（机械工程专业论文）25型客车新技术多功能教学系统的研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着铁路跨越式发展战略的实施，现代化运输装备越来越多地投入运 营，但是使用现代化装备的高素质的人才缺乏，而目前现场职工培训存在着 手段较单一，师资匮乏，培训效果不理想，已严重影响着安全生产。针对这 种情况，本文作了如下研究： 首先，文章详细分析了目前国内外培训机构和院校教育培训的现状，存 在的主要问题，即手段较单一，培训质量不高。在此基础上，以2 5 型客车 车辆新技术为对象，提出了一种新型的车辆系统职工培训教学系统，该系统 融微机控制的实物系统和多媒体教学系统于一体，充分利用学校教育资源和 现场系统及装备资源，将现代教育技术应用到职工技术培训项目中，增强可 移植性，节约人，物、财力，从根本上提高培训效率和效果，为车辆系统职 工队伍综合业务能力提高提供智力支撑，从而不断提高铁路职工培训的现代 化水平和信息化程度 其次，系统研究了2 5 型客车新技术，提出以2 5 型客车新技术实物控制 为基础，以客车单节列车为最小独立单位。以多媒体技术为主要表现手段， 通过计算机将实物和多媒体播放有机适时联系起来，实现仿真2 5 型客车新 技术工作过程、结构变化、常见故障处理，并在计算机上复示的解决方案。 并从硬件及硬件模拟、实现方法，控制原理、多媒体演示、软件设计等方面 进行了较深入地研究，找到了半实物仿真控制系统较佳的结合点 最后，开发设计制作了本教学系统在2 5 型客车新技术仿真系统中， 实现了实物动作控制、计算机适时复示，多媒体演示子一体的目标，将感性 认识较强的实物教学系统和色彩丰富、引入入胜的多媒体有机结合取得了 较理想的培训效果 关键词：2 5 型客车；多媒体教学系统；微机控制系统 堕堕窑鎏奎兰三矍堡主塑塞兰堂垡堡塞蔓坚夏 a b s t r a c t t h ea n a l 【y s i so ft r a i n i n gs t a t u sh o m ea n da b r o a dh a sb e e nd o n et os h o wt h e s e c u r i t yp r o b l e m sa p p e a r e di nt h em o d e r nt r a f f i ce q u i p m e n tu s a g e t h er a i l r o a d t c c h n o l o g y i s d e v e l o p e dr a p i d l y , b u tt h e r e i sl a c ko f p e r s o n n e lw i t h c o r r e s p o n d i n ga b i l i t y f u r t h e rm o r e ，t h ee f f e c to fe m p l o y e et r a i n i n gc a l ln o tb e s a t i s l y i n gb e c a u s eo fs i n g l et r a i n i n gm e t h o da n dl a c ko ft e a c h e r s h i p an o v e l t r a i n i n gs y s t e mb a s e do nm o d e i2 5n e wt e c h n o l o g y , w h i c hc o n s i s t so ft h eb r a k e s e tc o n t r o l l e db yac o m p m e ra n dt h em u l t i m e d i af a c i l i t y , h a sb e e nd e v e l o p e dt o m a k ef u l lu s eo fe d u c a t i o na n de q u i p m e n tr e s o u r c ea n dh a n d l et h em o d e m t e a c h i n gm e t h o di n t oe m p l o y e et e c h n i c a lt r a i n i n g t h ee f f i c i e n c ya n de f f e c to f t r a i n i n gc o u l db ei m p r o v e de s s e n t i a l l yb yt h i ss y s t e m ，w h i c hc o u l db ea s u p p o r t e rt oi n c r e a s et h ea b i l i t yo fe m p l o y e eo fc a r r i a g es y s t e ma n de n h a n c et h e m o d e r n i z a t i o na n di n f o r m a t i o nl e v e lo ft h et r a i n i n go fr a i l r o a de m p l o y e e t h e s t u d yo ft h em o d e l2 5n e wt e c h n o l o g yh a sb e e nd o n et oe m u l a t ea n dd i s p j a yt h e p r o c e s s i n gt h ev a r i a t i o no fs t r u c t u r e ，t h et r e a t m e n to ft r o u b l e ，w h i c hc o m b i n e d t h er e a ls e tc o n t r o l l e db yc o m p u t e rw i t ht h em u l t i m e d i ap l a y e r h a r d w a r ea n d e m u l a t i o no fi t ，r e a l i z a t i o nm e t h o d ，c o n t r o lt h e o r y , d i s p l a ym u l t i m e d i a ，s o f t e w a l ed e s i g n a l ea l s oa n a l y z e dt of i n dt h eb e t t e rj u n c t i o no fs e m i m a t e r i a le v a l u a t i o ns y s t e m as e th a sb e e nb u i l tu pt or e a l i z et h ea c t i o nc o n t r o l l e db yt h ed i s p l a yo nt h e c o m p u t e ra n dm u r i m e d i a , w h i c hg i v c sac o l o r f u la n dd r a m a t i cp i c t u r et og e tb e t t e r t r a i n i n ge f f e c t k e yw o r d ：2 5t y p ep a s s e n g e rv e h i c l e ；m u l t i m e d i at e a c h i n gs y s t e m ；c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景与意义 铁路跨越式发展战略提出未来几年铁路要实现客运高速、货运重载，组 成全国九纵九横铁路网，其核心是要实现运输装备现代化运输装备现代化 的关键是人的现代化，即要有大批会使用现代化装备的高素质职工队伍。从 安全系统工程学上讲，现代化的运输装备，只能靠人通过培训，掌握技术才 能提高整个系统的安全性。因此教育培训部门就需要研究在不影响安全生产 的前提下，提高培训质量加快培训速度。以提高生产一线职工的总体技术水 平和综合素质 一般作为生产一线的培训机构，重点解决培训内容与生产一线技术水平 的同步问题。目前铁路客车车辆新技术的大量运用，亟待解决该系统职工的 岗位新技术培训。现场培训不同于学校教育，它要求培训时间短、信息量大、 新技术含量高、不影响安全生产，能解决生产实际中亟待解决的技术问题即 培训的针对性强、实用性强。据调查，目前站段职工技术培训中常用的方法 有三种：一是实物教学，即利用站段自身的( 装) 设备条件或模型对学员进 行培训，如现场一线各生产班组利用班前学习等时间集中进行的单项培训， 均采用此种方法此种培训的直观性较好，用于解决单一技术问题效果好， 总体培训效果较差，培训成本高，它作为职工的岗位实际训练有较好作用。 二是在实物培训的基础上采用微机控制系统。此种系统通过采用一些检测手 段来控制一些设备、设置部分故障，同步显示一些操作信息，如生产一线主 要及重要而复杂的部件配件，制作其相应的微机控制试验台即采用的此种方 法该方法培训由于故障的设置方便，有利于学员对故障处理能力的掌握。 但对过程的本质理解较差，只能观察到部分现象。三是采用多媒体教学软件 即根据项目需求，采用多种媒体形式，利用其丰富生动的表现力和可操作、 交互性的优势，通过精心的策划创意构思，运用计算机对相关素材进行编程 集成，使其成为一有机的整体“多媒体软件”，将复杂结构和庞大系统 及多系统控制表现出来这种方法投资少，学习效果较好，可以深入学习设 备内部的构造和原理，但直观性和模拟环境性较差，较适合有一定现场经验 人员的提高性学习以上几种方法各有千秋，在现场中都有应用，存在的主 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 要问题是手段较单一，培训效果不太理想 而在学校教育中，为提高教学效果，保证教学质量，也有多种教学手段 对设施及设备的要求则主要是喜观形象、化无形为有形，便抽象为具体，充 分考虑教学性，经济性目前常用的方法有：利用挂图或在黑板上画图来进 行讲解，采用示教板进行教学，多媒体教学及用仿真系统进行教学。目前仍 然有相当部分教师习惯于采用传统的挂图或在黑板上画图来进行讲解，它对 于解决简单问题非常方便、有效但对于较为复杂的系统如机车车辆电路、 制动机系统、柴油机系统等，由于无法在图中表示出设备状态变换时电路、 气路的状态变化过程，各种相互制约的逻辑开关及阀件内部的状态变化，使 老师难解，学生难懂，教学过程显得枯燥乏味，很难取得理想的教学效果 采用示教板进行教学时，尽管比挂图教学要显得形象生动，对提高教学效果 起到了一定作用，但由于示教板造价高、维护困难等缺陷，使其在教学中的 应用受到了极大的限制多媒体计算机辅助教学，可充分利用多媒体计算机 对多种信息的综合处理能力，通过丰富多彩的图、文、声、像等素材来标书 教学内容，克服学习者只能被动接受同一种模式教学的弊端。 如何将几种方法有机结合，将现代教育技术应用到职工技术培训项目 中，增强可移植性，节约人力、物力、财力，从根本上提高培训效率和效果， 在车辆系统是一个较新的课题。 大家知道，计算机仿真是目前培训机构常用的一种有效手段。在国民经 济的各个领域都有应用如在航空航天方面，用仿真器对字航员进行模拟太 空训练，技术已经达到不仅能模拟设备、各种运行条件，还可以将各种环境 条件如风雨雷电树倒屋塌等叠加上去机车驾驶方面，技术也已经达到综合 利用网络技术、三维实时仿真技术、微机测控技术，多媒体技术等，在计算 机网络的环境下构建的可以让学员完成学习、实训，演练、技能考核功能的 综合数字平台在计算机上可以进行各种机车故障设置、天气设置、非正常 情况设置及其他线路状况设置由于车辆系统需人员操纵和驾驶的部分较 少，其仿真意义并不大。但随着列车运行速度的提高、车辆本身技术的发展， 高技术含量设备的投入使用，对其仿真的价值及意义愈来愈大 铁道车辆作为旅客运输的主要承载工具，近年来技术更新换代非常快 尤其2 5 型客车的投入使用，标志着我国客车技术以提高到一个新的阶段， 铁道车辆也已由传统的机械装置演变为机电一体化装置2 5 型客车是在综 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 合了国内外客车制造的先进技术，制式与国际接轨，车体长2 5 5 米，车辆 定距1 8 米的新结构客车2 5 型客车采用了多种新技术，如采用空气弹簧、 盘形制动以s w - 1 6 0 、c w 一2 型为代表的转向架，制动装置采用了1 0 4 ( f 8 ) 阀加电空制动、具有控制单元制动缸、单管五线制、直流1 l o 伏电压、电空 转换、故障检测等特点，采用了微处理机控制的电子防滑器车内设备采用 塞拉门、集便器、集中轴温报警器等如何快速提高站段职工对新设备的操 作维护机能，对车辆的安全运用和列车的安全运行，具有极为重要的意义。 因此对其进行仿真有着很大的现实作用。 1 2 论文研究的基础与支撑 本论文是基于应车辆段教育培训机构需求而研发的“2 5 型客车新技术 模拟教学装置” 1 2 1 对该装置的基本要求 1 以2 5 型客车电气、制动系统实物或模拟设备和计算机相连，通过检 测实物或模拟设备相关联的测试信号，在计算机上同步复示，显示其相应动 作过程 2 提供一套与2 5 型客车电气、制动系统实物或模拟设备相配套的相关 功能的多媒体软件，软件控制功能灵活，带配音 经过现场实际调研、对比与分析，提出了运用计算机与实物对接技术仿 真2 5 k 客车新技术，复示其工作原理的解决方案，以满足在职职工车辆制动 新技术、新装备培训要求。经过实际应用，收到了较理想的培训效果。 主要应完成的工作：微机模拟演示单节列车各种制动工况；空气弹簧、 差压阀、高度阀，u 5 a 空重车调整阀、s p 2 盘形制动装置即三阀一缸动作工 况及常见故障；列车轮对转动动作工况、防滑器的各种功能及故障现象；微 机模拟演示1 0 4 、f 8 电空制动机各种动作工况及故障现象 1 2 2 软硬件使用要求 运行环境：w i n 9 8 w i n m e w i n 2 0 0 0 w i n x p i 3 论文研究的主要内容 第l 章绪论。介绍研究内容的背景意义及研究基础 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 第2 章多功能教学系统总体设计本章主要介绍教学系统总体设计思 想，目标，硬件组成及原理等 第3 章多功能教学系统各部功能实现详细介绍教学培训系统主要功 能模块的实现方法，控制原理，多媒体表现形式。 第4 章系统各部软件设计流程介绍软件需求分析以及主要设计流程 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 第2 章多功能教学系统总体设计 2 1 研究内容的指导思想及目标 在铁道部总体改革思路和技术装备现代化目标的指导下，主动适应车辆 修制改革和客车新装备不断发展的需要，充分利用学校教育资源和现场系统 及装备资源，制定适应现场职工转型、新技术培训、业务素质提高总体培训 方案，确定开发设计适应现场状况的高质、高效培调的发展方向，为车辆系 统职工队伍业务能力的提高提供智力支撑，不断提高铁路职工培训的现代化 水平和信息化程度 2 2 设计思想 在铁道部总体改革方针和车辆装备现代化建设思路的指导下，为适应铁 路客车技术不断发展和车辆新装备的不断投入的需要，实现动态、及时的新 技术针对性培训，研究开发2 5 型客车新技术多功能教学系统方案。 2 2 1 总体设计思想 以2 5 型客车新技术装备为基础，以客车单节列车为最小独立单位，以 多媒体技术为主要手段，通过计算机将实物和多媒体播放有机适时联系起 来，实现仿真2 5 型客车新设备的工作过程、结构变化、常见故障处理，并 在计算机上复示等功能。界面友好，操作简单，程序优化，功能强大。 2 2 2 设计目标 1 教学软件充分利用多媒体技术手段表现培训内容，便于教学，提高学 员学习兴趣和自觉性，提高学习效率，使学习者更好地掌握2 5 k 新型客车新 技术的工作原理、结构、常见故障现象的判断、分析、处理。 2 控制程序充分发挥计算机控制优势，适时显示硬件电气系统、制动系 统各部件功能，提高系统控制的准确性、可靠性 3 突破实车培训中存在的难以全面观察部件的工作过程，结构原理，全 封闭部件的内部结构，抽象的气路过程等培训难点。解决运用车辆扣车影响 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 安全生产的不足 4 培训模式：以讲授为主，结合探索学习型，个别辅导型 2 2 3 设计功能 1 微机模拟演示单节列车各种制动工况，1 0 4 、f 8 电空制动机各种动作 工况及故障现象； 2 微机模拟列车轮对转动动作工况、防滑器的各种功能及故障现象，模 拟显示防风阀的各种功能及故障现象； 3 微机模拟显示列车轮对动作工况、防滑器各种功能及故障现象 4 微机模拟演示轴温报警器的各种功能及故障现象 5 微机模拟三阀一缸动作工况； 6 微机模拟演示塞拉门、集便器动作工况。 所有模拟均与实物系统对接，由操纵部分控制实物和模拟系统的动作， 并在计算机上同步复示i 2 3 多功能教学系统总体设计方案 2 3 1 系统简介 教学系统基本方案是以实物或模拟设备与计算机相连，通过对实物或模 拟设备的测试信号进行检测，在计算机上进行同步复示，显示相应的动作过 程；同时，开发制作一套具有相关功能的控制灵活的多媒体软件，该软件和 控制系统软件具有关联作用系统应具有的基本功能为： 1 高可靠性；2 双向通信功能： 3 多媒体接收功能；4 。信号检测与控制功能 考虑到现场实际应用状况，系统采用高可靠性的工控机对硬件、模拟设 备和实物进行控制，用一台p c 机进行多媒体软件的播放，两台计算机适时 进行通信，并共用一台投影仪通过切换分别显示到大屏幕。用i 0 板检测或 输出实物系统中的开关信号，用 d ( d a ) 板进行数模和模数变换。用压 力传感器检测实物系统风路的压力信号，根据需要用电脑动画显示模拟设备 动作系统为了准确控制实物系统设备动作，操纵指令信号由学员操纵控制 台各种开关、扳钮等进行控制。为便于学员操纵，控制台由状态指示灯显示 亘堕奎堕查兰三堡塑主竺窒生兰焦堡壅蔓! 里 系统工作状态。所需其它电路( v v 变换、f l y 变换等) 制作成专用电路板， 采用插板式标准机箱，并互为备份系统框图见图2 - ! 毒蠢蠢 1 0 4 ，f 8 壹气畚 电空硝琦氛 越境警量 u s a 童t 车调羔 高度讶兰稳 基堡堡 傍靖摹 l 并一鼻 l 置量 l 芏嚣： - - 1i 曼竺苎兰 l r o 一 麓斟托卜_ li 艘瓤 刘舻 卉十囊 t 曩舯 t 件 圈1 - 12 5 型客车新技术教学系统框图 2 3 2 各系统功能分析 2 3 2 1 微机模拟演示单节列车、1 0 4 、f 8 电空制动机各种制动工况故障现象 为了能在计算机上实现同步复示实物系统工作过程，系统需采集以下信 号： b 空 与 i 乜 控 工况 换 攮 辩幂 圈2 - 2 模拟演示单节列车各种制动工况原理框圈 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 1 目前制动系统常用的电空制动机有1 0 4 或f 8 ，因此需1 0 4 、f 8 选择 信号( 2 线) ； 2 1 0 4 或f 8 是否使用电空功能选择信号( 2 线) 电压为5 v ； 3 1 0 4 ( f 8 ) 各种工况状态( 3 线) ； 1 0 4 ( f 8 ) 均由缓解、制动、保压3 个电磁阀组成6 种工况即：充气 缓解位，常用制动位，制动保压位，制动缓解位。阶段缓解位，紧急制动位 ( 带电控原理) 该接线位置应设在电空操作位之前，以保证在非电空情况 下也能够检测到工作位置信号，信号电压为+ l l o v ； 4 1 0 4 ( f 8 ) 制动系统常见故障点信号( 1 2 线) ； 以上各种信号经采集转换，微机同步复示风路流向及部件动作及常见故 障现象，原理框图如图2 - 2 所示。 2 3 2 2 微机模拟电子防滑器及其放风阀各种功能及故障现象 电子防滑器型号为t f x 。主要功能：制动时能有效防止因轮对滑行而造 成的踏面擦伤：根据轮轨问粘着变化调节制动缸压力，从而实现制动力调节： 同时防滑器具有监视、故障存储、显示及诊断功能。 该单元主要利用电子防滑器自身工作，因此需要采集以下信号： 1 从防滑器主机测取轮对速度信号( 5 线) ； 2 防滑器排风阀充排风状态信号( 4 2 线) ，电压4 8 v ； 3 防滑器速度传感器和防滑排风阀故障信号( 4 2 线) ，电压4 8 v ： 4 电磁离合器控制信号( 4 线) ； 5 以上各种信号的采集a i ) 、i o 、f v 、v v 变换及微机同步复示； 6 电机驱动轮对转速模拟制动工况。 速度信号可由4 个调速电机带4 个测速齿轮产生，经速度传感器获取 5 k m h 的列车速度信号，模拟轮对周长应在8 4 0 姗一9 0 0 嗍范围 电机调速单元是模拟制动系统控制的对象，为了准确仿真列车各种工况 的运行速度，需采集4 路操纵面板手动调速信号，1 路手动自动选择信号， 计算机根据信号自动启动控制程序控制电机调速单元进行速度调节，在控制 台上显示运行状态原理框图如图2 - 3 所示 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 3 模拟演示电子防滑器的各种功能原理框图 2 3 2 3 微机模拟演示三阀一缸动作工况 微机模拟空气弹簧动作工况，压差阀动作工况，高度阀动作工况三阀 一缸单元需采集以下信号，各种信号经转换处理后送入计算机自动调用复示 程序，同步复示三阀一缸的工作过程具体为： 1 同一转向架上2 个空气弹簧之间压差1 5 0 k p a 时，压力空气从压力 高的一端空气弹簧经过压差阀流向压力低的一端空气弹簧，压差阀动作当 两端压差 1 5 0 k p a 时停止动作。空气弹簧额定高度2 0 0 5 m m 。故需压力传 感器信号( 2 线) 、高度信号( 2 线) ； 2 空气弹簧初始压力及所受载荷由液压系统完成空重车调整阀所需 另外转向架的参考压力由计算机预设故需空气弹簧载荷信号( 1 线) ； 3 当车辆载重发生变化时，空气弹簧高度发生变化，引起高度阀动作， 打开其进气阀或排气阀，使空气弹簧压力随之升高或降低故需高度阀排气 情况( 1 l 线) 即2 5 + l 路电源： 4 单元制动装置状态信号( 1 线) ； 5 空重车调整阀动作工况即制动、缓解、保压、支点位移控制( 4 线) ； 原理框图如图2 - 4 所示 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 4 模拟演示三阀一杆动作工况原理框图 2 3 2 4 液压加压系统 车辆的簧重是通过液压系统模拟仿真，同时可以进行高度阀，差压阀和 空重车调整阀的模拟试验。其液压油路、风路原理图、电器原理图如图2 - - 5 所示 图2 - - 5 液压加压系统原理图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 2 4 系统组成 2 4 1 实物系统 2 5 型客车新技术培训系统主要设备有：1 0 4 f 8 型空气分配阀及电空制 动机，m s 7 3 0 c p 5 型塞拉门，k z s m 1 型轴温报警器，u 5 a 空重车调整阀， 高度调整阀，差压阀，t f x i 型电子防滑器，空气弹簧系统。s p 2 单元制动 缸，t q i 蹲式集便器，压力表等，按照单节列车实车数量及管路，集中安装 在2 5 型车辆新技术控制柜中轮对、模拟轮对、电机及其传动系统、电磁 离合器、液压加压系统集中布置，见图2 6 。 图2 - 62 5 型客车新技术控制柜 图2 72 5 型客车新技术操纵控制台 2 4 2 控制系统 1 控制系统硬件：工控机( 中泰) 含i o 、a d 板，扩展电路板，计算 机( 多媒体教学机) ，投影机及屏幕，电机调速系统，各类传感器，各种转 换开关，操纵按钮，单车试验器，系统用各种电源，仪表，指示灯等集中布 置在操纵控制台，见图2 7 。控制台与控制柜由专门布线航空插座连接。 2 控制系统软件部分：w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 操作系统，v b 6 编程软件，控 制系统软件，2 5 k 客车新技术系统教学光盘，f l a s h 播放软件 系统风路原理图见图2 8 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 图2 - 8 系统风路原理图 2 5 控制系统硬件电路原理 为保证系统功能实现，需开发5 块相关电路板，分别是开关量变换电路 板2 块、轴温信号变换电路板l 块、电机调速与故障设置电路板l 块和速度 检测变换电路板l 块，用以完成对外部信号的采集、系统用电源、数模及模 数转换、故障设置、电机测速及调速控制。 2 5 1 外部信号的采集 v ，v 变换电路板用以产生系统用各种电源，系统共用2 块 由于实物设备所用电源各不相同，其中1 0 4 、f 8 用d c l l 0 v 电源，塞拉 门由d c 4 8 v 2 4 v 供电、电子防滑器及轴温报警器使用d c + 4 8 v 电源，电机 调速控制用d c + 1 2 v 电源，各种电路板控制电路、计算机控制用d c 5 v 电 源，因此需要进行电压变换 信号采集包括两种：开关信号和模拟信号由于系统所用i o 板使用低 电平有效方式，因此所有信号必须转换为计算机所能识别的0 v 或+ 5 v 信号 1 对于只需5 v 控制的信号( 一般为只需进行开关的信号，不需知道具体 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 的电压) ，采用开关控制方式开关未闭合时，采集卡内部上拉电路，使计 算机显示信号为+ 5 v 开关闭合时，通过采集卡内部电路，使计算机显示信 号为+ o v 2 对于+ 2 4 - - f1 1 0 v 信号，由于计算机不能识别，需要将相应的信号进 行转换，转换原理如图2 - 9 所示 图2 - 9 开关量变换电路 开关量变换电路板，采用一个三极管作为电子开关。当无信号输入时， 计算机得到5 v 信号，当有+ 2 4 v 一+ 1 1 0 v 输入时，计算机得到ov 信号。 它把各种开关、阀门等产生的信号变换为5 v 的开关信号后，经数据采集卡 交由计算机处理。 2 5 2 计算机 d 控制 a d 卡采用1 2 位，最小转换时间，单端3 2 通道。o 5 v 输入控制方 式 1 模拟温度显示 轴温报警器只能接收d c i 2 v - 0 8 v 信号，所以必须进行电压变换，以 便轴温报警器进行正确的分析，电路原理如图2 1 0 所示 图2 1 0 电压变换原理图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 轴温信号变换电路板的每一路电路见图2 1 1 所示， 图2 1 l 电压变换电路 图中设有调节电位器，共计9 路分别模拟8 路轴温和l 路环境温度，调 节电位器的电压调节范围为o 5 v ，经过运算放大器o p 0 7 变换为1 2 v o 8 v 的电压以满足轴温报警器要求 2 轮对转速信号采集( 图2 1 2 所示) 图2 1 2 轮对速度采集原理框图 电机调速与故障设置电路板实现电路见图2 1 3 、2 1 4 所示 图2 1 3 电机调速电路图2 1 4 电机调速模块故障设置电路 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 该电路板能够通过电位器调节电机调速模块的控制电压，调节电动机的 转速，从而模拟轮对的转动，同时又设置4 路按钮可以快速切断对应的电机 调速模块的控制电压，从而达到制动目的，模拟车轮产生滑动的信号反应。 另外该板还能够通过面板开关，模拟产生各种常见的故障现象，并以开关量 送入计算机以动画方式显示故障现象 速度检测变换电路板主要负责测量车轮的转速并变换为o 5 v 的连续 模拟信号经由数据采集卡的a d 转换器被电脑读出数据，从而控制动画并显 示车轮的当前速度。 3 a d 压力传感器信号输入( 如图2 - 1 5 所示) 图2 1 5 压力传感器信号采集原理框图 2 5 3d a 控制 本系统采用了4 路d a 控制方式，在防滑器“自动演示”时使用，见 图2 1 6 。 图2 1 6 数模转换原理框图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 2 6 其它模块的设计 其它模块的设计方案和上述类似，不再赘述2 5 型客车教学系统工控 机主界面如图2 1 7 所示。 图2 1 72 5 型客车教学系统主界面 同时，为保证使用者的观察方 便，设置系统的扫描频率，以 保证能够详细观察，如图2 - 1 8 所示。为保证系统的可靠性， 在电路设计上采用光电隔离技 术、可编程集成电路技术和备 份技术。 图2 - 1 8 系统参数设计界面 2 7 2 5 型客车多功能多媒体教学系统 多媒体技术是集合文字、图形、图像、动画、视频，录像、声音、音乐 等传统表现媒体的优点，结合了计算机的交互功能，开发者针对客户及项目 需求进行开发，其载体通常使用光盘，也就是我们说的多媒体光盘目前多 媒体技术已被使用于现实生活的各个方面本系统以此作为主要表现手段， 依据“仿真自动教学结合、模拟细腻逼真、操作界面直观方便”的原则，按 照模块形式进行开发设计，便于学员自主化学习如图2 - 1 9 所示点击每个 条目，都可进入下一级分界面。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 - 1 9 系统多媒体教学界面 对于结构封闭复杂，不宜观察和理解的内容，采用三维立体动画形式进 行表现，部件名称和相关知识即点即现如：差压阀工作原理及结构如图 2 2 0 所示 圈2 2 0 差压阀结构图2 - 2 1 轴温报警器联网指示 对于抽象气路电路原理，则采用变色流动等方式进行表现如轴温报警 器联网指示如图2 - 2 1 所示。 对于需任意调节参数观察工作过程及原理的，则采用参数设计方案加以 解决如轴温报警器报警原理如图2 2 2 所示，用温度计直观地演示所接收 到的轴温数据，当某一轴温超高报警时，显示相应的轴位和传输路线，使学 习者对系统有一个整体观念 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 蚕宙 图2 2 2 轴温报警器的参数控制 对常见故障处理，采用用户根据实际故障，点击相应的故障菜单，提示 故障位置及处理方案如轴温报警器报警常见故障处理如图2 2 3 所示。 图2 2 3 轴温报警器放障分析与处理速查 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章2 5 型客车多功能培训系统各部实现 3 1 教学软件的设计思想与功能特点 1 原理仿真与自动教学相结合 制动机模块由“主要部件”、“综合作用”和“模拟试验”三大部分组成。 其中“主要部件”介绍新型制动机各主要阀件的结构与作用原理；“综合作 用”模拟制动综合作用原理，教师在授课过程中边讲解边演示，也可由学 生自己操作演练。“模拟试验”由学生操作演练，计算机模拟系统试验、工 作过程，以达到使学员对培训内容抽象与具体有机结合，静态与动态互为补 充，从而保证了对知识的理解与掌握。各种模块均可通过文字、图形、动画、 语音解说等多媒体素材生动形象的综合演播，实现自动教学。 2 多种媒体、多种资源有效利用 为保证质量，系统脚本应由具有丰富教学经验并有一定计算机基础的教师 精心编写，遵循认知规律，尽量做到结构严谨、取材合理、重点突出在原 理讲解过程中，语音解说、文字提示、动画演示、动作声响等素材合理编排、 互为补充。同时在系统开发过程中，还邀请有关老师和学生进行测试完善， 尽量使系统融教育性、艺术性、技术性于一体，强化教学效果。 3 模拟细腻逼真，参数任意设定 本系统将车辆电路和制动机中的各有关器件，阀件动作制成动画，并录 制现场各种器件和部件动作音响进行数字化处理，以增强表现效果电路图 中的所有器件、联锁、开关，均有详尽的中文名称提示或实物图片展示，只 要在其位置上单击或右击鼠标，即可显示相应的提示信息或实物图片，对提 高学员掌握各器件在电器柜中实际位置起到强调作用 车辆电路中每进行一项操作，既能显示得电线路的电流流通，相关电器 得失电状态以及相应联锁触头的动作，并伴有同步音响 4 操作界面力求直观方便 系统的界面制作力求直观形象、操作方便，尽量采用逼真的三维立体图 形。操作界面模仿真实场景，操作手柄全部采用实物操纵如“模拟试验” 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 中大、小闸手柄及仪表等均与实际情况一致。 3 2 模拟演示单节列车、电空制动机各种动作工况及故障现象 每节车辆上都设有1 套制动系统，2 5 k 客车采用1 0 4 或f 8 型电空制动 机。随着司机操纵机车制动机发出指令，通过管路电路系统同步控制车辆系 统1 0 4 或f 8 型电空制动机转换至相应位置，从而使全列车按照机车司机指 令工作，实现列车运行状态的转换。机车制动机和车辆制动机对应位置关系 如下表3 1 。 表3 - 1 机车制动机和车辆制动机对应位置关系 机车d k - 1 过充位常用 中立位运转位运转一中立紧急 型制动机制动位制动位 车辆电控制常用保压位运转位阶段缓解位 紧急 动机制动位缓解位制动位 1 0 4 或f 8 型车辆电空制动机设有缓解、制动、保压( f 8 是制动、缓解、 紧急电空阀) 3 个电空阀，由其组成单节列车制动的6 种工况即充风缓解位、 常用制动位、制动保压位、阶段缓解位、紧急制动位、运转位。模拟演示单 节列车各种制动工况、电空制动机各种动作工况即复示制动机在以上6 个位 置时，风路、电路及系统部件的动作情况 3 2 1 控制方法 计算机控制实际单节车管路系统动作，由风路原理图显示空气流动情 况，风路与实物原理图相结合的控制方案，用多媒体显示1 0 4 或f 8 型电空 分配阀内部工作原理，用单车试验器代替机车d k 一1 型制动机 3 2 2 控制原理 单车制动器手柄置不同位置时，由6 个压力传感器检测实物系统中的管 路压力，由3 个z o 信号来检测1 0 4 ( f 8 ) 电空制动机动作工况缓解、 制动、保压三个电磁阀组成的6 种工况的工作状态，见表3 - 2 。为保证在非 电空情况下也能够检测到工作位置信号，该接线位置设在电空操作位之前， 信号电压为+ l l o v ，位置信号送入电压变换板将1 1 0 伏电压转换为5 伏电压 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 1 页 送入i o 。同时占用1 个i o 设置1 0 4 阀f 8 阀选择开关，信号电压+ 5 v 。l 路零线，l 路备用线，l 路输出6 种工况信号计算机根据4 个i o 信号自 动运行检测程序显示实际管路系统动作，见图3 1 另一方面压力信号也 经计算机主机调用复示程序同步复示管路系统气流流动的情况及部件动作 过程，见图3 2 同时计算机主机输出信号使单车制动器控制电路工作， 开通风路使相关设备动作，实现相应制动功能。 表3 21 0 4 ( f 8 ) 型电空阀各工作位得失电情况 运转位常用制位保压位缓解位阶段缓解紧急位 制动电磁阀 失电得电失电 失电失电失电 失电先得后失电 保压电磁网失电失电得电失电失电得电失电失电 缓解电磁阍失电 失电失电 得电得电 得电得电 失电 为保证计算机接受信号正常，接口板采用8 位编码，其中前4 位悬空， 后4 位为表3 3 中所列编码 表3 - 31 0 4 ( f 8 ) 型电空阀各工作位得失电情况编码 常用制动充气 运转阶段缓解紧急制动 制动保压缓解 制动电空同 口口口口口口j 屯 制动电空阀 口口口口口口 缓解电空闱 护护护jjj-护 缓解电空阀 口口口， 口 ，口 保压电空阀 口口口口j口口 紧急电空阀 口 口口口口 口 口j 1 0 4 电空婀j jj 上 zz f 8 电空阀 口 口 口 口口 口口 护 1 0 4 四位码o o o l l o o o no l o ld i o l0 1 i jm o ll o o l 一0 0 0 1 f 8 四位码 e 0 0 0l o o oo o o oo l o 口o 1 0 0 0 0 0 00 1 0 0j d l o 各位置作用及性能如下 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 1 充气缓解位 图3 - 11 0 4 空气制动机( 非电空) 保压位图3 - 2 风路显示和故障显示 3 2 3 1 0 4 型电空制动机常见故障及设置 1 电磁阀不动作检查各电缆是否有断路。如电路正常，检查电磁阀内 部是否被卡住，敲击或振动电磁阀即能恢复。如果不能解决问题或电磁阀出 现其它不易排除故障，则更换电磁阀。 2 在制动位时，列车管减压量过快或过慢。检查电磁阀安装座下方列车 管排气口的缩口风堵是否正常 缩口风堵( v ) 孔径c2 4 m m 如失电后制 动电磁阀排风不止，可判断电磁阀阀口被异物垫住关闭不严，动作几次将异 物吹掉；仍不行，更换电磁阀。 3 在制动和保压住时，缓解风缸压力不稳定，随副风缸或者列车管压 力下降原因有二：其一是电磁阀座上的充气止回阀阀口有损伤或被异物垫 住造成缓解风缸压力向副风缸逆流，处理方法是整修及清洗阀口另一原因 是缓解电磁阀的阀口被尘质封住，使缓解风缸与列车管相通，处理电磁阀即 可如果在制动后的电空缓解时，缓解时间长或速度较慢，接近于用空气制 动缓解，则认为缓解风缸压力空气保不住压 4 阶段缓解时，电空阀的性能不明显，或者说没有阶段缓解性能这有 两种可能，一是由电磁阀至主阀作用部排气口d 。孔的外接管漏泄，排除故 障即可；二是保压阀得电后未能关闭所控制的气路，动作几次即能达到预期 效果否则，更换电磁阀 故障的设置是通过手动关闭相关管路中设置的故障放风阀，人为截断风 路。在揉纵台上的故障设置区把故障隔离开关置故障位，故障信号经接口板 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 直接送入计算机主机同样使控制实际管路系统动作，复示故障状态下管路系 统气流流动的情况风路原理图部分，除相应的工作情况外，用1 2 个i o 信号来测试1 2 个设置的故障点，在工控机上显示的画面见图3 2 常见故 障设置见表3 4 表3 - 4 常见故障设置表 序号 代号 故障位置序号代号故障位置 1 f 1 l工作风缸故障阀( p 5 指示) 2 f 1 2 制动缸漏 3f 1 3 总风管漏 4f 1 4 列车泄漏 5 f 1 5制动支管漏( p 4 指示)6f 1 6 缓解风缸漏 7f 1 7 1 0 4 f 8 转换管路漏 8f 1 8副风缸漏( p 6 指示) 9f 1 9空气弹簧风缸漏( p 8 指示)1 0 f 2 0排风阀管路漏 l l f 2 1空气弹簧2 漏1 2f 2 2空气弹簧1 漏 3 2 4 部件结构的多媒体演示 f 8 型电空制动机 1 组成及特点 f 8 型电空制动机，包括列车管、f 8 型客车分配阀( 简称f 8 型分配阀) 、 f 8 电空阀、远心集尘器及支管截断塞门、副风缸、储风缸、工作风缸、折 角塞门、缓解阀、紧急制动阀和止回阀等。组成见图3 3 。 图3 3f 8 型电空制动机组成 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 4 页 2 f 8 型分配阀构造 f 8 型分配阀由主阀、辅助阀和中间体三部分组成。另设压力风缸、副 风缸和制动缸f 8 型分配阀取消了通常使用的金属胀圈一滑阀结构或膜板 一滑阀结构，采用橡胶模板活塞和柱塞结构，保证具有良好的密封效果如 图3 - - 4 所示 图3 4f 8 型分配阀的结构 3 f 8 型分配阀作用 ， f 8 型分配阀的作用有充气缓解位、常用制动位、制动保压位、阶段缓 解保压位、紧急制动位五个作用位置。 i ) 充气缓解位。初充气时，制动管空气压力增大，压缩空气经制动管， 制动支管、截断塞门和远心集尘器进人中间体。一路由滤尘器，主阀安装面 孔进入主阀；另一路经辅助阀安装面孔、滤尘网进入进入主阀的压缩空气， 经主阀暗道进入主活塞上方空间，推动主活塞向下移动，压缩制动弹簧，直 到主活塞外缘碰到下阀体，此时主阀处于充气缓解位，制动管向副风缸、压 力风缸和辅助室充气 2 ) 常用制动位。当制动管以常用制动减压时，主阀主活塞上方的空气 压力下降，而主活塞下方压力风缸压缩空气开始向制动管逆流，但由于受缩 堵i 的限制，其逆流速度较慢，随之主活塞上下形成一定的压力差，同时又 有制动弹簧的预紧力作用，推动主活塞并带动缓解柱塞、主阀杆等向上移动。 主阀处于制动位置。此时，由于缓解柱塞向上移动，切断压力风缸压缩空气 向制动管逆流的通路，使主活塞上下两侧的压力差进一步增大，主活塞迅速 向上移动缓解阀在弹簧的作用下，关闭制动缸与大气的通路。 3 ) 制动保压作用在常用制动过程中，制动管停止减压后，副风缸的 压缩空气继续进入制动缸及小活塞上方空间，当作用在主阀上向下的作用力 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 5 页 大于向上的作用力时，主阀小活塞及主活塞一起向下移，平衡阀关闭，此时 副风缸向制动缸的充气通路被切断，副风缸停止向制动缸供气主阀的其他 通路与常用制动时相同，主阀处于制动保压位如图3 - 5 所示。 图3 5f 8 型分配阀制动保压位 4 ) 阶段缓解保压位( 略) 5 ) 紧急制动位( 略) 4 f 8 型电空制动电空部分构造 f 8 型电空制动机除空气制动系统外，还增设了电空阀箱和截断塞门。 电空箱用四个m 1 6 的安装螺栓吊装在车下，箱背面有一个线孔以便连接车下 的电空制动电路。电线穿入后须包扎好以防止受潮。电空阀箱内有r s 电空 阀、紧急电空阀、过渡板及连接电路。电线引入线必须牢固地固定在接线排 上，如图3 6 所示 电空制动机用五芯电缆控制，其中1 # 一制动、2 # 缓解、3 # - - 保压、4 # 检查、5 # 零线。 图3 - - 6f 8 型电空制动箱接线图图3 7 髓型电空阀结构 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 6 页 1 ) r s 电空阀部分r s 电空阀部分包括r s 电空阀体、常用制动限制堵、 常用制动电磁阀，缓解电磁阀等。如图3 7 所示 2 ) 紧急电空阀部分( 略) 5 f