新型地铁制动系统试验台的设计与运用.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 1 5 4-0 5新型地铁制动系统试验台的设计与运用李 莉,石喆文,赵 欣(中车青岛四方车辆研究所有限公司 制动事业部,山东 青岛 2 6 6 0 3 1)摘 要:目前的制动系统试验台通常只是针对有限几种制动系统进行试验研究,针对这一问题,文章提出了一种新型地铁制动系统试验台。新型地铁制动系统试验台的研制充分考虑了不同制动系统的试验需求,可满足不同架构和控制方式的制动系统试验研究和检验检测,且可扩展性好,在通信模式、可扩展性,模块化设计等方面采用了新的技术。文章介绍了新型地铁制动系统试验台的主要结构和主要功能,试验结果证明,该试验台可以精确模拟制动系统研制及测试过程中所需要的各种信号,完成各种相关的性能试验,满足制动系统研发及调试需求。关键词:制动系统;试验台;测试;功能中图分类号:U 2 7 0.3 5 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 2 9收稿日期:2 0 2 1-0 1-2 1;修回日期:2 0 2 3-0 6-0 9第一作者:李 莉(1 9 7 4),女,正高级工程师。D e s i g n a n d A p p l i c a t i o n o f T e s t B e n c h f o r N e w T y p e S u b w a y B r a k e S y s t e mL I L i,S H I Z h e w e n,Z HAO X i n(B r a k e D e p a r t m e n t o f C R R C Q i n g d a o S i f a n g R o l l i n g S t o c k R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 0 3 1,C h i n a)A b s t r a c t:C u r r e n t t e s t b e n c h f o r b r a k e s y s t e m i s i n t e n d e d f o r t e s t i n g a n d r e s e a r c h o f o n l y l i m i t e d t y p e s o f b r a k e s y s t e m.F o r t h i s r e a s o n,t h i s a r t i c l e h a s a d d r e s s e d a n e w t y p e t e s t b e n c h i n t e n d e d f o r s u b w a y b r a k e s y s t e m.T e s t d e m a n d s o f d i f f e r e n t b r a k e s y s t e m s h a v e b e e n d u l y c o n s i d e r e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e n e w t y p e t e s t b e n c h f o r s u b w a y b r a k e s y s t e m s,w h i c h i s c o m p a t i b l e w i t h t e s t r e s e a r c h,t e s t i n g a n d t e s t o f b r a k e s y s t e m s w i t h d i f f e r e n t c o n s t r u c t i o n s a n d m o d e s o f c o n t r o l.I n a d d i t i o n,i t o f f e r s g o o d e x t e n d i b i l i t y a n d i n c o r p o r a t e s n e w t e c h n o l o g y i n t h e a s p e c t s o f c o mm u n i c a t i o n m o d e s,e x t e n d i b i l i t y a n d m o d u l a r d e s i g n e t c.T h i s a r t i c l e o u t l i n e s m a i n s t r u c t u r e a n d m a i n f u n c t i o n s o f n e w t y p e t e s t b e n c h i n t e n d e d f o r s u b w a y b r a k e s y s t e m s.R e s u l t s o f t e s t s i n d i c a t e s u c h t e s t b e n c h c a n p r e c i s e l y s i m u l a t e v a r i o u s s i g n a l s r e q u i r e d d u r i n g d e v e l o p m e n t a n d t e s t i n g o f b r a k e s y s t e m s,c o m p l e t e v a r i o u s t y p e s o f r e l e v a n t p e r f o r m a n c e t e s t s a n d m e e t t h e d e m a n d o f r e s e a r c h a n d c o mm i s s i o n i n g o f b r a k e s y s t e m.K e y w o r d s:b r a k e s y s t e m;t e s t b e n c h;t e s t i n g;f u n c t i o n 在城轨车辆车控制动系统的设计过程中,利用制动系统试验台对制动系统和运行环境进行模拟和试验可以缩短产品的研发周期,大幅节约成本,验证系统效果。同时,还可以利用制动系统试验台对既有产品的故障诊断和性能优化进行研究。制动系统试验台越接近真实环境,测试结果就越逼真,也就越具有采信价值1。城轨车辆制动系统制造商都拥有各自的制动系统的试验台。由于不同用户的要求不完全相同,针对不同线路城轨车辆采用的制动系统在控制方式、系统架构、通信方式等方面都存在一定差异,而目前的制动系统试验台通常只是针对制造商自己研制的有限几种制动系统进行试验研究,随着制动系统也不断更新发展,国内外制动系统制造商往往需要搭建新的试验台进行系统联调试验和初期产品的检验检测2。新型地铁制动系统试验台的研制充分考虑了不同制动系统的试验需求,可满足不同架构和控制方式的制动系统试验研究和检验检测,且可扩展性好,在通信模式、可扩展性,模块化设计等方面采用了新的技术。451 运用与检修铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 1 新型地铁制动系统试验台设计目标新型地铁制动系统试验台通过模块化设计,各个模块灵活搭配,可以满足不同项目的制动系统性能调试。MV B网络是目前大多数制动系统采用的网络介质,图1为某一地铁项目的MV B网络拓扑结构,根据该项目需求,配备相关试验设备,就可以便捷地搭建满足试验需求的制动系统试验台。该制动系统试验台根据图1的信号来源可以模拟制动系统的外部环境,调试制动系统的系统逻辑,完成各种制动性能试验。T c 1、T c 2.带司机室的拖车;M 1、M 2.不带司机室的动车;M p 1、M p 2.带受电弓的动车;C C U.中央控制单元;E R D.列车数据记录仪;R I OM.输入输出模块;HVA C.空调系统;E D C U.门系统;VVV F.交流调压变频主逆变器;S I V.辅助逆变器;B C.充电机;R P T.中继器;MC.司控器;B C U.制动控制单元;HM I.显示屏。图1 新型地铁制动系统MV B拓扑组成图 制动系统试验台由1个操作台及6个B C U(制动控制单元)试验台组成。操作台由压力调节柜、分线柜、电源柜、手动按钮控制柜、司控器柜、模拟TM S(列车管理系统)、状态监控模块(即维护终端)等部分组成3。B C U试验台由虚拟空压机、伺服电机及电路接口和气路接口组成。对比之前的试验台,功能更加完善,增加了比较真实的网络环境,外部监控设备,更加接近于现车运行状态。其中TM S模块根据不同的项目需求可以采用不同的网络通信板卡实现MV B网络,以太网,C AN网。B C U模块的电路接口和气路接口都有冗余设计,不仅可以兼顾目前所有项目的制动系统需求,还可以满足以后产品的更新设计,实现了制动系统试验台的柔性化设计。2 功能及结构模块以目前最常用的项目需求为例,新型地铁制动系统试验台利用模拟TM S实现与整列6车(可根据需求扩展为8车)制动系统B C U的MV B网络通信,模拟现车网络,满足项目网络协 议方面的要 求4。同时模 拟TM S可以很方便地根据需求切换为以太网,C A N网。模拟TM S发送给B C U网络信息,实现司控器制动级位百分比的下发、电制动力建立施加与衰减退出的过程以及各个控制指令(A T O模式、保持制动等)的施加;同时E B C U(制动电子控制单元)除了接收网络信号,还负责采集相关的列车总线。制动系统B C U根据模拟TM S相应的命令及相关的硬线信号来模拟现车制动控制(图2)。为了监控及测试制动系统的运行状态,各个B C U之间又建立了C A N总线内部网络,通过维护终端设备可以采集和显示所有B C U的状态数据并进行测试及调试。制动系统试验台从设计结构上分为司控器操作控制台模块、气路装置模块和E B C U模块。外围的MV B网和C A N网将模拟TM S和维护终端引入试验台,使试验台的试验环境更加真实5。该试验台的创新点之一在于网络部分的设计,利用网络板卡构建了整列车MV B网络,同时进行了扩展性设计。未来以太网在制动系统的应用会越来越成熟,越来越广泛。该试验台实现了后期与以太网的扩展接口。2.1 功能2.1.1 模拟TM SB C U实现的功能如图3所示,可以模拟设定司控器级位;设定轮径数值;设置实际电制动力、电制动力有效、电制动力可551 新型地铁制动系统试验台的设计与运用 李 莉,石喆文,赵 欣用、电制动力衰减、电制动力滑行;下发ATO模式、紧急制动以及保持制动等指令。图2 制动系统试验台总体结构示意图2.1.2 B C U模拟TM S实现的功能如图4所示,B C U上传网络信息主要是为了实现B C U自身状态的反馈,可以对制动系统的状态变量进行显示监控,开关量以亮灯形式显示,模拟量以文本框的状态显示。图3 制动系统试验台上位机指令界面图图4 制动系统试验台上位机B C U状态界面图而C AN网则利用维护终端实现了制动系统内部故障及状态的数据外传,如图4所示,便于进行故障分析和制动系统的软硬件调试。司控器操作控制台和气路装置是试验台中的两个重要硬件组成部分,下面分别予以介绍。2.2 结构模块2.2.1 司控器操作控制台模块司控器操作控制台的主要作用是发送出通信及电气控制信号。控制台包含测试主机、信号调理箱、程控电源、转接适配单元、机柜、压力调节柜和司控器等。操作台可 以 发 出 的 制 动指 令 形 式 包 括7级 指 令、PWM信号指令、不同网络介质的信号指令,还可以发出各种相关的开关 量信号。B C U试验台可以采集设备发出的各种信号,可以发出继电器输出信号,可以记录设备及试验台自身的运行状态,包括一般事件和一般故障的日志。操作台输出信号中,电压制式的信号 具 有 可 调 节 性,以 满 足2 4 V、1 1 0 V等电压要求。2.2.2 气路装置模块气路 板输入包括 空簧压力、制动储风缸压力及总风压力、停放缸压力等。总风651铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 经截断塞门及过滤器后达到理想的输入状态,一部分经减压阀供给制动储风缸,制动储风缸压力经高精减压阀与排气截断塞门产生两个空簧压力,输入气路板。另一部分风经截断塞门、减压阀及排气截断塞门后,产生总风及停放缸压力。采用3 L风缸模拟制动缸。气路板直接输出制动缸压力6。气路装置还包括各电磁阀和各管路,使制动缸压力最终实现对基础制动装置的控制。气路装置中还包括各压力对应的传感器,通过采集传感器测试点的数据反映系统的工作状态。3 试验台应用情况虽然目前制动系统产品多样化,但有的产品只是控制方式不同,网络协议不同,而硬件结构是完全相同的。因此,利用新型制动系统试验台的可扩展性除了完成不同项目制动系统的研发任务外,还可以在制动系统后期产品的优化设计方面发挥重要作用。3.1 各种制动模式试验常用制 动 时,操 作 司 控 器 发 出 硬 线 指 令,模 拟TM S也发出相应的制动指令,制动控制电子单元根据指令需求,对充排气电磁阀进行控制,到达试验台气路装置,形成目标预控压力,该压力经过空重车阀、远程缓解阀、防滑保压电磁阀,到达中继阀,控制中继阀动作,产生与预控制压力相吻合的制动缸压力。如图5所示,在调试过程中,按照逻辑要求通过调整充排气电磁阀的控制算法,调整制动缸压力曲线,满足设计需求。图5中显示,制动指令消失但是保持制动施加没有取消,制动缸压力继续保持,直至收到保持制动缓解指令。图5 制动系统试验台常用制动调试界面图紧急制动时如图6所示,紧急回路硬线失电引起紧急阀失电,接通储风缸相关通路,形成紧急制动预控压力,该压力控制中继阀动作,产生与紧急预控压力相吻合的制动缸压力。利用制动缸压力曲线的斜率可以检验回路中各个阀设计的准确性。图6 制动系统试验台紧急制动调试界面图3.2 防滑试验防滑控制是根据速度差、滑移率、减速度的变化进行控制的。制动控制单元从控制台采集到4个模拟速度脉冲信号后,分别计算出各轴的速度和减速度,进而计算出参考速度、速度差、滑移率和减速度,将减速度、滑移率、速度差与各自的判据标准进行比较,如果达到防滑控制标准,制动控制单元即控制防滑排风阀动作,达到控制制动缸压力、实现防滑作用的目的7。通过操作控制台信号发生器产生不同模式的4个模拟速度脉冲信号(图7),制动控制单元把计算出的速度、减速度以及滑行状态通过内C AN发送至维护终端,防滑阀的动作以及速度的恢复情况可以反映出防滑算法的正确性。通过试验台的防滑试验可以把制动控制单元的防滑算法调整到最适合的状态,为线路防滑试验做足前期风险防范准备。图7 制动系统试验台防滑调试界面图3.3 故障模拟试验新型地铁制动系统试验台还有一个重要作用,就是可以为实际运营中出现的问题进行模拟分析、故障再现、技术优化,进而提高解决问题的工作效率8。例如:(1)可以拔掉防滑阀的连接器插头以模拟防滑阀故障,此时维护终端就可以接收防滑控制板卡发出的故障信号,显示在故障显示界面上,并且整个制动系统会进行相应的故障导向,进而验证故障报警与逻辑设定的一致性;(2)可以断开MV B总线的连接器以模拟网络通信故障;也可以操作模拟TM S的上位机实现网络信号与硬线信号不一致的故障;同理还可以模拟内751 新型地铁制动系统试验台的设计与运用 李 莉,石喆文,赵 欣C AN网络故障。这些故障都可以显示在故障显示界面上。在这些模拟故障状态下,可以完善故障导向,优化软件,从而提高整个系统的可靠性。3.4 前瞻性设计试验作为辅助优化设计的必要工具,可以协助设计人员进行前瞻性设计。以太网是新兴用于制动系统的通信介质,点对点的以太网通信技术已经相对成熟,本试验台可以利用模拟TM S搭建与现车很接近的网络环境(图8),在调试过程中发现成熟的以太网板卡对节点是有限制的,一方面通过优化网络拓扑结构减少节点数,另一方面对以太网板卡提出更高要求,可以通过优化硬件实现增加节点的目的。由此可见,以前只有在装车后才可能发现的问题可在装车前得以及时解决,提高了设计的效率与产品的可靠性。图8 制动系统以太网相关拓扑图4 结束语新型地铁制动系统试验台可以用于地铁制动系统的研发和检测验证,能够验证制动控制系统性能是否满足设计要求,从而进一步保证制动产品的可靠性。同时,根据制动系统试验台试验中反应出的各种故障及警告,可以对制动系统进行相应的系统升级和优化。该试验台在设计过程中考虑到兼顾多种制动系统,具有可扩展性和灵活性,可以满足不同项目不同制动系统的所有系统试验,还可以协助设计人员验证新的制动系统的设计方案。试验台是针对B C U调试及测试的实际需要进行设计的,该试验台实际操作方便,人机交互界面直观,运行可靠,完全能满足实际的测试及调试需求。该试验台能够精确模拟各种信号,可以完成各种工况试验。在试验过程中,通过分析试验数据可知,试验台无论是硬件设计还是软件数据算法均合理可行,能够满足制动系统产品的调试环境要求。参考文献:1 刘钊,王子幼,李安虎,等.地铁电空制动控制试验台的研制与设计J.计算机测量与控制,2 0 0 9.1 7(1 2):2 4 4 2-2 4 4 4.L I U Z h a o,WANG Z i y o u,L I A n h u,e t a l.R e s e a r c h o f E P b r a k i n g t e s t s y s t e m o f s u b w a y b a s e d o n L a b V i e wJ.C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l.,2 0 0 9,1 7(1 2):2 4 4 2-2 4 4 4.2 李森林.列车制动试验台测控系统的设计与实现D.成都:西南交通大学,2 0 0 8.3 杨乐.电子制动控制单元测试系统技术方案研究J.铁道车辆,2 0 1 8.5 6(8):3 2-3 5.YANG L e.R e s e a r c h o n t h e t e c h n i c a l s c h e m e o f t h e t e s-t i n g s y s t e m f o r t h e c o n t r o l u n i t s i n e l e c t r o n i c b r a k i n g.J.R o l l i n g S t o c k,2 0 1 8,5 6(8):3 2-3 5.4 罗继华.动车组制动系统试验台研制D.成都:西南交通大学.2 0 1 1.5 张兴宝.西安地铁2 号线车辆防空转/滑行系统J.电力机车与城轨车辆,2 0 1 2,3 5(5):7 1-7 4.Z HAN G X i n g b a o.A n t i-s l i p a n d s l i d e s y s t e m o f X ia n M e t r o L i n e 2 v e h i c l e sJ.E l e c t r i c L o c o m o t i v e s&M a s s T r a n s i t V e h i c l e s,2 0 1 2,3 5(5):7 1-7 4.6 韩妍松,杨乐,李作鑫.基于C AN 总线的制动维护终端监控系统的设计J.铁道机车与动车,2 0 1 9(1 1):1 6-2 0.HAN Y a n s o n g,YAN G L e,L I Z u o x i n.D e s i g n o f b r a k e m a i n t e n a n c e t e r m i n a l m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n C AN b u sJ.R a i l w a y L o c o m o t i v e a n d M o t o r C a r,2 0 1 9(1 1):1 6-2 0.7 石磊,张喜茂,班赟,等.城轨车辆停放制动控制单元试验台研制J.铁道车辆,2 0 1 5,5 3(4):3 5-3 7.S H I L e i,Z HAN G X i m a o,B AN Y u n,e t a l.D e v e l o p m e n t o f t h e t e s t b e n c h f o r p a r k i n g b r a k e c o n t r o l u n i t o n u r b a n r a i l v e h i c l e sJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 1 5,5 3(4):3 5-3 7.8 王令军,李培署,纪铅磊.某地铁列车制动系统建模与仿真研究J.铁道车辆,2 0 1 5,5 3(1 0):1 0-1 3.W A N G L i n g j u n,L I P e i s h u,J I Q i a n l e i.R e s e a r c h o n m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n o f t h e b r a k i n g s y s t e m o n a c e r t a i n t y p e o f m e t r o t r a i n sJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 1 5,5 3(1 0):1 0-1 3.(责任编辑:任 海)851铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月