列車風擋曲線通過能力試驗臺研發

吳焱明，王 浩，盛 偉，楊 強

（合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

在我國火車、高鐵、地鐵已經是出門必不可少的重要交通工具，機車車廂風擋安裝于相鄰兩車廂的連接處，是列車重要連接部分之一。為滿足列車在運行過程中具有安全曲線通過能力和一定的振動幅度，風擋應具有良好的縱向伸縮性和橫向、垂直柔性，使乘客可以安全舒適的在車輛之間自由的走動[1]。因此，車端風擋連接作為高速列車上的重要部件之一，其質量的好壞直接關系著列車運行的安全性、經濟性及旅客乘坐的舒適性。

傳統風擋質量檢測采用線路實車試驗，雖然是最為直接且真實的方法，但是實車試驗受環境影響較大，在實施過程中需要耗費巨大的人力物力，且得到的數據也是有限的[2]。同時，國內外現有的模擬試驗臺存在控制系統復雜，不利于人工操作，設備造價成本高，可檢測風擋型號少等缺點[3]。為此，設計了一種基于PLC 的曲線通過能力試驗臺。該試驗臺采用框架模型模擬列車在軌道上的運行狀況，可對不同型號的風擋在不同運行工況下進行反復研究性試驗。試驗組織方便、經濟，且不受環境因素等影響。

2 試驗臺工作原理

風擋曲線通過能力是指列車在通過最小曲線半徑時，風擋在兩節車廂相對極限位置的承受能力[4]。試驗臺主要通過三坐標移動平臺和三坐標旋轉平臺運動模擬列車行駛轉彎、爬坡等狀況，以此滿足曲線通過能力、爬坡能力試驗，從而達到檢驗風擋產品是否符合要求。其結構，如圖1 所示。采用六自由度結構可全方位模擬兩節車廂之間相對位置關系，滿足所有的試驗項目。其中，三坐標移動平臺主要由伺服電機通過減速器和滾軸絲杠驅動。而三坐標旋轉平臺主要由伺服電機驅動電缸實現。另外，Z軸、橫滾軸、仰俯軸均選用帶抱閘的伺服電機，確保電機在失電的情況不會因為自重而下落。

圖1 試驗臺二維圖Fig.1 Two Dimensional Diagram of Test Bench

在實際試驗中，試驗臺通過不同軸的相互配合運動，可模擬完成直線拉伸壓縮、曲線入口、曲線弧頂、反曲線和爬坡等多種運行路況，最終完成風擋產品質量檢測。例如檢測25T 風擋在列車行駛到R145m 曲線弧頂時的試驗，根據有關試驗具體要求，利用路徑計算程序，得到試驗臺相關軸移動參數，然后由計算機發送指令給PLC，在伺服電機的驅動下試驗臺進行各個位置的動作，在到達指定位置后停止動作，由試驗人員檢查風擋產品是否符合鐵道部相關要求，測量并記錄數據。

例如安裝25T 風擋的列車在R145m 曲線弧頂時，列車實際路況，如圖2 所示。而試驗臺的路徑，如圖3 所示。進而來模擬兩節車廂之間的相對位置關系。根據鐵道部相關文件可知，安裝25T 橡膠風擋的列車車廂長度a為25.5m，軸距b為18m，車鉤長度c為2290mm，兩節車廂的間距d為800mm，通過的曲線半徑r為145m，測量點寬度m為3m。經推導驗證，試驗臺各個參數計算公式如下：

圖2 曲線弧頂列車全景圖Fig.2 Panoramic View of Curved Arc-Top Train

圖3 曲線弧頂路徑圖Fig.3 Path Diagram of Curve Top

式中：a—列車車廂長度；

b—列車車廂軸距；

c—車鉤長度；

d—兩節車廂間距；

m—測量點寬度。

代入數據可得，偏航角度為10.5°，X軸偏移量x為2.9mm，Y軸偏移量y為73.8mm，測量點1 的距離d1為1080.8mm，測量點2 的距離d2為 531.7mm。

經過多次重復試驗及第三方校驗，試驗臺最大線運動誤差為0.1mm，最大偏轉運動定位誤差＜0.1°，均可滿足試驗精度要求。

3 控制系統的硬件設計

控制系統的硬件主要由工控機、臺達PLC、伺服電機及其驅動器、電缸、傳感器及按鈕組成，如圖4 所示。由于試驗臺在工作時需要提供相關試驗數據報告及其路徑數據計算等工作，故選用研華工控機作為上位機[5]，同時配備了顯示器提供方便實用的人機交互界面。工控機與PLC 之間采用modbus 通訊協議[6]，通訊的方式為半雙工串口通訊，通訊格式為RS485。

PLC 的輸入點包括按鈕、接近開關等38 個輸入信號；輸出點主要包括指示燈、報警器等4 個信號。綜合考慮輸入輸出點數、控制電機軸數、性能要求和成本，PLC 最終選用了臺達的AS300。與傳統的PLC 相比，采用AS300 同時搭配AS-FCOPM 通訊卡[7]，可支持CANopen 運動網絡，極大的減少了工作中接線的麻煩，而且CAN 總線協議具有實時性強、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優點[8]，使試驗臺定位控制功能更加強大，試驗精度更高。

圖4 控制系統硬件圖Fig.4 Hardware Diagram of Control System

4 控制系統的軟件設計

仔細分析風擋產品質量檢測的試驗要求和試驗流程后，整個控制系統采用模塊化結構思想[9]，將控制系統主要分為以下六個模塊：手動調整、自動運行、試驗參數、運動參數、路徑計算和故障報警，如圖5 所示。

圖5 系統功能模塊圖Fig.5 Module Diagram of System Function

下面對各功能模塊進行如下介紹：

（1）手動調試模塊：該模塊用于手動操作時使用，可單獨對6臺伺服電機進行位置調整。如可以對電機進行點動、到目標位置、回起點、回原點等操作。

（2）自動運行模塊：在此模塊可以選擇要進行的實驗項目，并且可以顯示當前試驗項目的路徑圖片信息、各軸目標位置數值以及四個測量點的理論值，方便實驗人員更直觀的獲取當前試驗的所有信息。為保證風擋產品質量檢驗的準確性，在進行試驗項目之前，必須先將設備回起點，然后選擇實驗項目，點擊“開始”按鈕即可開始自動試驗，如圖6 所示。例如在實驗臺上模擬列車通過R145m 定半徑曲線時風擋的運行狀態，其整個試驗流程如下：X軸、Y軸、偏航軸的電機運動到指定目標位置后停止試驗臺動作，由試驗人員測量風擋“四點”距離并進行記錄，公差在5%或者10mm 以內。另外根據鐵道部產品質量檢測要求，試驗人員需對風擋進行如下檢查：鎖閉是否可靠，棚布有無開縫、拉出，框架焊接處有無裂紋或斷裂，密封是否良好，渡板安裝是否牢固，風擋有無擠壓拆棚框架，緊固件有無失效、松動等情況[10]。若風擋產品符合鐵道部質量要求，則對上述過程再重復兩次，以確保試驗的準確性。

圖6 試驗流程圖Fig.6 Test Flow Chart

（3）試驗參數模塊：用來顯示和設定不同試驗的項目參數，為了防止操作人員誤刪或錯改試驗數據，對該模塊設置了權限訪問。該模塊可以設定或者更改試驗參數，例如模擬R145m 定半徑曲線試驗，可對X軸、Y軸的橫移量以及偏航軸的偏轉角度進行修改。另外還可以增加不同的試驗項目。

（4）運動參數模塊：該模塊主要包括了點動速度、運動速度、起點位置、安裝位置的設置。由于該機械裝置體積較大，考慮到安全因素，點動速度、運動速度在此模塊進行設置，只有權限高的管理者才可以設定和修改，避免了操作人員失誤而出現重大事故。起點位置為試驗臺進行試驗時的初始位置，而且該位置可滿足不同型號風擋對自然狀態下兩車廂直行間距的要求。設置完成后每次試驗時，實驗人員只需按下“回起點”鍵，便可使試驗臺到達指定的初始位置。安裝位置為試驗風擋安裝到試驗臺時的位置，此位置可根據安裝人員的作業空間進行調整，同樣采用“一鍵式”操作，方便快捷。

（5）路徑計算模塊：此模塊主要用于針對不同型號的風擋，只需輸入相應的列車和彎道的特性參數值，便可計算出模擬試驗臺在曲線弧頂、曲線入口、反曲線等情況下各軸的運動參數。其中特性參數值包括車廂長度、車廂軸距、車鉤長度、車廂間距、通過曲線半徑、反彎直線長度。同時設有車鉤壓縮伸長量，可計算出車鉤在不同壓縮伸長量情況下各軸的路徑參數。另外設有測量點寬度（可根據實際測量空間進行修改），可計算出四個測量點的距離。

（6）故障報警模塊：當某個軸的電機在移動過程中超出極限位置，或者伺服電機發生故障等原因報警時，報警器會發出聲光警報，同時顯示屏上彈出窗口顯示報警信息。實驗人員在做出相應處理后，按下界面上的“報警清除”按鈕即可[11]。

5 試驗結果分析

圖7 被測風擋Fig.7 Measured Windshield

圖8 被測渡板Fig.8 Measured Crossing Plate

表1 質量檢測結果Tab.1 Quality Test Result

表2 曲線弧頂時測量點距離Tab.2 Measuring Point Distance at Curved Arc-Top

試驗臺對25T 型橡膠風擋進行了檢測，25T 風擋在R145m曲線弧頂時的現場試驗照片，如圖7、圖8 所示。每項試驗進行3次，每次動態模擬完成后，由試驗人員檢測風擋、渡板情況，其檢測結果，如表1 所示。測量點距離通過拉繩位移傳感器進行測距，確保測量精度，其實測數值，如表2 所示。經過多次重復性的試驗，試驗誤差在±10mm 內，完全滿足鐵道部要求的試驗標準，且設備運行良好，自動化運行順暢（其他試驗結果在此不做一一說明）。

6 結語

（1）列車風擋曲線通過能力試驗臺最大線運動誤差與最大偏轉運動定位誤差均可滿足試驗的精度要求。通過PLC 控制得到的位姿輸出結果與輸入數據無偏差，可以用于系統位置的實時監控。

（2）試驗路徑數據計算準確無誤，列車風擋在直線拉伸壓縮、曲線入口、曲線弧頂、爬坡等極限路況下的位置姿態在試驗臺上可以完全模擬，符合實際運動情況。

（3）試驗臺可檢測產品多樣化，控制系統運行流暢，人機交互界面方便易操作。

目前該試驗臺已由鐵科院驗證通過，達到了鐵道部要求的各項試驗標準，并在相關企業正常運行。