万吨列车编组制动系统综合教学实验平台设计

刘 震， 倪文波， 王雪梅

(西南交通大学 机械工程学院， 成都 610031)

万吨列车编组制动系统综合教学实验平台设计

刘 震， 倪文波， 王雪梅

(西南交通大学 机械工程学院， 成都 610031)

为了让科研设备为教学服务，基于西南交通大学万吨列车编组制动系统定置试验台，开发了适用于教学的万吨列车制动系统综合实验平台。在介绍实验平台基本组成和工作原理的基础上，重点阐述了基于LabVIEW的实验平台软件设计，同时以制动波速和缓解波速实验为例，分析了实验教学的具体过程。该实验平台功能齐全，能够满足机车车辆专业列车制动课程的所有基本实验，对于加深学生对列车制动原理的认识和理解，丰富列车制动课程的教学内容都起着十分积极的作用。

实验平台； 列车制动系统； 数据采集系

0 引 言

中国铁路货运列车具有载重大、编组长、速度快和密度高的特点，对我国经济发展起着积极的推动作用。对长大列车制动系统的研究一直是制动技术研究的热点之一[1-5]。学校更新了原有的万吨列车编组制动系统定置试验台。为了让科研设备得到充分利用，为教学服务，以提高学生的实践动手能力，在此万吨列车编组制动系统定置试验台上，依据《列车制动》课程要求，开发了可用于学生实验的万吨列车编组制动系统综合教学实验平台。

一般高校仅有单车制动实验台，只能做一些基础的实验，如全车泄漏实验、紧急制动实验、常用120阀的加速缓解实验和紧急制动阀实验等[6]。新开发的万吨列车编组制动系统综合教学实验平台，不仅能够做一般车辆制动实验台所能做的基础实验，而且还可以做更深入的实验，如制动波速和缓解波速实验、列车制动灵敏度实验、列车稳定性和安定性实验、不同编组辆数列车制动特性实验、列车初充气和再充气实验等实验内容。使学生不仅能够掌握车辆制动的基本原理，而且可以实际操纵制动系统，更好的理解列车在制动过程中，列车各个管路和缸的压力变化规律，从而加深对120型空气制动阀结构性能的认识。平台设计了基于LabVIEW虚拟仪器数据采集系统，良好的人机交互平台，方便学生动手实验、观测列车制动过程中，列车管道各个部分的压力变化。平台具有数据保存处理功能，可让学生对实验数据做更进一步分析研究，以加深其对实验的掌握。

1 万吨列车编组制动系统定置试验台

万吨列车编组制动系统定置试验台是按照美国铁路技术(Association of American Railroads，AAR)标准[7]并结合中国铁标[8]设计的，由“1辆机车+106辆车辆+1辆机车”组成的列车编组，平台实物照片如图1所示，其编组形式如图2所示。

图1 万吨列车编组制动系统定置试验台

图2 万吨列车编组形式及车辆制动系统组成图

机车制动系统采用ZYLB-1型电控制动操纵台，通过CAN总线和无线网络实现重联。车辆制动系统按照我国120型货车制动机在常温、静态下的不同编组的专列列车制动性能试验要求进行设计。为节省空间，车辆编组制动系统设计为台架形式。台架上安装的各车辆制动系统的主要参数包括：管路长度、通径和风缸配置等，均符合车辆实际标准。

106辆车辆的制动系统都采用120型货车制动机，其核心是120型空气制动阀，系统组成简图见图2。120型空气制动阀采用直接作用方式，在紧急制动时，其先导阀先开启，然后放风阀开启，以提高紧急制动波速。加速缓解风缸和加速缓解阀在制动后缓解，缓解时加速缓解风缸的气充入列车制动管，加快列车制动管升压，使缓解波速提高。其副风缸容积小，列车初充气和再充气的时间短[9-10]。

在车辆制动系统中的列车制动软管、加速缓解风缸、120阀紧急室、副风缸和制动缸等处都安装有压力传感器，用来检测这5处位置管路的压力。

2 实验平台软件设计

为使实验系统具有良好的可操作性和可观测性，实验平台软件采用LabVIEW可视化虚拟仪器程序编写，系统构架如图3所示。在两辆机车和每隔12辆车选取1辆车的制动系统中安装5个压力传感器，共计60个压力传感器。压力传感器通过线缆与数据采集卡相连。

图3 实验平台数据采集处理软件结构框图

数据采集卡选用NI公司的PCI6225型采集卡，其具有80个 A/D通道、 16位的分辨率精度，250 kS/s的最大采样频率，完全能满足制动平台的数据采集需求。压力对应的模拟信号经过A/D转换成为数字信号，信号的采集控制、处理、存储和显示均在LabVIEW平台上完成。

实验平台软件的设计主要包括：压力信号的实时采集和显示、数据处理和保存、数据回放和数据分析、打印。各个功能部分都包含了前面板的用户界面和后面板的程序设计。由于要同时采集、处理60路信号，工作量大，为了简化程序设计，采用了模块化的编程方法，信号滤波和数据保存功能设计了子VI，在主程序中直接调用。

为方便管路气压的实时观测，程序分别设计了两种界面显示模式：一种是一辆车5个压力点在同一界面显示，另一种是所有车辆的列车管压力、制动缸压力和副风缸压力在同一界面显示。同一辆车的5个压力点显示界面，可以看到一辆车不同点的压力数据变化，使学生了解一辆车制动系统各个管路之间的联系。将编组中所有车辆的列车管压力、制动缸压力和副风缸压力在同一界面显示，则可看到编组中列车管、制动缸、副风缸按照时间依次变化的情况，使学生掌握长编组列车在制动时空气波的传播方式。

数据处理程序包括传感器校准和信号滤波。为了保证测量精度，需定期在实验前对压力传感器进行校准，确定传感器电压输出与实际压力值的变换关系：

y=kx-b

(1)

式中：y为压力值(kPa)；x为电压值(V)；k、b为校准系数。

校准时，采用更高精度的压力传感器与待校准的压力传感器对同一压力进行测量，计算出校准系数后，存放在程序的标定数组里，以便程序对采集的数据进行变换、处理。

因传感器采集到的信号含有干扰，干扰信号过大会导致信号失真，所以对信号进行滤波处理是必要的[11-12]。本文采用平滑滤波器对采集到的压力信号进行滤波，以剔除干扰信号引起的毛刺，使信号曲线更加光滑，提高信号的准确性。

3 制动波速和缓解波速实验

制动波速和缓解波速是列车制动系统的关键性能指标，其反映了列车制动的距离和列车可以行驶的速度，同时也反映了列车在制动过程中产生的冲动力的大小[13-15]，所以制动波速和缓解波速实验是有关列车制动非常重要的实验，对于学生掌握长编组列车制动过程中各节车辆的制动过程有很大帮助。下面以此为例，阐述制动波速和缓解波速实验原理及其实验教学过程。

3.1 制动波速和缓解波速实验原理

如果各车辆的120阀的型式和灵敏度完全相同，列车制动过程中，空气波将由前向后传播，各节车辆的制动作用也是沿列车长度方向由前向后传播的制动。但实际上，由于120阀的结构性能和状态并不完全相同，制动作用并非完全由前向后传播，会出现来回“跳”的现象，故列车的制动波速只能通过实验方法测定[6]。列车缓解是在制动之后，列车要回到正常运转过程时，制动缸开始缓解排气，空气波向后传播，制动缸开始减压。制动波速和缓解波速的计算公式为：

(2)

(3)

式中：wZB为制动波速(m/s)；wHB为缓解波速(m/s)；LZB、LHB为制动波速传播距离(m)，从首车到尾车列车管的长度，本实验平台为106辆列车编组，每辆车列车管长按照C70货车的实际长度为15m，故LZB=LHB=106×15=1 590 m；tZB为制动传播时间(s)，从首车制动缸压力开始上升至尾车制动缸压力开始上升为止的时间；tHB为缓解传播时间(s)，从首车制动缸压力开始下降至尾车制动缸压力开始下降为止的时间。

图4所示为制动波速实验数据采集显示软件界面。由图可见，列车紧急制动时，车辆各个制动缸压力分别开始上升，但并非按车辆顺序依次上升，这点证明了制动波会来回“跳”的现象。程序可自动读取制动传播时间，考虑到压力信号波动误差，设置当首车制动缸压力上升大于5 kPa开始计时，到尾车制动缸压力上升大于5 kPa停止计时，这个时间就是制动波传播时间，列车管总长已知，根据式(2)便可计算出制动波速。从数据采集软件前面板可直接读取到制动传播时间tZB=5.704 33 s和制动波速wZB=278.736 m/s。

图4 制动波速实验压力数据采集显示软件界面

图5所示为缓解波速实验数据采集显示软件界面。从图中可见，列车缓解时，各个车辆的制动缸压力分别开始下降，同样出现了制动波来回“跳”的现象，这些都表明各车辆120阀的特性具有差异性。从图中的时间轴分别读取首车和尾车制动缸压力开始下降时的时间点，两个时间点之差即为缓解传播时间tHB=127.32 s，进而根据式(3)计算出制动波速wHB=12.49 m/s。

图5 缓解波速实验压力数据采集显示软件界面

3.2 制动波速和缓解波速实验教学过程

由于实验台在做实验时各个管道内压力较大，故首先需要对学生进行安全教育，明确实验过程各注意事项，保证实验安全有序进行。然后按照以下步骤进行实验：

(1) 打开PC机，启动运行列车制动系统实验平台软件。

(2) 在本务机车的操纵台上，控制制动控制器手柄处于运转位。打开风源，给列车管充风，并通过实验平台软件界面实时观察列车管压力，当首车和尾车的列车管压力到达500 kPa左右后即可以开始操作制动控制器手柄。

(3) 制动波速实验。把本务机车的制动控制器手柄从运转位转置保压位，然后按下紧急按钮实施紧急制动，从实验平台软件界面可以观测到每辆车的制动缸压力开始分别上升。

(4) 缓解波速实验。在(3)的操作之后等待一段时间，从实验平台软件界面观测各车辆制动缸压力全部稳定以后，松开紧急按钮，然后把制动控制器手柄从保压位转置运转位实施缓解，从实验平台软件界面可以观测到每辆车的制动缸压力开始分别下降。

(5) 观测分析压力曲线，保存实验数据，撰写实验报告。

4 结 语

基于我校万吨列车编组制动系统定置试验台，开发了适用于教学的列车制动系统综合实验平台。该实验平台功能齐全，能够满足机车车辆专业列车制动课程的所有基本实验。实验平台可以使学生掌握列车的制动原理，了解列车制动时各管道的压力变化规律，以及加深对120阀结构性能的认识。实验平台软件可以保存记录实验过程中的所有压力数据，方便学生对实验进行更加深入的分析研究。此外，该实验平台还可以完成列车实验、定置实验、专列静止实验和专列运行实验等。

利用高校现有的科研设备为教学服务，不仅可以提高现有设备资源的利用率，而且对于提高学生的实际动手能力，加深学生对列车制动原理的认识和理解，丰富列车制动课程的教学内容，提升课程教学质量都具有良好的作用与意义。

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Design of Comprehensive Teaching Experimental Platform for 10 000 t Train Marshalling Braking System

LIUZhen，NIWenbo，WANGXuemei

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China)

To make use of research equipment for teaching, a comprehensive teaching experimental platform was developed for 10 000 t train marshalling braking system based on test rig for 10 000 t train marshalling braking system in Southwest Jiaotong University. On the basis of introduction of experimental platform structure and principle, this paper mainly focused on the software design of the experimental platform based on Labview. Meanwhile the experiments of braking propagation speed and release propagation speed were taken for examples to analyze the process of experiment teaching. The experimental platform has multiple functions and can meet the demands of experiment of train braking course for locomotive and rolling stock students. It also plays a crucial role in both deepening comprehension and knowledge of train braking system principle, and enriches the curriculum content of train braking system.

experimental platform; train braking system; data acquisition system

2016-03-07

中央级普通高校改善基本办学条件专项资金项目(YQSB-2015-049)

刘 震(1990-)，男，陕西西安人，硕士生，主要研究方向为测控技术及应用。Tel.：13258117152；E-mail:1227951145@qq.com

王雪梅(1968-)，女，四川三台人，博士，副教授，主要研究方向为现代测控技术及其在轨道交通中的应用。

Tel.：13668193971； E-mail: xmwang2012@home.swjtu.edu.cn

U 291.4

A

1006-7167(2017)02-0210-04