空气制动类通用试验台技术探讨

余欲为，谭 杰，白旺旺

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094）

铁路列车制动系统具有较多气动零部件，其可靠性关系行车安全，需严格地进行试验检验，制动零部件及系统的各个试验台（后文简称试验台）技术日益重要。

试验台由被测件（测量）工装、气动系统、测控系统软硬件和箱体组成。

测试准确和易用高效是试验台首要设计需求。试验台设计历史反映了这个需求的渐进细化、不断精进的历程。工装经历手动工装到机动工装；测试经历了机械表、数字表和计算机测试；试验方式经过手动和自动试验；设计约束经过从无到有。前述过程交织融合，逐渐迭代完善、细化和规范，最终达到设计的标准化和通用化。制动系统的各种试验中，利用共性开发可复用的设计，可提高设计、生产效率和可维护性。通用设计包括2个方面：（1）多种试验台可共用的通用设计；（2）多种专用试验台合成设计为综合试验台，提高设备使用效率。

1 通用软件设计

试验台种类多，软件开发消耗大量资源，后期维护管理更甚。而这些软件代码有70%以上可重复使用。如能通用化设计，事半功倍，亦增强代码易用性和维护性。

1.1 设计需求

通用设计原则：设计逻辑直观、简单，利于理解和普及；尽可能地扩大通用设计范围，减少特殊设计；具较少专业知识即可应用。设计需求如图1所示。

图1 通用软件需求分析图

（1）试验台状态设计需求。显示试验台原理图，图上测控元素实时显示且易交互。

（2）试验过程设计需求。试验步骤提示。

1.2 通用软件需求分析和设计

通用设计简单说就是处理普遍性和特殊性的关系。首先把设计需求在逻辑上区分为普遍的需求和特殊的需求。“试验台基本需求”框中，不同被测件测试过程不同，则其对应的需求如试验报表、数据文件、试验台构成、试验过程等均为特殊的（浅绿色）需求。而软件界面、人机交互操作等普遍的（深绿色）需求，可为通用设计。分析后发现，特殊需求较多，不能达到构建易用通用软件的目的。应将特殊需求转化为通用需求。

其次从程序设计角度分析。程序设计分为数据设计和过程（属性和方法）设计。方法在编程时定义（后文简称前定义），而数据在编程和程序应用时都可定义（后文简称后定义），即处理数据的需求可以转化为通用设计，如图2所示。

图2 需求转化为通用需求分析图

再次，个性化程序如果能够转换为个性数据和普遍方法，则设计可以通用化。例如，一类需求如果能够转化为少数方法或统型为几个模板，其相应特殊数据配置处理，此特殊需求即可转化为“后定义”，即通用设计。比如，需求中的试验报告的显示和打印符合上述条件，先把试验报告归纳为几种通用模版，具体文本内容（数据）采用“后定义”，即解决了其通用编程问题。

第四，需求如果可以适度地抽取出共性“零部件”，且能以此“零部件”再建不同的“整机”。不同的试验台构成不同，应为个性设计。但其组成的零部件又是相同的，例如电磁阀、传感器等，故零部件可以是几种共性设计，试验台则转化为对几种共性零部件的数量和构造的定义等，即转化为可后定义的通用编程问题。封装属性和方法构造类的面向对象程序设计，可满足此需求。如图1右上紫色部分所示。

最后，试验流程设计需求的通用化。原则上说，不同的试验台或被测件的试验流程不同，故试验流程程序应为个性设计，一般需要在编程时完成。应用程序集成语言编译器或解释器则可后定义。设计需求中含有控制程序“透明化”即试验流程的步骤指示和说明需求，解释器边解释边执行的工作原理满足此需求，如图1右下红色部分所示。与其他方案的比较结果，应用程序内嵌解释器较好满足了试验流程通用化设计的全部需求。不同的试验过程可以表达为不同的数据（例如文件）。

概括而言，数据可“后定义”。前述个性需求转化为通用需求就是把方法转为属性的过程。解释器设计，也是方法到属性的转化。经过这样的设计，用户仅需承担试验流程程序设计工作，使用户工作量最小。

1.3 应用分析

应用程序的操作系统：Windows。选择微软的VC开发应用程序，选择Windows需要解决的技术问题。

（1）Windows是多任务操作系统，操作系统负责调度分配CPU等资源，应用程序不能独占，由此造成应用程序响应时间有毫秒级延迟。

（2）Windows的1 s定时误差约3%，可采用硬件定时提高精度。

（3）自开发并口AD卡，Windows95之后版本需开发驱动。

1.4 解释语言、解释器设计实现

解释器是通用设计的关键。满足试验流程控制的通用化设计需求是解释器设计初衷，聚焦需求。

1.4.1 解释语言和解释器设计

解释语言和解释器设计密不可分。其设计实现需解决几类问题。

针对试验台需求设计简化的类似C语言的解释语言［1］。解释语言运行效率低，简化设计，仅满足试验流程控制即可。采用C语言解决了前期解释语言设计中的问题。

解释语言的关键字为英汉双语设计，接近自然语言，例如：开关电磁阀函数名为“打开”，回避专业词汇，把计算机专业知识从试验流程程序中剥离出去，降低技术门槛。

接口设计策略。软件的模型设计和接口设计是结构框架设计和设计实现的重要项点。解释程序与VC程序需要数据交互，故变量、数组、字符串等设计与VC程序兼容，采用共用数据的设计策略。

词法分析中的查表法效率低，尽可能采用程序法，减少查表。采用变量分区等减小表长，单条语句运行时间达毫秒级，满足试验台需求。控制台语法错误提示。数据类型转换由解释器自动转换。

1.4.2 调试功能——解释器需要的附加功能

调试为解释程序的查错、纠错，无查错纠错功能的语言难以应用。调试要求在运行的解释程序任意位置可暂停，保持解释程序当前运行状态不变，并且解释器可按要求运行或检查状态，以判断程序运行是否正常。并行程序运行机制满足此需求，采用多线程设计实现调试器调度功能。

查错的关键，指出错误语句位置。开发步进功能以定位程序错误。调试器单步执行程序每一语句，执行完成后在下一即将执行语句处停止，了解程序当前状态，并按要求继续下一步。程序是否有问题、如何解决由操作人员确定，这是调试器的基本功能。

1.4.3 交互功能

与用户交互设计关系到易用性。分为编程、调试和运行交互（试验进程指示器）。

（1）应用程序中集成了VC提供的编辑器，用于编程交互。

（2）要改正错误，还要高效。调试交互设计用于提高调试效率，实时指示程序运行位置。采用在编辑器中高亮显示将执行语句置于指示程序运行位置。

（3）自动化试验需要试验进程指示器，利于操作者判断自动试验流程运行位置，并根据需要行动，去掉调试步进功能的暂停。一般的程序进程指示仅标识一段程序的概述，而直接对源程序标识，有利于了解编程意图和程序进程。解释程序运行效率低，进程指示器效率更低，故设计全速运行和指示器运行2种运行模式。

1.5 其他程序设计

VC程序提供了强大高效的通用应用程序资源，可以用来专用设计。

1.5.1 软件虚拟试验台设计

依据试验台工作原理设计交互界面直观易用，升级为通用设计稍有难度。由前述试验台设计转为通用的零部件设计，试验台的特殊信息配置转为以应用程序绘制试验台原理图（类似绘图程序）配置数据，实现通用设计。设计分为通用零部件设计和零部件在交互界面上的绘制设计，例如放置、删除和连接元件。

1.5.2 报表及试验过程显示界面设计

报表及试验过程显示界面设计合并，即报表也用于显示表、图及组合3种方式。

1.5.3 配置界面

为两维数组录入设计，应用较多。采用宏汇编语言设计，代码少、效率高。

1.6 应用验证

在多种生产性试验台运用十年，稳定可靠，疲劳试验良好，有进一步的发展潜力。

2 测控系统硬件通用设计

2.1 概述

测控硬件设计分为3部分：计算机系统、计算机测控接口和调理器。测控元件为选型设计。测控为开关量、频率量和模拟量的输入输出共6种，模块化接口通用设计只考虑6种量及增减方式。调理器设计需要与传感器、执行器接口技术参数匹配，仅对常用的及参数相近的做通用化设计。

设计单片机精简型、并口复杂型和PLC耐久型3种系统以满足全部试验台需求。

2.2 设计需求

大多零部件即专用试验台需求测控参数少、速度低，可选精简系统。其具有自开发性价比高；要针对需求灵活适应变化；使用维护成本低；与上位机串口连接简单、方便、安全等优势。系统类测试或通用（综合）试验台设计需求，测控参数多、精度高和速度高，宜采用并口复杂系统。其应用场景少，自开发性价比稍低。

2.3 串行测控系统设计

2.3.1 硬件设计

采用C8051F020单片机（其上资源全部应用）组成测控系统。其RS232可点对点通讯，RS485可连接多个系统以组成网络。RS232传输速度低，为应用瓶颈。测试精度、采样速度、定时精度设计是重点，特别是测试精度。此系统可满足一般制动系统测控速度和定时（毫秒级）需求。

2.3.2 软件设计

速度、效率是软件设计关键。

（1）中断程序设计

按需要、重要性快速响应是中断程序系统的运行机制，其优点是高效，占用资源少。此设计以中断程序满足设计需求，构建合适的中断优先级，以达高性能。

（2）定时程序设计

Windows不能精确定时。用晶振做时钟源，单片机定时精度达微秒级，满足需求。

（3）连续高速、多通道A/D程序设计

常规的A/D程序流程为设置通道、采样保持器充电、启动A/D转换、等待A/D转换和转换完成读取结果。2个等待加上程序运行时间大约占20μs，导致软件工作效率低。采用中断和并行操作等优化设计。

2.3.3 测试系统精度和抗干扰设计

测量系统由传感器、信号调理器、多路开关、采样保持器和模数转换器组成。权衡各部分技术现状及测试需求，进行妥善设计，测试精度达万分级。

（1）硬件

设计独立模拟电源、数字和模拟系统一点接地、大电流系统电气隔离和优化模拟系统布局布线等措施，降低干扰影响。

（2）滤波

根据测试需求权衡软硬件滤波利弊适度设计。硬件设无源低通滤波器，依测试需求频响设置频率点。软件设计工频滤波。

2.4 并行测控系统设计

串口测控系统无法满足测控量较多、采样频率较高的需求，需采用并口方案。设计ISA接口AD板卡，其问题是生产、应用和调试维护需要较强专业技能，疏忽会导致PC机损坏，维护性差。设计原理与单片机系统类同，区别在于PC机接口部分。

3 机械及气动系统设计

按功能可将试验台气动系统分为供风、调整、负载3种子系统。原则上气动元件选型设计满足试验流量（有效流通面积）要求即可。但有时这样忽略了气动系统的诸多特性，导致无法满足测试需求，应细化设计需求。例如动态试验测试时，要求传感器测点设计位置尽可能接近动态变化点。

调整子系统需求有较多隐含要求，需要仔细考量，区分压力控制、流量控制2种调节参数方式。压力控制分为升压和降压控制，有的需要单调压力升降，有的控制压力变化速度等，须根据测试需求设计。

3.1 综合试验台设计

综合试验台是运营用户日常维护的较好选择。气动原理设计，要满足全部被测件测试需求，且要求方案尽可能简洁。

工程设计时需注意气路具体实现及其对测试需求的影响，在专用试验台的设计中，气动系统相对简单，对测试的影响较小。在综合试验台的设计中，气动系统复杂、影响因素多，对测试精度影响较大，严重时导致测试失真。同时因为气路复用部分较多，容易顾此失彼。动态测量时，采用定压定容充排，测量时间、测量流量，测点位置、弯头、快插、工装等均影响较大。最后还需兼顾安装和维护性。分步迭代改进设计，接近需求，为较好策略。

3.2 集成化设计

以踏面、夹钳和制动缸试验台气动系统集成化设计为例。采用整体集成板式、橡胶圈密封设计，占用空间小和拆卸换件便捷，可整体浸入水中快速查漏。如图3所示。

图3 集成气动系统设计图

3.3 模块化设计

气动系统模块化设计处于起步阶段，对前期设计试验台分析，设计几种方案，其中可级联阀板方案进展较快，阀板可以级联以满足复杂的各种需求，已完成百万次疲劳验证。模块化设计方案如图4所示。

图4 模块化设计方案

3.4 工装设计

工装按功能分为安装工装和安装测试工装。易用高效为工装设计首要，体现“以用户需求为中心”的设计理念。在试验台试验流程自动化后，拆卸被测件是使用者的主要工作，彰显工装易用高效的重要性。

3.4.1 被测件的快速安装工装

常规气动工装设计（软管+螺纹连接）较简单，但使用时工作量大。气缸夹紧式橡胶圈密封工装，虽然设计工作量大，但使用简单高效。设计主要针对被测件外形、着力点、密封力、密封圈等因素综合考量。

历经单一被测件试验台、全系列试验台、再到综合试验台较长过程，研制出装夹全部气动零部件工装。在气动部件综合试验台安装工装设计中，全部被测件安装用3个工装，设计及改进历时多年。对于多种被测件，使用转换板做中间过渡。如图5所示，图中左侧水平和垂直2种工装结构相同，是为满足试验测试与运用时安装方向一致。

图5 气动部件工装设计产品图

此试验台的设备使用效率较高。不足之处是得平衡多设计的需求，难以专精顾及个体需求。

3.4.2 测量工装和安装测量工装

测量工装固定在试验台上高效易用，因装在被测件上，换件时需装卸测量工装。这是由于存在以下几个问题：

（1）会带来间接测量导致测量精度降低的问题。

（2）测量工装功能涉及几何因素的测量，需提高工装加工精度，以达到量具设计的需求。

（3）测量精度还与其他因素有关。在夹钳试验台制动力测量中，工装安装方式等较多因素影响其力的测量。

（4）被测件影响因素。

可见工装设计需求因高效高精多因素需求而变得复杂。例：制动缸活塞伸长量的测量工装设计。

从测试需求来说应直接测量活塞相对气缸的位移，但是设计难度大，而且更换时需重新拆装和定位，严重影响效率和测试精度。故采用间接测试法，即测量制动缸连接试验台构件的相对位移。优点：易用高效；缺点：引入间接测量误差，同时还引入了安装间隙带来的误差。另外制动缸充风产生的吨级制动缸力造成框架弹性变形也引入测量误差。制动缸安装销的配合间隙设计适度，以解决安装间隙小、测量精度高，且不易安装的问题；为减小弹性变形引起测量误差，设计了高结构刚度的框架，计算框架总变形0.16 mm。安装工装框架受力变形计算如图6所示。

图6 制动缸试验台框架变形计算

4 试验台测试精度和试验研究

一般认为测试精度与传感器精度、测量系统精度有关。实践证明影响试验台测试精度因素较多，且随测试需求的不同，影响因素、方式、大小各不同，研究这些影响因素是提高试验台测试精度的前提。需要综合考量解决各影响因素，以提高测试精度。

4.1 传感器选择对测试精度的影响

根据测试需求选择传感器。例如常规的精度、量程选型。但不限于此，例如动态测量时传感器需要相应的频率响应特性。压差测量中，需较高的灵敏度、分辨率。

4.2 试验台对测试精度影响因素

4.2.1 直接测量影响因素

直接测量分为静态测量和动态测量。

（1）静态测量误差

静态测量较易达到较高测试精度，在高精度测量时需要审慎设计。试验证明，在不充排风，保持气路和环境状态不变时，气压需要几分钟达到“真值”。例如，对一个G1/4的不锈钢管，24 V诺冠直动式电磁阀，从0 kPa充风至1050 kPa，200 ml管路容积，单片机测量系统。气体压力稳定试验结果为3 min可达0.1 kPa准确度。

从试验效率而言，只要满足测试需求精度即可，提高测试效率也很关键。

（2）动态测量误差

动态气动系统，如流量测量，其与气动系统的阻力相关，有效流通面积、管道弯头、管道长度都会影响气流和测量精度。且对有些测试需求影响较大。

4.2.2 间接测量的影响因素

制动气动系统试验有很多用压力测量代替其他参数测量的情况。在阀类开关动作时间测量时，常用压力测量的压力升降点约定为阀开关动作时间。此时影响测量结果的因素较多，压力传感器与阀的远近、经过的弯头和管长、测量气路容积、传感器分辨率、采样时间等，均有毫秒级的影响。压力测量代替流量测量类似。其他如前3.4.2所述。

4.2.3 其他影响因素概述

传感器安装位置影响；气动系统的特性对测试的影响；工装对测试的影响；机械特性影响；静态、动态、滞回；环境影响；温度对气体压力影响；电磁干扰影响；试验方法的影响，例如流量需在稳定流动状态下测量；控制参数对测量精度的影响，控制方式影响，如在机械阀的动作测量中，除与4.2.2因素相关外，还要求压力单调升降；被测件特性的影响。上述影响在实际问题中有时相关联，需权衡利弊综合考虑解决。

影响测量精度因素诸多，如何寻找影响精度的源头，减小其影响。方法为制定定性或定量试验方案、试验观察并分析数据、与理论原理模型匹配、猜测判断评估和改善验证等。重复前述过程，尽可能且适度迭代循环。工程是多目标的适度寻优，减小不确定性，达到可以接受的程度，即认为达到确定性。

4.3 试验研究评估改善测试精度

目前公认的测试精度评价办法是，由有传感器标定资质机构对传感器物理量测量系统的静态标定，显然由前述分析可知，这并非对测量需求的直接标定。对动态和间接的测量，标定可能不能精确评价，应寻求接近测量需求的方式进行标定。

寻找测量精度低的原因比较困难，关键在确定影响因素和分析方法。理清各相关因素，随研究深入，理论结合试验分析并改善，逐次降低各因素的影响。

实践中运用统计分析法和趋势线分析法（后简称统计趋势线分析）取得较好效果。统计法需要大样本试验数据，增加成本，但降低不确定性，减少方向性错误，为定量化创造了条件。

4.3.1 试验数据统计趋势分析

在制动缸A值试验时，测试结果相差较大，与理论模型分析不符。经过大量试验，运用统计趋势分析揭示了试验数据规律。

控制弹性挡块位置的制动缸A值试验数据的2645次试验散点图如图7所示。结合试验观察和散点分布，可以看出从上到下有3组散点群，最上面的散点群偶尔出现，其时有机械卡滞引发的“咔嗒”声，为不正常测试值的卡滞群。中间的点群为正常测量的大值群。下面为小值群。分析推测变化规律如下：

图7 控制弹性挡块位置试验散点图

（1）卡滞群为调节螺母引起越级卡滞。

（2）正常A值测试数据大小值交替出现，其散点群中心距离0.4 mm。大、小值平均带宽（散点群高度）约0.2 mm，即测试误差。

（3）点群中心线斜率约为1；即弹性挡块位置变化0.1 mm，制动缓解差值变化0.1 mm。

（4）在顶杠的不同位置A值呈小幅周期变化，变化周期约为0.4 mm。

（5）卡滞出现在大、小值的变化接合处。

3个点群的数据在10.2～11.7 mm范围之间，即1.5 mm的带宽之内。大、小值点群10.2～11 mm，0.8 mm带宽。小值点群10.2～10.6 mm，0.4 mm带宽。可以看出，测小值时，测试精度提高4倍。

4.3.2 一致性——测试准确的必要条件

弹性挡块位置不动时的制动缸A值487次试验，如图8所示。分析结论：

图8 不控制弹性挡块位置试验散点图

（1）试验值分为大小2个点群。

（2）因弹性挡块位置不动，位置测量值不同，且点群近似正态分布。推断其变化为测试系统的位置测量误差为0.06 mm，分辨率为0.01 mm。试验数据具较好的一致性。

（3）其小值一致性较好，为7.78～7.88 mm，误差约为0.1 mm。

在同一试验台上测同一被测件时，其多次测试结果一致性在0.2。此时也存在误差，这个误差为确定性误差。运用此数据处理法，试验台试验数据一致性良好。

测试系统的弹性挡块位置测量误差为0.06 mm，虽位置控制器精度更高，但控制根据测量结果，误差为测量误差与控制误差之和。提高测量精度可以作为再提高试验台精度的切入点。

如此构成理论分析、改善方法设计、试验验证迭代进化过程。

5 结论与展望

（1）通用试验台软件设计具可行性；通用试验台设计技术有发展空间。

（2）试验数据的统计趋势分析法降低了试验数据的随机性，提高了研究的确定性，图形趋势分析凸显出试验数据的变化规律，是较好的探索型研究工具。宜在自动化测试基础上运用。

（3）自动化测试可进一步探索，进而达到自动化检验、自动化生产。