軌道交通擋車器模擬試驗臺多功能測試系統(tǒng)的研制

繆 軍 上海鐵路局上海鐵路站場調(diào)速技術中心有限公司

隨著軌道交通建設的迅速發(fā)展，擋車器在軌道交通安全系統(tǒng)中的應用已越來越廣泛，這對線路終點安全防護產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。因為它的各項技術性能指標的優(yōu)劣直接影響著軌道交通建設投資和作用效率和作用安全，另外大量的擋車器制動部件產(chǎn)品出廠檢驗和新型擋車器產(chǎn)品的科研開發(fā)已都受到一定程度的制約，為此如何去開發(fā)一種高精度、高效率、多功能測試系統(tǒng)已顯得尤為迫切和重要。目前國內(nèi)外擋車器產(chǎn)品測試系統(tǒng)主要問題有：

(1)測試成本高，需要專門的鐵路專用線、推送機車、配重車、等專用測試線路和機車車輛。

(2)測試效率低，絕大部分時間用于現(xiàn)場調(diào)試和等待中，不能滿足擋車器產(chǎn)品批量檢驗需要。

(3)測試精度低，受天氣、溫度、環(huán)境等對測試系統(tǒng)和傳感器的影響，又因撞擊測試重復性也差，都將會降低檢測精度，影響檢測結果。

(4)測試功能少，較難做擋車器核心部件，制動摩擦塊及液壓緩沖器的性能試驗和壽命試驗，測試系統(tǒng)功能擴展性也較差。

(5)測試自動化差，軟件操作比較專一、也比較復雜，智能判斷少。

鑒于上述諸多問題，經(jīng)過認真的分析、思考和創(chuàng)新，上海鐵路站場調(diào)速技術中心有限公司成功開發(fā)了一套軌道交通擋車器模擬試驗臺多功能測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的特點、主要功能及技術指標

1.1 室內(nèi)模擬試驗臺的特點

擋車器模擬試驗臺是通過卷揚機將撞擊小車（最大重量10 t）牽引至某一高度，自由下滑至水平線（即撞擊小車所具有的勢能轉(zhuǎn)換成動能），當撞擊制動摩擦塊時，制動摩擦塊滑行一定的距離，經(jīng)過測試系統(tǒng)的作業(yè)，即可測試出制動摩擦塊的制動力和位移；當撞擊液壓緩沖器時，液壓緩沖器具有一定的壓縮行程，測試出液壓緩沖器的最大吸收動能和最大允許撞擊力。從而測出制動摩擦塊和液壓緩沖器的機械性能。試驗臺最大的特點是在室內(nèi)運行，而且可以取代鐵路軌道車、配重車和鐵路專用線等多種傳統(tǒng)檢測設備進行擋車器產(chǎn)品的主要性能和整體壽命試驗的檢測，能較好地確保檢測的精度和提高效率，是擋車器產(chǎn)品質(zhì)量檢測和新產(chǎn)品開發(fā)的重要設備。

1.2 新型多功能檢測系統(tǒng)的特點

(1)該系統(tǒng)應用于擋車器模擬試驗臺，相比于傳統(tǒng)的測試方法可提高極大測試效率，并且也可以大幅度地降低測試成本。

(2)由于系統(tǒng)有初值自檢測功能，試驗撞擊小車沿著軌道軌道溜放能減少隨機誤差幅值，再輔以軟件的合理采樣和數(shù)字智能過濾技術，所以本測試系統(tǒng)能提供較高的測試精度，足以滿足各類型擋車器制動部件的性能檢測需要。

(3)軟件及硬件都具有較強的互換性。對于外部設備如顯示器、打印機等具有設備無關性，即插即用的特點。

(4)良好的交互式圖形界面便于人機對話與操作，在不要求操作者具有專業(yè)知識的同時，增加了動態(tài)導航功能，對于操作中的失誤及系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，可以提供大量的反饋信息，并能根據(jù)實際情況提供相應處理意見。

(5)本測試系統(tǒng)不僅具有自動判別的功能，而且應用了二組光電開關為一組光電開關測速，這從根本上消除了二組光電開關之間信號翻轉(zhuǎn)不可能同步的缺陷，極大地提高了測速精度，降低了測試成本。

1.3 檢測系統(tǒng)的主要功能

(1)該系統(tǒng)能對目前軌道交通擋車器制動單元的制動力、制動功、減速度、制動距離等關鍵技術性能指標進行準確測試。

(2)可測試具有特殊功能制動單元的一些附加性能特點。

(3)能進行制動單元的疲勞壽命試驗，從而方便得出更全面的測試數(shù)據(jù)，它為擋車器科研開發(fā)工作提供了重要的基礎性研究平臺。

(4)把制動單元的反力信號、位移信號及時間信號以圖表或數(shù)據(jù)的形式給出，便于動態(tài)分析。

(5)可測試全系統(tǒng)的相關儀器設備狀態(tài)，對不正常的儀器設備能及時給予反饋信息和處理方法。

(6)可對系統(tǒng)的外部參數(shù)，如擋車器制動單元的距離測速傳感器的位置、壓力傳感器、位移傳感器的校正系數(shù)隨時進行更正。

(7)具有實用的測試日志功能、原始數(shù)據(jù)自動壓縮功能，便于測試溯源及測試記錄的管理。

(8)強大的在線幫助隨時解除操作者的煩惱。

(9)系統(tǒng)均采用屏蔽、接地方式，具有較強的抗干擾能力。

1.4 技術指標

(1)A/D最大采樣頻率： 100 kHz

(2)制動力測試系統(tǒng)精度： 1%

(3)位移測試系統(tǒng)精度： 1%

(4)系統(tǒng)時鐘精度： 0.01級以上

(5)速度測試系統(tǒng)精度： 0.5%

(6)系統(tǒng)不確定度： 1%

2 系統(tǒng)設計原理及構成

2.1 系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)采用Intel奔騰4 2.4GCPU作為測試系統(tǒng)的核心，進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理，以PCI總線的光隔離型的高速12位A/D轉(zhuǎn)換板為電壓信號的精密測量和轉(zhuǎn)換。圖1為制動測試系統(tǒng)硬件框圖，主要的硬件組成和工作原理是：試驗小車溜放，撞擊在測試單元上，作用壓力傳感器、位移傳感器產(chǎn)生的信號，由應變儀進行濾波、放大后，經(jīng)接口板進入A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換板，由自己開發(fā)的專用測試軟件測出壓力、位移的實時變化值。光電踏板信號經(jīng)接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換板直接進入計算機，再有計算機根據(jù)程序要求截取主板時鐘，計算出制動運行的速度。最終完成各測試項目的計算機檢測和數(shù)據(jù)處理，經(jīng)打印輸出設備輸出測試結果。

圖1 擋車器測試系統(tǒng)硬件框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

本軟件主要有A／D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)采集程序、濾波程序、顯示程序、系統(tǒng)相關設備狀態(tài)測試程序、系統(tǒng)參數(shù)設置程序、數(shù)據(jù)處理程序、打印程序及打印預覽程序等組成。

2.2.1 開發(fā)工具的選擇

Lab VIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而Lab VIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是Lab VIEW 的程序模塊。Lab VIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。因此本軟件采用Lab VIEW作為主要開發(fā)工具。考慮到程序?qū)τ布讓拥目刂?，測試系統(tǒng)對采樣等采用windows數(shù)據(jù)庫編譯成動態(tài)連接庫方式進行調(diào)用，從而優(yōu)化了程序的結構。

2.2.2 采樣率的保證

系統(tǒng)采樣必須保證采樣定理的要求，即采樣頻率應大于信號包含最大頻率的二倍。但DOS環(huán)境下的中斷處理方法在Windows環(huán)境下并不支持，為此我們詳細分析了Windows的消息響應機制，系統(tǒng)管理設備內(nèi)核。我們發(fā)現(xiàn)，Windows系統(tǒng)是通過設備驅(qū)動程序來處理異步事件 (如keyboard.dry負責處理鍵盤事件)。于是，我們參照設備驅(qū)動程序編寫了響應外設異步事件的程序，然后將其轉(zhuǎn)化為消息發(fā)往相應的處理程序。同時，外設異步事件隨時都能發(fā)生，也為提高內(nèi)存的利用率，所以應把響應外設異步事件的程序用動態(tài)連接庫DLL的形式。

2.2.3 減小運算誤差的算法

程序進行數(shù)字計算時，兩個數(shù)值相近的數(shù)相減，可能會造成有效數(shù)字的嚴重丟失。因此在實際計算時要盡量避免，以減小舍入誤差的影響，提高測試精度。為此，我們將制動功積分公式由原來的

其中：N------采樣總點數(shù)Fn------第n個采樣點的反力值Sn------第n個采樣點的位移值

2.2.4 數(shù)字濾波的算法

由于測試信號中的噪音和隨機干擾不可避免，除了傳感器應變儀自身的濾波功能外，為了提高測量結果的精度，我們另設計了軟件數(shù)字濾波程序。所謂數(shù)字濾波，即通過一定的計算程序，對采樣信號進行平滑處理，提高其有效信號，消除減少各種干擾和噪音，以保證測試系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字濾波的方法常用的有算術平均值濾波、滑動算術平均值濾波，超值濾波、RC低通濾波等。我們采用滑動算術平均值濾波，借助隊列的數(shù)據(jù)形式，消除了信號中的"毛刺"，隨機干擾也減小了。

2.2.5 軟件主要菜單模塊的功能

本軟件操作部分主要有系統(tǒng)登錄模塊、檢測基本信息設定模塊、檢測標定值的設定模塊、檢測初值的采集和檢查模塊、擋車器檢測模塊、檢測圖形顯示處理模塊、檢測記錄報表的查看和打印模塊、檢測圖形的查看打印模塊、檢測數(shù)據(jù)的查看打印模塊、檢測概況的查看打印模塊、檢測記錄和數(shù)據(jù)的壓縮模塊等十一大模塊組成。它們主要的功能有：

系統(tǒng)登錄--是擋車器檢測系統(tǒng)啟動后的第一步，它起到對系統(tǒng)安全訪問的控制，只有獲得使用權限的用戶才可以順利通過系統(tǒng)登錄的安全檢查獲得使用此系統(tǒng)的權利。

檢測基本信息設定--是每批檢測產(chǎn)品檢測基本信息錄入的過程，它主要包括擋車器型號、送檢單位、安裝高度、當天氣溫、天氣情況及測試記錄名等信息設定。輸入均采用下拉列表框選擇和系統(tǒng)自動生成相結合來實現(xiàn)。

檢測標定值的設定--系統(tǒng)在開始使用前必不可少的一步，它對檢測值的準確性有著直接關系。

檢測初值的采集和檢查--用數(shù)字和圖形的方式提醒用戶對檢測采樣初值正確性以及檢測儀器異常與否等作出檢查與判斷。

擋車器檢測--即對車輛行駛方向和速度以及擋車器制動力、位移等實時性能參數(shù)的測試，從而得出其制動功、阻力功、臨界速度及誤差等關鍵指標，以檢查是否與設計效果相吻合，來決定擋車器質(zhì)量性能。

檢測圖形顯示和打印處理--主要是指檢測完成后的檢測值的圖形顯示及數(shù)據(jù)的查看、保存和打印（如圖2所示）。

圖2 測試系統(tǒng)制動功測試運行圖

檢測記錄報表的查看和打印--為將每批歷史檢測記錄進行綜合顯示查看，分批打印存檔提供方便，是本軟件實用價值的體現(xiàn)。

檢測數(shù)據(jù)的查看打印--可以分別根據(jù)用戶需要顯示用戶要查看的指定一個或多個輪對的檢測點數(shù)據(jù)，用戶通過此數(shù)據(jù)的查看，可以找出每個輪對的數(shù)據(jù)、性能變化的細微情況，從而對其分析，加以利用（如圖3所示）。

圖3 測試系統(tǒng)制動功測試打印

檢測概況的查看打印--是為了向用戶統(tǒng)計和顯示自前一次數(shù)據(jù)庫清空后，擋車器檢測的批次情況，自動生成檢測概況報表，用于對一定時間段中檢測批次情況的總結。

檢測記錄和數(shù)據(jù)的壓縮--可以更好地保存檢測歷史數(shù)據(jù)，節(jié)省硬盤空間，方便管理。由系統(tǒng)退出時自動完成。

幫助--用于用戶學習和使用過程中的在線幫助，以便用戶高效快捷的掌握系統(tǒng)。

3 軌道交通擋車器模擬試驗臺多功能測試系統(tǒng)發(fā)展與前景

軌道交通擋車器模擬試驗臺多功能測試系統(tǒng)的研制成功，標志著無論從擋車器的檢測場所、檢測方法、檢測精度及檢測效率上都發(fā)生了質(zhì)的變化，在車輛—軌道—擋車器系統(tǒng)動力學研究技術方面填補了此項空白。也是上海鐵路站場調(diào)速技術中心有限公司科技人員辛勤耕耘的結果。經(jīng)過多次的運用試驗，實踐證明，它從根本上消除了天氣、溫度、環(huán)境等對測試系統(tǒng)和傳感器的影響，極大地提高了測試精度和效率，降低了測試成本，完全取代了擋車器檢測的鐵路專用線及軌道車、配重車、守車等檢測設備，在擋車器調(diào)速設備的產(chǎn)品檢測及新產(chǎn)品開發(fā)和提高產(chǎn)品檢測質(zhì)量方面都發(fā)揮了重要的作用。由此我們有理由相信擋車器室內(nèi)模擬試驗臺新型多功能測試系統(tǒng)有著廣泛的推廣應用前景，它的應用必將為鐵路調(diào)速產(chǎn)品進一步發(fā)展和創(chuàng)新奠定扎實的基礎，同時在其它相關測試領域里也必將產(chǎn)生極其深遠的意義。