CN110471314A - 一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架及试验方法，由操作控制台、运动单元、气路台架发出防滑器工作所需的控制与数据信息，包括制动指令、速度、空簧压力等，防滑器随后作出滑行判断并控制防滑阀动作调整制动缸压力，气压传感器测得的压力信号由数据采集系统返回至仿真计算机软件模型进行下一时刻轴速的运算，如此实现列车制动防滑过程的半实物仿真，其中列车、轨道为虚拟模型，其余均为硬件实物，试验结果真实、可靠，试验过程中上位机实时显示制动距离、减速度、速度、制动缸压力、耗风量等防滑过程关键信息。与现有技术相比，本发明具有硬件化程度高、试验数据客观准确、试验涵盖范围广、重复性好等优点。

Description

一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架及试验方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆防滑性能试验技术领域，尤其是涉及一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架及试验方法。

背景技术

防滑器作为列车制动系统关键子部件之一，在制动过程中避免因轨面黏着条件恶劣使轮对出现滑行和抱死、缩小制动距离、保障列车停车安全方面发挥重要的作用，开展防滑器性能试验是保证其使用安全的重要依据。

现有的防滑器性能试验多依赖于整车的线路试验，成本高、耗时长、管理难、可重复性差，恶劣工况下甚至还可能带来安全问题，而普通的仿真测试装置只能测试防滑器能否正常工作，无法反映出其控制性能优劣和对轮轨黏着的利用程度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架及试验方法，由操作控制台、运动单元、气路台架发出防滑器工作所需的控制与数据信息，包括制动指令、速度、空簧压力等，防滑器随后作出滑行判断并控制防滑阀动作调整制动缸压力，气压传感器测得的压力信号由数据采集系统返回至仿真计算机软件模型进行下一时刻轴速的运算，如此实现列车制动防滑过程的半实物仿真，其中列车、轨道为虚拟模型，其余均为硬件实物，试验结果真实、可靠，试验过程中上位机实时显示制动距离、减速度、速度、制动缸压力、耗风量等防滑过程关键信息。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，该台架包括操作控制台、运动单元、气路台架和测控系统，其中，所述测控系统由仿真计算机、数据采集系统和用于为试验台所有用电设备供电的电源组成，所述仿真计算机通过所述数据采集系统与所述操作控制台、所述运动单元、所述气路台架和被测对象相连接，所述仿真计算机中实时运算有根据真实被控对象建立的列车动力学模型、轨道模型和TCU模型，并与所述操作控制台、运动单元、气路台架和测控系统联合构成防滑器虚拟运行环境，通过与被测微机式防滑器进行控制、过程信息交互以实现列车制动防滑控制过程的半实物仿真。

进一步地，所述的操作控制台包括设置于钢结构台架上的司控器、显示按钮和上位机，所述司控器，用于发出制动控制指令给所述被测对象，所述显示按钮，用于显示工作状态，所述上位机，用于显示仿真过程的参数信息并把设置的工况信息发送至所述仿真计算机。

进一步地，所述的运动单元由无刷电机、电机驱动设备和与所述无刷电机相连接的传动装置组成。

进一步地，所述的气路台架包括设置于另一钢结构台架上按照列车真实气制动系统组成方式相连接的风源、风缸、制动缸、防滑阀、气路连接金属管、橡胶管、压力控制阀和被测对象安装座，其中，所述防滑阀采用可调整容积式防滑阀，所述防滑阀与所述制动缸之间的连接管路为可拆卸式连接管路，所述压力控制阀与所述数据采集系统相连接。

进一步地，所述的测控系统还包括用于集成所述仿真计算机、所述数据采集系统和所述电源的钢结构机柜。

进一步地，所述电源由直流稳压电源和变压器组成。

进一步地，所述数据采集系统包括相互连接的数据采集板卡、设置于所述气路台架上的气压、流量传感器和与所述运动单元的无刷电机的输出轴相连接的速度传感器，所述数据采集系统通过所述数据采集板卡与所述仿真计算机相连接。

本发明还提供了一种微机式防滑器性能的试验方法，该方法基于所述的列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将被测对象放置于所述气路台架的安装座上，由电缆和连接管路与所述测控系统、操作控制台、气路台架和运动单元之间实现电和气的连接；

步骤2：针对某一工况在所述操作控制台的上位机设置车辆载重、总风压力、列车制动初速、轨道黏着状态，通过以太网发送至所述仿真计算机，供其调整软件模型内部参数，并控制所述数据采集系统的数据采集板卡产生所述气路台架的控制阀控制信号和所述运动单元的电机驱动设备控制信号，输出对应的空簧、总风、列车管压力空气以及轴速信息至被测对象；

步骤3：操作所述操作控制台的司控器，施加制动指令，被测对象根据制动指令和列车速度、载重信息控制内部气动阀件动作，制动缸压力开始变化，设置于所述气路台架上的气压传感器采集压力信息由所述数据采集系统返回至所述仿真计算机进行软件模型实时运算，被测对象检测到滑行并进行防滑控制；

步骤4：所述仿真计算机将制动防滑过程中所有的状态信息由以太网传至所述上位机，运行在所述上位机的人机交互软件实时将关键信息以曲线或者数字的模式显示出来，并能以表格的形式保存相关数据，制动开始后，列车速度降至3km/h以下时，一次制动滑行试验结束。

本发明还提供了一种微机式防滑器系统硬件参数优化的试验方法，该方法基于所述的列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将微机式防滑器放置于所述气路台架的安装座上，由电缆和连接管路与所述测控系统、操作控制台、气路台架和运动单元之间实现电和气的连接；

步骤2：给定某一工况，固定所述仿真计算机的软件模型参数，由所述半实物仿真试验台架输出对应的空簧、总风、列车管压力空气以及轴速信息至微机式防滑器；

步骤3：调整所述气路台架的制动缸容积、防滑阀排风口径和所述防滑阀与所述制动缸之间的连接管路管径，由所述操作控制台施加工况对应的制动级位至被测对象，并开始制动防滑控制过程的半实物仿真，一次试验只允许修改所述气路台架的制动缸容积、防滑阀排风口径和所述防滑阀与所述制动缸之间的连接管路管径三个参数中的某一项；

步骤4：当列车速度降至3km/h以下时单次试验结束，由所述操作控制台的上位机显示试验的制动距离、减速度和速度信息；

步骤5：根据需求继续调整参数展开下次试验，试验全部结束后汇总所有试验结果，分析得出该防滑器的最优硬件参数。

本发明还提供了一种微机式防滑器系统零部件性能的试验方法，该方法基于所述的列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将微机式防滑器放置于所述气路台架的安装座上，由电缆和连接管路与所述测控系统、操作控制台、气路台架和运动单元之间实现电和气的连接；

步骤2：将待测的速度传感器或防滑阀分别对应布置于所述运动单元和所述气路台架内，设置某一工况，使试验过程中防滑器能检测到滑行；

步骤3：施加制动级位，开始制动，在所述操作控制台的上位机实时监测该待测的速度传感器测量速度与实际速度曲线，试验结束后，分析该待测的速度传感器性能和测量精度；

步骤4：防滑器进行防滑控制时，由所述气动支架的制动缸压力变化情况、所述防滑阀响应速度、响应灵敏性分析判断防滑器性能，当列车速度降至3km/h以下时单次试验结束。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可在台架上完成对列车微机式防滑器的性能测试，避免了实车线路试验的高成本、低效率和安全问题，试验台硬件化程度高，试验数据更加客观准确。

(2)可用于防滑系统各零部件的性能检验、有关硬件的参数优化。

(3)根据真实被控对象建立软件模型(包括列车模型、轨道模型、TCU模型)，在台架上模拟出列车的制动防滑过程，能自定义轮轨黏着工况和车辆参数，输出反映防滑控制性能的制动距离、减速度、速度、耗风量等信息。

附图说明

图1为本发明所提出的列车微机式防滑器半实物仿真试验台架组成框图；

图2为本发明所提出的微机式防滑器性能试验方法流程示意图；

图3为本发明所提出的微机式防滑器系统硬件参数优化试验方法流程示意图；

图4为本发明所提出的微机式防滑器系统零部件性能试验方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示为本发明所提出的列车微机式防滑器半实物仿真试验台架组成框图，本发明所提及的一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，该试验台架包括操作控制台、运动单元、气路台架、测控系统，其中测控系统由仿真计算机、数据采集系统、电源组成。其特征在于，测控系统的仿真计算机中实时运算有根据真实被控对象建立的列车动力学模型、轨道模型、TCU模型等，与试验台其它部件联合构成防滑器虚拟运行环境，通过与被测微机式防滑器(带气动阀的ECU)进行控制、过程信息交互，实现列车制动防滑控制过程的半实物仿真。

上述的操作控制台，包括钢结构台架、司控器、显示按钮以及上位机，司控器发出制动控制指令给被测对象，显示按钮用于显示制动状态，上位机一方面接受仿真计算机传来的所有数据，并显示关键参数信息，另一方面把设置的工况信息发送至仿真计算机；

上述的运动单元由转速可控的无刷电机、电机驱动设备、与无刷电机连接的传动装置组成，电机驱动设备与数据采集系统相连，受仿真计算机控制，输出与模型轴速一致的转速；

上述的气路台架，包括钢结构台架、风源、风缸、制动缸、防滑阀、气路连接的金属管、橡胶管、压力控制阀和被测对象的安装座，各气路部件按照列车真实气制动系统组成方式连接，其工作过程是风源经过总风缸通过空气管路连接至被测对象气动阀件(包括EP阀、中继阀、紧急阀等)，经防滑阀最后连接到制动缸；制动缸为可调整容积式，防滑阀到制动缸的管路可方便拆卸更换孔径，防滑阀的排气口径可调整；所述的压力控制阀与数据采集系统相连，受仿真计算机控制，输出与列车软件模型设置载重一致的空簧压力空气至被测对象。

上述的测控系统由钢结构机柜、仿真计算机、数据采集系统、电源组成，三者一同集成于钢结构机柜内，所述的仿真计算机通过数据采集系统与操作控制台、运动单元、气路台架、被测对象连接。所述的电源为试验台所有用电设备供电。

上述的仿真计算机，经由数据采集系统发出运动单元电机驱动设备、气路台架压力控制阀的控制指令，产生模拟列车的轴速、载重信息；获取操作控制台的控制指令以及试验台架中各传感器的测量结果监测系统状态；根据返回的制动缸压力信息实时计算模型下一时刻运动状态并调整运动单元电机驱动设备控制信号输出对应轴速，产生制动距离、减速度、速度等信息，通过以太网将所有参数发送至操作控制台中上位机供其显示。

上述的数据采集系统，包括有数据采集板卡、安装于气路台架的气压、流量传感器和运动单元的速度传感器，数据采集板卡包括A/D板卡、D/A板卡、I/O板卡，用于采集和发生制动防滑半实物仿真过程中的所有开关量、模拟量、脉冲量信号；气压、流量传感器、速度传感器分别测量压力信号、流量信号和轴速信号，经数据采集板卡传至仿真计算机，其中速度传感器信号另分出一路直接发送至被测对象。

上述的电源，由直流稳压电源和变压器组成，根据用电设备需求输出相应的电压。

如图2所示为本发明所提及的一种微机式防滑器性能的试验方法，该方法基于前述方案中的列车微机式防滑器半实物仿真台架，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，将被测对象放置在气路台架的安装座，由电缆、连接管路与测控系统、操作控制台、气路台架、运动单元之间实现电、气的连接；

步骤S2，针对某一工况在操作控制台的上位机设置车辆载重、总风压力、列车制动初速、轨道黏着状态等参数，通过以太网发送至仿真计算机，供其调整软件模型内部参数，并控制数据采集卡产生气路台架控制阀控制信号和动力单元的电机驱动设备控制信号，输出对应的空簧、总风、列车管等压力空气以及轴速信息至被测对象；

步骤S3，操作司控器，施加制动指令，被测对象根据制动指令和列车速度、载重信息控制内部气动阀件动作，制动缸压力开始变化，气压传感器采集压力信息由数据采集系统返回至仿真计算机进行软件模型实时运算，因轨道模型设置的黏着系数低，轴速下降较快使被测对象检测到滑行并进行防滑控制；

步骤S4，仿真计算机将制动防滑过程中所有的状态信息由以太网传至上位机，运行在上位机的人机交互软件实时将关键信息如各轴轴速、减速度、制动距离、制动缸压力等以曲线或者数字的模式显示出来，并能以表格的形式保存相关数据。制动开始后，列车速度降至3km/h以下时，一次制动滑行试验结束。

如图3所示为本发明所提及的一种微机式防滑器系统硬件参数优化的试验方法，该方法基于前述方案中的列车微机式防滑器半实物仿真台架，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，将微机式防滑器放置在气路台架的安装座，由电缆、连接管路与测控系统、操作控制台、气路台架、运动单元之间实现电、气的连接；

步骤S2，给定某一工况，仿真计算机软件模型参数固定，由半实物仿真试验台架输出对应的空簧、总风、列车管等压力空气以及轴速信息防滑器；

步骤S3，调整制动缸容积、防滑阀排风口径、防滑阀到制动缸的连接管路管径，由操作台施加工况对应的制动级位至防滑器，开始制动防滑控制过程的半实物仿真，一次试验只允许修改上述三个参数中的某一项；

步骤S4，速度低于3km/h时单次试验结束，上位机显示试验的制动距离、减速度、速度信息；

步骤S5，根据需求继续调整参数展开下次试验，试验全部结束后汇总所有试验结果，分析得出该防滑器的最优硬件参数。

如图4所示为本发明所提及的一种微机式防滑器系统零部件性能的试验方法，该方法基于前述方案中的列车微机式防滑器半实物仿真台架，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，将微机式防滑器放置在气路台架的安装座，由电缆、连接管路与测控系统、操作控制台、气路台架、运动单元之间实现电、气的连接；

步骤S2，将待测的速度传感器、防滑阀分别布置于运动单元、气路台架，设置某一工况，使试验过程中防滑器能检测到滑行；

步骤S3，施加制动级位，开始制动，在上位机实时监测速度传感器测量速度与实际速度曲线，试验结束后，分析该速度传感器性能和测量精度；

步骤S4，防滑器进行防滑控制时，由制动缸压力变化情况、防滑阀响应速度、响应灵敏性等分析判断防滑器性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，该台架包括操作控制台、运动单元、气路台架和测控系统，其中，所述测控系统由仿真计算机、数据采集系统和用于为试验台所有用电设备供电的电源组成，所述仿真计算机通过所述数据采集系统与所述操作控制台、所述运动单元、所述气路台架和被测对象相连接，所述仿真计算机中实时运算有根据真实被控对象建立的列车动力学模型、轨道模型和TCU模型，并与所述操作控制台、运动单元、气路台架和测控系统联合构成防滑器虚拟运行环境，通过与被测微机式防滑器进行控制、过程信息交互以实现列车制动防滑控制过程的半实物仿真。

2.根据权利要求1所述的一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述的操作控制台包括设置于钢结构台架上的司控器、显示按钮和上位机，所述司控器，用于发出制动控制指令给所述被测对象，所述显示按钮，用于显示工作状态，所述上位机，用于显示仿真过程的参数信息并把设置的工况信息发送至所述仿真计算机。

3.根据权利要求1所述的一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述的运动单元由无刷电机、电机驱动设备和与所述无刷电机相连接的传动装置组成。

4.根据权利要求1所述的一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述的气路台架包括设置于另一钢结构台架上按照列车真实气制动系统组成方式相连接的风源、风缸、制动缸、防滑阀、气路连接金属管、橡胶管、压力控制阀和被测对象安装座，其中，所述防滑阀采用可调整容积式防滑阀，所述防滑阀与所述制动缸之间的连接管路为可拆卸式连接管路，所述压力控制阀与所述数据采集系统相连接。

5.根据权利要求1所述的一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述的测控系统还包括用于集成所述仿真计算机、所述数据采集系统和所述电源的钢结构机柜。

6.根据权利要求1所述的一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述电源由直流稳压电源和变压器组成。

7.根据权利要求1所述的一种列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述数据采集系统包括相互连接的数据采集板卡、设置于所述气路台架上的气压、流量传感器和与所述运动单元的无刷电机的输出轴相连接的速度传感器，所述数据采集系统通过所述数据采集板卡与所述仿真计算机相连接。

8.一种微机式防滑器性能的试验方法，该方法基于权利要求1至7任意一项所述的列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将被测对象放置于所述气路台架的安装座上，由电缆和连接管路与所述测控系统、操作控制台、气路台架和运动单元之间实现电和气的连接；

步骤2：针对某一工况在所述操作控制台的上位机设置车辆载重、总风压力、列车制动初速、轨道黏着状态，通过以太网发送至所述仿真计算机，供其调整软件模型内部参数，并控制所述数据采集系统的数据采集板卡产生所述气路台架的控制阀控制信号和所述运动单元的电机驱动设备控制信号，输出对应的空簧、总风、列车管压力空气以及轴速信息至被测对象；

步骤3：操作所述操作控制台的司控器，施加制动指令，被测对象根据制动指令和列车速度、载重信息控制内部气动阀件动作，制动缸压力开始变化，设置于所述气路台架上的气压传感器采集压力信息由所述数据采集系统返回至所述仿真计算机进行软件模型实时运算，被测对象检测到滑行并进行防滑控制；

步骤4：所述仿真计算机将制动防滑过程中所有的状态信息由以太网传至所述上位机，运行在所述上位机的人机交互软件实时将关键信息以曲线或者数字的模式显示出来，并能以表格的形式保存相关数据，制动开始后，列车速度降至3km/h以下时，一次制动滑行试验结束。

9.一种微机式防滑器系统硬件参数优化的试验方法，该方法基于权利要求1至7任意一项所述的列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将微机式防滑器放置于所述气路台架的安装座上，由电缆和连接管路与所述测控系统、操作控制台、气路台架和运动单元之间实现电和气的连接；

步骤2：给定某一工况，固定所述仿真计算机的软件模型参数，由所述半实物仿真试验台架输出对应的空簧、总风、列车管压力空气以及轴速信息至微机式防滑器；

步骤3：调整所述气路台架的制动缸容积、防滑阀排风口径和所述防滑阀与所述制动缸之间的连接管路管径，由所述操作控制台施加工况对应的制动级位至被测对象，并开始制动防滑控制过程的半实物仿真，一次试验只允许修改所述气路台架的制动缸容积、防滑阀排风口径和所述防滑阀与所述制动缸之间的连接管路管径三个参数中的某一项；

步骤4：当列车速度降至3km/h以下时单次试验结束，由所述操作控制台的上位机显示试验的制动距离、减速度和速度信息；

步骤5：根据需求继续调整参数展开下次试验，试验全部结束后汇总所有试验结果，分析得出该防滑器的最优硬件参数。

10.一种微机式防滑器系统零部件性能的试验方法，该方法基于权利要求1至7任意一项所述的列车微机式防滑器半实物仿真试验台架，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将微机式防滑器放置于所述气路台架的安装座上，由电缆和连接管路与所述测控系统、操作控制台、气路台架和运动单元之间实现电和气的连接；

步骤2：将待测的速度传感器或防滑阀分别对应布置于所述运动单元和所述气路台架内，设置某一工况，使试验过程中防滑器能检测到滑行；

步骤3：施加制动级位，开始制动，在所述操作控制台的上位机实时监测该待测的速度传感器测量速度与实际速度曲线，试验结束后，分析该待测的速度传感器性能和测量精度；

步骤4：防滑器进行防滑控制时，由所述气动支架的制动缸压力变化情况、所述防滑阀响应速度、响应灵敏性分析判断防滑器性能，当列车速度降至3km/h以下时单次试验结束。