空氣制動類通用試驗臺技術探討

余欲為，譚 杰，白旺旺

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

鐵路列車制動系統具有較多氣動零部件，其可靠性關系行車安全，需嚴格地進行試驗檢驗，制動零部件及系統的各個試驗臺（后文簡稱試驗臺）技術日益重要。

試驗臺由被測件（測量）工裝、氣動系統、測控系統軟硬件和箱體組成。

測試準確和易用高效是試驗臺首要設計需求。試驗臺設計歷史反映了這個需求的漸進細化、不斷精進的歷程。工裝經歷手動工裝到機動工裝；測試經歷了機械表、數字表和計算機測試；試驗方式經過手動和自動試驗；設計約束經過從無到有。前述過程交織融合，逐漸迭代完善、細化和規范，最終達到設計的標準化和通用化。制動系統的各種試驗中，利用共性開發可復用的設計，可提高設計、生產效率和可維護性。通用設計包括2個方面：（1）多種試驗臺可共用的通用設計；（2）多種專用試驗臺合成設計為綜合試驗臺，提高設備使用效率。

1 通用軟件設計

試驗臺種類多，軟件開發消耗大量資源，后期維護管理更甚。而這些軟件代碼有70%以上可重復使用。如能通用化設計，事半功倍，亦增強代碼易用性和維護性。

1.1 設計需求

通用設計原則：設計邏輯直觀、簡單，利于理解和普及；盡可能地擴大通用設計范圍，減少特殊設計；具較少專業知識即可應用。設計需求如圖1所示。

圖1 通用軟件需求分析圖

（1）試驗臺狀態設計需求。顯示試驗臺原理圖，圖上測控元素實時顯示且易交互。

（2）試驗過程設計需求。試驗步驟提示。

1.2 通用軟件需求分析和設計

通用設計簡單說就是處理普遍性和特殊性的關系。首先把設計需求在邏輯上區分為普遍的需求和特殊的需求。“試驗臺基本需求”框中，不同被測件測試過程不同，則其對應的需求如試驗報表、數據文件、試驗臺構成、試驗過程等均為特殊的（淺綠色）需求。而軟件界面、人機交互操作等普遍的（深綠色）需求，可為通用設計。分析后發現，特殊需求較多，不能達到構建易用通用軟件的目的。應將特殊需求轉化為通用需求。

其次從程序設計角度分析。程序設計分為數據設計和過程（屬性和方法）設計。方法在編程時定義（后文簡稱前定義），而數據在編程和程序應用時都可定義（后文簡稱后定義），即處理數據的需求可以轉化為通用設計，如圖2所示。

圖2 需求轉化為通用需求分析圖

再次，個性化程序如果能夠轉換為個性數據和普遍方法，則設計可以通用化。例如，一類需求如果能夠轉化為少數方法或統型為幾個模板，其相應特殊數據配置處理，此特殊需求即可轉化為“后定義”，即通用設計。比如，需求中的試驗報告的顯示和打印符合上述條件，先把試驗報告歸納為幾種通用模版，具體文本內容（數據）采用“后定義”，即解決了其通用編程問題。

第四，需求如果可以適度地抽取出共性“零部件”，且能以此“零部件”再建不同的“整機”。不同的試驗臺構成不同，應為個性設計。但其組成的零部件又是相同的，例如電磁閥、傳感器等，故零部件可以是幾種共性設計，試驗臺則轉化為對幾種共性零部件的數量和構造的定義等，即轉化為可后定義的通用編程問題。封裝屬性和方法構造類的面向對象程序設計，可滿足此需求。如圖1右上紫色部分所示。

最后，試驗流程設計需求的通用化。原則上說，不同的試驗臺或被測件的試驗流程不同，故試驗流程程序應為個性設計，一般需要在編程時完成。應用程序集成語言編譯器或解釋器則可后定義。設計需求中含有控制程序“透明化”即試驗流程的步驟指示和說明需求，解釋器邊解釋邊執行的工作原理滿足此需求，如圖1右下紅色部分所示。與其他方案的比較結果，應用程序內嵌解釋器較好滿足了試驗流程通用化設計的全部需求。不同的試驗過程可以表達為不同的數據（例如文件）。

概括而言，數據可“后定義”。前述個性需求轉化為通用需求就是把方法轉為屬性的過程。解釋器設計，也是方法到屬性的轉化。經過這樣的設計，用戶僅需承擔試驗流程程序設計工作，使用戶工作量最小。

1.3 應用分析

應用程序的操作系統：Windows。選擇微軟的VC開發應用程序，選擇Windows需要解決的技術問題。

（1）Windows是多任務操作系統，操作系統負責調度分配CPU等資源，應用程序不能獨占，由此造成應用程序響應時間有毫秒級延遲。

（2）Windows的1 s定時誤差約3%，可采用硬件定時提高精度。

（3）自開發并口AD卡，Windows95之后版本需開發驅動。

1.4 解釋語言、解釋器設計實現

解釋器是通用設計的關鍵。滿足試驗流程控制的通用化設計需求是解釋器設計初衷，聚焦需求。

1.4.1 解釋語言和解釋器設計

解釋語言和解釋器設計密不可分。其設計實現需解決幾類問題。

針對試驗臺需求設計簡化的類似C語言的解釋語言［1］。解釋語言運行效率低，簡化設計，僅滿足試驗流程控制即可。采用C語言解決了前期解釋語言設計中的問題。

解釋語言的關鍵字為英漢雙語設計，接近自然語言，例如：開關電磁閥函數名為“打開”，回避專業詞匯，把計算機專業知識從試驗流程程序中剝離出去，降低技術門檻。

接口設計策略。軟件的模型設計和接口設計是結構框架設計和設計實現的重要項點。解釋程序與VC程序需要數據交互，故變量、數組、字符串等設計與VC程序兼容，采用共用數據的設計策略。

詞法分析中的查表法效率低，盡可能采用程序法，減少查表。采用變量分區等減小表長，單條語句運行時間達毫秒級，滿足試驗臺需求。控制臺語法錯誤提示。數據類型轉換由解釋器自動轉換。

1.4.2 調試功能——解釋器需要的附加功能

調試為解釋程序的查錯、糾錯，無查錯糾錯功能的語言難以應用。調試要求在運行的解釋程序任意位置可暫停，保持解釋程序當前運行狀態不變，并且解釋器可按要求運行或檢查狀態，以判斷程序運行是否正常。并行程序運行機制滿足此需求，采用多線程設計實現調試器調度功能。

查錯的關鍵，指出錯誤語句位置。開發步進功能以定位程序錯誤。調試器單步執行程序每一語句，執行完成后在下一即將執行語句處停止，了解程序當前狀態，并按要求繼續下一步。程序是否有問題、如何解決由操作人員確定，這是調試器的基本功能。

1.4.3 交互功能

與用戶交互設計關系到易用性。分為編程、調試和運行交互（試驗進程指示器）。

（1）應用程序中集成了VC提供的編輯器，用于編程交互。

（2）要改正錯誤，還要高效。調試交互設計用于提高調試效率，實時指示程序運行位置。采用在編輯器中高亮顯示將執行語句置于指示程序運行位置。

（3）自動化試驗需要試驗進程指示器，利于操作者判斷自動試驗流程運行位置，并根據需要行動，去掉調試步進功能的暫停。一般的程序進程指示僅標識一段程序的概述，而直接對源程序標識，有利于了解編程意圖和程序進程。解釋程序運行效率低，進程指示器效率更低，故設計全速運行和指示器運行2種運行模式。

1.5 其他程序設計

VC程序提供了強大高效的通用應用程序資源，可以用來專用設計。

1.5.1 軟件虛擬試驗臺設計

依據試驗臺工作原理設計交互界面直觀易用，升級為通用設計稍有難度。由前述試驗臺設計轉為通用的零部件設計，試驗臺的特殊信息配置轉為以應用程序繪制試驗臺原理圖（類似繪圖程序）配置數據，實現通用設計。設計分為通用零部件設計和零部件在交互界面上的繪制設計，例如放置、刪除和連接元件。

1.5.2 報表及試驗過程顯示界面設計

報表及試驗過程顯示界面設計合并，即報表也用于顯示表、圖及組合3種方式。

1.5.3 配置界面

為兩維數組錄入設計，應用較多。采用宏匯編語言設計，代碼少、效率高。

1.6 應用驗證

在多種生產性試驗臺運用十年，穩定可靠，疲勞試驗良好，有進一步的發展潛力。

2 測控系統硬件通用設計

2.1 概述

測控硬件設計分為3部分：計算機系統、計算機測控接口和調理器。測控元件為選型設計。測控為開關量、頻率量和模擬量的輸入輸出共6種，模塊化接口通用設計只考慮6種量及增減方式。調理器設計需要與傳感器、執行器接口技術參數匹配，僅對常用的及參數相近的做通用化設計。

設計單片機精簡型、并口復雜型和PLC耐久型3種系統以滿足全部試驗臺需求。

2.2 設計需求

大多零部件即專用試驗臺需求測控參數少、速度低，可選精簡系統。其具有自開發性價比高；要針對需求靈活適應變化；使用維護成本低；與上位機串口連接簡單、方便、安全等優勢。系統類測試或通用（綜合）試驗臺設計需求，測控參數多、精度高和速度高，宜采用并口復雜系統。其應用場景少，自開發性價比稍低。

2.3 串行測控系統設計

2.3.1 硬件設計

采用C8051F020單片機（其上資源全部應用）組成測控系統。其RS232可點對點通訊，RS485可連接多個系統以組成網絡。RS232傳輸速度低，為應用瓶頸。測試精度、采樣速度、定時精度設計是重點，特別是測試精度。此系統可滿足一般制動系統測控速度和定時（毫秒級）需求。

2.3.2 軟件設計

速度、效率是軟件設計關鍵。

（1）中斷程序設計

按需要、重要性快速響應是中斷程序系統的運行機制，其優點是高效，占用資源少。此設計以中斷程序滿足設計需求，構建合適的中斷優先級，以達高性能。

（2）定時程序設計

Windows不能精確定時。用晶振做時鐘源，單片機定時精度達微秒級，滿足需求。

（3）連續高速、多通道A/D程序設計

常規的A/D程序流程為設置通道、采樣保持器充電、啟動A/D轉換、等待A/D轉換和轉換完成讀取結果。2個等待加上程序運行時間大約占20μs，導致軟件工作效率低。采用中斷和并行操作等優化設計。

2.3.3 測試系統精度和抗干擾設計

測量系統由傳感器、信號調理器、多路開關、采樣保持器和模數轉換器組成。權衡各部分技術現狀及測試需求，進行妥善設計，測試精度達萬分級。

（1）硬件

設計獨立模擬電源、數字和模擬系統一點接地、大電流系統電氣隔離和優化模擬系統布局布線等措施，降低干擾影響。

（2）濾波

根據測試需求權衡軟硬件濾波利弊適度設計。硬件設無源低通濾波器，依測試需求頻響設置頻率點。軟件設計工頻濾波。

2.4 并行測控系統設計

串口測控系統無法滿足測控量較多、采樣頻率較高的需求，需采用并口方案。設計ISA接口AD板卡，其問題是生產、應用和調試維護需要較強專業技能，疏忽會導致PC機損壞，維護性差。設計原理與單片機系統類同，區別在于PC機接口部分。

3 機械及氣動系統設計

按功能可將試驗臺氣動系統分為供風、調整、負載3種子系統。原則上氣動元件選型設計滿足試驗流量（有效流通面積）要求即可。但有時這樣忽略了氣動系統的諸多特性，導致無法滿足測試需求，應細化設計需求。例如動態試驗測試時，要求傳感器測點設計位置盡可能接近動態變化點。

調整子系統需求有較多隱含要求，需要仔細考量，區分壓力控制、流量控制2種調節參數方式。壓力控制分為升壓和降壓控制，有的需要單調壓力升降，有的控制壓力變化速度等，須根據測試需求設計。

3.1 綜合試驗臺設計

綜合試驗臺是運營用戶日常維護的較好選擇。氣動原理設計，要滿足全部被測件測試需求，且要求方案盡可能簡潔。

工程設計時需注意氣路具體實現及其對測試需求的影響，在專用試驗臺的設計中，氣動系統相對簡單，對測試的影響較小。在綜合試驗臺的設計中，氣動系統復雜、影響因素多，對測試精度影響較大，嚴重時導致測試失真。同時因為氣路復用部分較多，容易顧此失彼。動態測量時，采用定壓定容充排，測量時間、測量流量，測點位置、彎頭、快插、工裝等均影響較大。最后還需兼顧安裝和維護性。分步迭代改進設計，接近需求，為較好策略。

3.2 集成化設計

以踏面、夾鉗和制動缸試驗臺氣動系統集成化設計為例。采用整體集成板式、橡膠圈密封設計，占用空間小和拆卸換件便捷，可整體浸入水中快速查漏。如圖3所示。

圖3 集成氣動系統設計圖

3.3 模塊化設計

氣動系統模塊化設計處于起步階段，對前期設計試驗臺分析，設計幾種方案，其中可級聯閥板方案進展較快，閥板可以級聯以滿足復雜的各種需求，已完成百萬次疲勞驗證。模塊化設計方案如圖4所示。

圖4 模塊化設計方案

3.4 工裝設計

工裝按功能分為安裝工裝和安裝測試工裝。易用高效為工裝設計首要，體現“以用戶需求為中心”的設計理念。在試驗臺試驗流程自動化后，拆卸被測件是使用者的主要工作，彰顯工裝易用高效的重要性。

3.4.1 被測件的快速安裝工裝

常規氣動工裝設計（軟管+螺紋連接）較簡單，但使用時工作量大。氣缸夾緊式橡膠圈密封工裝，雖然設計工作量大，但使用簡單高效。設計主要針對被測件外形、著力點、密封力、密封圈等因素綜合考量。

歷經單一被測件試驗臺、全系列試驗臺、再到綜合試驗臺較長過程，研制出裝夾全部氣動零部件工裝。在氣動部件綜合試驗臺安裝工裝設計中，全部被測件安裝用3個工裝，設計及改進歷時多年。對于多種被測件，使用轉換板做中間過渡。如圖5所示，圖中左側水平和垂直2種工裝結構相同，是為滿足試驗測試與運用時安裝方向一致。

圖5 氣動部件工裝設計產品圖

此試驗臺的設備使用效率較高。不足之處是得平衡多設計的需求，難以專精顧及個體需求。

3.4.2 測量工裝和安裝測量工裝

測量工裝固定在試驗臺上高效易用，因裝在被測件上，換件時需裝卸測量工裝。這是由于存在以下幾個問題：

（1）會帶來間接測量導致測量精度降低的問題。

（2）測量工裝功能涉及幾何因素的測量，需提高工裝加工精度，以達到量具設計的需求。

（3）測量精度還與其他因素有關。在夾鉗試驗臺制動力測量中，工裝安裝方式等較多因素影響其力的測量。

（4）被測件影響因素。

可見工裝設計需求因高效高精多因素需求而變得復雜。例：制動缸活塞伸長量的測量工裝設計。

從測試需求來說應直接測量活塞相對氣缸的位移，但是設計難度大，而且更換時需重新拆裝和定位，嚴重影響效率和測試精度。故采用間接測試法，即測量制動缸連接試驗臺構件的相對位移。優點：易用高效；缺點：引入間接測量誤差，同時還引入了安裝間隙帶來的誤差。另外制動缸充風產生的噸級制動缸力造成框架彈性變形也引入測量誤差。制動缸安裝銷的配合間隙設計適度，以解決安裝間隙小、測量精度高，且不易安裝的問題；為減小彈性變形引起測量誤差，設計了高結構剛度的框架，計算框架總變形0.16 mm。安裝工裝框架受力變形計算如圖6所示。

圖6 制動缸試驗臺框架變形計算

4 試驗臺測試精度和試驗研究

一般認為測試精度與傳感器精度、測量系統精度有關。實踐證明影響試驗臺測試精度因素較多，且隨測試需求的不同，影響因素、方式、大小各不同，研究這些影響因素是提高試驗臺測試精度的前提。需要綜合考量解決各影響因素，以提高測試精度。

4.1 傳感器選擇對測試精度的影響

根據測試需求選擇傳感器。例如常規的精度、量程選型。但不限于此，例如動態測量時傳感器需要相應的頻率響應特性。壓差測量中，需較高的靈敏度、分辨率。

4.2 試驗臺對測試精度影響因素

4.2.1 直接測量影響因素

直接測量分為靜態測量和動態測量。

（1）靜態測量誤差

靜態測量較易達到較高測試精度，在高精度測量時需要審慎設計。試驗證明，在不充排風，保持氣路和環境狀態不變時，氣壓需要幾分鐘達到“真值”。例如，對一個G1/4的不銹鋼管，24 V諾冠直動式電磁閥，從0 kPa充風至1050 kPa，200 ml管路容積，單片機測量系統。氣體壓力穩定試驗結果為3 min可達0.1 kPa準確度。

從試驗效率而言，只要滿足測試需求精度即可，提高測試效率也很關鍵。

（2）動態測量誤差

動態氣動系統，如流量測量，其與氣動系統的阻力相關，有效流通面積、管道彎頭、管道長度都會影響氣流和測量精度。且對有些測試需求影響較大。

4.2.2 間接測量的影響因素

制動氣動系統試驗有很多用壓力測量代替其他參數測量的情況。在閥類開關動作時間測量時，常用壓力測量的壓力升降點約定為閥開關動作時間。此時影響測量結果的因素較多，壓力傳感器與閥的遠近、經過的彎頭和管長、測量氣路容積、傳感器分辨率、采樣時間等，均有毫秒級的影響。壓力測量代替流量測量類似。其他如前3.4.2所述。

4.2.3 其他影響因素概述

傳感器安裝位置影響；氣動系統的特性對測試的影響；工裝對測試的影響；機械特性影響；靜態、動態、滯回；環境影響；溫度對氣體壓力影響；電磁干擾影響；試驗方法的影響，例如流量需在穩定流動狀態下測量；控制參數對測量精度的影響，控制方式影響，如在機械閥的動作測量中，除與4.2.2因素相關外，還要求壓力單調升降；被測件特性的影響。上述影響在實際問題中有時相關聯，需權衡利弊綜合考慮解決。

影響測量精度因素諸多，如何尋找影響精度的源頭，減小其影響。方法為制定定性或定量試驗方案、試驗觀察并分析數據、與理論原理模型匹配、猜測判斷評估和改善驗證等。重復前述過程，盡可能且適度迭代循環。工程是多目標的適度尋優，減小不確定性，達到可以接受的程度，即認為達到確定性。

4.3 試驗研究評估改善測試精度

目前公認的測試精度評價辦法是，由有傳感器標定資質機構對傳感器物理量測量系統的靜態標定，顯然由前述分析可知，這并非對測量需求的直接標定。對動態和間接的測量，標定可能不能精確評價，應尋求接近測量需求的方式進行標定。

尋找測量精度低的原因比較困難，關鍵在確定影響因素和分析方法。理清各相關因素，隨研究深入，理論結合試驗分析并改善，逐次降低各因素的影響。

實踐中運用統計分析法和趨勢線分析法（后簡稱統計趨勢線分析）取得較好效果。統計法需要大樣本試驗數據，增加成本，但降低不確定性，減少方向性錯誤，為定量化創造了條件。

4.3.1 試驗數據統計趨勢分析

在制動缸A值試驗時，測試結果相差較大，與理論模型分析不符。經過大量試驗，運用統計趨勢分析揭示了試驗數據規律。

控制彈性擋塊位置的制動缸A值試驗數據的2645次試驗散點圖如圖7所示。結合試驗觀察和散點分布，可以看出從上到下有3組散點群，最上面的散點群偶爾出現，其時有機械卡滯引發的“咔嗒”聲，為不正常測試值的卡滯群。中間的點群為正常測量的大值群。下面為小值群。分析推測變化規律如下：

圖7 控制彈性擋塊位置試驗散點圖

（1）卡滯群為調節螺母引起越級卡滯。

（2）正常A值測試數據大小值交替出現，其散點群中心距離0.4 mm。大、小值平均帶寬（散點群高度）約0.2 mm，即測試誤差。

（3）點群中心線斜率約為1；即彈性擋塊位置變化0.1 mm，制動緩解差值變化0.1 mm。

（4）在頂杠的不同位置A值呈小幅周期變化，變化周期約為0.4 mm。

（5）卡滯出現在大、小值的變化接合處。

3個點群的數據在10.2～11.7 mm范圍之間，即1.5 mm的帶寬之內。大、小值點群10.2～11 mm，0.8 mm帶寬。小值點群10.2～10.6 mm，0.4 mm帶寬。可以看出，測小值時，測試精度提高4倍。

4.3.2 一致性——測試準確的必要條件

彈性擋塊位置不動時的制動缸A值487次試驗，如圖8所示。分析結論：

圖8 不控制彈性擋塊位置試驗散點圖

（1）試驗值分為大小2個點群。

（2）因彈性擋塊位置不動，位置測量值不同，且點群近似正態分布。推斷其變化為測試系統的位置測量誤差為0.06 mm，分辨率為0.01 mm。試驗數據具較好的一致性。

（3）其小值一致性較好，為7.78～7.88 mm，誤差約為0.1 mm。

在同一試驗臺上測同一被測件時，其多次測試結果一致性在0.2。此時也存在誤差，這個誤差為確定性誤差。運用此數據處理法，試驗臺試驗數據一致性良好。

測試系統的彈性擋塊位置測量誤差為0.06 mm，雖位置控制器精度更高，但控制根據測量結果，誤差為測量誤差與控制誤差之和。提高測量精度可以作為再提高試驗臺精度的切入點。

如此構成理論分析、改善方法設計、試驗驗證迭代進化過程。

5 結論與展望

（1）通用試驗臺軟件設計具可行性；通用試驗臺設計技術有發展空間。

（2）試驗數據的統計趨勢分析法降低了試驗數據的隨機性，提高了研究的確定性，圖形趨勢分析凸顯出試驗數據的變化規律，是較好的探索型研究工具。宜在自動化測試基礎上運用。

（3）自動化測試可進一步探索，進而達到自動化檢驗、自動化生產。