高速動車組制動性能測試系統

張 犀，楊 欣，邵 軍

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

高速動車組制動性能測試有如下特點：測試車輛多、同一車輛測點布置分散、需測試的參數多、參數種類多，同時動車組運行速度高，啟動加速度大，整車車體密封性好，電氣設備電磁干擾大，對測試系統要求更高。

1 硬件設備及測試原理

1.1 數據采集系統（見圖1）

數據采集系統采用德國IMC集成測控公司生產的系列數據采集設備。

采集儀器堅固、輕巧，內建信號調理模塊，可測量：電壓、電流、熱電偶、Pt100及電橋；每通道最大采樣率50kHz。通過局域網可實現分布式測量，多臺儀器聯網同步測試，或連接CAN總線擴展。配合光纖，可實現數據的遠距離、大容量傳送?？捎脙戎肅F卡、本地計算機或網絡硬盤同時存儲數據，使數據的存儲靈活可靠。

該系統配合傳感器已能夠對制動性能所有關鍵參數，如空氣壓力參數、再生制動參數、基礎制動裝置參數及制動熱負荷參數進行采集，基本滿足了動車組制動性能測試的要求。

測試系統有如下特點：

（1）采集通道可擴展

圖1 制動性能測試系統示意圖

每臺C1數據采集儀器具有8個多用途測試通道，如一次試驗需更多通道，只需在網絡上增加數據采集儀器即可，真正實現了可擴展性。

（2）分布式數據采集

當被測對象分散，尤其是動力分散式動車組，可采用測試儀器與被測量就近布置，分布式采集，通過網絡與計算機數據采集處理系統連接，避免因信號遠距離傳輸而造成干擾，大大減少了布置測試導線的數量。

（3）可實現遠距離數據傳輸

當遇有烈日、大風等不利氣象條件時，可通過長網線或無線HUB，實現數據的遠距離傳輸，尤其是當進行制動靜態傳動效率等試驗時，試驗人員可在車內或房間內進行工作，大大改善了試驗工作條件。

（4）溫度適應范圍大

該測試系統可在－25℃～50℃的外溫條件下正常工作，克服了原有測試系統溫度適應范圍窄，低溫和高溫條件下不能正常工作的缺陷。

（5）可測試信號種類多樣化

該測試系統除能測試常規的空氣壓力信號外，還能測試再生制動電流、電壓信號，制動盤片溫度信號，制動盤片應變信號等，基本滿足制動性能試驗所有測試參數的要求。

（6）采樣頻率高

可進行空電聯合制動電空時序分析、減速度分析，以及防滑試驗時的速度及防滑閥動作狀態分析。

1.2 空氣壓力測試

動車組空氣壓力測量范圍為0～1 100kPa；

采用英國德魯克公司生產的PTX1061型0～1 000 kPa或0～1 500kPa空氣壓力傳感器，該傳感器零飄小，線性度和重復度好，輸入為9～36V寬電壓，輸出為4～20mA電流，可遠距離傳輸且只需用兩芯線?？諝鈮毫涌跒镚1／4內螺紋，可配各類快速接頭，在裝有快速接口的空氣管路上安裝拆卸方便。在沒有快速測試口的管路上則需要預先準備工裝，且傳感器體積較大。在狹窄的地方不易安裝。

1.3 列車速度信號

動車組速度測量范圍：0～110m／s

速度傳感器安裝在車軸軸頭，是一個旋轉式增量編碼器，通過碼盤的轉動產生脈沖信號，車輪轉動一圈產生80個脈沖。通過記錄單位時間內脈沖個數可得到車輪旋轉角度，微分得到車輪角速度。

1.4 溫度信號

1.4.1 閘片溫度（如圖2所示）

閘片溫度測量范圍：0～900℃

在測量閘片溫度時，選用了Pt1000型熱電阻傳感器，因為其精度高，抗線纜電阻干擾能力比Pt100強，安裝前先在閘片上鉆一個與傳感器過盈配合的孔，再將鎧裝Pt1000型熱電阻傳感器插入，就可測到閘片內部溫度。但由于電阻值與溫度對應關系為非嚴格的線性關系而為近線性關系，所以早期試驗時采用溫度變換模塊，使模塊輸出信號與溫度成線性，即可得到溫度值。

但由于動車組車下電磁環境惡劣，導致溫度變換模塊經常被擊穿，需要將模塊的安裝位置從轉向架移至到車廂內，一方面希望減輕干擾減少擊穿模塊概率，另一方面也方便模塊的更換。但改善效果不明顯。

曾經改為用采集設備直接采集熱電阻兩端的電壓和電流值然后算出電阻值，再用采集軟件通過查表法得到相對應的溫度值。這種方式采集到的數值穩定。但由于安裝Pt1000傳感器與閘片間為過盈配合，制動時閘片上的壓力會有幾十千牛，而熱電阻的電阻絲又較細，試驗后期會被壓斷或接觸不良，這時必須更換傳感器。

現在的測試系統采用K型熱電偶傳感器，鎧裝方式與安裝方式和Pt1000一樣，K型熱電偶傳感器原理是當兩種金屬接觸在一起時，在結點處會發生電子擴散，濃度大的向濃度小的金屬擴散，當擴散達到動態平衡時，得到一個穩定的接觸電勢，電勢值與兩種金屬接點的溫度差有關系。所以車底的溫度傳感器只是一個兩種金屬的熔球，相比Pt1000纖細的電阻絲，熱電偶傳感器的抗壓性明顯改善。且金屬點體積小，升降溫速度比Pt1000快。由于測量的是微電勢所以上端要接隔離變換模塊，隔離模塊的抗干擾能力也遠優于熱電阻的變換模塊?，F在一個試驗周期內基本不需要維護。

1.4.2 制動盤、踏面溫度（如圖3所示）

制動盤、踏面溫度測量范圍：0～800℃

由于制動盤相對于車體屬于高速旋轉物體，如果還采用熱電阻或熱電偶進行測量則理想方法是在制動盤上固定傳感器，但需使用集流環將信號從軸端引出，同時由于制動盤在運行時高速旋轉，需固定得更加牢固，且制動盤材質為鑄鋼，相比閘片更難鉆孔，如果用貼片形式固定，難以找到適合的黏合劑承受制動產生的高溫。

所以制動盤、踏面溫度測量適合采用非接觸式測量方法，而非接觸式測量方法中的電渦流傳感器非接觸溫度測量技術還不成熟，因此采用了應用較為廣泛成熟的紅外輻射溫度計進行非接觸式測量，在測量前要設置好被測物體的紅外線發射率，在光傳感器前端一般加裝一透鏡起到保護傳感器的作用，透鏡的透光率參數也需預先標定。在安裝前要加工固定傳感器探頭的工裝。由于光結構傳感器探頭怕灰塵，而線路上的渣土，制動時閘片磨下的粉末都較多，需每天清理探頭，所以維護工作較大。

圖2 制動閘片溫度傳感器安裝圖

圖3 制動盤溫度 傳感器安裝圖

1.5 制動起始信號

當司機實施制動后如果在配電柜內有相對應的高低電平的制動指令線，可用相應電壓等級繼電器將原模擬信號進行隔離并轉換為低壓信號進行采集。

如果動車組的制動指令非模擬信號指令，無法用數據采集系統采集的，可在司機制動手柄上固定一塊磁鐵，在手柄下方的司機操作臺上安裝一個磁感應開關，通過移動制動手柄即調整磁鐵與磁感應開關的間隙，即可使制動手柄離開緩解位后磁感應開關動作，以檢測到制動指令的發出。

1.6 電機電流電壓信號及功率計算

由于動車組均采用復合制動方式，在采集空氣制動參數的同時，必需同步采集動車的電制動參數。

電機單相電流測量范圍：0～500A，電壓測量范圍：0～4 000V。

使用瑞士LEM公司生產的霍爾效應電流傳感器結合自制的通道箱進行信號轉換。傳感器安裝時只需將牽引電機電纜從傳感器中穿過即可，這種非接觸式測量傳感器使得高壓得到有效隔離，如果選用開口電流傳感器可使安裝更為簡便。

電壓測量同樣采用LEM公司的電壓傳感器，傳感器本身具有高壓隔離功能，將采集的電壓信號引入自制的電通道箱。

功率計算采用IMC公司提供的ONLINE FAMOS軟件的虛擬通道計算得到，可同時計算電機電流電壓的有效值，有功功率，功率因數等參數，以同步獲取電制動功率。

2 軟件系統

中國鐵道科學研究院機車車輛制動性能測試系統的硬件接口采用德國IMC公司編制的IMC Devices采集分析儀器硬件控制組件，軟件主體以美國NI公司開發的虛擬儀器編程軟件LabVIEW為平臺編制而成。檢測軟件具有控制采集系統硬件，信號實時采集、調理，數據顯示、分析和存儲等功能。本系統可以在 Windows 2000／XP／7等操作系統下使用，人機界面友好，操作直觀方便。在計算機后臺進行連續存儲時可通過制動起始點的設置使計算機前臺分段采集從制動開始至停車的數據保存為單獨文件，這樣程序可直接給出制動初始速度，制動距離，制動時間，平均減速度等信息，而不需要再從連續文件里查找、分析數據使得工作效率顯著提高。界面模擬機車壓力表顯示主要參數值，并可將數據畫為實時曲線圖。界面下方還可顯示動態的運行線路圖，使得當前所在運行線路信息一目了然。如圖4所示。

3 試驗過程

3.1 干燥軌面制動運行試驗

運行試驗在干燥軌面上進行，并且盡量選擇在平直軌道上進行。如果試驗不可能在一段絕對平直的線路上進行，則所選的直線軌道的坡度不應超過±4mm／m，且制動初速度與制動目標速度之差不應超±3km／h，試驗后需用修正公式進行制動距離修正。試驗前應確認車輛狀態良好，如做復合制動試驗要確認電制動已全部投入。如做純空氣制動則應切除電制動，無法切除的應在試驗前斷開主斷。試驗時動車組惰行以預定的速度進入試驗區段后，制動控制器手柄迅速置預定的制動級位，實施制動。試驗后應檢查閘片和制動盤狀態。

圖4 制動性能測試系統軟件界面圖

各項試驗中應測量和記錄下列數據：

（1）動車組瞬時速度v；

（2）第1輛動車和第1輛拖車的軸1～軸4的車輪圓周速度v1～v4；

（3）第1輛動車和第1輛拖車的軸1～軸4的制動缸壓力P1～P4；

（4）制動時間t；

（5）制動距離S；

（6）第1輛動車和第1輛拖車的軸1～軸4防滑排風閥的電磁閥信號；

（7）動車組的制動初速度v0；

（8）對復合制動的車輛要記錄其他制動力所對應的參數。

3.2 潮濕軌面防滑行運行試驗

在試驗中使用一種含油脂肪酸的環保生物可降解的清洗液作為減摩液，其濃度為10%～15%，不含有沙物質。減摩液可根據黏著的需要進行兌水稀釋。開始試驗時減摩液的濃度可為1%，第2次試驗時的濃度可增加為4%，現場使用中減摩液的濃度可根據黏著的需要進行兌水稀釋。

當列車由靜止加速到預定的試驗速度后，噴嘴開始向軌面噴灑減摩液，噴灑一段距離后，動車組施行緊急制動（對于緊急制動為純空氣制動的動車組可以采用最大常用制動來代替緊急制動）。在此制動過程中，一方面繼續向軌面噴灑減摩液直至停車，一方面數據采集處理系統不間斷地采集處理各有關數據，并在計算機屏幕上顯示動車和拖車各4條輪對的速度及相應制動缸壓力變化過程。

3.3 關門車制動運行試驗

切除一輛動車或拖車的空氣制動或切除動車的電制動。進而觀察在部分車輛制動力不足（或切除）時其他車輛的制動力補償邏輯。如圖5，圖6所示。

圖5 4級復合制動關門車與正常工況對比試驗曲線

圖6 減速度對比曲線

4 結束語

制動性能測試系統的軟、硬件基本滿足了動車組制動系統測試的要求，通過大量的實際運用中積累的經驗，解決了測試系統抗干擾的問題，系統穩定可靠。