基于列車制動防滑原理的靜態防滑測試系統

霍佳敏 楊 贇 閔子洋 屈國慶

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京；2.成都天佑路航軌道交通科技有限公司，610036，成都∥第一作者，高級工程師)

列車制動系統是列車安全運行的重要保障，其主要作用是確保列車能在各種情況下平穩、可靠、準確地停車。在列車制動系統工作過程中，如果制動力超過了輪軌之間的黏著力，車輪將被“抱死”,進而產生列車滑行現象。這會導致制動距離延長、車輪踏面磨耗加劇,軌道擦傷加劇，致使乘坐舒適度降低，甚至還會導致嚴重的安全事故。因此地鐵列車的防滑保護十分重要[1-2]。對列車制動系統的防滑性能進行測試，不僅能夠有效地認知制動系統對防滑閥的控制性能，同時還能為列車運行過程中的制動防滑提供合理的依據。基于此，本文設計了一種新型的靜態防滑測試系統。該測試系統通過向列車制動系統發送對應的速度方波信號，能夠模擬列車運行時可能出現的滑行情況；同時通過分析所采集的制動缸壓力的反饋信息，能夠在列車靜態狀態下實現制動系統防滑性能的測試，可為列車提供一種新型而簡單的制動系統防滑性能測試技術。

1 列車制動系統防滑原理

為了能夠有效防止制動過程中列車產生滑行現象，在制動系統上安裝的防滑閥起著關鍵作用。列車的每個輪對上都會裝有測量車輪速度信號的速度傳感器。這些速度傳感器將測得的速度信號傳遞給EBCU(電子制動控制單元)；EBCU實時地對速度信號進行綜合分析和處理，并根據預設的滑行判斷依據，計算和判斷各車軸是否發生了滑行。若EBCU檢測到某車軸發生了滑行，列車制動系統將立刻控制該車軸所對應的防滑閥并進行排氣動作，以緩解該車軸的制動力。當該車軸的速度恢復至正常減速過程時，即車輪恢復黏著，制動缸將重新進行充氣，完成列車在制動過程中的防滑動作[3-5]。列車防滑控制系統的結構示意圖如圖1所示。

圖1 列車防滑控制系統結構示意圖Fig.1 Diagram of train anti-sliding control system architecture

在實際行駛過程中，列車制動系統采取防滑措施的合理性取決于對列車出現滑行工況時能否進行合理的判斷。在當前主流的列車制動系統中，列車滑行判別依據主要有速度差、減速度和滑移率。在判別車輛是否滑行時，列車制動系統并不是基于某一個單一的判別依據來進行相應的滑行判斷，而是綜合三項判別依據的相互作用和變化，實現精準的滑行工況確定。然而，當一節車的4個輪對中某一輪對發生滑行時，該輪對所對應的軸速相對于其他輪對將會出現急劇下降的情況，此時制動系統會快速反應，認為速度急劇下降的輪對出現了滑行狀況。由此可以看出，速度差作為一種直觀、簡單、有效的滑行判別依據，其在制動系統中的優先級和敏感度較高，同時也是最符合實際物理狀況的一種判別依據。

2 靜態防滑測試系統研制

2.1 靜態防滑測試系統的工作原理

基于列車制動系統的防滑原理，所設計的靜態防滑測試系統基本原理為：檢測系統主機驅動速度信號發生模塊，產生代表軸速的電信號用以代替速度傳感器輸出的真實信號(依據檢測時選取的打滑類型，通過軟件為一個軸模擬產生不同頻率的信號)，并將信號輸入列車制動系統；通過設定相應的速度閾值和加速度閾值，生成的速度信號需要盡可能模擬出所需要的變化曲線。

結合所模擬的速度信號，靜態防滑測試系統通過采集制動系統的制動缸壓力和司機控制室制動指令，就可以分析得出防滑系統是否正確工作，整個靜態防滑測試系統的工作原理如圖2所示。在工作過程中，靜態防滑測試系統實時檢測司機控制室發來的制動指令。當測試系統檢測到制動命令時，預生成的減速度信號將被輸出至制動系統(以模擬執行制動動作時的速度衰減)。同時，制動系統EBCU也一直在實時檢測各軸的速度信號，當檢測到某一軸速度信號突然驟減，即會判斷該軸處于滑行狀態，進而驅動該軸防滑閥的排氣閥和保壓閥分別進行動作，即釋放制動缸壓力和緩解制動力。靜態防滑測試系統同時根據測得的制動缸壓力的實時變化情況即可檢測列車防滑系統是否發生相應的防滑動作，最終判斷列車制動防滑系統是否正常工作。

圖2 列車靜態防滑測試系統工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of train static anti-sliding test system working principle

2.2 硬件系統

硬件系統主要由計算機、嵌入式實時控制器、信號輸出模塊、信號采集模塊和壓力傳感器組成。其中,計算機和嵌入式實時控制器作為系統的主控模塊，信號輸出模塊作為速度信號模擬模塊，信號采集模塊和壓力傳感器作為防滑閥狀態檢測模塊。

計算機用于顯示和設置初始速度值、正常減速度閾值、滑行減速度閾值,以及控制參數等。計算機將設定好的參數通過以太網傳輸給嵌入式實時控制器，同時也可以讀取嵌入式實時控制器傳過來的數據，兩者可以實現數據的雙向傳輸。嵌入式實時控制器主要用于接收計算機指令，同時運行程序產生滿足要求的數字速度信號，然后通過數字速度信號輸出模塊將數字信號轉換成模擬速度信號傳送給制動系統。同時，壓力傳感器感應制動缸的壓力并將壓力信號送至信號采集模塊，嵌入式實時控制器負責對信號采集模塊采集到的信號進行預處理分析，并將分析結果回傳至計算機以判定防滑閥動作狀態。最后，由計算機完成對預處理結果的存儲、分析和顯示。

2.3 軟件系統

軟件系統是硬件系統的重要輔助工具。為了能夠更方便地對數據進行處理，本軟件系統基于LabVIEW平臺進行開發與設計，其主要功能是完成防滑閥地面檢測過程中的閥門狀態檢測、模擬信號輸出、數據處理與分析、測試數據顯示、數據存儲與管理和測試報告生成等操作。靜態防滑檢測系統軟件組成框圖如圖3所示。由圖3可知，該軟件系統主要分為數據采集控制、數據分析與顯示、報告生成、數據存儲管理及系統幫助等功能模塊。

圖3 靜態防滑測試系統軟件組成框圖

數據采集與控制模塊的主要功能是驅動嵌入式實時控制器、產生速度信號、模擬制動指令和采集防滑閥壓力信號。數據分析與顯示模塊主要顯示所采集的壓力信號，并與速度曲線進行比較，判斷防滑閥是否正確工作。報告生成模塊的主要功能是在試驗結束后，根據試驗情況和數據一鍵生成符合客戶要求的測試試驗報告。數據存儲模塊則是對采集到的原始數據以及每次試驗所用到的參數進行合理規劃和存儲，并向操作人員提供簡單、直接的查看接口，方便操作人員查看歷史數據。

軟件操作主界面截圖如圖4所示。為了快速高效地測試每個軸的防滑性能，在靜態防滑測試系統開始工作時，上位機軟件系統將會與嵌入式實時控制器進行交互，檢測通訊是否正常。操作人員設置完測試參數后，靜態防滑測試系統將依次產生具有一定變化規律的速度信號，并將該速度信號輸入BCU(制動控制單元)模塊或防滑器以便進行各軸的防滑測試。當第1個軸的防滑測試完成后，靜態防滑測試系統將自動進行第2個軸的防滑測試，依次類推，直至做完4個軸的防滑測試。在計算機主界面顯示4個軸的防滑測試結果。在測試過程中，靜態防滑測試系統將一直采集壓力傳感器的壓力數值，同時進行顯示和存儲。軟件系統的工作流程圖如圖5所示。

圖4 軟件系統主界面截圖Fig.4 Screenshot of the software system main interface

圖5 軟件系統工作流程圖Fig.5 Work flow chart of the software system

3 現場試驗

利用所設計的靜態防滑測試系統對地鐵列車制動系統進行測試，測試的對象為不同地鐵車廂安裝的某一國外和國產型號的制動系統。將列車上某一節車廂的2個轉向架所對應的4個速度傳感器接口進行拆卸，并將靜態防滑測試系統速度信號輸出端連接至拆卸的速度傳感器接口。同時，將靜態防滑測試系統采集端的壓力傳感器通過相應的氣閥接口連接至每個軸對應的制動缸，并采集和記錄試驗過程中的制動缸壓力變化。

試驗中，首先對某國外型號的制動系統采用兩種不同的速度曲線進行防滑測試。測試結果如圖6所示。在進行防滑性能測試時，選擇某一測試輪對輸入滑行減速度曲線，剩下3個輪對輸入正常減速度曲線。由圖6可知：當測試軸的速度低于其他3個軸時，測試軸的制動缸將進行相應的排氣動作，制動缸壓力發生驟減；當測試軸的速度恢復時，測試軸的制動缸將進行相應的充氣動作，制動缸壓力隨即逐漸恢復。為了進一步說明靜態防滑測試系統的有效性和可行性，對某一國產型號的制動系統進行了測試，測試結果如圖7所示。由圖7可知，該制動系統同樣對輸入速度信號變化有較為敏感的響應，測試結果表明國產型號的制動系統與國外制動系統的防滑性能類似。

圖6 某國外制動系統防滑性能測試軟件截圖

圖7 某國產制動系統防滑性能測試軟件截圖

由圖6和圖7可知，在防滑過程中，不同制動系統的制動缸壓力變化曲線具有相似的變化規律，同時該變化規律和速度變化規律相吻合，證明所設計的靜態防滑測試系統功能符合預期的試驗效果，但兩種制動系統所展現的防滑性能存在一定差異。

通過采集壓力變化曲線，所設計的靜態測試防滑系統還可以有效識別和判斷同一轉向架上2根軸的速度傳感器輸入信號線纜是否出現錯接問題。為了驗證該功能的有效性，對某地鐵列車的制動系統進行測試。在測試時，將同一轉向架上的2個壓力傳感器進行了反接，而速度傳感器線纜接線保持不變(這種接法在測試效果上可以理解為對速度傳感器信號線路錯誤連接的一種驗證)，以模擬實際測試中可能出現的速度傳感器輸入信號線纜錯接的情況。不同壓力傳感器線路接法所產生的測試結果軟件截圖如圖8所示。

由圖8 a)可知，壓力1 和壓力2曲線的變化趨勢依次按照順序出現，2根軸的測試結果顯示為正常。由圖8 b)可知，壓力1和壓力2曲線的變化趨勢出現了相反的情況，2根軸的測試結果顯示為異常。由此可以驗證所設計的靜態測試防滑系統識別信號線纜錯接問題的有效性，這樣可以方便現場技術人員快速定位錯接線纜位置，及時對相關線纜進行排查與糾錯。

圖8 不同壓力傳感器線路接法所產生的測試結果軟件截圖

4 結語

本文設計了一種新型的列車靜態防滑測試系統。該系統主要由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統主要由計算機、嵌入式實時控制器、信號輸出模塊、信號采集模塊和壓力傳感器組成。軟件系統的主要功能是完成防滑閥地面檢測過程中的閥門狀態檢測、模擬信號輸出、數據的處理與分析、測試數據的顯示、數據的存儲與管理、測試報告生成等操作。由現場試驗可知，該測試系統的試驗結果符合預期制動系統運行規律和制動效果，因此該列車靜態防滑測試系統可以有效地應用于列車在靜止狀態下的防滑性能檢測，具有較高的實用價值。

為了能夠實現全速度范圍內不同防滑性能判別依據的分析測試，在未來的工作中將會利用相關的仿真軟件對不同階段的速度進行防滑性能的仿真分析，并根據分析結果設計一種含有多種防滑依據綜合判斷的測試系統，全面改進和完善靜態防滑測試技術。