缪 军 上海铁路局上海铁路站场调速技术中心有限公司

随着轨道交通建设的迅速发展，挡车器在轨道交通安全系统中的应用已越来越广泛，这对线路终点安全防护产品的质量提出了更高的要求。因为它的各项技术性能指标的优劣直接影响着轨道交通建设投资和作用效率和作用安全，另外大量的挡车器制动部件产品出厂检验和新型挡车器产品的科研开发已都受到一定程度的制约，为此如何去开发一种高精度、高效率、多功能测试系统已显得尤为迫切和重要。目前国内外挡车器产品测试系统主要问题有：

(1)测试成本高，需要专门的铁路专用线、推送机车、配重车、等专用测试线路和机车车辆。

(2)测试效率低，绝大部分时间用于现场调试和等待中，不能满足挡车器产品批量检验需要。

(3)测试精度低，受天气、温度、环境等对测试系统和传感器的影响，又因撞击测试重复性也差，都将会降低检测精度，影响检测结果。

(4)测试功能少，较难做挡车器核心部件，制动摩擦块及液压缓冲器的性能试验和寿命试验，测试系统功能扩展性也较差。

(5)测试自动化差，软件操作比较专一、也比较复杂，智能判断少。

鉴于上述诸多问题，经过认真的分析、思考和创新，上海铁路站场调速技术中心有限公司成功开发了一套轨道交通挡车器模拟试验台多功能测试系统。

1 系统的特点、主要功能及技术指标

1.1 室内模拟试验台的特点

挡车器模拟试验台是通过卷扬机将撞击小车（最大重量10 t）牵引至某一高度，自由下滑至水平线（即撞击小车所具有的势能转换成动能），当撞击制动摩擦块时，制动摩擦块滑行一定的距离，经过测试系统的作业，即可测试出制动摩擦块的制动力和位移；当撞击液压缓冲器时，液压缓冲器具有一定的压缩行程，测试出液压缓冲器的最大吸收动能和最大允许撞击力。从而测出制动摩擦块和液压缓冲器的机械性能。试验台最大的特点是在室内运行，而且可以取代铁路轨道车、配重车和铁路专用线等多种传统检测设备进行挡车器产品的主要性能和整体寿命试验的检测，能较好地确保检测的精度和提高效率，是挡车器产品质量检测和新产品开发的重要设备。

1.2 新型多功能检测系统的特点

(1)该系统应用于挡车器模拟试验台，相比于传统的测试方法可提高极大测试效率，并且也可以大幅度地降低测试成本。

(2)由于系统有初值自检测功能，试验撞击小车沿着轨道轨道溜放能减少随机误差幅值，再辅以软件的合理采样和数字智能过滤技术，所以本测试系统能提供较高的测试精度，足以满足各类型挡车器制动部件的性能检测需要。

(3)软件及硬件都具有较强的互换性。对于外部设备如显示器、打印机等具有设备无关性，即插即用的特点。

(4)良好的交互式图形界面便于人机对话与操作，在不要求操作者具有专业知识的同时，增加了动态导航功能，对于操作中的失误及系统出现的故障，可以提供大量的反馈信息，并能根据实际情况提供相应处理意见。

(5)本测试系统不仅具有自动判别的功能，而且应用了二组光电开关为一组光电开关测速，这从根本上消除了二组光电开关之间信号翻转不可能同步的缺陷，极大地提高了测速精度，降低了测试成本。

1.3 检测系统的主要功能

(1)该系统能对目前轨道交通挡车器制动单元的制动力、制动功、减速度、制动距离等关键技术性能指标进行准确测试。

(2)可测试具有特殊功能制动单元的一些附加性能特点。

(3)能进行制动单元的疲劳寿命试验，从而方便得出更全面的测试数据，它为挡车器科研开发工作提供了重要的基础性研究平台。

(4)把制动单元的反力信号、位移信号及时间信号以图表或数据的形式给出，便于动态分析。

(5)可测试全系统的相关仪器设备状态，对不正常的仪器设备能及时给予反馈信息和处理方法。

(6)可对系统的外部参数，如挡车器制动单元的距离测速传感器的位置、压力传感器、位移传感器的校正系数随时进行更正。

(7)具有实用的测试日志功能、原始数据自动压缩功能，便于测试溯源及测试记录的管理。

(8)强大的在线帮助随时解除操作者的烦恼。

(9)系统均采用屏蔽、接地方式，具有较强的抗干扰能力。

1.4 技术指标

(1)A/D最大采样频率： 100 kHz

(2)制动力测试系统精度： 1%

(3)位移测试系统精度： 1%

(4)系统时钟精度： 0.01级以上

(5)速度测试系统精度： 0.5%

(6)系统不确定度： 1%

2 系统设计原理及构成

2.1 系统的硬件设计

本系统采用Intel奔腾4 2.4GCPU作为测试系统的核心，进行数据采集和数据分析处理，以PCI总线的光隔离型的高速12位A/D转换板为电压信号的精密测量和转换。图1为制动测试系统硬件框图，主要的硬件组成和工作原理是：试验小车溜放，撞击在测试单元上，作用压力传感器、位移传感器产生的信号，由应变仪进行滤波、放大后，经接口板进入A／D模数转换板，由自己开发的专用测试软件测出压力、位移的实时变化值。光电踏板信号经接口、模数转换板直接进入计算机，再有计算机根据程序要求截取主板时钟，计算出制动运行的速度。最终完成各测试项目的计算机检测和数据处理，经打印输出设备输出测试结果。

图1 挡车器测试系统硬件框图

2.2 系统软件设计

本软件主要有A／D转换程序、数据采集程序、滤波程序、显示程序、系统相关设备状态测试程序、系统参数设置程序、数据处理程序、打印程序及打印预览程序等组成。

2.2.1 开发工具的选择

Lab VIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而Lab VIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是Lab VIEW 的程序模块。Lab VIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。因此本软件采用Lab VIEW作为主要开发工具。考虑到程序对硬件底层的控制，测试系统对采样等采用windows数据库编译成动态连接库方式进行调用，从而优化了程序的结构。

2.2.2 采样率的保证

系统采样必须保证采样定理的要求，即采样频率应大于信号包含最大频率的二倍。但DOS环境下的中断处理方法在Windows环境下并不支持，为此我们详细分析了Windows的消息响应机制，系统管理设备内核。我们发现，Windows系统是通过设备驱动程序来处理异步事件 (如keyboard.dry负责处理键盘事件)。于是，我们参照设备驱动程序编写了响应外设异步事件的程序，然后将其转化为消息发往相应的处理程序。同时，外设异步事件随时都能发生，也为提高内存的利用率，所以应把响应外设异步事件的程序用动态连接库DLL的形式。

2.2.3 减小运算误差的算法

程序进行数字计算时，两个数值相近的数相减，可能会造成有效数字的严重丢失。因此在实际计算时要尽量避免，以减小舍入误差的影响，提高测试精度。为此，我们将制动功积分公式由原来的

其中：N------采样总点数Fn------第n个采样点的反力值Sn------第n个采样点的位移值

2.2.4 数字滤波的算法

由于测试信号中的噪音和随机干扰不可避免，除了传感器应变仪自身的滤波功能外，为了提高测量结果的精度，我们另设计了软件数字滤波程序。所谓数字滤波，即通过一定的计算程序，对采样信号进行平滑处理，提高其有效信号，消除减少各种干扰和噪音，以保证测试系统的可靠性。数字滤波的方法常用的有算术平均值滤波、滑动算术平均值滤波，超值滤波、RC低通滤波等。我们采用滑动算术平均值滤波，借助队列的数据形式，消除了信号中的"毛刺"，随机干扰也减小了。

2.2.5 软件主要菜单模块的功能

本软件操作部分主要有系统登录模块、检测基本信息设定模块、检测标定值的设定模块、检测初值的采集和检查模块、挡车器检测模块、检测图形显示处理模块、检测记录报表的查看和打印模块、检测图形的查看打印模块、检测数据的查看打印模块、检测概况的查看打印模块、检测记录和数据的压缩模块等十一大模块组成。它们主要的功能有：

系统登录--是挡车器检测系统启动后的第一步，它起到对系统安全访问的控制，只有获得使用权限的用户才可以顺利通过系统登录的安全检查获得使用此系统的权利。

检测基本信息设定--是每批检测产品检测基本信息录入的过程，它主要包括挡车器型号、送检单位、安装高度、当天气温、天气情况及测试记录名等信息设定。输入均采用下拉列表框选择和系统自动生成相结合来实现。

检测标定值的设定--系统在开始使用前必不可少的一步，它对检测值的准确性有着直接关系。

检测初值的采集和检查--用数字和图形的方式提醒用户对检测采样初值正确性以及检测仪器异常与否等作出检查与判断。

挡车器检测--即对车辆行驶方向和速度以及挡车器制动力、位移等实时性能参数的测试，从而得出其制动功、阻力功、临界速度及误差等关键指标，以检查是否与设计效果相吻合，来决定挡车器质量性能。

检测图形显示和打印处理--主要是指检测完成后的检测值的图形显示及数据的查看、保存和打印（如图2所示）。

图2 测试系统制动功测试运行图

检测记录报表的查看和打印--为将每批历史检测记录进行综合显示查看，分批打印存档提供方便，是本软件实用价值的体现。

检测数据的查看打印--可以分别根据用户需要显示用户要查看的指定一个或多个轮对的检测点数据，用户通过此数据的查看，可以找出每个轮对的数据、性能变化的细微情况，从而对其分析，加以利用（如图3所示）。

图3 测试系统制动功测试打印

检测概况的查看打印--是为了向用户统计和显示自前一次数据库清空后，挡车器检测的批次情况，自动生成检测概况报表，用于对一定时间段中检测批次情况的总结。

检测记录和数据的压缩--可以更好地保存检测历史数据，节省硬盘空间，方便管理。由系统退出时自动完成。

帮助--用于用户学习和使用过程中的在线帮助，以便用户高效快捷的掌握系统。

3 轨道交通挡车器模拟试验台多功能测试系统发展与前景

轨道交通挡车器模拟试验台多功能测试系统的研制成功，标志着无论从挡车器的检测场所、检测方法、检测精度及检测效率上都发生了质的变化，在车辆—轨道—挡车器系统动力学研究技术方面填补了此项空白。也是上海铁路站场调速技术中心有限公司科技人员辛勤耕耘的结果。经过多次的运用试验，实践证明，它从根本上消除了天气、温度、环境等对测试系统和传感器的影响，极大地提高了测试精度和效率，降低了测试成本，完全取代了挡车器检测的铁路专用线及轨道车、配重车、守车等检测设备，在挡车器调速设备的产品检测及新产品开发和提高产品检测质量方面都发挥了重要的作用。由此我们有理由相信挡车器室内模拟试验台新型多功能测试系统有着广泛的推广应用前景，它的应用必将为铁路调速产品进一步发展和创新奠定扎实的基础，同时在其它相关测试领域里也必将产生极其深远的意义。