萬噸列車編組制動系統(tǒng)綜合教學(xué)實驗平臺設(shè)計

劉 震， 倪文波， 王雪梅

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院， 成都 610031)

萬噸列車編組制動系統(tǒng)綜合教學(xué)實驗平臺設(shè)計

劉 震， 倪文波， 王雪梅

(西南交通大學(xué) 機械工程學(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)定置試驗臺，開發(fā)了適用于教學(xué)的萬噸列車制動系統(tǒng)綜合實驗平臺。在介紹實驗平臺基本組成和工作原理的基礎(chǔ)上，重點闡述了基于LabVIEW的實驗平臺軟件設(shè)計，同時以制動波速和緩解波速實驗為例，分析了實驗教學(xué)的具體過程。該實驗平臺功能齊全，能夠滿足機車車輛專業(yè)列車制動課程的所有基本實驗，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。

實驗平臺； 列車制動系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集系

0 引 言

中國鐵路貨運列車具有載重大、編組長、速度快和密度高的特點，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)生的實踐動手能力，在此萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗臺上，依據(jù)《列車制動》課程要求，開發(fā)了可用于學(xué)生實驗的萬噸列車編組制動系統(tǒng)綜合教學(xué)實驗平臺。

一般高校僅有單車制動實驗臺，只能做一些基礎(chǔ)的實驗，如全車泄漏實驗、緊急制動實驗、常用120閥的加速緩解實驗和緊急制動閥實驗等[6]。新開發(fā)的萬噸列車編組制動系統(tǒng)綜合教學(xué)實驗平臺，不僅能夠做一般車輛制動實驗臺所能做的基礎(chǔ)實驗，而且還可以做更深入的實驗，如制動波速和緩解波速實驗、列車制動靈敏度實驗、列車穩(wěn)定性和安定性實驗、不同編組輛數(shù)列車制動特性實驗、列車初充氣和再充氣實驗等實驗內(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)計了基于LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，良好的人機交互平臺，方便學(xué)生動手實驗、觀測列車制動過程中，列車管道各個部分的壓力變化。平臺具有數(shù)據(jù)保存處理功能，可讓學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)做更進(jìn)一步分析研究，以加深其對實驗的掌握。

1 萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗臺

萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗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)計的，由“1輛機車+106輛車輛+1輛機車”組成的列車編組，平臺實物照片如圖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)定置試驗臺

圖2 萬噸列車編組形式及車輛制動系統(tǒng)組成圖

機車制動系統(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)實現(xiàn)重聯(lián)。車輛制動系統(tǒng)按照我國120型貨車制動機在常溫、靜態(tài)下的不同編組的專列列車制動性能試驗要求進(jìn)行設(shè)計。為節(jié)省空間，車輛編組制動系統(tǒng)設(shè)計為臺架形式。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，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，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 實驗平臺軟件設(shè)計

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

圖3 實驗平臺數(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 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。

實驗平臺軟件的設(shè)計主要包括：壓力信號的實時采集和顯示、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。由于要同時采集、處理60路信號，工作量大，為了簡化程序設(shè)計，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)計了子VI，在主程序中直接調(diào)用。

為方便管路氣壓的實時觀測，程序分別設(shè)計了兩種界面顯示模式：一種是一輛車5個壓力點在同一界面顯示，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個壓力點顯示界面，可以看到一輛車不同點的壓力數(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)缸按照時間依次變化的情況，使學(xué)生掌握長編組列車在制動時空氣波的傳播方式。

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，需定期在實驗前對壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確定傳感器電壓輸出與實際壓力值的變換關(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，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驗

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驗是有關(guān)列車制動非常重要的實驗，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驗原理及其實驗教學(xué)過程。

3.1 制動波速和緩解波速實驗原理

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驗方法測定[6]。列車緩解是在制動之后，列車要回到正常運轉(zhuǎn)過程時，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，本實驗平臺為106輛列車編組，每輛車列車管長按照C70貨車的實際長度為15m，故LZB=LHB=106×15=1 590 m；tZB為制動傳播時間(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間；tHB為緩解傳播時間(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間。

圖4所示為制動波速實驗數(shù)據(jù)采集顯示軟件界面。由圖可見，列車緊急制動時，車輛各個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開始計時，到尾車制動缸壓力上升大于5 kPa停止計時，這個時間就是制動波傳播時間，列車管總長已知，根據(jù)式(2)便可計算出制動波速。從數(shù)據(jù)采集軟件前面板可直接讀取到制動傳播時間tZB=5.704 33 s和制動波速wZB=278.736 m/s。

圖4 制動波速實驗壓力數(shù)據(jù)采集顯示軟件界面

圖5所示為緩解波速實驗數(shù)據(jù)采集顯示軟件界面。從圖中可見，列車緩解時，各個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。從圖中的時間軸分別讀取首車和尾車制動缸壓力開始下降時的時間點，兩個時間點之差即為緩解傳播時間tHB=127.32 s，進(jìn)而根據(jù)式(3)計算出制動波速wHB=12.49 m/s。

圖5 緩解波速實驗壓力數(shù)據(jù)采集顯示軟件界面

3.2 制動波速和緩解波速實驗教學(xué)過程

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

(1) 打開PC機，啟動運行列車制動系統(tǒng)實驗平臺軟件。

(2) 在本務(wù)機車的操縱臺上，控制制動控制器手柄處于運轉(zhuǎn)位。打開風(fēng)源，給列車管充風(fēng)，并通過實驗平臺軟件界面實時觀察列車管壓力，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) 制動波速實驗。把本務(wù)機車的制動控制器手柄從運轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)置保壓位，然后按下緊急按鈕實施緊急制動，從實驗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) 緩解波速實驗。在(3)的操作之后等待一段時間，從實驗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)置運轉(zhuǎn)位實施緩解，從實驗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，保存實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。

4 結(jié) 語

基于我校萬噸列車編組制動系統(tǒng)定置試驗臺，開發(fā)了適用于教學(xué)的列車制動系統(tǒng)綜合實驗平臺。該實驗平臺功能齊全，能夠滿足機車車輛專業(yè)列車制動課程的所有基本實驗。實驗平臺可以使學(xué)生掌握列車的制動原理，了解列車制動時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。實驗平臺軟件可以保存記錄實驗過程中的所有壓力數(shù)據(jù)，方便學(xué)生對實驗進(jìn)行更加深入的分析研究。此外，該實驗平臺還可以完成列車實驗、定置實驗、專列靜止實驗和專列運行實驗等。

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)條件專項資金項目(YQSB-2015-049)

劉 震(1990-)，男，陜西西安人，碩士生，主要研究方向為測控技術(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，主要研究方向為現(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