高速动车组制动系统关键部件试验台设计

2011-08-03余欲为武青海田永成

铁道机车车辆 2011年5期

余欲为，武青海，田永成，谭杰

（中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081）

高速动车组制动系统是一个十分复杂的综合系统，涉及各种机械、电子电气、气动零部件。为了保证制动系统的安全可靠，各零部件都要通过严格的检验才能组装、使用，因此对相应的试验检验设备提出了很高的要求。同时，由于制动系统由大量的零部件组成，需要的试验设备种类繁多。

从试验台结构设计可以将试验台设计分为被测件工装及试验台外形设计、气动系统设计、测控系统软硬件设计。设计需充分考虑通用设计，以提高设计效率，兼顾可维护性和美观。

1 被测件工装及外形设计

对于生产和检修用试验台，工装应尽可能地设计成简单、快速装卡装置，可以大大提高生产效率。对于多种被测件的，可用多种转换板做中间过渡。外形设计则在保证实现全部功能的前提下，有效利用空间，简化、优化、美观化设计。

2 气动系统设计

原理设计、气动零部件选型设计应满足被测件试验要求和精度要求；对于有快速试验性能要求者，传感器测点设计位置尽可能接近动态变化点；

通过测量时间来测量流量或容积，设计时注意测量点处总容积的控制，同时也要注意弯头、快插等影响效率的管件运用；通过测量压差来测漏时，采取适当措施消除邻近管路影响。

3 测控系统硬件设计

3.1 硬件总体设计

通用微机没有测控接口，需要扩展。在开发高速动车组制动系统关键部件试验台时，用C8051F020单片机开发出一个通用测控系统（下位机），上位工控机与下位机用RS232连接。计算机测控系统由工业控制计算机、测控系统、数显表、传感器、开关量输入和输出等组成。这套系统通用性较强，所有试验台均适应。大大提高了设计效率。原理框图如图1所示。

上位工控机通过RS232收发数据和命令、存储数据、人机交互、自动控制程序支持。下位机提供模拟量输入输出、开关量输入输出、频率量输入输出等模块。也可提供自动控制程序支持。测控系统测量压力值和当前状态分别通过RS232传送给计算机、通过RS485传送给数显表。检测按钮根据需要控制电磁阀的开关。

图1 计算机测控系统原理框图

3.2 测控系统硬件设计

（1）压力传感器选型设计

采用GE压力传感器，DC24V供电，4～20mA电流输出，G1／4″内螺纹连接。经信号转换到单片机AD端。嵌入式系统将采集到的数字信号上传计算机，下传数字显示表。

（2）开关输出量

采用并口数字输出，用于控制电磁阀、继电器等。工作电压DC24V，工作电流0.7A，计40路。设计为每组为8路的驱动板，可根据需要安装任意组。

（3）开关输入量

键盘输入可用于开关量的手动控制或做小型键盘输入信息。失电时按动按钮则得电，得电时按动按钮则失电。可用计算机自动控制或人工手动控制。选用无锁带灯（DC24V）按钮。设计时尽量采用接线量少的方案，以方便生产及维护。按钮输入设计利用3～8译码器。两片集成电路74HC138和74HC244，16根线，可以完成64个按钮功能。开关量输入16路。

（4）数显表硬件设计

数显表用Atmel89C51单片机设计。为方便生产及减少维护，连线采用RS485总线，接收并显示测控系统传送的参数。

4 测控系统软件设计

4.1 软件总体设计

试验台的功能为采集测试信号，根据测试信息和测控要求进行控制，记录并输出数据。图2为试验台软件需求分析图。

图2 试验台软件需求分析

图中可以看出试验台数据分析处理、保存、报表及与用户交互功能，可以借助PC机已有资源实现。接口程序则在下位单片机上实现较佳，可以有效利用单片机的优势。控制程序安排在上下位机均可。试验台测控软件无论安装在上位机还是下位机各有利弊。

下位机编程最大的优点是实时性较强，可以精确定时，适用于对时间有精确要求的测控系统。最大的缺点是修改程序比较麻烦。上位机编程优点是修改程序比较便利，异地传输只要发个邮件就可以了。缺点是实时性较差，由于Windows是多任务处理系统，开发实时控制程序代价较大，另外命令传输也有延迟。

由于多数试验台要求的时间精度在毫秒级，要求不高，再考虑易用性，所以更多的是选择在上位机安装测控程序。就设计通用性设计而言，控制程序安排在计算机上对单片机的通用设计更有利一些。

4.2 上位机软件设计

上位机软件设计要考虑与下位机通讯及协议设计、与用户交互设计、控制程序设计等。尽可能具有通用性，以提高设计效率。差异部分仅仅在于测控程序的不同。

与用户交互设计非常重要，关系到试验台的易用性。首先是交互界面及命令设计，对于不同试验台突出重点不同，界面也应不同。根据试验台工作原理，设计界面可提高易用性。随着自动化程度的提高，试验测试自动化要求渐高，对此应提供详细的试验步骤指示，有利于操作者及时有效采取相应办法。否则，操作者会感到无所适从，影响工作效率。设计过程中，逐渐摸索出与控制程序共用的试验方法。

自动试验控制程序设计采用编制一个简单的解释器程序，对自动试验程序进行控制。优点是编制的程序相对于一个解释器，一个控制程序外壳，理论上是独立的，与具体试验台无关，是一个通用控制程序。同时，它还对操作者提供试验步骤指示，这样可以把试验程序控制与试验步骤指示结合为一体。为提高程序指示的可读性，试验控制指令应该尽可能通俗易懂。试验操作者可以在不改变试验程序原代码的情况下，方便地改写试验过程，比较灵活，也有利于研发工作。缺点是由于追求通用性，代码量大，程序编制复杂，解释程序影响效率，代码执行效率低，仅适用于实时性要求不高的场合。

4.3 下位机软件设计

由于测控系统需要进行模拟量输入输出、开关量输入输出、频率量输入输出、计时、两路串口通讯等工作，又要尽快完成控制任务，故程序设计应尽量减少延时等待。例如，AD采样程序中，选择通道，延时等待、启动AD转换、等待转换结束，就有很大的提高效率余地，这在快速采样时是效率的瓶颈。可以采用中断程序设计，以提高CPU使用效率。

串行通讯程序设计

测控系统将采集到的传感器数据上传工控机，下传数字显示表。上下传相同数据，故可采用相同的数据格式，接收者分别处理，以数据包传输数据。为提高程序效率，降低编程复杂度，只考虑程序代码的简捷问题。试验台的主要测量参数为压力，可以优先考虑压力参数的传递。同时要注意主程序和通讯中断程序分别修改通讯缓冲区指针时的冲突问题。

测控系统与数显表通讯采用半双工的RS485串行接口，由于要区分不同的数显表，故除传输数据外还要传输针对目标机的地址数据。为提高CPU效率采用中断程序设计，程序比较复杂。

5 高度阀试验台设计

5.1 试验台工装设计

高度阀工装设计是其设计难点之一。主要问题在于：

（1）数控转台的测量轴与被测件高度阀的被测轴很难设计成一个轴，设计成两根轴则需要解决同轴问题。如同轴较差，测量精度无法保证，严重时会破坏被测件或工装。（2）为承受杠杆螺母安装力矩需要足够的强度和刚度。（3）试验工装应满足快速安装、拆卸，方便生产运用。

经过多种设计方案比较，试验台的设计角度测量精度达1.5′，可较好满足高度阀角度测量和生产要求，这一方案通过了认证并在生产中已运用5年，高度阀试验台见图3。

图3 高度阀试验台

5.2 光栅编码器程序设计

光栅编码器有A、B、Z三相输出。可同时利用A、B两相输出有两个优点：（1）提高角度测量精度4倍，则脉冲数3 600×4＝14 400。（2）可分辨转动方向。

5.3 高度阀死区测量程序设计

调整高度阀的目标是调整驱动轴的旋转角度，找到该点高度阀关闭、且处于流量特性曲线的原点。驱动轴的该位置叫做零位，该点位于充、排风两点的中间。该区间称作高度阀的死区，在该范围内高度阀关闭，既不向空簧充风，也不排风。死区测量时的压力为400 kPa，程序通过高度阀杠杆控制进气量完成。由于阀内气腔很小，压力精确控制较难。通过较高的测量精度捕捉压力微弱变化、较小的步进间距、先快后慢法充风，较好的解决快速精确压力控制和充排风始点检测问题。