车辆冲击试验速度测量装置研制

张剑锋，倪文波

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

车辆冲击试验速度测量装置研制

张剑锋，倪文波

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

针对采用轨道贴片法测量冲击速度时，操作繁琐、误差大且不可实时显示速度等缺点，研制了一套车辆冲击试验速度测量装置。装置以MCS-51单片机为核心，通过测量冲击车辆驶过冲击点前固定间距的时间计算冲击速度，且可实现冲击速度值的实时显示与无线传输。经实验室速度标定试验，结果表明速度测量装置具有较高精度，可为车辆冲击试验提供一种较准确的速度测量方法。

铁路运输；冲击速度测量；单片机；车辆冲击试验；接近开关；无线传输

1 引 言

世界铁路在“货运重载、客运高速”的主题下快速发展，货运重载对车辆及缓冲器性能提出了更高的要求[1]。研制新型铁道车辆及缓冲器时必须进行规定的冲击性能试验，该试验对于保证列车安全运行具有重要意义。

目前在国内的两个车辆冲击试验线上，皆采用轨道贴片法测量冲击速度。轨道贴片法是在轨道腹板上相距500mm的两点分别贴一组电阻应变片，记录发生冲撞前瞬间冲击车第一轮对（首先接近被冲击车的轮对）越过第一点到第二点所经历的时间，通过换算得出冲击速度[2]。该法属人工操作，操作繁琐，误差较大，对操作者要求较高，且不可实时显示速度值。

铁道机车车辆一般利用光电式速度传感器测量速度，传感器分别安装于牵引机车的4个轮对上，取4个测量值的平均值作为测量速度的理论值[3]。该法测量精度较高，但光电式速度传感器价格昂贵，若只在一个轮对上安装速度传感器，由于车辆在轨道上的蛇形运动，车轮在钢轨上的滚动圆时时改变，其滚动圆半径不是一个常数，致使测量值可能有较大误差。

为了实现冲击速度的高精度自动化测量，结合轨道贴片法的特点，基于单片机技术，研制了一套与接近开关相结合的冲击试验速度测量装置。

接近开关是与运动部件无机械接触而能动作的位置开关。它可通过运动的金属或非金属物体接近开关感应面,无接触压力自动发出检测信号,以驱动继电器或逻辑电路[4]。通过在冲击发生点前方的轨道旁安装两固定间距的金属物体，则冲击车辆经过时，安装在冲击车辆上的接近开关可检测到此金属块，根据检测信号变化的时间差，即可获得冲击速度值。

2 系统结构与功能

作为车辆冲击试验的速度测量装置，应具备以下功能：

（1）适应车辆冲击试验的环境；（2）由于安装在冲击车辆上，必须自带电源供电；（3）自动测量速度；（4）实时显示与记录速度值；（5）操作简单、方便；（6）满足精度要求。

为此，结合计算机技术研制了一种以单片机为核心的速度测量装置。其结构如图1所示。

图1 速度测量装置结构图

按照试验规定，在冲击点前方相距500mm的两点分别安装一金属物体。冲击车辆驶过时，安装于冲击车辆上的电感式接近开关两次输出检测信号，即两个脉冲[5]。其电压幅值经调理后，由计数器8253测量两脉冲的时间间隔。单片机读取测量值，计算冲击速度，并将其显示与发送。通过无线传输模块，速度值可传送至远处的测试计算机，以供后期的数据处理与分析。

3 重要电路设计与无线通信

3.1 信号调理电路

接近开关输出的检测信号的电压为12VDC，无法为单片机系统直接使用[6]，故需进行电压幅值的调理，其调理电路如图2所示，其中JP2为接近开关与装置的连接端口。

该电路利用光耦，将接近开关的检测信号转换为可供单片机系统使用的脉冲信号。

图2 接近开关信号调理电路

接近开关靠近金属物体，光耦4N25内部发光二极管导通发光，三极管导通，则Signal端为5VDC高电平，输出至D触发器74LS74；接近开关远离金属物体，发光二极管截止，Signal端为低电平。因而在试验过程中，Signal端输出两个5VDC的脉冲。

3.2 周期测量电路

装置利用计数器8253进行片外计数，以完成接近开关输出脉冲周期的测量[7-9]，其测量电路如图3。

图3 周期测量电路

周期测量的原理是计数器8253计数，单片机读取计数值并将其换算为周期值，而计数器8253的计数工作的启停以及单片机的读取计数值的时刻，均由D触发器控制。

计数器8253的通道0工作于方式2（频率发生器工作方式），通道1工作于方式0（计数结束产生中断工作方式）。在这两种工作方式下，GATE端为高电平，计数器才能计数。通道0以外部2MHz的CLK脉冲信号作为其时钟信号，OUT端循环输出固定时间比的高低电平信号。通道1以通道0的输出信号作为其时钟信号。

Start信号为单片机的一I/O口的输出信号，Stop信号输入至单片机的另一I/O口。Start=0时，D触发器不工作，且Allow=0。若Start=1，Signal信号的首次正跳变使Allow=1，Stop=0；第二次正跳变改变Allow和Stop的状态，使其翻转。Allow信号的两次正跳变控制计数器8253工作。当单片机检测到Stop=1时，读取计数器8253的计数值。

3.3 无线传输模块

装置采用Chipcon公司的Zigbee无线SOC片上系统CC2430进行无线通信[10]，传送冲击速度值至远处测试计算机，以供后期的数据处理与分析。

CC2430支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee协议，可通过串口与AT89S52单片机通信。工作时，CC2430无线模块接收单片机传来的速度信息，并将其通过无线方式发送出去。传送数据的帧格式如表1所示。

表1 传送数据帧格式

4 精度分析

系统的测量误差主要包括计数误差和舍入误差。计数误差由计数器8253引起，计数器8253的通道0计数时，在极限情况下，会产生±1个CLK脉冲周期的计数误差。舍入误差由处理速度值时计算结果精确至小数点后两位所导致。

测量的冲击速度：

式中：3.6——m/s转换为km/h的转换系数；

L——试验规范所规定的距离，L=0.5m；

n′——8253计数器的0通道的计数初值；

n0——8253计数器0通道的计数值；

n1——8253计数器0通道的计数值；

T0——8253计数器0通道的时钟脉冲的周期，T0=0.5×10-6s。

计数值越小，计数误差引起的测量误差越大。由式（1）可知，计数值与冲击速度成反比关系。另据冲击试验规范，冲击速度不超过50 km/h，此时理论计数值为72 000。故系统的最大计数误差为0.001389%，能够满足试验规范要求。

处理计算结果时导致的绝对误差值为0.005km/h。冲击速度越低，相对误差越大。试验规定冲击速度大于3km/h，故最大舍入误差为0.17%。因而，系统的综合误差为0.17%，精确度较高，满足车辆冲击试验要求。

5 程序流程设计

进行车辆及缓冲器冲击试验时，需要进行多次冲击，速度测量装置需要不断地测量冲击速度，直至试验结束。因而系统采用了如图4所示的循环流程。

6 试验及结果分析

图4 系统程序流程图

测试装置在一台CD6140A车床上进行了标定试验。将测试装置及接近开关安装在床鞍上，在导轨旁安装一定间隔的两个铁块。床鞍纵向快速移动的理论速度为4m/min，即0.24km/h。由精度分析结果可知，速度越低，装置精度越低。若速度低于1 km/h时装置的测量结果满足精度要求，则在实际使用时，因速度高于3 km/h，故装置也能满足精度要求。

标定试验时，床鞍快速移动，改变铁块间隔进行多次速度测试。由式（1）可知，假设床鞍快移速度为V、铁块间隔为S，则速度测量结果的理论值为（V×0.5/S）km/h。测量结果如表2所示。

表2 速度标定试验结果1

由表2可知，装置测量结果稳定，且对于不同铁块间隔，测量结果与其乘积约为定值，即（0.32×0.4）∶（0.43×0.3）∶（0.65×0.2）≈1∶1∶1，表明3种间隔下测量结果所对应的床鞍快移速度相等。虽然测量结果与V=0.24km/h所对应的理论值相差较大，但据前述可知，该误差由车床床鞍的理论速度与实际速度不一致所导致。根据试验结果，可算出床鞍移动的实际速度约为0.259km/h，此时，对应不同铁块间距，其理论测量值如表2所示。显然，此时测量结果的误差只有舍入误差，与理论分析的情况相一致。

车辆实际运行时存在蛇形运动，转向架在钢轨上有横向移动[1]，故接近开关与目标铁块之间的间隙会产生变化。为了模拟该情形，鉴于蛇形运动时轮对最大偏移量为±9mm，调整接近开关与铁块的间距进行了试验。结果如表3所示，可知，车辆蛇形运动引起的横向移动不影响装置的测量结果。

表3 速度标定试验结果2

实验室速度标定试验结果表明，在速度低于1 km/h的情况下，装置的测量结果稳定，实际测量误差与理论分析结果一致。因装置的精度与所测量速度值成正比，速度越高，精度越高，故实际应用时，所开发的速度测量装置能够满足精度要求。

7 结束语

开发的速度测量装置达到了较高的精度，不受车辆蛇形运动导致的横向移动对测量精度的影响，其测量结果与理论值之间的误差小，满足车辆冲击试验精度要求。

运用该车辆冲击试验速度测量装置，可以实时显示冲击车辆速度，同时可通过无线传输的方式将该信息传送出去，供其他试验测试计算机或整个测试系统使用。可大大提高我国车辆冲击试验速度测量的精确性，为我国新型机车车辆的开发提供有力支持。

[1]严隽耄，傅茂海.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2008.

[2]TB/T 2369-1993，铁道车辆冲击试验方法与技术条件[S].[3]刘友梅.韶山3型4000系电力机车[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[4]钱金川，朱守敏.接近开关在自动化控制中的应用[J].江苏电器，2006（5）：30-35.

[5]梁秀英.浅析接近开关及其在检测中的应用[J].机械研究与应用，2005，18（5）：106.

[6]晏寄夫，胡鹏飞.微机原理及应用[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

[7]李 华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航天航空大学出版社，2002.

[8]卢建华.用8253/8254实现对事件发生次数的统计[J].武汉科技大学学报：自然科学版，2003，26（2）：194-196.

[9]刘天宽，龚达涛，虞孝麒.8253计数器通道级联的两个问题和解决方法[J].电子技术应用，1997（12）：14-15.

[10]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航天航空大学出版社，2007.

Development of velocity measuring device for vehicle bum ping test

ZHANG Jian-feng，NIWen-bo
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In order to overcome the disadvantages of strain-gauging method in bumping velocity measurement on rail track，a velocity measuring device for vehicle bumping test was developed.Under the control of a MCS-51 single chip microcomputer，the impact velocity could be calculated with the device by measuring the time that the vehicle needs to pass through a fixed distance before the impact point.Besides，the functions of real-time display and wireless transmission were realized.The results of velocity calibration experiment in laboratory showed that the device could measure the impact velocity with high precision and accuracy.

railway transportation； bumping velocity measuring； single chip microcomputer；vehicle bumping test；proximity switch；wireless transmission

U270.1+4；TH871.4

A

1674-5124（2011）01-0052-04

2009-12-08；

2010-02-27

国家大学生创新性实验计划子项目（081061313）

张剑锋（1987-），男，江苏丹阳市人，硕士研究生，专业方向为机车车辆主动控制技术。