架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

孫法明，喬 森，程 剛

(1.中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵車(chē)輛也隨之不斷發(fā)展，因其交通便利，各大城市廣泛采用[1-2]。制動(dòng)系統(tǒng)作為地鐵車(chē)輛的關(guān)鍵系統(tǒng)組成，與地鐵車(chē)輛的行車(chē)安全息息相關(guān)。在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備中，制動(dòng)控制單元是保證制動(dòng)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵部件，架控制動(dòng)控制單元因其可靠、安全得到廣泛的應(yīng)用[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有城軌架控制動(dòng)系統(tǒng)專(zhuān)用的線下自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備及檢測(cè)方法，多采用線下人工檢測(cè)和線上車(chē)輛自檢的方法進(jìn)行測(cè)試，人工檢測(cè)繁瑣復(fù)雜，容易出錯(cuò)，而車(chē)輛自檢無(wú)法定量全面檢測(cè)顯示架控制動(dòng)系統(tǒng)性能，均存在不足。本文所介紹的測(cè)試系統(tǒng)及檢測(cè)方法可在架控制動(dòng)系統(tǒng)未裝車(chē)狀態(tài)下，通過(guò)半實(shí)物仿真方法自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)工作性能，為系統(tǒng)安全、穩(wěn)定提供有力保障[5]。

1 設(shè)計(jì)目的及系統(tǒng)測(cè)試功能

本試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要目的是通過(guò)半實(shí)物仿真方式實(shí)現(xiàn)對(duì)架控制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試條件加載，完整實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)、極限工況測(cè)試，通過(guò)檢測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)響應(yīng)，完成閉環(huán)條件加載，最終檢測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)功能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)設(shè)備可加載于被試件的主要條件包括：供風(fēng)壓力、制動(dòng)等級(jí)信號(hào)、速度信號(hào)、車(chē)軸質(zhì)量、緊急制動(dòng)信號(hào)、空壓機(jī)狀態(tài)信號(hào)、儲(chǔ)風(fēng)缸狀態(tài)信號(hào)、再生制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)等。采集的主要信息包括：制動(dòng)風(fēng)缸壓力值、電制動(dòng)力值、緊急運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、遠(yuǎn)程緩解狀態(tài)信號(hào)、斜坡啟動(dòng)狀態(tài)信號(hào)、保持制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)、滑行狀態(tài)信號(hào)等[6-7]。圖1為架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)信息交互示意圖。

圖1 架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)信息交互示意圖

其中，供風(fēng)壓力為0～1 000 kPa可程控調(diào)節(jié)，顯示精度0.5 kPa；制動(dòng)等級(jí)信號(hào)為電壓方波信號(hào)，頻率隨制動(dòng)等級(jí)變化而變化，共分7個(gè)等級(jí)；速度信號(hào)為電流頻率信號(hào)，頻率與速度成正比關(guān)系；交互方式采用CAN通信(MVB通信)、IO信號(hào)。

架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試功能和檢測(cè)方法包括：

(1) 氣密性測(cè)試。自動(dòng)施加緊急制動(dòng)信號(hào)，待制動(dòng)風(fēng)缸壓力穩(wěn)定后，關(guān)斷總風(fēng)、空簧的截?cái)嗳T(mén)，進(jìn)行保壓，監(jiān)測(cè)各個(gè)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)風(fēng)缸壓力值是否滿(mǎn)足要求。

(2) 常用制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。司控器自動(dòng)施加1～7級(jí)制動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)記錄制動(dòng)風(fēng)缸壓力變化，繪制壓力曲線，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算制動(dòng)的施加響應(yīng)時(shí)間，判定是否滿(mǎn)足要求。

(3) 制動(dòng)風(fēng)缸壓力測(cè)試。司控器自動(dòng)逐級(jí)進(jìn)行7級(jí)制動(dòng)信號(hào)、快速制動(dòng)的施加和緩解。待壓力穩(wěn)定后記錄動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng)風(fēng)缸壓力值，并判定是否滿(mǎn)足要求。

(4) 混合制動(dòng)測(cè)試。根據(jù)要求設(shè)定動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的空簧壓力，自動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)速并施加制動(dòng)，監(jiān)測(cè)動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng)風(fēng)缸壓力變化同時(shí)記錄電制動(dòng)力變化，并繪制曲線，判定性能是否滿(mǎn)足要求。

(5) 變載荷測(cè)試。根據(jù)要求調(diào)節(jié)動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的空簧壓力，施加制動(dòng)狀態(tài)，記錄動(dòng)車(chē)和拖車(chē)的制動(dòng)風(fēng)缸壓力變化，形成報(bào)表。

(6) 強(qiáng)迫緩解制動(dòng)測(cè)試。自動(dòng)施加緊急制動(dòng)信號(hào)，壓力穩(wěn)定后，施加強(qiáng)迫緩解信號(hào)，監(jiān)測(cè)制動(dòng)風(fēng)缸壓力的變化，繪制壓力曲線。

(7) 防滑裝置性能測(cè)試。司控器自動(dòng)施加7級(jí)制動(dòng)及緊急制動(dòng)，控制輪對(duì)速度施加滑行，監(jiān)測(cè)防滑閥應(yīng)有排風(fēng)動(dòng)作信號(hào)，并用曲線記錄其防滑閥的排氣時(shí)間及充氣時(shí)間繪制曲線[8-9]。

(8) 停放制動(dòng)施加測(cè)試。施加停放制動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)停放制動(dòng)管路上壓力表的變化情況，并繪制曲線。

(9) 停放制動(dòng)緩解測(cè)試。施加停放制動(dòng)緩解信號(hào)，監(jiān)測(cè)停放制動(dòng)管路上壓力表的變化情況，并繪制曲線。

(10) 緊急制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。自動(dòng)施加緊急制動(dòng)，監(jiān)測(cè)并記錄制動(dòng)風(fēng)缸壓力變化的曲線，記錄緊急制動(dòng)的施加響應(yīng)時(shí)間，判定是否滿(mǎn)足要求。

(11) 空重車(chē)調(diào)整測(cè)試。調(diào)節(jié)空簧壓力，自動(dòng)施加緊急制動(dòng)，待制動(dòng)風(fēng)缸壓力穩(wěn)定之后，記錄制動(dòng)風(fēng)缸壓力，逐漸增大空簧壓力，監(jiān)測(cè)記錄制動(dòng)風(fēng)缸壓力變化的曲線。

(12) 緊急閥故障緊急制動(dòng)施加測(cè)試。自動(dòng)施加緊急制動(dòng)信號(hào)，切斷緊急電磁閥供電，監(jiān)測(cè)緊急閥故障信號(hào)，并記錄制動(dòng)風(fēng)缸壓力變化。

(13) 保持制動(dòng)施加測(cè)試。先將速度信號(hào)調(diào)至15 km/h以上，司控器輸出B1級(jí)制動(dòng)信號(hào)。等制動(dòng)風(fēng)缸壓力穩(wěn)定后，將速度信號(hào)逐漸調(diào)至0，檢測(cè)是否自動(dòng)施加保持制動(dòng)信號(hào)。

(14) 保持制動(dòng)緩解測(cè)試。司控器從制動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換至牽引信號(hào)，速度信號(hào)逐步調(diào)節(jié)至2 km/h以上，監(jiān)測(cè)制動(dòng)風(fēng)缸壓力的變化。

(15) 制動(dòng)力不足檢測(cè)測(cè)試。切除制動(dòng)控制單元(BCU)的充氣閥控制線，使其不能產(chǎn)生常用制動(dòng)控制作用，司控器施加7級(jí)制動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)是否有制動(dòng)力不足故障指示和主要故障指示信號(hào)。

(16) 制動(dòng)不緩解檢測(cè)測(cè)試。切除制動(dòng)控制單元(BCU)的排氣閥控制線，施加故障，監(jiān)測(cè)制動(dòng)不緩解信號(hào)。

(17) 空簧壓力信號(hào)故障測(cè)試。切除空簧壓力信號(hào)，模擬故障，施加司控器信號(hào)，監(jiān)測(cè)制動(dòng)風(fēng)缸變化。

(18) 載荷超范圍故障測(cè)試。空簧壓力調(diào)為極限位，施加載荷超范圍故障，施加司控器信號(hào)，監(jiān)測(cè)制動(dòng)風(fēng)缸變化。

(19) 制動(dòng)風(fēng)缸壓力信號(hào)故障測(cè)試。切除制動(dòng)風(fēng)缸壓力信號(hào)，施加司控器信號(hào)，監(jiān)測(cè)制動(dòng)風(fēng)缸變化。

(20) 拖車(chē)載荷信號(hào)故障測(cè)試。切除拖車(chē)載荷信號(hào)，施加司控器信號(hào)，監(jiān)測(cè)制動(dòng)風(fēng)缸變化。

(21) 車(chē)軸故障測(cè)試。切除速度信號(hào)，施加司控器信號(hào)，監(jiān)測(cè)制動(dòng)風(fēng)缸變化。

(22) 空壓機(jī)過(guò)流測(cè)試。產(chǎn)生空壓機(jī)過(guò)流信號(hào)，造成空壓機(jī)過(guò)流故障，監(jiān)測(cè)空壓機(jī)故障狀態(tài)。

(23) 智能閥故障測(cè)試。切除智能閥電源，造成智能閥故障，監(jiān)測(cè)智能閥故障信號(hào)及制動(dòng)風(fēng)缸變化。

2 系統(tǒng)組成

架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)包括架控試驗(yàn)總控制臺(tái)和架控單閥測(cè)試臺(tái)(圖2)，架控試驗(yàn)總控制臺(tái)包括控制中心、人機(jī)交互單元、列車(chē)司控信號(hào)模擬單元、列車(chē)相關(guān)車(chē)況信號(hào)模擬單元、主控通信單元、信號(hào)采集分析單元；架控單閥測(cè)試臺(tái)包括單閥控制采集單元、車(chē)輛運(yùn)行狀況檢測(cè)仿真單元、試件安裝機(jī)構(gòu)。圖3為架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)框圖。

圖2 架控試驗(yàn)總控制臺(tái)和部分架控單閥測(cè)試臺(tái)

圖3 架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)框圖

其中，列車(chē)司控信號(hào)模擬單元包括司控器、司控器信號(hào)轉(zhuǎn)換發(fā)生電路，用于產(chǎn)生7級(jí)制動(dòng)信號(hào)；列車(chē)相關(guān)車(chē)況信號(hào)模擬單元包括信號(hào)模擬電路、工況模擬氣路，用于實(shí)現(xiàn)緊急運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)程緩解狀態(tài)、斜坡啟動(dòng)狀態(tài)、保持制動(dòng)狀態(tài)等信號(hào)；主控通信單元包括MCU、通信電路，用于實(shí)現(xiàn)架控試驗(yàn)總控制臺(tái)與架控單閥測(cè)試臺(tái)的信息交互和相關(guān)控制；單閥控制采集單元包括通信電路、控制電路、信號(hào)采集電路，用于控制采集被測(cè)架控單元；車(chē)輛運(yùn)行狀況檢測(cè)仿真單元包括模擬檢測(cè)氣路、信號(hào)發(fā)生電路、車(chē)軸速度發(fā)生裝置，用于仿真模擬必要試驗(yàn)條件[10]。

1個(gè)架控試驗(yàn)總控制臺(tái)可與單個(gè)架控單閥測(cè)試臺(tái)組合，單獨(dú)完成1個(gè)架控單元性能測(cè)試；1個(gè)架控試驗(yàn)總控制臺(tái)可與2個(gè)架控單閥測(cè)試臺(tái)構(gòu)成1個(gè)閉環(huán)測(cè)試單元，完成1輛車(chē)(動(dòng)車(chē)或拖車(chē))架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試；1個(gè)架控試驗(yàn)總控制臺(tái)也可與多個(gè)架控單閥測(cè)試臺(tái)協(xié)同工作，組成整車(chē)架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)，完成多編組車(chē)輛架控制動(dòng)系統(tǒng)整體測(cè)試。

架控試驗(yàn)總控制臺(tái)與架控單閥測(cè)試臺(tái)氣路采用快捷插頭連接、電氣采用航空插頭連接，便于完成快速組合應(yīng)用，靈活配置。架控單閥測(cè)試臺(tái)試件安裝機(jī)構(gòu)具有車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)接口與被測(cè)架控單元完成連接，簡(jiǎn)單易行。

3 試驗(yàn)軟件與操作流程

架控試驗(yàn)總控制臺(tái)的控制中心內(nèi)置上位機(jī)程序，完成試驗(yàn)整體邏輯控制、運(yùn)算。架控單閥測(cè)試臺(tái)車(chē)輛運(yùn)行仿真單元內(nèi)置下位機(jī)程序，完成試驗(yàn)系統(tǒng)邊緣測(cè)控。

試驗(yàn)軟件界面如圖4所示，主要分為5大功能區(qū)域，包括：測(cè)試項(xiàng)目選擇區(qū)、主要參數(shù)顯示區(qū)、開(kāi)關(guān)信號(hào)交互區(qū)、車(chē)輛參數(shù)設(shè)置區(qū)、曲線顯示回放區(qū)。

圖4 試驗(yàn)軟件界面

其中，測(cè)試項(xiàng)目選擇區(qū)采用點(diǎn)選方式，用于選擇氣密性測(cè)試、常用制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試等不同檢測(cè)項(xiàng)目；主要參數(shù)顯示區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛行駛制動(dòng)相關(guān)主要參數(shù)，包括系統(tǒng)總風(fēng)壓力、轉(zhuǎn)向架輪對(duì)速度、制動(dòng)單元風(fēng)缸壓力等；開(kāi)關(guān)信號(hào)交互區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示開(kāi)關(guān)量信號(hào)狀態(tài)，包括停放制動(dòng)狀態(tài)、再生制動(dòng)狀態(tài)、遠(yuǎn)程緩解狀態(tài)等信號(hào)；車(chē)輛參數(shù)設(shè)置區(qū)用于設(shè)置一些測(cè)量相關(guān)參數(shù)，包括軸重、輪對(duì)直徑等；曲線顯示回放區(qū)可以通過(guò)點(diǎn)選方式實(shí)時(shí)顯示所需要觀測(cè)的重點(diǎn)參量曲線，也回放歷史測(cè)試曲線。試驗(yàn)軟件操作流程圖如圖5所示。

具體操作流程如下：

(1) 系統(tǒng)啟動(dòng)，控制中心初始化，控制各單元、模塊初始化，檢測(cè)各個(gè)架控單閥測(cè)試臺(tái)的狀態(tài)。

(2) 等待軟件控制操作，根據(jù)人工選擇自動(dòng)載入相關(guān)配置參數(shù)，根據(jù)軟件控制操作自主載入相應(yīng)架控試驗(yàn)流程。

(3) 根據(jù)試驗(yàn)流程，自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力信號(hào)、司控器信號(hào)、速度信號(hào)、通信協(xié)議內(nèi)容等工況信息，構(gòu)建試驗(yàn)環(huán)境。采集架控制動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)反饋信息，包括壓力信號(hào)、通信協(xié)議內(nèi)容等，逐項(xiàng)根據(jù)需要完成試驗(yàn)。

(4) 控制中心接收到各單元的反饋信息，自主分析判斷評(píng)估架控制動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)及各項(xiàng)指標(biāo)。

(5) 控制中心將全部試驗(yàn)信息存儲(chǔ)，并根據(jù)需要打印。

圖5 試驗(yàn)軟件操作流程圖

操作系統(tǒng)除了可以完成分項(xiàng)試驗(yàn)外也可進(jìn)入仿真模式，通過(guò)操作架控試驗(yàn)臺(tái)總控制臺(tái)上控制按鈕和司控器，自由仿真牽引制動(dòng)操作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)架控制動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)反饋信息、繪制曲線、顯示狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

架控制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的投入使用，極大地提高了產(chǎn)品測(cè)試的工作效率，避免了以往在繁瑣的試驗(yàn)操作中產(chǎn)生失誤的可能。同時(shí)，該系統(tǒng)的使用實(shí)現(xiàn)了以往人工和車(chē)輛自檢都難以完成的測(cè)試效果，除了可以快速定性地檢定產(chǎn)品性能是否達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，還可以在不同工作條件下完成精準(zhǔn)的定量閉環(huán)測(cè)量，為不同車(chē)型的架控制動(dòng)算法的優(yōu)化調(diào)整提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。該試驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)填補(bǔ)了城軌制動(dòng)架控制動(dòng)系統(tǒng)線下智能測(cè)試裝備領(lǐng)域的空白，不僅縮減了架控制動(dòng)系統(tǒng)單機(jī)檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)，保障了城軌制動(dòng)架控單元的生產(chǎn)檢測(cè)，同時(shí)也極大地提升了架控制動(dòng)系統(tǒng)自主研發(fā)的實(shí)力。目前該試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，受到用戶(hù)極大好評(píng)，以其為依托所研發(fā)測(cè)試的制動(dòng)產(chǎn)品現(xiàn)已穩(wěn)定裝車(chē)運(yùn)行。