小型地铁列车牵引制动试验台设计*

王华潘波

小型地铁列车牵引制动试验台设计*

王华1潘波2

（1.南京铁道职业技术学院，210031，南京；2.宁波市职业技术教育中心学校，315041，宁波//第一作者，高级工程师）

设计了一个用于仿真地铁列车牵引制动性能的小型试验台，该试验台能够模拟地铁列车起动加速、惰行和制动过程。其以计算机为控制核心，通过LabVIEW软件和数据采集设备实现人机交互，采用变频器控制电机转速和方向的方法实现地铁列车起动加速和惰行的模拟，采用程控电源及制动夹钳装置控制电动推杆的方法实现地铁列车制动的模拟。整个装置成本低、体积小、质量轻、运行稳定流畅，较好地实现了人机交互和计算机自动控制功能。

地铁列车；牵引制动；试验台

First-author′s addressNanjing Institute of Railway Technology，210031，Nanjing，China

地铁列车的运行过程是由若干个起动加速、惰行和制动过程组成的。由于站间距较短，列车起停频繁，起动和制动加速度较大，为此，在实际生产和教学实践中有必要对地铁列车的运行过程，尤其是起动加速、惰行、制动三大环节进行深入的研究［1］。现有的地铁列车运行模拟手段，大多强调参数的准确性，力图真实还原列车的实际运行状态。这类模拟有的侧重于数值仿真，不够形象直观，而有的则架构庞大，系统复杂，用于课堂教学和展示可行性低［2-3］。

本文设计的小型地铁列车牵引制动试验台，能够实现对地铁列车起动加速、惰行、制动过程的模拟，能够形象地反映出牵引系统和制动系统的工作状态，能够定性地测出牵引制动过程中的主要参数，能够在给定的初始条件下预测和仿真地铁列车的运行状态，并且结构简单紧凑，体积小质量轻，易于拆卸搬运，适合课堂和实验室的教学演示环境。

1 试验台组成与工作原理

试验台由牵引、制动和监测3个部分组成。其中牵引部分由变频器、交流电机、制动圆盘组成；制动部分由程控电源、直流电动推杆、制动夹钳装置和继电器组成；监测部分由数据采集卡、反射式光电传感器、压力传感器组成。试验台机械结构如图1所示。图1中重点显示了试验台的机械结构，省去了变频器、程控电源、传感器等电子设备。

图1 试验台机械结构图

试验台工作原理：牵引部分通过计算机将转速大小或转动方向的控制指令传递给数据采集卡；采集卡向变频器输入对应的模拟控制信号或数字控制信号；变频器接收到指令后，输出对应频率或改变电压相位，从而达到控制电机转动速度和转动方向的目的。制动部分通过计算机将制动力大小和方向控制指令传递给程控电源和换向器，当接收到相应指令后，程控电源输出对应电压及电流来控制电动推杆的推力大小，换向器来决定电动推杆的伸缩方向（制动及缓解）。电动推杆的自由端与一个管型测力计相连，共同组成一个用于夹紧惯性圆盘的制动夹钳装置，该装置可以将电动推杆的推力作用在惯性圆盘上，从而达到制动的目的。监测部分通过反射式光电传感器监测制动圆盘的实际转速，通过压力传感器监测制动圆盘与闸片间的摩擦力。

2 总体设计方案与硬件选型

试验台可通过人机交互界面设定试验参数，进而观察试验台运行状况。图2为试验台组成结构原理方框图。由图2可知，系统工作时，控制指令一般通过人机交互设备（计算机）向下级设备发送，数据采集卡和程控电源作为执行机构在接受到控制指令后控制交流电机和电动推杆动作，从而带动被控对象制动圆盘和制动夹钳装置实现牵引、惰行和制动的模拟。最后，压力传感器和转速传感器作为检测变送环节向计算机返回试验台运行状况。

图2 试验台组成结构原理方框图

在转速的测量过程中，系统采用了反射式光电传感器，即在制动圆盘的边缘粘贴黑白相间的条纹，通过计量脉冲个数及所用时间可以准确地计算出交流电机的实际转速。但本设计中对反射式光电传感器的响应频率具有一定要求，即假设i为黑白条纹数，d为制动盘直径，v为电机转速，那么反射式光电传感器的响应频率f应满足f＞iv/（πd）。

在测量制动圆盘与闸片间的压力时，系统将弹簧测力计与直流电动推杆对称串联，组成制动夹钳装置（见图1），通过该装置可以直接读出弹簧测力计的显示值，该值即为制动圆盘与闸片间的压力大小。在利用试验台模拟列车制动时，除了需要测量制动圆盘与闸片间的压力外，还需要测量制动圆盘受到的摩擦力大小。由牛顿第三定律可知，制动圆盘受到的摩擦力大小与闸片受到的摩擦力大小相等，故只需要测出闸片受到的摩擦力即可。为此，本试验台设计了一套测量该摩擦力的机构（该机构位于图1制动夹钳装置的下方）。如图3所示：杠杆的一端固定在底板上，另一端底放置压力传感器并通过木块调节高度使两端保持水平，杠杆中部设有一支座，制动夹钳装置坐在该支座上。这样，在已知杠杆放大倍率的情况下，压力传感器的变化值即为闸片受到的摩擦力大小。

图3 摩擦力测量机构图

在对电动推杆进行控制时，所使用的程控电源无法直接改变电流方向，为此采用了2个两开两闭的继电器来完成电动推杆的换向工作，通过采集卡数字口输出高电平驱动该换向电路（输出高电平时控制所有继电器闭合），实现对电动推杆方向的控制。当所有继电器开路时，电流方向不改变；当所有继电器闭合时，电流的方向与原来相反。

3 系统软件设计

测控系统是试验台的关键部分，本试验台测控系统以工业控制计算机为核心，以LabVIEW虚拟仪器为开发平台。本文所设计的试验台测控系统应用软件从结构上可以分为用户交互界面和后台应用程序2个部分。

3.1用户交互界面

用户交互界面主要包括试验台参数设定、试验数据实时显示存储、试验过程实时控制等模块，如图4所示。主要实现系统与用户的直接交流，使用户能够根据试验目的，将试验所需外界限定条件输人到试验系统当中；并且在试验过程中，能够通过观察转速、压力、电压、电流及报警灯的显示状态来判断当前设备的运行状况；同时还能够按照试验要求，在设备运行过程中动态调整相关参数，以实现列车不同运行工况的模拟。试验结束后，借助于系统的数据分析功能，可对已保存的试验数据进行进一步的分析。

图4 应用程序前面板局部

3.2后台应用程序

后台应用程序主要包括牵引电机控制程序、电动推杆控制程序以及数据采集状态监测程序，是整个测试试验台的核心部分，主要实现整个试验台各个机械硬件部分的实时控制监测，数据的采集、分析、处理。

牵引电机控制部分是通过上位机和变频器来完成的。用户通过数据采集卡在计算机中设定所需的转速及转向，经过控制程序分析处理后，将计算得出的转速模拟信号输入变频器的VF（模拟输出电压0～10 V）口，将计算得出的转向数字信号输入变频器的FWD（正向运行/停止）和REV（反向运行/停止）口［5］。

电动推杆控制是通过上位机、程控电源以及2个继电器来完成的。程控电源通过串口线与上位机相连，在LabVIEW程序中通过串口的读写程序实现用户数据设定与制动部分的状态监测。程序主要由一个LabVIEW事件结构实现，可以实时控制电压、电流大小，即制动推杆制动力的大小。受程控电源响应时间限制，因此在每个事件开始前均有50 ms的延时设置［6］。推杆换向由2个反向相接的继电器来实现，体现在实际中即是制动和缓解的过程。

数据采集状态监测部分主要包括电机转速、制动力的测量以及变频器的输出频率等。应用程序部分即是一般的数据采集及处理程序。

4 结语

基于LabVIEW平台开发的小型牵引制动试验台能够稳定流畅地模拟列车不同运行工况，且实现了自动化、智能化的要求，具有很好的人机交互能力，便于课堂教学和实验演示。并且设备成本低，便于安装拆卸，编程语言采用图形化的编程语言，便于学习者二次开发，对高校实验室具有较强的适用性，在车辆等相关教育领域具有广阔的应用前景。

［1］李应.地铁列车运行操纵优化研究［D］.北京：北京交通大学，2015.

［2］韩健，杨忠炯.基于LabVIEW的车辆传动与控制实验台的研制［J］.现代机械，2008（1）：13-14.

［3］朱立军，张元培.基于LabVIEW的磁流变制动实验装置检测系统的设计和实现［J］.实验室研究与探索，2005，24（8）：26-28.

［4］白云川，王龙.基于LabVIEW的反力式滚筒制动试验台仿真研究［J］.测控技术，2014，40（3）：113-116.

［5］LIH，HEQ.Control and Communication Techniques of Highspeed Railway Train Wheel-set Running-in Test Based on LabVIEW［J］.Trans Tech.2014，2829（457）：1257-1261.

［6］WANG W L，LI C Y.Development of software for spectral imaging data acquisition using LabVIEW.Computers and Electronics in Agriculture［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2012，84（11）：68-75.

Design of Small Traction and Brake Test Bench for M etro Train Based on LabVIEW

WANG Hua，PAN Bo

In this paper,a new type of test bench is designed to simulate the traction and brake performances of metro trains，such as the process of starting,acceleration and braking. Using computer as the core control of the system，the test bench employs LabVIEW software and data acquisition equipment to achieve human-computer interaction.A lso，frequency converter isused to control the speed and direction of themotor for the simulation ofmetro train traction and coasting process，programmable power supply and breaking device are used to realize the simulation ofmetro train breaking process.This integrated design has advantages of low cost，small size，light weight，stable and smooth operation，and could realize friendly man-machine interaction and automatic computer control.

metro train；traction and brake；testbench

U270.1+4

10.1637/j.1007-869x.2017.07.033

2016-11-10）

*江苏省轨道交通控制工程技术研究开发中心开放基金项目（KFJ201604）