張劍鋒，倪文波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

車(chē)輛沖擊試驗(yàn)速度測(cè)量裝置研制

張劍鋒，倪文波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對(duì)采用軌道貼片法測(cè)量沖擊速度時(shí)，操作繁瑣、誤差大且不可實(shí)時(shí)顯示速度等缺點(diǎn)，研制了一套車(chē)輛沖擊試驗(yàn)速度測(cè)量裝置。裝置以MCS-51單片機(jī)為核心，通過(guò)測(cè)量沖擊車(chē)輛駛過(guò)沖擊點(diǎn)前固定間距的時(shí)間計(jì)算沖擊速度，且可實(shí)現(xiàn)沖擊速度值的實(shí)時(shí)顯示與無(wú)線傳輸。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室速度標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果表明速度測(cè)量裝置具有較高精度，可為車(chē)輛沖擊試驗(yàn)提供一種較準(zhǔn)確的速度測(cè)量方法。

鐵路運(yùn)輸；沖擊速度測(cè)量；單片機(jī)；車(chē)輛沖擊試驗(yàn)；接近開(kāi)關(guān)；無(wú)線傳輸

1 引 言

世界鐵路在“貨運(yùn)重載、客運(yùn)高速”的主題下快速發(fā)展，貨運(yùn)重載對(duì)車(chē)輛及緩沖器性能提出了更高的要求[1]。研制新型鐵道車(chē)輛及緩沖器時(shí)必須進(jìn)行規(guī)定的沖擊性能試驗(yàn)，該試驗(yàn)對(duì)于保證列車(chē)安全運(yùn)行具有重要意義。

目前在國(guó)內(nèi)的兩個(gè)車(chē)輛沖擊試驗(yàn)線上，皆采用軌道貼片法測(cè)量沖擊速度。軌道貼片法是在軌道腹板上相距500mm的兩點(diǎn)分別貼一組電阻應(yīng)變片，記錄發(fā)生沖撞前瞬間沖擊車(chē)第一輪對(duì)（首先接近被沖擊車(chē)的輪對(duì)）越過(guò)第一點(diǎn)到第二點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算得出沖擊速度[2]。該法屬人工操作，操作繁瑣，誤差較大，對(duì)操作者要求較高，且不可實(shí)時(shí)顯示速度值。

鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛一般利用光電式速度傳感器測(cè)量速度，傳感器分別安裝于牽引機(jī)車(chē)的4個(gè)輪對(duì)上，取4個(gè)測(cè)量值的平均值作為測(cè)量速度的理論值[3]。該法測(cè)量精度較高，但光電式速度傳感器價(jià)格昂貴，若只在一個(gè)輪對(duì)上安裝速度傳感器，由于車(chē)輛在軌道上的蛇形運(yùn)動(dòng)，車(chē)輪在鋼軌上的滾動(dòng)圓時(shí)時(shí)改變，其滾動(dòng)圓半徑不是一個(gè)常數(shù)，致使測(cè)量值可能有較大誤差。

為了實(shí)現(xiàn)沖擊速度的高精度自動(dòng)化測(cè)量，結(jié)合軌道貼片法的特點(diǎn)，基于單片機(jī)技術(shù)，研制了一套與接近開(kāi)關(guān)相結(jié)合的沖擊試驗(yàn)速度測(cè)量裝置。

接近開(kāi)關(guān)是與運(yùn)動(dòng)部件無(wú)機(jī)械接觸而能動(dòng)作的位置開(kāi)關(guān)。它可通過(guò)運(yùn)動(dòng)的金屬或非金屬物體接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)面,無(wú)接觸壓力自動(dòng)發(fā)出檢測(cè)信號(hào),以驅(qū)動(dòng)繼電器或邏輯電路[4]。通過(guò)在沖擊發(fā)生點(diǎn)前方的軌道旁安裝兩固定間距的金屬物體，則沖擊車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，安裝在沖擊車(chē)輛上的接近開(kāi)關(guān)可檢測(cè)到此金屬塊，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)變化的時(shí)間差，即可獲得沖擊速度值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

作為車(chē)輛沖擊試驗(yàn)的速度測(cè)量裝置，應(yīng)具備以下功能：

（1）適應(yīng)車(chē)輛沖擊試驗(yàn)的環(huán)境；（2）由于安裝在沖擊車(chē)輛上，必須自帶電源供電；（3）自動(dòng)測(cè)量速度；（4）實(shí)時(shí)顯示與記錄速度值；（5）操作簡(jiǎn)單、方便；（6）滿(mǎn)足精度要求。

為此，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)研制了一種以單片機(jī)為核心的速度測(cè)量裝置。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 速度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

按照試驗(yàn)規(guī)定，在沖擊點(diǎn)前方相距500mm的兩點(diǎn)分別安裝一金屬物體。沖擊車(chē)輛駛過(guò)時(shí)，安裝于沖擊車(chē)輛上的電感式接近開(kāi)關(guān)兩次輸出檢測(cè)信號(hào)，即兩個(gè)脈沖[5]。其電壓幅值經(jīng)調(diào)理后，由計(jì)數(shù)器8253測(cè)量?jī)擅}沖的時(shí)間間隔。單片機(jī)讀取測(cè)量值，計(jì)算沖擊速度，并將其顯示與發(fā)送。通過(guò)無(wú)線傳輸模塊，速度值可傳送至遠(yuǎn)處的測(cè)試計(jì)算機(jī)，以供后期的數(shù)據(jù)處理與分析。

3 重要電路設(shè)計(jì)與無(wú)線通信

3.1 信號(hào)調(diào)理電路

接近開(kāi)關(guān)輸出的檢測(cè)信號(hào)的電壓為12VDC，無(wú)法為單片機(jī)系統(tǒng)直接使用[6]，故需進(jìn)行電壓幅值的調(diào)理，其調(diào)理電路如圖2所示，其中JP2為接近開(kāi)關(guān)與裝置的連接端口。

該電路利用光耦，將接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供單片機(jī)系統(tǒng)使用的脈沖信號(hào)。

圖2 接近開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)理電路

接近開(kāi)關(guān)靠近金屬物體，光耦4N25內(nèi)部發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，三極管導(dǎo)通，則Signal端為5VDC高電平，輸出至D觸發(fā)器74LS74；接近開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)離金屬物體，發(fā)光二極管截止，Signal端為低電平。因而在試驗(yàn)過(guò)程中，Signal端輸出兩個(gè)5VDC的脈沖。

3.2 周期測(cè)量電路

裝置利用計(jì)數(shù)器8253進(jìn)行片外計(jì)數(shù)，以完成接近開(kāi)關(guān)輸出脈沖周期的測(cè)量[7-9]，其測(cè)量電路如圖3。

圖3 周期測(cè)量電路

周期測(cè)量的原理是計(jì)數(shù)器8253計(jì)數(shù)，單片機(jī)讀取計(jì)數(shù)值并將其換算為周期值，而計(jì)數(shù)器8253的計(jì)數(shù)工作的啟停以及單片機(jī)的讀取計(jì)數(shù)值的時(shí)刻，均由D觸發(fā)器控制。

計(jì)數(shù)器8253的通道0工作于方式2（頻率發(fā)生器工作方式），通道1工作于方式0（計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷工作方式）。在這兩種工作方式下，GATE端為高電平，計(jì)數(shù)器才能計(jì)數(shù)。通道0以外部2MHz的CLK脈沖信號(hào)作為其時(shí)鐘信號(hào)，OUT端循環(huán)輸出固定時(shí)間比的高低電平信號(hào)。通道1以通道0的輸出信號(hào)作為其時(shí)鐘信號(hào)。

Start信號(hào)為單片機(jī)的一I/O口的輸出信號(hào)，Stop信號(hào)輸入至單片機(jī)的另一I/O口。Start=0時(shí)，D觸發(fā)器不工作，且Allow=0。若Start=1，Signal信號(hào)的首次正跳變使Allow=1，Stop=0；第二次正跳變改變Allow和Stop的狀態(tài)，使其翻轉(zhuǎn)。Allow信號(hào)的兩次正跳變控制計(jì)數(shù)器8253工作。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到Stop=1時(shí)，讀取計(jì)數(shù)器8253的計(jì)數(shù)值。

3.3 無(wú)線傳輸模塊

裝置采用Chipcon公司的Zigbee無(wú)線SOC片上系統(tǒng)CC2430進(jìn)行無(wú)線通信[10]，傳送沖擊速度值至遠(yuǎn)處測(cè)試計(jì)算機(jī)，以供后期的數(shù)據(jù)處理與分析。

CC2430支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zigbee協(xié)議，可通過(guò)串口與AT89S52單片機(jī)通信。工作時(shí)，CC2430無(wú)線模塊接收單片機(jī)傳來(lái)的速度信息，并將其通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送出去。傳送數(shù)據(jù)的幀格式如表1所示。

表1 傳送數(shù)據(jù)幀格式

4 精度分析

系統(tǒng)的測(cè)量誤差主要包括計(jì)數(shù)誤差和舍入誤差。計(jì)數(shù)誤差由計(jì)數(shù)器8253引起，計(jì)數(shù)器8253的通道0計(jì)數(shù)時(shí)，在極限情況下，會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)CLK脈沖周期的計(jì)數(shù)誤差。舍入誤差由處理速度值時(shí)計(jì)算結(jié)果精確至小數(shù)點(diǎn)后兩位所導(dǎo)致。

測(cè)量的沖擊速度：

式中：3.6——m/s轉(zhuǎn)換為km/h的轉(zhuǎn)換系數(shù)；

L——試驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的距離，L=0.5m；

n′——8253計(jì)數(shù)器的0通道的計(jì)數(shù)初值；

n0——8253計(jì)數(shù)器0通道的計(jì)數(shù)值；

n1——8253計(jì)數(shù)器0通道的計(jì)數(shù)值；

T0——8253計(jì)數(shù)器0通道的時(shí)鐘脈沖的周期，T0=0.5×10-6s。

計(jì)數(shù)值越小，計(jì)數(shù)誤差引起的測(cè)量誤差越大。由式（1）可知，計(jì)數(shù)值與沖擊速度成反比關(guān)系。另?yè)?jù)沖擊試驗(yàn)規(guī)范，沖擊速度不超過(guò)50 km/h，此時(shí)理論計(jì)數(shù)值為72 000。故系統(tǒng)的最大計(jì)數(shù)誤差為0.001389%，能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)規(guī)范要求。

處理計(jì)算結(jié)果時(shí)導(dǎo)致的絕對(duì)誤差值為0.005km/h。沖擊速度越低，相對(duì)誤差越大。試驗(yàn)規(guī)定沖擊速度大于3km/h，故最大舍入誤差為0.17%。因而，系統(tǒng)的綜合誤差為0.17%，精確度較高，滿(mǎn)足車(chē)輛沖擊試驗(yàn)要求。

5 程序流程設(shè)計(jì)

進(jìn)行車(chē)輛及緩沖器沖擊試驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行多次沖擊，速度測(cè)量裝置需要不斷地測(cè)量沖擊速度，直至試驗(yàn)結(jié)束。因而系統(tǒng)采用了如圖4所示的循環(huán)流程。

6 試驗(yàn)及結(jié)果分析

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

測(cè)試裝置在一臺(tái)CD6140A車(chē)床上進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。將測(cè)試裝置及接近開(kāi)關(guān)安裝在床鞍上，在導(dǎo)軌旁安裝一定間隔的兩個(gè)鐵塊。床鞍縱向快速移動(dòng)的理論速度為4m/min，即0.24km/h。由精度分析結(jié)果可知，速度越低，裝置精度越低。若速度低于1 km/h時(shí)裝置的測(cè)量結(jié)果滿(mǎn)足精度要求，則在實(shí)際使用時(shí)，因速度高于3 km/h，故裝置也能滿(mǎn)足精度要求。

標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，床鞍快速移動(dòng)，改變鐵塊間隔進(jìn)行多次速度測(cè)試。由式（1）可知，假設(shè)床鞍快移速度為V、鐵塊間隔為S，則速度測(cè)量結(jié)果的理論值為（V×0.5/S）km/h。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 速度標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果1

由表2可知，裝置測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，且對(duì)于不同鐵塊間隔，測(cè)量結(jié)果與其乘積約為定值，即（0.32×0.4）∶（0.43×0.3）∶（0.65×0.2）≈1∶1∶1，表明3種間隔下測(cè)量結(jié)果所對(duì)應(yīng)的床鞍快移速度相等。雖然測(cè)量結(jié)果與V=0.24km/h所對(duì)應(yīng)的理論值相差較大，但據(jù)前述可知，該誤差由車(chē)床床鞍的理論速度與實(shí)際速度不一致所導(dǎo)致。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可算出床鞍移動(dòng)的實(shí)際速度約為0.259km/h，此時(shí)，對(duì)應(yīng)不同鐵塊間距，其理論測(cè)量值如表2所示。顯然，此時(shí)測(cè)量結(jié)果的誤差只有舍入誤差，與理論分析的情況相一致。

車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在蛇形運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向架在鋼軌上有橫向移動(dòng)[1]，故接近開(kāi)關(guān)與目標(biāo)鐵塊之間的間隙會(huì)產(chǎn)生變化。為了模擬該情形，鑒于蛇形運(yùn)動(dòng)時(shí)輪對(duì)最大偏移量為±9mm，調(diào)整接近開(kāi)關(guān)與鐵塊的間距進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果如表3所示，可知，車(chē)輛蛇形運(yùn)動(dòng)引起的橫向移動(dòng)不影響裝置的測(cè)量結(jié)果。

表3 速度標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果2

實(shí)驗(yàn)室速度標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，在速度低于1 km/h的情況下，裝置的測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，實(shí)際測(cè)量誤差與理論分析結(jié)果一致。因裝置的精度與所測(cè)量速度值成正比，速度越高，精度越高，故實(shí)際應(yīng)用時(shí)，所開(kāi)發(fā)的速度測(cè)量裝置能夠滿(mǎn)足精度要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的速度測(cè)量裝置達(dá)到了較高的精度，不受車(chē)輛蛇形運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的橫向移動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響，其測(cè)量結(jié)果與理論值之間的誤差小，滿(mǎn)足車(chē)輛沖擊試驗(yàn)精度要求。

運(yùn)用該車(chē)輛沖擊試驗(yàn)速度測(cè)量裝置，可以實(shí)時(shí)顯示沖擊車(chē)輛速度，同時(shí)可通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄⒃撔畔魉统鋈?，供其他試?yàn)測(cè)試計(jì)算機(jī)或整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)使用?？纱蟠筇岣呶覈?guó)車(chē)輛沖擊試驗(yàn)速度測(cè)量的精確性，為我國(guó)新型機(jī)車(chē)車(chē)輛的開(kāi)發(fā)提供有力支持。

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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

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃子項(xiàng)目（081061313）

張劍鋒（1987-），男，江蘇丹陽(yáng)市人，碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)闄C(jī)車(chē)車(chē)輛主動(dòng)控制技術(shù)。