液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀的設(shè)計

張小東，劉 倉，王 安

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710129；2.太原鐵路局 電務(wù)處，太原 030013）

按是否可擠，轉(zhuǎn)轍機可分為不可擠型轉(zhuǎn)轍機和可擠型轉(zhuǎn)轍機[1]。可擠型轉(zhuǎn)轍機內(nèi)設(shè)擠岔保護裝置，道岔被擠時，動作桿受到的水平外力通過鎖閉鐵作用于擠脫柱，擠脫柱上升直到脫離鎖閉鐵上的槽，使得鎖閉鐵不再受到限制，動作桿就可以推動鎖閉鐵一同向前移動，鎖閉鐵移動推動水平頂桿，并給出表示即報警信號。這樣動作桿解鎖,保護了整機[2～3]。

《鐵路信號維護規(guī)則》規(guī)定液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力應(yīng)調(diào)整在27 kN～30 kN。目前，液壓轉(zhuǎn)轍機出廠時對擠脫裝置的擠脫力一次性調(diào)試好，由于缺乏科學(xué)的測試手段，對上道使用的液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力是否達標沒有標準。液壓轉(zhuǎn)轍機的擠脫力主要靠調(diào)整螺帽下碟型簧片的彈力，若調(diào)得過小，則容易使道岔在正常使用自然擠脫。若調(diào)得過大，就會發(fā)生正常擠岔時擠不脫，造成道岔及轉(zhuǎn)轍設(shè)備損壞或更嚴重的后果。這形成轉(zhuǎn)轍機的一個故障隱患，故迫切地需要對轉(zhuǎn)轍機擠脫力的工作特性進行測試。此外，轉(zhuǎn)轍機設(shè)備制造廠商也提出了對轉(zhuǎn)轍機脫力進行測試的要求。

目前，國內(nèi)市場上用于液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力特性測試的設(shè)備很少，且不能準確完整地記錄轉(zhuǎn)轍機擠脫力的動態(tài)工作過程。為此，研制了“XYT-1型液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力試驗裝置”，以滿足鐵路電務(wù)部門和轉(zhuǎn)轍機設(shè)備制造廠商對轉(zhuǎn)轍機擠脫力進行測試的要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

XYT-1型液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力試驗裝置由動力設(shè)備、液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀和被測轉(zhuǎn)轍機共 3部分組成。轉(zhuǎn)轍機試驗方法規(guī)定動作桿處于終了位置，在水平方向由零開始緩慢增加，直至全部解鎖，此時的最大外力即為轉(zhuǎn)轍機的擠脫力。其中液壓動力設(shè)備是測試擠脫力的動力源，用來模擬道岔被擠時道岔尖軌作用于電動液壓轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換鎖閉器動作桿的力。液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀由擠脫力測試儀和與之對應(yīng)的上位機數(shù)據(jù)分析軟件組成。擠脫力測試儀負責液壓動力設(shè)備的啟停及動作方向的控制，還負責數(shù)據(jù)采集、存儲和以曲線和數(shù)字的形式顯示整個過程中的力，運行過程與曲線變化同步且自動給出整個過程的最大值即擠脫力。數(shù)據(jù)分析軟件作為轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀的上位機，可以將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存在PC 機中生成特定的數(shù)據(jù)文件，便于用戶對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)、定量分析處理，并能打印相關(guān)參數(shù)和曲線。

表1 擠脫力測試儀主要技術(shù)參數(shù)

圖1 液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

測試儀與數(shù)據(jù)分析軟件之間是通過RS-232或USB串行接口完成通信的。被測轉(zhuǎn)轍機（可擠型轉(zhuǎn)轍機）是本系統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀原理框圖如圖2，擠脫力測試儀主要包括以下7個模塊。

1.1 硬件設(shè)計

（1）ARM7控制器模塊。選用NXP公司的處理器LPC2214作為測試儀的微控制器。LPC2214提供16 kbyte片內(nèi)靜態(tài)RAM、256 k片內(nèi)FLASH程序存儲器、通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60 MHz CPU操作頻率[4～6]。該模塊是整個系統(tǒng)的控制中心。

圖2 液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀原理框圖

（2）存儲器模塊。設(shè)計中擴展一片512 k×16 bit的SRAM（IS61LV51216AL）作為測試儀的內(nèi)存、一片NAND型Flash（K9F1208U0A）作為斷電后保存重要測量數(shù)據(jù)的存儲器，該存儲器具有64 Mbyte的存儲容量。

（3）采集模塊。儀器的A/D芯片選用MAX-197，具有12 bit的A/D精度，轉(zhuǎn)換時間6 μs，內(nèi)置基準，它提供了標準接口—8 bit三態(tài)輸出口，可以和CPU直接相連。

（4）液晶顯示模塊。液晶顯示屏選用的是“TRULY”公司的MSP-7N液晶顯示模塊，其控制器是EPSON公司的SED1335液晶控制芯片，微控制器采用8位總線方式與液晶模塊連接。

（5）串行通訊模塊。232接口或USB接口用于將實測數(shù)據(jù)上傳給上位機以便于用轉(zhuǎn)轍機擠脫力數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)處理、分析和打印。

（6）時鐘模塊。為系統(tǒng)提供實時時鐘，斷電后由電池供電。

（7）DIO模塊。數(shù)據(jù)采集的啟停信號通過光電隔離輸入，液壓動力設(shè)備的啟停及方向控制信號通過繼電器輸出。

圖3 液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀外型圖

1.2 軟件設(shè)計

在以上硬件平臺的基礎(chǔ)上，本儀器采用了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)來管理硬件資源和進行任務(wù)協(xié)調(diào)。本測試儀軟件設(shè)計層次如圖3，第1層為μC/OS-II操作系統(tǒng)層，這是整個系統(tǒng)的管理核心，通過協(xié)調(diào)任務(wù)之間的通信和任務(wù)切換實現(xiàn)所有任務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度和管理。第2層為任務(wù)層，包括硬件驅(qū)動程序和各任務(wù)應(yīng)用程序的設(shè)計。μC/OSII是完全可剝奪型的實時內(nèi)核，即μC/OS-II總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)[5]。故在基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計中，任務(wù)的劃分及任務(wù)優(yōu)先級的安排是整個應(yīng)用程序的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，其它軟件設(shè)計都是圍繞任務(wù)來展開的。下面是本轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀中任務(wù)的劃分、任務(wù)優(yōu)先級的安排及這樣安排的依據(jù)。

（1）啟動任務(wù)，優(yōu)先級為1。啟動任務(wù)用來對目標板的初始化，也對系統(tǒng)用的各個中斷和系統(tǒng)變量的初始化，屬于單次執(zhí)行類任務(wù)，故應(yīng)安排最高的優(yōu)先級。

（2）只要收到上位機發(fā)的拷屏命令就讀取LCD顯示RAM中的數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)缴衔粰C以圖片形式保存，以便為寫文檔提供資料。該任務(wù)與串口接收數(shù)據(jù)中（2）拷屏任務(wù)，優(yōu)先級為2?？狡寥蝿?wù)功能是斷關(guān)聯(lián)，要求任何時刻都可以拷屏，且只在儀器開發(fā)前期使用，故安排次高優(yōu)先級。

（3）校準任務(wù)，優(yōu)先級為3。校準任務(wù)完成對傳感器的校準，包括零點和增益的調(diào)整。傳感器的標定是由設(shè)計人員出廠時完成的，不是由最終用戶完成，所以該任務(wù)不同于其他任務(wù)，只有滿足一定的條件才創(chuàng)建，且沒有任何延時和等待事件即比其優(yōu)先級低的任務(wù)均沒有機會運行，擁有較高的優(yōu)先級。

（4）測量任務(wù)，優(yōu)先級為4。測量任務(wù)是應(yīng)用程序中的核心，負責開啟中斷進行數(shù)據(jù)采集，對采樣數(shù)據(jù)量化處理，并在LCD上以數(shù)字和曲線的形式實時顯示。該任務(wù)與定時數(shù)據(jù)采集中斷關(guān)聯(lián)，屬于緊迫任務(wù)，對實時性要求高。所以除去拷屏任務(wù)和校準任務(wù)外，測量任務(wù)的優(yōu)先級僅次于啟動任務(wù)，以保證測量曲線的實時顯示。

（5）菜單任務(wù)，優(yōu)先級為5。菜單任務(wù)完成菜單的切換，并負責設(shè)置任務(wù)、調(diào)零任務(wù)、功能任務(wù)和初始化任務(wù)的掛起和恢復(fù)。該任務(wù)不是緊迫性任務(wù)，但是屬于使用頻率較高的任務(wù)。故安排其優(yōu)先級低于測量任務(wù)而高于設(shè)置任務(wù)、調(diào)零任務(wù)、功能任務(wù)和初始化任務(wù)。

（6）設(shè)置任務(wù)、調(diào)零任務(wù)、功能任務(wù)、初始化任務(wù)和相關(guān)信息屏任務(wù)。這5個任務(wù)，每個任務(wù)各完成一類功能，地位基本上平等，功能互相獨立，μC/OS-II規(guī)定任務(wù)間不能擁有相同的優(yōu)先級，所以對它們的優(yōu)先級隨機分配，如圖4。

圖4 液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀軟件設(shè)計層次圖

2 試驗及結(jié)果分析

利用XYT-1液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀對某ZYJ7型轉(zhuǎn)轍機進行了測試。利用標尺功能和數(shù)據(jù)分析軟件對測量結(jié)果進行了分析。

圖5為ZYJ7轉(zhuǎn)轍機處于定位狀態(tài)下擠脫力的實測曲線，主要參數(shù)擠脫力為30 kN=3.06 t（kN即千牛、t即噸），輔助信息有擠脫器斜面離開鎖閉鐵上的槽時需要的平均力值為28.82 kN，耗時約0.95 s，拉開后動作桿的平均阻力值約為6.39 kN，擠脫器脫落的方向為拉。

圖6為ZYJ7轉(zhuǎn)轍機處于反位狀態(tài)下擠脫力的實測曲線，主要參數(shù)擠脫力為29 kN=2.95 t，輔助信息有擠脫器斜面離開鎖閉鐵上的槽時需要的平均力值27.84 kN，耗時0.62 s，擠開后動作桿的平均阻力值為6.54 kN，擠脫器脫落的方向為擠。測試結(jié)果說明當前碟簧彈力合適，擠脫力滿足27 kN～30 kN的要求。若擠脫力不滿足27 kN～30 kN，則可調(diào)整蝶簧彈力后再進行測試，直到滿足要求。

圖5 ZYJ7處于定位狀態(tài)下擠脫力實測曲線

圖6 ZYJ7處于反定位狀態(tài)下擠脫力實測曲線

3 結(jié)束語

液壓轉(zhuǎn)轍機擠脫力測試儀由擠脫力測試儀和數(shù)據(jù)分析軟件組成。擠脫力記錄儀以NXP的LPC2214芯片和uC/OS-II實時操作系統(tǒng)為硬件及軟件核心，負責對液壓轉(zhuǎn)轍機的擠脫力進行實時力測試記錄儀進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的備采集和存儲，同時以數(shù)字和曲線的形式動態(tài)顯示。數(shù)據(jù)分析軟件通過RS232或USB串行接口與擠脫份，并對測量曲線進行綜合分析和打印。實測結(jié)果證明了該測試儀的實用性和可靠性，完全滿足鐵路電務(wù)部門和轉(zhuǎn)轍機設(shè)備制造廠商對轉(zhuǎn)轍機擠脫力進行測試的要求。

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