萬噸列車編組制動系統(tǒng)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

劉 震， 倪文波， 王雪梅

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610031)

萬噸列車編組制動系統(tǒng)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

劉 震， 倪文波， 王雪梅

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610031)

為了讓科研設(shè)備為教學(xué)服務(wù)，基于西南交通大學(xué)萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗(yàn)臺，開發(fā)了適用于教學(xué)的萬噸列車制動系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺。在介紹實(shí)驗(yàn)平臺基本組成和工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)平臺軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)以制動波速和緩解波速實(shí)驗(yàn)為例，分析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體過程。該實(shí)驗(yàn)平臺功能齊全，能夠滿足機(jī)車車輛專業(yè)列車制動課程的所有基本實(shí)驗(yàn)，對于加深學(xué)生對列車制動原理的認(rèn)識和理解，豐富列車制動課程的教學(xué)內(nèi)容都起著十分積極的作用。

實(shí)驗(yàn)平臺； 列車制動系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集系

0 引 言

中國鐵路貨運(yùn)列車具有載重大、編組長、速度快和密度高的特點(diǎn)，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著積極的推動作用。對長大列車制動系統(tǒng)的研究一直是制動技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一[1-5]。學(xué)校更新了原有的萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗(yàn)臺。為了讓科研設(shè)備得到充分利用，為教學(xué)服務(wù)，以提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，在此萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗(yàn)臺上，依據(jù)《列車制動》課程要求，開發(fā)了可用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的萬噸列車編組制動系統(tǒng)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。

一般高校僅有單車制動實(shí)驗(yàn)臺，只能做一些基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，如全車泄漏實(shí)驗(yàn)、緊急制動實(shí)驗(yàn)、常用120閥的加速緩解實(shí)驗(yàn)和緊急制動閥實(shí)驗(yàn)等[6]。新開發(fā)的萬噸列車編組制動系統(tǒng)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，不僅能夠做一般車輛制動實(shí)驗(yàn)臺所能做的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，而且還可以做更深入的實(shí)驗(yàn)，如制動波速和緩解波速實(shí)驗(yàn)、列車制動靈敏度實(shí)驗(yàn)、列車穩(wěn)定性和安定性實(shí)驗(yàn)、不同編組輛數(shù)列車制動特性實(shí)驗(yàn)、列車初充氣和再充氣實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。使學(xué)生不僅能夠掌握車輛制動的基本原理，而且可以實(shí)際操縱制動系統(tǒng)，更好的理解列車在制動過程中，列車各個(gè)管路和缸的壓力變化規(guī)律，從而加深對120型空氣制動閥結(jié)構(gòu)性能的認(rèn)識。平臺設(shè)計(jì)了基于LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，良好的人機(jī)交互平臺，方便學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)、觀測列車制動過程中，列車管道各個(gè)部分的壓力變化。平臺具有數(shù)據(jù)保存處理功能，可讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做更進(jìn)一步分析研究，以加深其對實(shí)驗(yàn)的掌握。

1 萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗(yàn)臺

萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗(yàn)臺是按照美國鐵路技術(shù)(Association of American Railroads，AAR)標(biāo)準(zhǔn)[7]并結(jié)合中國鐵標(biāo)[8]設(shè)計(jì)的，由“1輛機(jī)車+106輛車輛+1輛機(jī)車”組成的列車編組，平臺實(shí)物照片如圖1所示，其編組形式如圖2所示。

圖1 萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗(yàn)臺

圖2 萬噸列車編組形式及車輛制動系統(tǒng)組成圖

機(jī)車制動系統(tǒng)采用ZYLB-1型電控制動操縱臺，通過CAN總線和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)重聯(lián)。車輛制動系統(tǒng)按照我國120型貨車制動機(jī)在常溫、靜態(tài)下的不同編組的專列列車制動性能試驗(yàn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。為節(jié)省空間，車輛編組制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)為臺架形式。臺架上安裝的各車輛制動系統(tǒng)的主要參數(shù)包括：管路長度、通徑和風(fēng)缸配置等，均符合車輛實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。

106輛車輛的制動系統(tǒng)都采用120型貨車制動機(jī)，其核心是120型空氣制動閥，系統(tǒng)組成簡圖見圖2。120型空氣制動閥采用直接作用方式，在緊急制動時(shí)，其先導(dǎo)閥先開啟，然后放風(fēng)閥開啟，以提高緊急制動波速。加速緩解風(fēng)缸和加速緩解閥在制動后緩解，緩解時(shí)加速緩解風(fēng)缸的氣充入列車制動管，加快列車制動管升壓，使緩解波速提高。其副風(fēng)缸容積小，列車初充氣和再充氣的時(shí)間短[9-10]。

在車輛制動系統(tǒng)中的列車制動軟管、加速緩解風(fēng)缸、120閥緊急室、副風(fēng)缸和制動缸等處都安裝有壓力傳感器，用來檢測這5處位置管路的壓力。

2 實(shí)驗(yàn)平臺軟件設(shè)計(jì)

為使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的可操作性和可觀測性，實(shí)驗(yàn)平臺軟件采用LabVIEW可視化虛擬儀器程序編寫，系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。在兩輛機(jī)車和每隔12輛車選取1輛車的制動系統(tǒng)中安裝5個(gè)壓力傳感器，共計(jì)60個(gè)壓力傳感器。壓力傳感器通過線纜與數(shù)據(jù)采集卡相連。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)采集處理軟件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的PCI6225型采集卡，其具有80個(gè) A/D通道、 16位的分辨率精度，250 kS/s的最大采樣頻率，完全能滿足制動平臺的數(shù)據(jù)采集需求。壓力對應(yīng)的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，信號的采集控制、處理、存儲和顯示均在LabVIEW平臺上完成。

實(shí)驗(yàn)平臺軟件的設(shè)計(jì)主要包括：壓力信號的實(shí)時(shí)采集和顯示、數(shù)據(jù)處理和保存、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)分析、打印。各個(gè)功能部分都包含了前面板的用戶界面和后面板的程序設(shè)計(jì)。由于要同時(shí)采集、處理60路信號，工作量大，為了簡化程序設(shè)計(jì)，采用了模塊化的編程方法，信號濾波和數(shù)據(jù)保存功能設(shè)計(jì)了子VI，在主程序中直接調(diào)用。

為方便管路氣壓的實(shí)時(shí)觀測，程序分別設(shè)計(jì)了兩種界面顯示模式：一種是一輛車5個(gè)壓力點(diǎn)在同一界面顯示，另一種是所有車輛的列車管壓力、制動缸壓力和副風(fēng)缸壓力在同一界面顯示。同一輛車的5個(gè)壓力點(diǎn)顯示界面，可以看到一輛車不同點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)變化，使學(xué)生了解一輛車制動系統(tǒng)各個(gè)管路之間的聯(lián)系。將編組中所有車輛的列車管壓力、制動缸壓力和副風(fēng)缸壓力在同一界面顯示，則可看到編組中列車管、制動缸、副風(fēng)缸按照時(shí)間依次變化的情況，使學(xué)生掌握長編組列車在制動時(shí)空氣波的傳播方式。

數(shù)據(jù)處理程序包括傳感器校準(zhǔn)和信號濾波。為了保證測量精度，需定期在實(shí)驗(yàn)前對壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確定傳感器電壓輸出與實(shí)際壓力值的變換關(guān)系：

y=kx-b

(1)

式中：y為壓力值(kPa)；x為電壓值(V)；k、b為校準(zhǔn)系數(shù)。

校準(zhǔn)時(shí)，采用更高精度的壓力傳感器與待校準(zhǔn)的壓力傳感器對同一壓力進(jìn)行測量，計(jì)算出校準(zhǔn)系數(shù)后，存放在程序的標(biāo)定數(shù)組里，以便程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行變換、處理。

因傳感器采集到的信號含有干擾，干擾信號過大會導(dǎo)致信號失真，所以對信號進(jìn)行濾波處理是必要的[11-12]。本文采用平滑濾波器對采集到的壓力信號進(jìn)行濾波，以剔除干擾信號引起的毛刺，使信號曲線更加光滑，提高信號的準(zhǔn)確性。

3 制動波速和緩解波速實(shí)驗(yàn)

制動波速和緩解波速是列車制動系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，其反映了列車制動的距離和列車可以行駛的速度，同時(shí)也反映了列車在制動過程中產(chǎn)生的沖動力的大小[13-15]，所以制動波速和緩解波速實(shí)驗(yàn)是有關(guān)列車制動非常重要的實(shí)驗(yàn)，對于學(xué)生掌握長編組列車制動過程中各節(jié)車輛的制動過程有很大幫助。下面以此為例，闡述制動波速和緩解波速實(shí)驗(yàn)原理及其實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。

3.1 制動波速和緩解波速實(shí)驗(yàn)原理

如果各車輛的120閥的型式和靈敏度完全相同，列車制動過程中，空氣波將由前向后傳播，各節(jié)車輛的制動作用也是沿列車長度方向由前向后傳播的制動。但實(shí)際上，由于120閥的結(jié)構(gòu)性能和狀態(tài)并不完全相同，制動作用并非完全由前向后傳播，會出現(xiàn)來回“跳”的現(xiàn)象，故列車的制動波速只能通過實(shí)驗(yàn)方法測定[6]。列車緩解是在制動之后，列車要回到正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程時(shí)，制動缸開始緩解排氣，空氣波向后傳播，制動缸開始減壓。制動波速和緩解波速的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式中：wZB為制動波速(m/s)；wHB為緩解波速(m/s)；LZB、LHB為制動波速傳播距離(m)，從首車到尾車列車管的長度，本實(shí)驗(yàn)平臺為106輛列車編組，每輛車列車管長按照C70貨車的實(shí)際長度為15m，故LZB=LHB=106×15=1 590 m；tZB為制動傳播時(shí)間(s)，從首車制動缸壓力開始上升至尾車制動缸壓力開始上升為止的時(shí)間；tHB為緩解傳播時(shí)間(s)，從首車制動缸壓力開始下降至尾車制動缸壓力開始下降為止的時(shí)間。

圖4所示為制動波速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集顯示軟件界面。由圖可見，列車緊急制動時(shí)，車輛各個(gè)制動缸壓力分別開始上升，但并非按車輛順序依次上升，這點(diǎn)證明了制動波會來回“跳”的現(xiàn)象。程序可自動讀取制動傳播時(shí)間，考慮到壓力信號波動誤差，設(shè)置當(dāng)首車制動缸壓力上升大于5 kPa開始計(jì)時(shí)，到尾車制動缸壓力上升大于5 kPa停止計(jì)時(shí)，這個(gè)時(shí)間就是制動波傳播時(shí)間，列車管總長已知，根據(jù)式(2)便可計(jì)算出制動波速。從數(shù)據(jù)采集軟件前面板可直接讀取到制動傳播時(shí)間tZB=5.704 33 s和制動波速wZB=278.736 m/s。

圖4 制動波速實(shí)驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)采集顯示軟件界面

圖5所示為緩解波速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集顯示軟件界面。從圖中可見，列車緩解時(shí)，各個(gè)車輛的制動缸壓力分別開始下降，同樣出現(xiàn)了制動波來回“跳”的現(xiàn)象，這些都表明各車輛120閥的特性具有差異性。從圖中的時(shí)間軸分別讀取首車和尾車制動缸壓力開始下降時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之差即為緩解傳播時(shí)間tHB=127.32 s，進(jìn)而根據(jù)式(3)計(jì)算出制動波速wHB=12.49 m/s。

圖5 緩解波速實(shí)驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)采集顯示軟件界面

3.2 制動波速和緩解波速實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

由于實(shí)驗(yàn)臺在做實(shí)驗(yàn)時(shí)各個(gè)管道內(nèi)壓力較大，故首先需要對學(xué)生進(jìn)行安全教育，明確實(shí)驗(yàn)過程各注意事項(xiàng)，保證實(shí)驗(yàn)安全有序進(jìn)行。然后按照以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

(1) 打開PC機(jī)，啟動運(yùn)行列車制動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺軟件。

(2) 在本務(wù)機(jī)車的操縱臺上，控制制動控制器手柄處于運(yùn)轉(zhuǎn)位。打開風(fēng)源，給列車管充風(fēng)，并通過實(shí)驗(yàn)平臺軟件界面實(shí)時(shí)觀察列車管壓力，當(dāng)首車和尾車的列車管壓力到達(dá)500 kPa左右后即可以開始操作制動控制器手柄。

(3) 制動波速實(shí)驗(yàn)。把本務(wù)機(jī)車的制動控制器手柄從運(yùn)轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)置保壓位，然后按下緊急按鈕實(shí)施緊急制動，從實(shí)驗(yàn)平臺軟件界面可以觀測到每輛車的制動缸壓力開始分別上升。

(4) 緩解波速實(shí)驗(yàn)。在(3)的操作之后等待一段時(shí)間，從實(shí)驗(yàn)平臺軟件界面觀測各車輛制動缸壓力全部穩(wěn)定以后，松開緊急按鈕，然后把制動控制器手柄從保壓位轉(zhuǎn)置運(yùn)轉(zhuǎn)位實(shí)施緩解，從實(shí)驗(yàn)平臺軟件界面可以觀測到每輛車的制動缸壓力開始分別下降。

(5) 觀測分析壓力曲線，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 結(jié) 語

基于我校萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗(yàn)臺，開發(fā)了適用于教學(xué)的列車制動系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺功能齊全，能夠滿足機(jī)車車輛專業(yè)列車制動課程的所有基本實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺可以使學(xué)生掌握列車的制動原理，了解列車制動時(shí)各管道的壓力變化規(guī)律，以及加深對120閥結(jié)構(gòu)性能的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)平臺軟件可以保存記錄實(shí)驗(yàn)過程中的所有壓力數(shù)據(jù)，方便學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更加深入的分析研究。此外，該實(shí)驗(yàn)平臺還可以完成列車實(shí)驗(yàn)、定置實(shí)驗(yàn)、專列靜止實(shí)驗(yàn)和專列運(yùn)行實(shí)驗(yàn)等。

利用高校現(xiàn)有的科研設(shè)備為教學(xué)服務(wù)，不僅可以提高現(xiàn)有設(shè)備資源的利用率，而且對于提高學(xué)生的實(shí)際動手能力，加深學(xué)生對列車制動原理的認(rèn)識和理解，豐富列車制動課程的教學(xué)內(nèi)容，提升課程教學(xué)質(zhì)量都具有良好的作用與意義。

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Design of Comprehensive Teaching Experimental Platform for 10 000 t Train Marshalling Braking System

LIUZhen，NIWenbo，WANGXuemei

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

To make use of research equipment for teaching, a comprehensive teaching experimental platform was developed for 10 000 t train marshalling braking system based on test rig for 10 000 t train marshalling braking system in Southwest Jiaotong University. On the basis of introduction of experimental platform structure and principle, this paper mainly focused on the software design of the experimental platform based on Labview. Meanwhile the experiments of braking propagation speed and release propagation speed were taken for examples to analyze the process of experiment teaching. The experimental platform has multiple functions and can meet the demands of experiment of train braking course for locomotive and rolling stock students. It also plays a crucial role in both deepening comprehension and knowledge of train braking system principle, and enriches the curriculum content of train braking system.

experimental platform; train braking system; data acquisition system

2016-03-07

中央級普通高校改善基本辦學(xué)條件專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YQSB-2015-049)

劉 震(1990-)，男，陜西西安人，碩士生，主要研究方向?yàn)闇y控技術(shù)及應(yīng)用。Tel.：13258117152；E-mail:1227951145@qq.com

王雪梅(1968-)，女，四川三臺人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代測控技術(shù)及其在軌道交通中的應(yīng)用。

Tel.：13668193971； E-mail: xmwang2012@home.swjtu.edu.cn

U 291.4

A

1006-7167(2017)02-0210-04