，安裝前先在閘片上鉆一個(gè)與傳感器過盈配合的孔，再將鎧裝Pt1000型熱電阻傳感器插入，就可測(cè)到閘片內(nèi)部溫度。但由于電阻值與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系為非嚴(yán)格的線性關(guān)系而為近線性關(guān)系，所以早期試驗(yàn)時(shí)采用溫度變換模塊，使模塊輸出信號(hào)與溫度成線性，即可得到溫度值。

但由于動(dòng)車組車下電磁環(huán)境惡劣，導(dǎo)致溫度變換模塊經(jīng)常被擊穿，需要將模塊的安裝位置從轉(zhuǎn)向架移至到車廂內(nèi)，一方面希望減輕干擾減少擊穿模塊概率，另一方面也方便模塊的更換。但改善效果不明顯。

曾經(jīng)改為用采集設(shè)備直接采集熱電阻兩端的電壓和電流值然后算出電阻值，再用采集軟件通過查表法得到相對(duì)應(yīng)的溫度值。這種方式采集到的數(shù)值穩(wěn)定。但由于安裝Pt1000傳感器與閘片間為過盈配合，制動(dòng)時(shí)閘片上的壓力會(huì)有幾十千牛，而熱電阻的電阻絲又較細(xì)，試驗(yàn)后期會(huì)被壓斷或接觸不良，這時(shí)必須更換傳感器。

現(xiàn)在的測(cè)試系統(tǒng)采用K型熱電偶傳感器，鎧裝方式與安裝方式和Pt1000一樣，K型熱電偶傳感器原理是當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散，濃度大的向濃度小的金屬擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，得到一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)，電勢(shì)值與兩種金屬接點(diǎn)的溫度差有關(guān)系。所以車底的溫度傳感器只是一個(gè)兩種金屬的熔球，相比Pt1000纖細(xì)的電阻絲，熱電偶傳感器的抗壓性明顯改善。且金屬點(diǎn)體積小，升降溫速度比Pt1000快。由于測(cè)量的是微電勢(shì)所以上端要接隔離變換模塊，隔離模塊的抗干擾能力也遠(yuǎn)優(yōu)于熱電阻的變換模塊。現(xiàn)在一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)基本不需要維護(hù)。

1.4.2 制動(dòng)盤、踏面溫度（如圖3所示）

制動(dòng)盤、踏面溫度測(cè)量范圍：0～800℃

由于制動(dòng)盤相對(duì)于車體屬于高速旋轉(zhuǎn)物體，如果還采用熱電阻或熱電偶進(jìn)行測(cè)量則理想方法是在制動(dòng)盤上固定傳感器，但需使用集流環(huán)將信號(hào)從軸端引出，同時(shí)由于制動(dòng)盤在運(yùn)行時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，需固定得更加牢固，且制動(dòng)盤材質(zhì)為鑄鋼，相比閘片更難鉆孔，如果用貼片形式固定，難以找到適合的黏合劑承受制動(dòng)產(chǎn)生的高溫。

所以制動(dòng)盤、踏面溫度測(cè)量適合采用非接觸式測(cè)量方法，而非接觸式測(cè)量方法中的電渦流傳感器非接觸溫度測(cè)量技術(shù)還不成熟，因此采用了應(yīng)用較為廣泛成熟的紅外輻射溫度計(jì)進(jìn)行非接觸式測(cè)量，在測(cè)量前要設(shè)置好被測(cè)物體的紅外線發(fā)射率，在光傳感器前端一般加裝一透鏡起到保護(hù)傳感器的作用，透鏡的透光率參數(shù)也需預(yù)先標(biāo)定。在安裝前要加工固定傳感器探頭的工裝。由于光結(jié)構(gòu)傳感器探頭怕灰塵，而線路上的渣土，制動(dòng)時(shí)閘片磨下的粉末都較多，需每天清理探頭，所以維護(hù)工作較大。

圖2 制動(dòng)閘片溫度傳感器安裝圖

圖3 制動(dòng)盤溫度 傳感器安裝圖

1.5 制動(dòng)起始信號(hào)

當(dāng)司機(jī)實(shí)施制動(dòng)后如果在配電柜內(nèi)有相對(duì)應(yīng)的高低電平的制動(dòng)指令線，可用相應(yīng)電壓等級(jí)繼電器將原模擬信號(hào)進(jìn)行隔離并轉(zhuǎn)換為低壓信號(hào)進(jìn)行采集。

如果動(dòng)車組的制動(dòng)指令非模擬信號(hào)指令，無法用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的，可在司機(jī)制動(dòng)手柄上固定一塊磁鐵，在手柄下方的司機(jī)操作臺(tái)上安裝一個(gè)磁感應(yīng)開關(guān)，通過移動(dòng)制動(dòng)手柄即調(diào)整磁鐵與磁感應(yīng)開關(guān)的間隙，即可使制動(dòng)手柄離開緩解位后磁感應(yīng)開關(guān)動(dòng)作，以檢測(cè)到制動(dòng)指令的發(fā)出。

1.6 電機(jī)電流電壓信號(hào)及功率計(jì)算

由于動(dòng)車組均采用復(fù)合制動(dòng)方式，在采集空氣制動(dòng)參數(shù)的同時(shí)，必需同步采集動(dòng)車的電制動(dòng)參數(shù)。

電機(jī)單相電流測(cè)量范圍：0～500A，電壓測(cè)量范圍：0～4 000V。

使用瑞士LEM公司生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)電流傳感器結(jié)合自制的通道箱進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。傳感器安裝時(shí)只需將牽引電機(jī)電纜從傳感器中穿過即可，這種非接觸式測(cè)量傳感器使得高壓得到有效隔離，如果選用開口電流傳感器可使安裝更為簡(jiǎn)便。

電壓測(cè)量同樣采用LEM公司的電壓傳感器，傳感器本身具有高壓隔離功能，將采集的電壓信號(hào)引入自制的電通道箱。

功率計(jì)算采用IMC公司提供的ONLINE FAMOS軟件的虛擬通道計(jì)算得到，可同時(shí)計(jì)算電機(jī)電流電壓的有效值，有功功率，功率因數(shù)等參數(shù)，以同步獲取電制動(dòng)功率。

2 軟件系統(tǒng)

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的硬件接口采用德國(guó)IMC公司編制的IMC Devices采集分析儀器硬件控制組件，軟件主體以美國(guó)NI公司開發(fā)的虛擬儀器編程軟件LabVIEW為平臺(tái)編制而成。檢測(cè)軟件具有控制采集系統(tǒng)硬件，信號(hào)實(shí)時(shí)采集、調(diào)理，數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲(chǔ)等功能。本系統(tǒng)可以在 Windows 2000／XP／7等操作系統(tǒng)下使用，人機(jī)界面友好，操作直觀方便。在計(jì)算機(jī)后臺(tái)進(jìn)行連續(xù)存儲(chǔ)時(shí)可通過制動(dòng)起始點(diǎn)的設(shè)置使計(jì)算機(jī)前臺(tái)分段采集從制動(dòng)開始至停車的數(shù)據(jù)保存為單獨(dú)文件，這樣程序可直接給出制動(dòng)初始速度，制動(dòng)距離，制動(dòng)時(shí)間，平均減速度等信息，而不需要再?gòu)倪B續(xù)文件里查找、分析數(shù)據(jù)使得工作效率顯著提高。界面模擬機(jī)車壓力表顯示主要參數(shù)值，并可將數(shù)據(jù)畫為實(shí)時(shí)曲線圖。界面下方還可顯示動(dòng)態(tài)的運(yùn)行線路圖，使得當(dāng)前所在運(yùn)行線路信息一目了然。如圖4所示。

3 試驗(yàn)過程

3.1 干燥軌面制動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)

運(yùn)行試驗(yàn)在干燥軌面上進(jìn)行，并且盡量選擇在平直軌道上進(jìn)行。如果試驗(yàn)不可能在一段絕對(duì)平直的線路上進(jìn)行，則所選的直線軌道的坡度不應(yīng)超過±4mm／m，且制動(dòng)初速度與制動(dòng)目標(biāo)速度之差不應(yīng)超±3km／h，試驗(yàn)后需用修正公式進(jìn)行制動(dòng)距離修正。試驗(yàn)前應(yīng)確認(rèn)車輛狀態(tài)良好，如做復(fù)合制動(dòng)試驗(yàn)要確認(rèn)電制動(dòng)已全部投入。如做純空氣制動(dòng)則應(yīng)切除電制動(dòng)，無法切除的應(yīng)在試驗(yàn)前斷開主斷。試驗(yàn)時(shí)動(dòng)車組惰行以預(yù)定的速度進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)段后，制動(dòng)控制器手柄迅速置預(yù)定的制動(dòng)級(jí)位，實(shí)施制動(dòng)。試驗(yàn)后應(yīng)檢查閘片和制動(dòng)盤狀態(tài)。

圖4 制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)軟件界面圖

各項(xiàng)試驗(yàn)中應(yīng)測(cè)量和記錄下列數(shù)據(jù)：

（1）動(dòng)車組瞬時(shí)速度v；

（2）第1輛動(dòng)車和第1輛拖車的軸1～軸4的車輪圓周速度v1～v4；

（3）第1輛動(dòng)車和第1輛拖車的軸1～軸4的制動(dòng)缸壓力P1～P4；

（4）制動(dòng)時(shí)間t；

（5）制動(dòng)距離S；

（6）第1輛動(dòng)車和第1輛拖車的軸1～軸4防滑排風(fēng)閥的電磁閥信號(hào)；

（7）動(dòng)車組的制動(dòng)初速度v0；

（8）對(duì)復(fù)合制動(dòng)的車輛要記錄其他制動(dòng)力所對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

3.2 潮濕軌面防滑行運(yùn)行試驗(yàn)

在試驗(yàn)中使用一種含油脂肪酸的環(huán)保生物可降解的清洗液作為減摩液，其濃度為10%～15%，不含有沙物質(zhì)。減摩液可根據(jù)黏著的需要進(jìn)行兌水稀釋。開始試驗(yàn)時(shí)減摩液的濃度可為1%，第2次試驗(yàn)時(shí)的濃度可增加為4%，現(xiàn)場(chǎng)使用中減摩液的濃度可根據(jù)黏著的需要進(jìn)行兌水稀釋。

當(dāng)列車由靜止加速到預(yù)定的試驗(yàn)速度后，噴嘴開始向軌面噴灑減摩液，噴灑一段距離后，動(dòng)車組施行緊急制動(dòng)（對(duì)于緊急制動(dòng)為純空氣制動(dòng)的動(dòng)車組可以采用最大常用制動(dòng)來代替緊急制動(dòng)）。在此制動(dòng)過程中，一方面繼續(xù)向軌面噴灑減摩液直至停車，一方面數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)不間斷地采集處理各有關(guān)數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示動(dòng)車和拖車各4條輪對(duì)的速度及相應(yīng)制動(dòng)缸壓力變化過程。

3.3 關(guān)門車制動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)

切除一輛動(dòng)車或拖車的空氣制動(dòng)或切除動(dòng)車的電制動(dòng)。進(jìn)而觀察在部分車輛制動(dòng)力不足（或切除）時(shí)其他車輛的制動(dòng)力補(bǔ)償邏輯。如圖5，圖6所示。

圖5 4級(jí)復(fù)合制動(dòng)關(guān)門車與正常工況對(duì)比試驗(yàn)曲線

圖6 減速度對(duì)比曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的軟、硬件基本滿足了動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試的要求，通過大量的實(shí)際運(yùn)用中積累的經(jīng)驗(yàn)，解決了測(cè)試系統(tǒng)抗干擾的問題，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。