高速基礎制動試驗臺測試技術

丁福焰，余欲為，李和平

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

基礎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、溫升特性等進行全面的測試和研究，因此這種試驗臺對于基礎制動裝置的研發和生產都具有重要的意義。

2011年，中國鐵道科學研究院新建了一臺高速1：1基礎制動試驗臺（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）、程控模擬運營及環境試驗等功能，可為高速列車制動系統的研發和試驗驗證提供重要的技術支撐。

試驗臺采用了先進的設計理念并集成了諸多新技術，如大功率交流驅動控制和電慣量模擬技術、機械慣量制動切換技術、水力制動和復合緊急制動技術、隔熱隔聲技術、環境控制技術、制動噪聲和振動測試與分析技術、基于網絡的測控系統技術、無線測試技術、紅外熱成像技術、狀態監測和故障診斷技術等，具有技術先進、功能齊全、實用高效等特點。

對于大型、復雜的試驗裝備或系統，傳感器數量和種類繁多，測試精度、控制性能和系統可靠性要求都很高，因此，測試和控制系統的設計及技術水平，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基礎制動試驗臺即是一種大型、專業化試驗裝備，其所采用的測試技術也很有特點。

1 基于以太網的數據采集技術

1.1 基于以太網的測控系統架構

在傳統試驗臺中，測試參數種類少，數據量小，控制功能也相對較弱，對測控系統的要求較低，有的采用相互獨立的控制系統和測試儀器，而每個傳感器的信號電纜都直接敷設到控制臺，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，測試和控制的參數越來越多。對大型、復雜的試驗設備或試驗系統來說，信號電纜直接從傳感器連接到控制臺，不僅信號易受干擾，導致試驗誤差增大，可靠性不高，而且設備安裝工作量大，出現問題不易查找，維護、更換多有不便。

網絡技術的發展，為這種大型試驗裝備的測控系統提供了新的解決方案。試驗臺采用了基于以太網的測控系統架構，具有高帶寬、高速率、開放性、易擴展等優點。

測控系統簡化框圖如圖1所示，系統設一臺主控計算機，用作上位機或設備服務器，現場測控設備、電氣控制系統、無線遙測系統、視頻攝像機、紅外熱像儀、環境控制系統等都作為下位機或子系統，通過網線和網絡交換機連接到主控計算機。主控計算機通過IP地址訪問現場設備，并控制其工作，可實現不同設備之間的同步。傳感器、控制閥等通過電纜線就近連接到現場設備，由現場設備實施數據采集和控制，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場設備之間只有網線連接，因此簡化了現場布線工作，增強了系統的可靠性和可維護性，主控計算機則可以根據需要放置在距設備主體較遠的地方，而不必擔心信號干擾及實時性等問題。

圖1 試驗臺測控系統簡化框圖

1.2 混合信號數據采集技術

混合信號的采集，是通過現場數據采集系統完成的，該系統主要由數據采集裝置和信號調理裝置等組成。主控計算機通過網絡傳送控制指令和采集參數，如采集通道、采樣頻率、采樣時間或采樣起始點和結束點等，數據采集裝置據此進行采樣，并完成數據傳輸。各傳感器輸出的信號經過信號調理裝置調理后，輸入數據采集裝置。這部分信號主要包括速度、壓力、力、溫度（熱電偶）、應變等，根據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、制動功率等參數曲線，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、平均值等統計參數的計算，可根據預先設置的計算起始點和結束點的范圍進行，也可根據試驗規范或試驗大綱要求靈活地實現，如平均摩擦系數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

制動盤溫度的傳統測量方法，是把溫度傳感器（如熱電偶）的信號線通過集流環引出，再接入數據采集裝置。測點越多，集流環就越多，不僅需要增加主軸的長度，為結構設計帶來不便，而且存在碳刷的磨損和更換問題，增加了維護工作量。

試驗臺采用了無線測試系統，主要由發射裝置和接收裝置兩部分組成。傳感器通過信號線纜與發射裝置連接，發射裝置與主軸一同轉動，它將熱電偶信號轉化為數字信號，并通過無線射頻將數字信號發射給接收裝置。接收裝置為固定件，它接收到無線信號后，通過以太網傳輸到主控計算機。利用無線測試技術，可方便地測量制動盤上的多點溫度，簡化軸系結構，減小維護工作量。

試驗臺無線測試系統有3個特點：①功能較強，不僅實現了旋轉件的多點溫度采集，而且實現了制動扭矩及多點應變的采集；②接收裝置通過以太網與主控計算機通訊，與整個測控系統架構一致，傳輸速率高；③發射裝置的供電采用無線方式實現，不需要電池或滑環，無易耗更換件。

在高速制動過程中，制動盤可能產生數百度甚至上千度的高溫，而耐高溫應變片少且貴，并且采用傳統的集流環方式會引起阻值變化，實際上無法準確測量，因此以前很少有人進行制動盤的動態應變測試。該試驗臺采用無線測試技術，選用美國HPI公司的高溫應變片，可實現制動盤的動態應變測量，允許工作溫度高達1 090℃。但這種高溫應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

隨著人們安全意識和環境意識的提高，振動和噪聲問題越來越引起人們的關注，鐵路制動領域也是如此。因此，利用試驗臺進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，已有國外企業利用試驗臺進行了高速列車制動過程的噪聲測試。

試驗臺采用B＆K公司基于以太網的模塊化振動噪聲數據采集器（LAN－XI），可在制動過程中，實現多通道振動和噪聲數據的同步采集。測試通道、配接傳感器及采樣參數等均可在主控計算機上通過軟件配置，測量準確、可靠，應用靈活。試驗臺的大型隔熱、隔聲試驗艙有效地衰減了內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據進行濾波、頻譜分析、瀑布圖分析等（如圖3所示），也可以利用專業分析軟件進行更深入的分析。

1.5 紅外熱成像測試技術

紅外熱成像技術近來得到了快速發展，已在科學研究和工業領域獲得了廣泛的應用。在制動試驗臺上，利用紅外熱成像技術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，并帶有特殊的環境保護罩，保證在低溫環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2 000℃，量程可自動切換，可由主控計算機通過網絡控制其工作，高速、實時、同步地進行制動過程的動態圖像紀錄，并通過網絡將數據傳送到主控計算機。

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域內溫度的最低、最高和平均值（如圖4所示）。除實時顯示外，對所記錄的動態紅外圖像也可以進行回放和分析，應用直觀、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 紅外熱成像測試數據

2 結束語

前面簡要介紹了新建高速基礎制動試驗臺在測試技術方面的一些特色，沒有涉及控制方面的內容。實際上，該試驗臺的測控系統是一個整體，包括測試、控制、狀態監測和故障診斷等，都是主控計算機通過網絡通訊控制完成的。試驗臺的狀態監測和安全控制技術也是非常有特點的，但因篇幅所限，不再贅述。目前，試驗臺已完成調試并投入運行，測試技術在其中發揮了重要作用，測控系統的設計也是非常成功的。

［1］丁福焰，李和平，李繼山.機車車輛和高速動車組基礎制動臺架試驗技術的發展［C］.中國鐵道科學研究院60周年學術論文集，北京：中國鐵道出版社，2010：695－700.