基于列車制動防滑原理的靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)

霍佳敏 楊 贇 閔子洋 屈國慶

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京；2.成都天佑路航軌道交通科技有限公司，610036，成都∥第一作者，高級工程師)

列車制動系統(tǒng)是列車安全運(yùn)行的重要保障，其主要作用是確保列車能在各種情況下平穩(wěn)、可靠、準(zhǔn)確地停車。在列車制動系統(tǒng)工作過程中，如果制動力超過了輪軌之間的黏著力，車輪將被“抱死”,進(jìn)而產(chǎn)生列車滑行現(xiàn)象。這會導(dǎo)致制動距離延長、車輪踏面磨耗加劇,軌道擦傷加劇，致使乘坐舒適度降低，甚至還會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此地鐵列車的防滑保護(hù)十分重要[1-2]。對列車制動系統(tǒng)的防滑性能進(jìn)行測試，不僅能夠有效地認(rèn)知制動系統(tǒng)對防滑閥的控制性能，同時還能為列車運(yùn)行過程中的制動防滑提供合理的依據(jù)。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)通過向列車制動系統(tǒng)發(fā)送對應(yīng)的速度方波信號，能夠模擬列車運(yùn)行時可能出現(xiàn)的滑行情況；同時通過分析所采集的制動缸壓力的反饋信息，能夠在列車靜態(tài)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)制動系統(tǒng)防滑性能的測試，可為列車提供一種新型而簡單的制動系統(tǒng)防滑性能測試技術(shù)。

1 列車制動系統(tǒng)防滑原理

為了能夠有效防止制動過程中列車產(chǎn)生滑行現(xiàn)象，在制動系統(tǒng)上安裝的防滑閥起著關(guān)鍵作用。列車的每個輪對上都會裝有測量車輪速度信號的速度傳感器。這些速度傳感器將測得的速度信號傳遞給EBCU(電子制動控制單元)；EBCU實(shí)時地對速度信號進(jìn)行綜合分析和處理，并根據(jù)預(yù)設(shè)的滑行判斷依據(jù)，計(jì)算和判斷各車軸是否發(fā)生了滑行。若EBCU檢測到某車軸發(fā)生了滑行，列車制動系統(tǒng)將立刻控制該車軸所對應(yīng)的防滑閥并進(jìn)行排氣動作，以緩解該車軸的制動力。當(dāng)該車軸的速度恢復(fù)至正常減速過程時，即車輪恢復(fù)黏著，制動缸將重新進(jìn)行充氣，完成列車在制動過程中的防滑動作[3-5]。列車防滑控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 列車防滑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of train anti-sliding control system architecture

在實(shí)際行駛過程中，列車制動系統(tǒng)采取防滑措施的合理性取決于對列車出現(xiàn)滑行工況時能否進(jìn)行合理的判斷。在當(dāng)前主流的列車制動系統(tǒng)中，列車滑行判別依據(jù)主要有速度差、減速度和滑移率。在判別車輛是否滑行時，列車制動系統(tǒng)并不是基于某一個單一的判別依據(jù)來進(jìn)行相應(yīng)的滑行判斷，而是綜合三項(xiàng)判別依據(jù)的相互作用和變化，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的滑行工況確定。然而，當(dāng)一節(jié)車的4個輪對中某一輪對發(fā)生滑行時，該輪對所對應(yīng)的軸速相對于其他輪對將會出現(xiàn)急劇下降的情況，此時制動系統(tǒng)會快速反應(yīng)，認(rèn)為速度急劇下降的輪對出現(xiàn)了滑行狀況。由此可以看出，速度差作為一種直觀、簡單、有效的滑行判別依據(jù)，其在制動系統(tǒng)中的優(yōu)先級和敏感度較高，同時也是最符合實(shí)際物理狀況的一種判別依據(jù)。

2 靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)研制

2.1 靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)的工作原理

基于列車制動系統(tǒng)的防滑原理，所設(shè)計(jì)的靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)基本原理為：檢測系統(tǒng)主機(jī)驅(qū)動速度信號發(fā)生模塊，產(chǎn)生代表軸速的電信號用以代替速度傳感器輸出的真實(shí)信號(依據(jù)檢測時選取的打滑類型，通過軟件為一個軸模擬產(chǎn)生不同頻率的信號)，并將信號輸入列車制動系統(tǒng)；通過設(shè)定相應(yīng)的速度閾值和加速度閾值，生成的速度信號需要盡可能模擬出所需要的變化曲線。

結(jié)合所模擬的速度信號，靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)通過采集制動系統(tǒng)的制動缸壓力和司機(jī)控制室制動指令，就可以分析得出防滑系統(tǒng)是否正確工作，整個靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。在工作過程中，靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)實(shí)時檢測司機(jī)控制室發(fā)來的制動指令。當(dāng)測試系統(tǒng)檢測到制動命令時，預(yù)生成的減速度信號將被輸出至制動系統(tǒng)(以模擬執(zhí)行制動動作時的速度衰減)。同時，制動系統(tǒng)EBCU也一直在實(shí)時檢測各軸的速度信號，當(dāng)檢測到某一軸速度信號突然驟減，即會判斷該軸處于滑行狀態(tài)，進(jìn)而驅(qū)動該軸防滑閥的排氣閥和保壓閥分別進(jìn)行動作，即釋放制動缸壓力和緩解制動力。靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)同時根據(jù)測得的制動缸壓力的實(shí)時變化情況即可檢測列車防滑系統(tǒng)是否發(fā)生相應(yīng)的防滑動作，最終判斷列車制動防滑系統(tǒng)是否正常工作。

圖2 列車靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of train static anti-sliding test system working principle

2.2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、嵌入式實(shí)時控制器、信號輸出模塊、信號采集模塊和壓力傳感器組成。其中,計(jì)算機(jī)和嵌入式實(shí)時控制器作為系統(tǒng)的主控模塊，信號輸出模塊作為速度信號模擬模塊，信號采集模塊和壓力傳感器作為防滑閥狀態(tài)檢測模塊。

計(jì)算機(jī)用于顯示和設(shè)置初始速度值、正常減速度閾值、滑行減速度閾值,以及控制參數(shù)等。計(jì)算機(jī)將設(shè)定好的參數(shù)通過以太網(wǎng)傳輸給嵌入式實(shí)時控制器，同時也可以讀取嵌入式實(shí)時控制器傳過來的數(shù)據(jù)，兩者可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。嵌入式實(shí)時控制器主要用于接收計(jì)算機(jī)指令，同時運(yùn)行程序產(chǎn)生滿足要求的數(shù)字速度信號，然后通過數(shù)字速度信號輸出模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬速度信號傳送給制動系統(tǒng)。同時，壓力傳感器感應(yīng)制動缸的壓力并將壓力信號送至信號采集模塊，嵌入式實(shí)時控制器負(fù)責(zé)對信號采集模塊采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理分析，并將分析結(jié)果回傳至計(jì)算機(jī)以判定防滑閥動作狀態(tài)。最后，由計(jì)算機(jī)完成對預(yù)處理結(jié)果的存儲、分析和顯示。

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是硬件系統(tǒng)的重要輔助工具。為了能夠更方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本軟件系統(tǒng)基于LabVIEW平臺進(jìn)行開發(fā)與設(shè)計(jì)，其主要功能是完成防滑閥地面檢測過程中的閥門狀態(tài)檢測、模擬信號輸出、數(shù)據(jù)處理與分析、測試數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲與管理和測試報告生成等操作。靜態(tài)防滑檢測系統(tǒng)軟件組成框圖如圖3所示。由圖3可知，該軟件系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)分析與顯示、報告生成、數(shù)據(jù)存儲管理及系統(tǒng)幫助等功能模塊。

圖3 靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)軟件組成框圖

數(shù)據(jù)采集與控制模塊的主要功能是驅(qū)動嵌入式實(shí)時控制器、產(chǎn)生速度信號、模擬制動指令和采集防滑閥壓力信號。數(shù)據(jù)分析與顯示模塊主要顯示所采集的壓力信號，并與速度曲線進(jìn)行比較，判斷防滑閥是否正確工作。報告生成模塊的主要功能是在試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)情況和數(shù)據(jù)一鍵生成符合客戶要求的測試試驗(yàn)報告。數(shù)據(jù)存儲模塊則是對采集到的原始數(shù)據(jù)以及每次試驗(yàn)所用到的參數(shù)進(jìn)行合理規(guī)劃和存儲，并向操作人員提供簡單、直接的查看接口，方便操作人員查看歷史數(shù)據(jù)。

軟件操作主界面截圖如圖4所示。為了快速高效地測試每個軸的防滑性能，在靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)開始工作時，上位機(jī)軟件系統(tǒng)將會與嵌入式實(shí)時控制器進(jìn)行交互，檢測通訊是否正常。操作人員設(shè)置完測試參數(shù)后，靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)將依次產(chǎn)生具有一定變化規(guī)律的速度信號，并將該速度信號輸入BCU(制動控制單元)模塊或防滑器以便進(jìn)行各軸的防滑測試。當(dāng)?shù)?個軸的防滑測試完成后，靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)將自動進(jìn)行第2個軸的防滑測試，依次類推，直至做完4個軸的防滑測試。在計(jì)算機(jī)主界面顯示4個軸的防滑測試結(jié)果。在測試過程中，靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)將一直采集壓力傳感器的壓力數(shù)值，同時進(jìn)行顯示和存儲。軟件系統(tǒng)的工作流程圖如圖5所示。

圖4 軟件系統(tǒng)主界面截圖Fig.4 Screenshot of the software system main interface

圖5 軟件系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 Work flow chart of the software system

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

利用所設(shè)計(jì)的靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)對地鐵列車制動系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試的對象為不同地鐵車廂安裝的某一國外和國產(chǎn)型號的制動系統(tǒng)。將列車上某一節(jié)車廂的2個轉(zhuǎn)向架所對應(yīng)的4個速度傳感器接口進(jìn)行拆卸，并將靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)速度信號輸出端連接至拆卸的速度傳感器接口。同時，將靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)采集端的壓力傳感器通過相應(yīng)的氣閥接口連接至每個軸對應(yīng)的制動缸，并采集和記錄試驗(yàn)過程中的制動缸壓力變化。

試驗(yàn)中，首先對某國外型號的制動系統(tǒng)采用兩種不同的速度曲線進(jìn)行防滑測試。測試結(jié)果如圖6所示。在進(jìn)行防滑性能測試時，選擇某一測試輪對輸入滑行減速度曲線，剩下3個輪對輸入正常減速度曲線。由圖6可知：當(dāng)測試軸的速度低于其他3個軸時，測試軸的制動缸將進(jìn)行相應(yīng)的排氣動作，制動缸壓力發(fā)生驟減；當(dāng)測試軸的速度恢復(fù)時，測試軸的制動缸將進(jìn)行相應(yīng)的充氣動作，制動缸壓力隨即逐漸恢復(fù)。為了進(jìn)一步說明靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)的有效性和可行性，對某一國產(chǎn)型號的制動系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，該制動系統(tǒng)同樣對輸入速度信號變化有較為敏感的響應(yīng)，測試結(jié)果表明國產(chǎn)型號的制動系統(tǒng)與國外制動系統(tǒng)的防滑性能類似。

圖6 某國外制動系統(tǒng)防滑性能測試軟件截圖

圖7 某國產(chǎn)制動系統(tǒng)防滑性能測試軟件截圖

由圖6和圖7可知，在防滑過程中，不同制動系統(tǒng)的制動缸壓力變化曲線具有相似的變化規(guī)律，同時該變化規(guī)律和速度變化規(guī)律相吻合，證明所設(shè)計(jì)的靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)功能符合預(yù)期的試驗(yàn)效果，但兩種制動系統(tǒng)所展現(xiàn)的防滑性能存在一定差異。

通過采集壓力變化曲線，所設(shè)計(jì)的靜態(tài)測試防滑系統(tǒng)還可以有效識別和判斷同一轉(zhuǎn)向架上2根軸的速度傳感器輸入信號線纜是否出現(xiàn)錯接問題。為了驗(yàn)證該功能的有效性，對某地鐵列車的制動系統(tǒng)進(jìn)行測試。在測試時，將同一轉(zhuǎn)向架上的2個壓力傳感器進(jìn)行了反接，而速度傳感器線纜接線保持不變(這種接法在測試效果上可以理解為對速度傳感器信號線路錯誤連接的一種驗(yàn)證)，以模擬實(shí)際測試中可能出現(xiàn)的速度傳感器輸入信號線纜錯接的情況。不同壓力傳感器線路接法所產(chǎn)生的測試結(jié)果軟件截圖如圖8所示。

由圖8 a)可知，壓力1 和壓力2曲線的變化趨勢依次按照順序出現(xiàn)，2根軸的測試結(jié)果顯示為正常。由圖8 b)可知，壓力1和壓力2曲線的變化趨勢出現(xiàn)了相反的情況，2根軸的測試結(jié)果顯示為異常。由此可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的靜態(tài)測試防滑系統(tǒng)識別信號線纜錯接問題的有效性，這樣可以方便現(xiàn)場技術(shù)人員快速定位錯接線纜位置，及時對相關(guān)線纜進(jìn)行排查與糾錯。

圖8 不同壓力傳感器線路接法所產(chǎn)生的測試結(jié)果軟件截圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型的列車靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、嵌入式實(shí)時控制器、信號輸出模塊、信號采集模塊和壓力傳感器組成。軟件系統(tǒng)的主要功能是完成防滑閥地面檢測過程中的閥門狀態(tài)檢測、模擬信號輸出、數(shù)據(jù)的處理與分析、測試數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)的存儲與管理、測試報告生成等操作。由現(xiàn)場試驗(yàn)可知，該測試系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期制動系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律和制動效果，因此該列車靜態(tài)防滑測試系統(tǒng)可以有效地應(yīng)用于列車在靜止?fàn)顟B(tài)下的防滑性能檢測，具有較高的實(shí)用價值。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)全速度范圍內(nèi)不同防滑性能判別依據(jù)的分析測試，在未來的工作中將會利用相關(guān)的仿真軟件對不同階段的速度進(jìn)行防滑性能的仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)一種含有多種防滑依據(jù)綜合判斷的測試系統(tǒng)，全面改進(jìn)和完善靜態(tài)防滑測試技術(shù)。