液壓轉轍機擠脫力測試儀的設計

張小東，劉 倉，王 安

（1.西北工業大學 自動化學院，西安 710129；2.太原鐵路局 電務處，太原 030013）

按是否可擠，轉轍機可分為不可擠型轉轍機和可擠型轉轍機[1]。可擠型轉轍機內設擠岔保護裝置，道岔被擠時，動作桿受到的水平外力通過鎖閉鐵作用于擠脫柱，擠脫柱上升直到脫離鎖閉鐵上的槽，使得鎖閉鐵不再受到限制，動作桿就可以推動鎖閉鐵一同向前移動，鎖閉鐵移動推動水平頂桿，并給出表示即報警信號。這樣動作桿解鎖,保護了整機[2～3]。

《鐵路信號維護規則》規定液壓轉轍機擠脫力應調整在27 kN～30 kN。目前，液壓轉轍機出廠時對擠脫裝置的擠脫力一次性調試好，由于缺乏科學的測試手段，對上道使用的液壓轉轍機擠脫力是否達標沒有標準。液壓轉轍機的擠脫力主要靠調整螺帽下碟型簧片的彈力，若調得過小，則容易使道岔在正常使用自然擠脫。若調得過大，就會發生正常擠岔時擠不脫，造成道岔及轉轍設備損壞或更嚴重的后果。這形成轉轍機的一個故障隱患，故迫切地需要對轉轍機擠脫力的工作特性進行測試。此外，轉轍機設備制造廠商也提出了對轉轍機脫力進行測試的要求。

目前，國內市場上用于液壓轉轍機擠脫力特性測試的設備很少，且不能準確完整地記錄轉轍機擠脫力的動態工作過程。為此，研制了“XYT-1型液壓轉轍機擠脫力試驗裝置”，以滿足鐵路電務部門和轉轍機設備制造廠商對轉轍機擠脫力進行測試的要求。

1 系統總體結構

XYT-1型液壓轉轍機擠脫力試驗裝置由動力設備、液壓轉轍機擠脫力測試儀和被測轉轍機共 3部分組成。轉轍機試驗方法規定動作桿處于終了位置，在水平方向由零開始緩慢增加，直至全部解鎖，此時的最大外力即為轉轍機的擠脫力。其中液壓動力設備是測試擠脫力的動力源，用來模擬道岔被擠時道岔尖軌作用于電動液壓轉轍機轉換鎖閉器動作桿的力。液壓轉轍機擠脫力測試儀由擠脫力測試儀和與之對應的上位機數據分析軟件組成。擠脫力測試儀負責液壓動力設備的啟停及動作方向的控制，還負責數據采集、存儲和以曲線和數字的形式顯示整個過程中的力，運行過程與曲線變化同步且自動給出整個過程的最大值即擠脫力。數據分析軟件作為轉轍機擠脫力測試儀的上位機，可以將采集的數據轉存在PC 機中生成特定的數據文件，便于用戶對數據進行系統、定量分析處理，并能打印相關參數和曲線。

表1 擠脫力測試儀主要技術參數

圖1 液壓轉轍機擠脫力測試系統結構簡圖

測試儀與數據分析軟件之間是通過RS-232或USB串行接口完成通信的。被測轉轍機（可擠型轉轍機）是本系統液壓轉轍機擠脫力測試儀原理框圖如圖2，擠脫力測試儀主要包括以下7個模塊。

1.1 硬件設計

（1）ARM7控制器模塊。選用NXP公司的處理器LPC2214作為測試儀的微控制器。LPC2214提供16 kbyte片內靜態RAM、256 k片內FLASH程序存儲器、通過片內PLL可實現最大為60 MHz CPU操作頻率[4～6]。該模塊是整個系統的控制中心。

圖2 液壓轉轍機擠脫力測試儀原理框圖

（2）存儲器模塊。設計中擴展一片512 k×16 bit的SRAM（IS61LV51216AL）作為測試儀的內存、一片NAND型Flash（K9F1208U0A）作為斷電后保存重要測量數據的存儲器，該存儲器具有64 Mbyte的存儲容量。

（3）采集模塊。儀器的A/D芯片選用MAX-197，具有12 bit的A/D精度，轉換時間6 μs，內置基準，它提供了標準接口—8 bit三態輸出口，可以和CPU直接相連。

（4）液晶顯示模塊。液晶顯示屏選用的是“TRULY”公司的MSP-7N液晶顯示模塊，其控制器是EPSON公司的SED1335液晶控制芯片，微控制器采用8位總線方式與液晶模塊連接。

（5）串行通訊模塊。232接口或USB接口用于將實測數據上傳給上位機以便于用轉轍機擠脫力數據分析軟件進行數據處理、分析和打印。

（6）時鐘模塊。為系統提供實時時鐘，斷電后由電池供電。

（7）DIO模塊。數據采集的啟停信號通過光電隔離輸入，液壓動力設備的啟停及方向控制信號通過繼電器輸出。

圖3 液壓轉轍機擠脫力測試儀外型圖

1.2 軟件設計

在以上硬件平臺的基礎上，本儀器采用了μC/OS-II實時操作系統來管理硬件資源和進行任務協調。本測試儀軟件設計層次如圖3，第1層為μC/OS-II操作系統層，這是整個系統的管理核心，通過協調任務之間的通信和任務切換實現所有任務的統一調度和管理。第2層為任務層，包括硬件驅動程序和各任務應用程序的設計。μC/OSII是完全可剝奪型的實時內核，即μC/OS-II總是運行就緒條件下優先級最高的任務[5]。故在基于μC/OS-II操作系統的應用程序設計中，任務的劃分及任務優先級的安排是整個應用程序的基礎和關鍵，其它軟件設計都是圍繞任務來展開的。下面是本轉轍機擠脫力測試儀中任務的劃分、任務優先級的安排及這樣安排的依據。

（1）啟動任務，優先級為1。啟動任務用來對目標板的初始化，也對系統用的各個中斷和系統變量的初始化，屬于單次執行類任務，故應安排最高的優先級。

（2）只要收到上位機發的拷屏命令就讀取LCD顯示RAM中的數據，并傳輸到上位機以圖片形式保存，以便為寫文檔提供資料。該任務與串口接收數據中（2）拷屏任務，優先級為2?？狡寥蝿展δ苁菙嚓P聯，要求任何時刻都可以拷屏，且只在儀器開發前期使用，故安排次高優先級。

（3）校準任務，優先級為3。校準任務完成對傳感器的校準，包括零點和增益的調整。傳感器的標定是由設計人員出廠時完成的，不是由最終用戶完成，所以該任務不同于其他任務，只有滿足一定的條件才創建，且沒有任何延時和等待事件即比其優先級低的任務均沒有機會運行，擁有較高的優先級。

（4）測量任務，優先級為4。測量任務是應用程序中的核心，負責開啟中斷進行數據采集，對采樣數據量化處理，并在LCD上以數字和曲線的形式實時顯示。該任務與定時數據采集中斷關聯，屬于緊迫任務，對實時性要求高。所以除去拷屏任務和校準任務外，測量任務的優先級僅次于啟動任務，以保證測量曲線的實時顯示。

（5）菜單任務，優先級為5。菜單任務完成菜單的切換，并負責設置任務、調零任務、功能任務和初始化任務的掛起和恢復。該任務不是緊迫性任務，但是屬于使用頻率較高的任務。故安排其優先級低于測量任務而高于設置任務、調零任務、功能任務和初始化任務。

（6）設置任務、調零任務、功能任務、初始化任務和相關信息屏任務。這5個任務，每個任務各完成一類功能，地位基本上平等，功能互相獨立，μC/OS-II規定任務間不能擁有相同的優先級，所以對它們的優先級隨機分配，如圖4。

圖4 液壓轉轍機擠脫力測試儀軟件設計層次圖

2 試驗及結果分析

利用XYT-1液壓轉轍機擠脫力測試儀對某ZYJ7型轉轍機進行了測試。利用標尺功能和數據分析軟件對測量結果進行了分析。

圖5為ZYJ7轉轍機處于定位狀態下擠脫力的實測曲線，主要參數擠脫力為30 kN=3.06 t（kN即千牛、t即噸），輔助信息有擠脫器斜面離開鎖閉鐵上的槽時需要的平均力值為28.82 kN，耗時約0.95 s，拉開后動作桿的平均阻力值約為6.39 kN，擠脫器脫落的方向為拉。

圖6為ZYJ7轉轍機處于反位狀態下擠脫力的實測曲線，主要參數擠脫力為29 kN=2.95 t，輔助信息有擠脫器斜面離開鎖閉鐵上的槽時需要的平均力值27.84 kN，耗時0.62 s，擠開后動作桿的平均阻力值為6.54 kN，擠脫器脫落的方向為擠。測試結果說明當前碟簧彈力合適，擠脫力滿足27 kN～30 kN的要求。若擠脫力不滿足27 kN～30 kN，則可調整蝶簧彈力后再進行測試，直到滿足要求。

圖5 ZYJ7處于定位狀態下擠脫力實測曲線

圖6 ZYJ7處于反定位狀態下擠脫力實測曲線

3 結束語

液壓轉轍機擠脫力測試儀由擠脫力測試儀和數據分析軟件組成。擠脫力記錄儀以NXP的LPC2214芯片和uC/OS-II實時操作系統為硬件及軟件核心，負責對液壓轉轍機的擠脫力進行實時力測試記錄儀進行數據交換，實現存儲數據的備采集和存儲，同時以數字和曲線的形式動態顯示。數據分析軟件通過RS232或USB串行接口與擠脫份，并對測量曲線進行綜合分析和打印。實測結果證明了該測試儀的實用性和可靠性，完全滿足鐵路電務部門和轉轍機設備制造廠商對轉轍機擠脫力進行測試的要求。

[1]林瑜筠. 鐵路信號基礎[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006：161-162.

[2]陳曉云. 可擠型ZD(J)9轉轍機滾柱擠脫的原理及應用[J],鐵路通信信號工程技術，2009，6（6）：64-65.

[3]黃天新. 轉轍機及分動外鎖閉裝置擠岔研究[J]. 鐵路通信信號工程技術，2008，5（5）：53-54.

[4]周立功. ARM嵌入式系統基礎教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社， 2008.

[5]Jean J. Labrosse. 嵌入式實時操作系統μC/OS-II[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[6]NXPSemiconductors.LPC2212/LPC2214[DB/OL]. 2008. http://www.nxp.com/documents/data_sheet/LPC2212_2214. pdf