車輛沖擊試驗速度測量裝置研制

張劍鋒，倪文波

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

車輛沖擊試驗速度測量裝置研制

張劍鋒，倪文波

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

針對采用軌道貼片法測量沖擊速度時，操作繁瑣、誤差大且不可實時顯示速度等缺點，研制了一套車輛沖擊試驗速度測量裝置。裝置以MCS-51單片機為核心，通過測量沖擊車輛駛過沖擊點前固定間距的時間計算沖擊速度，且可實現沖擊速度值的實時顯示與無線傳輸。經實驗室速度標定試驗，結果表明速度測量裝置具有較高精度，可為車輛沖擊試驗提供一種較準確的速度測量方法。

鐵路運輸；沖擊速度測量；單片機；車輛沖擊試驗；接近開關；無線傳輸

1 引 言

世界鐵路在“貨運重載、客運高速”的主題下快速發展，貨運重載對車輛及緩沖器性能提出了更高的要求[1]。研制新型鐵道車輛及緩沖器時必須進行規定的沖擊性能試驗，該試驗對于保證列車安全運行具有重要意義。

目前在國內的兩個車輛沖擊試驗線上，皆采用軌道貼片法測量沖擊速度。軌道貼片法是在軌道腹板上相距500mm的兩點分別貼一組電阻應變片，記錄發生沖撞前瞬間沖擊車第一輪對（首先接近被沖擊車的輪對）越過第一點到第二點所經歷的時間，通過換算得出沖擊速度[2]。該法屬人工操作，操作繁瑣，誤差較大，對操作者要求較高，且不可實時顯示速度值。

鐵道機車車輛一般利用光電式速度傳感器測量速度，傳感器分別安裝于牽引機車的4個輪對上，取4個測量值的平均值作為測量速度的理論值[3]。該法測量精度較高，但光電式速度傳感器價格昂貴，若只在一個輪對上安裝速度傳感器，由于車輛在軌道上的蛇形運動，車輪在鋼軌上的滾動圓時時改變，其滾動圓半徑不是一個常數，致使測量值可能有較大誤差。

為了實現沖擊速度的高精度自動化測量，結合軌道貼片法的特點，基于單片機技術，研制了一套與接近開關相結合的沖擊試驗速度測量裝置。

接近開關是與運動部件無機械接觸而能動作的位置開關。它可通過運動的金屬或非金屬物體接近開關感應面,無接觸壓力自動發出檢測信號,以驅動繼電器或邏輯電路[4]。通過在沖擊發生點前方的軌道旁安裝兩固定間距的金屬物體，則沖擊車輛經過時，安裝在沖擊車輛上的接近開關可檢測到此金屬塊，根據檢測信號變化的時間差，即可獲得沖擊速度值。

2 系統結構與功能

作為車輛沖擊試驗的速度測量裝置，應具備以下功能：

（1）適應車輛沖擊試驗的環境；（2）由于安裝在沖擊車輛上，必須自帶電源供電；（3）自動測量速度；（4）實時顯示與記錄速度值；（5）操作簡單、方便；（6）滿足精度要求。

為此，結合計算機技術研制了一種以單片機為核心的速度測量裝置。其結構如圖1所示。

圖1 速度測量裝置結構圖

按照試驗規定，在沖擊點前方相距500mm的兩點分別安裝一金屬物體。沖擊車輛駛過時，安裝于沖擊車輛上的電感式接近開關兩次輸出檢測信號，即兩個脈沖[5]。其電壓幅值經調理后，由計數器8253測量兩脈沖的時間間隔。單片機讀取測量值，計算沖擊速度，并將其顯示與發送。通過無線傳輸模塊，速度值可傳送至遠處的測試計算機，以供后期的數據處理與分析。

3 重要電路設計與無線通信

3.1 信號調理電路

接近開關輸出的檢測信號的電壓為12VDC，無法為單片機系統直接使用[6]，故需進行電壓幅值的調理，其調理電路如圖2所示，其中JP2為接近開關與裝置的連接端口。

該電路利用光耦，將接近開關的檢測信號轉換為可供單片機系統使用的脈沖信號。

圖2 接近開關信號調理電路

接近開關靠近金屬物體，光耦4N25內部發光二極管導通發光，三極管導通，則Signal端為5VDC高電平，輸出至D觸發器74LS74；接近開關遠離金屬物體，發光二極管截止，Signal端為低電平。因而在試驗過程中，Signal端輸出兩個5VDC的脈沖。

3.2 周期測量電路

裝置利用計數器8253進行片外計數，以完成接近開關輸出脈沖周期的測量[7-9]，其測量電路如圖3。

圖3 周期測量電路

周期測量的原理是計數器8253計數，單片機讀取計數值并將其換算為周期值，而計數器8253的計數工作的啟停以及單片機的讀取計數值的時刻，均由D觸發器控制。

計數器8253的通道0工作于方式2（頻率發生器工作方式），通道1工作于方式0（計數結束產生中斷工作方式）。在這兩種工作方式下，GATE端為高電平，計數器才能計數。通道0以外部2MHz的CLK脈沖信號作為其時鐘信號，OUT端循環輸出固定時間比的高低電平信號。通道1以通道0的輸出信號作為其時鐘信號。

Start信號為單片機的一I/O口的輸出信號，Stop信號輸入至單片機的另一I/O口。Start=0時，D觸發器不工作，且Allow=0。若Start=1，Signal信號的首次正跳變使Allow=1，Stop=0；第二次正跳變改變Allow和Stop的狀態，使其翻轉。Allow信號的兩次正跳變控制計數器8253工作。當單片機檢測到Stop=1時，讀取計數器8253的計數值。

3.3 無線傳輸模塊

裝置采用Chipcon公司的Zigbee無線SOC片上系統CC2430進行無線通信[10]，傳送沖擊速度值至遠處測試計算機，以供后期的數據處理與分析。

CC2430支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee協議，可通過串口與AT89S52單片機通信。工作時，CC2430無線模塊接收單片機傳來的速度信息，并將其通過無線方式發送出去。傳送數據的幀格式如表1所示。

表1 傳送數據幀格式

4 精度分析

系統的測量誤差主要包括計數誤差和舍入誤差。計數誤差由計數器8253引起，計數器8253的通道0計數時，在極限情況下，會產生±1個CLK脈沖周期的計數誤差。舍入誤差由處理速度值時計算結果精確至小數點后兩位所導致。

測量的沖擊速度：

式中：3.6——m/s轉換為km/h的轉換系數；

L——試驗規范所規定的距離，L=0.5m；

n′——8253計數器的0通道的計數初值；

n0——8253計數器0通道的計數值；

n1——8253計數器0通道的計數值；

T0——8253計數器0通道的時鐘脈沖的周期，T0=0.5×10-6s。

計數值越小，計數誤差引起的測量誤差越大。由式（1）可知，計數值與沖擊速度成反比關系。另據沖擊試驗規范，沖擊速度不超過50 km/h，此時理論計數值為72 000。故系統的最大計數誤差為0.001389%，能夠滿足試驗規范要求。

處理計算結果時導致的絕對誤差值為0.005km/h。沖擊速度越低，相對誤差越大。試驗規定沖擊速度大于3km/h，故最大舍入誤差為0.17%。因而，系統的綜合誤差為0.17%，精確度較高，滿足車輛沖擊試驗要求。

5 程序流程設計

進行車輛及緩沖器沖擊試驗時，需要進行多次沖擊，速度測量裝置需要不斷地測量沖擊速度，直至試驗結束。因而系統采用了如圖4所示的循環流程。

6 試驗及結果分析

圖4 系統程序流程圖

測試裝置在一臺CD6140A車床上進行了標定試驗。將測試裝置及接近開關安裝在床鞍上，在導軌旁安裝一定間隔的兩個鐵塊。床鞍縱向快速移動的理論速度為4m/min，即0.24km/h。由精度分析結果可知，速度越低，裝置精度越低。若速度低于1 km/h時裝置的測量結果滿足精度要求，則在實際使用時，因速度高于3 km/h，故裝置也能滿足精度要求。

標定試驗時，床鞍快速移動，改變鐵塊間隔進行多次速度測試。由式（1）可知，假設床鞍快移速度為V、鐵塊間隔為S，則速度測量結果的理論值為（V×0.5/S）km/h。測量結果如表2所示。

表2 速度標定試驗結果1

由表2可知，裝置測量結果穩定，且對于不同鐵塊間隔，測量結果與其乘積約為定值，即（0.32×0.4）∶（0.43×0.3）∶（0.65×0.2）≈1∶1∶1，表明3種間隔下測量結果所對應的床鞍快移速度相等。雖然測量結果與V=0.24km/h所對應的理論值相差較大，但據前述可知，該誤差由車床床鞍的理論速度與實際速度不一致所導致。根據試驗結果，可算出床鞍移動的實際速度約為0.259km/h，此時，對應不同鐵塊間距，其理論測量值如表2所示。顯然，此時測量結果的誤差只有舍入誤差，與理論分析的情況相一致。

車輛實際運行時存在蛇形運動，轉向架在鋼軌上有橫向移動[1]，故接近開關與目標鐵塊之間的間隙會產生變化。為了模擬該情形，鑒于蛇形運動時輪對最大偏移量為±9mm，調整接近開關與鐵塊的間距進行了試驗。結果如表3所示，可知，車輛蛇形運動引起的橫向移動不影響裝置的測量結果。

表3 速度標定試驗結果2

實驗室速度標定試驗結果表明，在速度低于1 km/h的情況下，裝置的測量結果穩定，實際測量誤差與理論分析結果一致。因裝置的精度與所測量速度值成正比，速度越高，精度越高，故實際應用時，所開發的速度測量裝置能夠滿足精度要求。

7 結束語

開發的速度測量裝置達到了較高的精度，不受車輛蛇形運動導致的橫向移動對測量精度的影響，其測量結果與理論值之間的誤差小，滿足車輛沖擊試驗精度要求。

運用該車輛沖擊試驗速度測量裝置，可以實時顯示沖擊車輛速度，同時可通過無線傳輸的方式將該信息傳送出去，供其他試驗測試計算機或整個測試系統使用。可大大提高我國車輛沖擊試驗速度測量的精確性，為我國新型機車車輛的開發提供有力支持。

[1]嚴雋耄，傅茂海.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2]TB/T 2369-1993，鐵道車輛沖擊試驗方法與技術條件[S].[3]劉友梅.韶山3型4000系電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

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[5]梁秀英.淺析接近開關及其在檢測中的應用[J].機械研究與應用，2005，18（5）：106.

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[10]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航天航空大學出版社，2007.

Development of velocity measuring device for vehicle bum ping test

ZHANG Jian-feng，NIWen-bo
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to overcome the disadvantages of strain-gauging method in bumping velocity measurement on rail track，a velocity measuring device for vehicle bumping test was developed.Under the control of a MCS-51 single chip microcomputer，the impact velocity could be calculated with the device by measuring the time that the vehicle needs to pass through a fixed distance before the impact point.Besides，the functions of real-time display and wireless transmission were realized.The results of velocity calibration experiment in laboratory showed that the device could measure the impact velocity with high precision and accuracy.

railway transportation； bumping velocity measuring； single chip microcomputer；vehicle bumping test；proximity switch；wireless transmission

U270.1+4；TH871.4

A

1674-5124（2011）01-0052-04

2009-12-08；

2010-02-27

國家大學生創新性實驗計劃子項目（081061313）

張劍鋒（1987-），男，江蘇丹陽市人，碩士研究生，專業方向為機車車輛主動控制技術。