高速基礎(chǔ)制動試驗臺測試技術(shù)

丁福焰，余欲為，李和平

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

基礎(chǔ)制動裝置的性能試驗一般要在1：1制動動力試驗臺上完成，以便對制動裝置的摩擦特性、制動特性、溫升特性等進(jìn)行全面的測試和研究，因此這種試驗臺對于基礎(chǔ)制動裝置的研發(fā)和生產(chǎn)都具有重要的意義。

2011年，中國鐵道科學(xué)研究院新建了一臺高速1：1基礎(chǔ)制動試驗臺（制動動力試驗臺），主要用于高速動車組和機車車輛基礎(chǔ)制動裝置的研究性試驗、性能試驗和可靠性（耐久性）試驗，具有行車制動、坡道制動、停放制動（靜摩擦）、程控模擬運營及環(huán)境試驗等功能，可為高速列車制動系統(tǒng)的研發(fā)和試驗驗證提供重要的技術(shù)支撐。

試驗臺采用了先進(jìn)的設(shè)計理念并集成了諸多新技術(shù)，如大功率交流驅(qū)動控制和電慣量模擬技術(shù)、機械慣量制動切換技術(shù)、水力制動和復(fù)合緊急制動技術(shù)、隔熱隔聲技術(shù)、環(huán)境控制技術(shù)、制動噪聲和振動測試與分析技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)技術(shù)、無線測試技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)等，具有技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、實用高效等特點。

對于大型、復(fù)雜的試驗裝備或系統(tǒng)，傳感器數(shù)量和種類繁多，測試精度、控制性能和系統(tǒng)可靠性要求都很高，因此，測試和控制系統(tǒng)的設(shè)計及技術(shù)水平，對試驗裝備的性能和實用性都具有重要的影響。新建的高速1：1基礎(chǔ)制動試驗臺即是一種大型、專業(yè)化試驗裝備，其所采用的測試技術(shù)也很有特點。

1 基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1.1 基于以太網(wǎng)的測控系統(tǒng)架構(gòu)

在傳統(tǒng)試驗臺中，測試參數(shù)種類少，數(shù)據(jù)量小，控制功能也相對較弱，對測控系統(tǒng)的要求較低，有的采用相互獨立的控制系統(tǒng)和測試儀器，而每個傳感器的信號電纜都直接敷設(shè)到控制臺，這在測試通道不多、傳輸距離較近的情況下尚可接受。隨著試驗功能的不斷增強，測試和控制的參數(shù)越來越多。對大型、復(fù)雜的試驗設(shè)備或試驗系統(tǒng)來說，信號電纜直接從傳感器連接到控制臺，不僅信號易受干擾，導(dǎo)致試驗誤差增大，可靠性不高，而且設(shè)備安裝工作量大，出現(xiàn)問題不易查找，維護(hù)、更換多有不便。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為這種大型試驗裝備的測控系統(tǒng)提供了新的解決方案。試驗臺采用了基于以太網(wǎng)的測控系統(tǒng)架構(gòu)，具有高帶寬、高速率、開放性、易擴展等優(yōu)點。

測控系統(tǒng)簡化框圖如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)一臺主控計算機，用作上位機或設(shè)備服務(wù)器，現(xiàn)場測控設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)、無線遙測系統(tǒng)、視頻攝像機、紅外熱像儀、環(huán)境控制系統(tǒng)等都作為下位機或子系統(tǒng)，通過網(wǎng)線和網(wǎng)絡(luò)交換機連接到主控計算機。主控計算機通過IP地址訪問現(xiàn)場設(shè)備，并控制其工作，可實現(xiàn)不同設(shè)備之間的同步。傳感器、控制閥等通過電纜線就近連接到現(xiàn)場設(shè)備，由現(xiàn)場設(shè)備實施數(shù)據(jù)采集和控制，因此實時性亦可得到保證，且信號傳輸路徑較短，受干擾小。

由于主控計算機與現(xiàn)場設(shè)備之間只有網(wǎng)線連接，因此簡化了現(xiàn)場布線工作，增強了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，主控計算機則可以根據(jù)需要放置在距設(shè)備主體較遠(yuǎn)的地方，而不必?fù)?dān)心信號干擾及實時性等問題。

圖1 試驗臺測控系統(tǒng)簡化框圖

1.2 混合信號數(shù)據(jù)采集技術(shù)

混合信號的采集，是通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成的，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置和信號調(diào)理裝置等組成。主控計算機通過網(wǎng)絡(luò)傳送控制指令和采集參數(shù)，如采集通道、采樣頻率、采樣時間或采樣起始點和結(jié)束點等，數(shù)據(jù)采集裝置據(jù)此進(jìn)行采樣，并完成數(shù)據(jù)傳輸。各傳感器輸出的信號經(jīng)過信號調(diào)理裝置調(diào)理后，輸入數(shù)據(jù)采集裝置。這部分信號主要包括速度、壓力、力、溫度（熱電偶）、應(yīng)變等，根據(jù)采集獲得的信號可計算并顯示制動距離、減速度、瞬時摩擦系數(shù)、制動功率等參數(shù)曲線，圖2為某次盤形制動過程的實測性能曲線一例。最大值、最小值、平均值等統(tǒng)計參數(shù)的計算，可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的計算起始點和結(jié)束點的范圍進(jìn)行，也可根據(jù)試驗規(guī)范或試驗大綱要求靈活地實現(xiàn)，如平均摩擦系數(shù)可按制動距離或制動時間計算。

圖2 盤形制動試驗主要性能測試曲線

1.3 無線測試技術(shù)

制動盤溫度的傳統(tǒng)測量方法，是把溫度傳感器（如熱電偶）的信號線通過集流環(huán)引出，再接入數(shù)據(jù)采集裝置。測點越多，集流環(huán)就越多，不僅需要增加主軸的長度，為結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來不便，而且存在碳刷的磨損和更換問題，增加了維護(hù)工作量。

試驗臺采用了無線測試系統(tǒng)，主要由發(fā)射裝置和接收裝置兩部分組成。傳感器通過信號線纜與發(fā)射裝置連接，發(fā)射裝置與主軸一同轉(zhuǎn)動，它將熱電偶信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過無線射頻將數(shù)字信號發(fā)射給接收裝置。接收裝置為固定件，它接收到無線信號后，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C。利用無線測試技術(shù)，可方便地測量制動盤上的多點溫度，簡化軸系結(jié)構(gòu)，減小維護(hù)工作量。

試驗臺無線測試系統(tǒng)有3個特點：①功能較強，不僅實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)件的多點溫度采集，而且實現(xiàn)了制動扭矩及多點應(yīng)變的采集；②接收裝置通過以太網(wǎng)與主控計算機通訊，與整個測控系統(tǒng)架構(gòu)一致，傳輸速率高；③發(fā)射裝置的供電采用無線方式實現(xiàn)，不需要電池或滑環(huán)，無易耗更換件。

在高速制動過程中，制動盤可能產(chǎn)生數(shù)百度甚至上千度的高溫，而耐高溫應(yīng)變片少且貴，并且采用傳統(tǒng)的集流環(huán)方式會引起阻值變化，實際上無法準(zhǔn)確測量，因此以前很少有人進(jìn)行制動盤的動態(tài)應(yīng)變測試。該試驗臺采用無線測試技術(shù)，選用美國HPI公司的高溫應(yīng)變片，可實現(xiàn)制動盤的動態(tài)應(yīng)變測量，允許工作溫度高達(dá)1 090℃。但這種高溫應(yīng)變片的粘貼工藝比較特殊，而且需要大的高溫烘箱配合，一般無法在本試驗室完成，有些不方便。

1.4 振動、噪聲測試與分析技術(shù)

隨著人們安全意識和環(huán)境意識的提高，振動和噪聲問題越來越引起人們的關(guān)注，鐵路制動領(lǐng)域也是如此。因此，利用試驗臺進(jìn)行制動噪聲和振動的測試與研究，成為一種必然的選擇。目前，已有國外企業(yè)利用試驗臺進(jìn)行了高速列車制動過程的噪聲測試。

試驗臺采用B＆K公司基于以太網(wǎng)的模塊化振動噪聲數(shù)據(jù)采集器（LAN－XI），可在制動過程中，實現(xiàn)多通道振動和噪聲數(shù)據(jù)的同步采集。測試通道、配接傳感器及采樣參數(shù)等均可在主控計算機上通過軟件配置，測量準(zhǔn)確、可靠，應(yīng)用靈活。試驗臺的大型隔熱、隔聲試驗艙有效地衰減了內(nèi)部噪聲反射和外部噪聲干擾，為制動噪聲的測量提供了良好的測試環(huán)境。試驗臺的測控軟件集成了B＆K公司PULSE軟件的部分分析功能，可直接對振動和噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、頻譜分析、瀑布圖分析等（如圖3所示），也可以利用專業(yè)分析軟件進(jìn)行更深入的分析。

1.5 紅外熱成像測試技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)近來得到了快速發(fā)展，已在科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在制動試驗臺上，利用紅外熱成像技術(shù)可直觀地顯示和測量制動過程中制動盤的溫度分布及變化情況，對研究制動盤高溫引起的應(yīng)力變化也有很大幫助。

試驗臺選用美國FLIR公司的高性能紅外熱像儀，并帶有特殊的環(huán)境保護(hù)罩，保證在低溫環(huán)境試驗中也能正常工作。熱像儀具有寬溫度測量范圍，最高溫度達(dá)2 000℃，量程可自動切換，可由主控計算機通過網(wǎng)絡(luò)控制其工作，高速、實時、同步地進(jìn)行制動過程的動態(tài)圖像紀(jì)錄，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到主控計算機。

試驗臺的測控軟件集成了熱像儀的圖像分析功能，試驗之前可任意選定最多8個區(qū)域，分析軟件實時顯示制動過程中的溫度分布云圖和溫度范圍，同時還能顯示每個選定區(qū)域內(nèi)溫度的最低、最高和平均值（如圖4所示）。除實時顯示外，對所記錄的動態(tài)紅外圖像也可以進(jìn)行回放和分析，應(yīng)用直觀、靈活，為制動盤和制動摩擦副的研究提供了一種新的手段。

圖3 制動噪聲峰值頻譜和瀑布圖

圖4 紅外熱成像測試數(shù)據(jù)

2 結(jié)束語

前面簡要介紹了新建高速基礎(chǔ)制動試驗臺在測試技術(shù)方面的一些特色，沒有涉及控制方面的內(nèi)容。實際上，該試驗臺的測控系統(tǒng)是一個整體，包括測試、控制、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等，都是主控計算機通過網(wǎng)絡(luò)通訊控制完成的。試驗臺的狀態(tài)監(jiān)測和安全控制技術(shù)也是非常有特點的，但因篇幅所限，不再贅述。目前，試驗臺已完成調(diào)試并投入運行，測試技術(shù)在其中發(fā)揮了重要作用，測控系統(tǒng)的設(shè)計也是非常成功的。

［1］丁福焰，李和平，李繼山.機車車輛和高速動車組基礎(chǔ)制動臺架試驗技術(shù)的發(fā)展［C］.中國鐵道科學(xué)研究院60周年學(xué)術(shù)論文集，北京：中國鐵道出版社，2010：695－700.