使用LabVIEW搭建用于铁路车轮轨道接触研究的测试平台虚拟仪器

使用LabVIEW搭建用于铁路车轮轨道接触研究的测试平台虚拟仪器

 北京瀚文网星科技有限公司

我们根据我们的理论知识对车轮/轨道接触进行实验研究，并为此搭建了一个测试台。测试台的主要目的是获得接触点伪滑（纵向、横向和旋转）与预置前进速度所产生的力（垂直、横向和纵向）之间的关系曲线图。从机械和仪器的角度来看，我们需要开发特定的测试台，再现和监测这些条件。目前，市场上没有解决方案能够配置这些条件。

测试台描述

为了以较低的成本再现所描述的测试条件，我们采取了一个解决办法，用滚轴代替轨道，然后控制施加在接触点的垂直作用力以及转动速度。因此，测试台必须精确地测量和控制这两个参数。此外，我们必须在整个测试过程中保持稳定的垂直负荷。

以下是系统间接控制的其他参数：

·         纵向伪滑直接取决于两个滚轴之间转速差。我们维持其中一根滚轴的转速在恒定水平，控制另一根滚轴的制动，从而控制两根滚轴之间的转速差。同时也需要精确测量两根滚轴之间的速度差。

·         横向伪滑是指两根滚轴之间的攻角，相当于轨道通过曲线上的位置，伪滑随着攻角的变化而变化。因此，测试台必须不断地调整攻角值。

·         旋转伪滑与接触点两个表面上形成的角度直接相关。改变旋转伪滑的*方法是改变至少其中一根滚轴的几何形状。

我们根据这些需求设计了测试台（如图1所示）。测试台由两台69千瓦发动机组成。其中一台发动机作为牵引发动机，另一台作为制动发动机，两台发动机均设置为高动态容量。为了减少电力消耗，两台发动机之间可再生。其中一台发动机与充当车轮的滚轴相连接，另一台与充当轨道的滚轴相连接。

垂直接触负载通过一个气动气球施加，气球起到悬架的作用，并在测试过程中保持负载稳定性。系统测量实际接触力相关的三个组件，误差容限低于2％。两根滚轴可以轻松置换，另外我们可以根据进行的测试调整每根滚轴的几何形状。而且，我们还可以改变滚轴相对于另一根滚轴的攻角。

测量和控制系统结构

从机械的角度来看，测试台包含了大量不同的控制参数。为了确保信号采集和信号控制时测试台具有同样的灵活性，我们选择了CompactRIO和LabVIEW，根本原因如下：

·         CompactRIO和LabVIEWzui大程度地降低了采集和控制软件的开发时间。我们当时只有不到三个月的时间来开发所有软件，包括运行测试。

·         借助NI产品的灵活性，我们能够在已完成的工作的基础上满足日益增加的仪器仪表需求。必要时，我们可以使用LabVIEW以非常低的开发成本来转换平台，比如转换到PXI设备。

图2所示的是测试台上安装的传感器和执行器以及简要的整体架构。 PROFIBUS负责执行测试台上两台发动机之间的通信。通过这个协议，我们可以得到更多关于发动机的有用信息。攻角由一个放大器输出的PWM波控制，并通过一个同样连接到PROFIBUS网络的编码器进行高精度测量。

系统通过两种独立传感器测量滚轴的速度，以获得尽可能高的精度。CompactRIO的所有控制循环和通信均能够以1 kS / s的速率实时实现。远程控制点是基于执行非关键操作的外部PC。

具体来说，我们使用的是连接有变形测定器、模拟和数字模块和PROFIBUS（主设备/从设备）模块的NI cRIO-9073集成系统，该系统配有用于扩展系统容量的插槽。由于我们能够开发用于FPGA和CompactRIO实时处理器的代码，因而能够满足控制和数据采集规范的要求。

快速的开发周期，灵活的系统

由于该研究项目的复杂性，我们需要一个灵活的测试台。我们的开发时间和设备成本非常有限，主要是因为研究工作更多应该是在比较理论和实验结果，而不是在开发试验台上。从这一点来说，NI公司提供的硬件和软件组合可以帮助我们加快开发速度。我们应该花大量的时间在研究本身，而不是在开发实现上。我们只用了两个月就完成了开发工作，比计划提前了一个月，并在柏林举行的InnoTrans2012铁路大会上展出该测试台。

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