程 虎，伍川輝

（西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

高速列車一般是指時(shí)速達(dá)到200 km以上的火車，其優(yōu)點(diǎn)在于速度高、燃料省、服務(wù)優(yōu)良；因此，高速列車從一開始就顯示出了巨大的優(yōu)越性?？諝鈩?dòng)力學(xué)問題是影響高速列車運(yùn)行的最主要因素，所以高速列車車頭一般都采用流線型的車頭形狀（如TGV），外表面光滑并使玻璃窗與外部齊平，以達(dá)最優(yōu)的空氣動(dòng)力型式。高速鐵路是世界鐵路客運(yùn)發(fā)展的方向，隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車高速通過隧道引起的空氣動(dòng)力效應(yīng)（壓力波、空氣阻力、列車風(fēng)、微氣壓波等）對(duì)列車運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和旅客乘坐的舒適性及隧道周圍環(huán)境均有不良影響，是高速鐵路隧道設(shè)計(jì)中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[1-2]；因此，空氣動(dòng)力學(xué)方面的測(cè)試工作，在高速鐵路的發(fā)展過程中顯得格外重要。

1 整體測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)主要由壓力傳感器、多芯屏蔽信號(hào)線、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)器、GPS及計(jì)算機(jī)等部分組成，如圖1所示。各個(gè)傳感器將測(cè)出的信息經(jīng)由放大器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，然后進(jìn)行處理，GPS用于獲取當(dāng)前壓力信號(hào)下列車的速度[3]。

圖1 測(cè)試組成系統(tǒng)

2 傳感器的選擇和安裝

傳感器的選擇以測(cè)量精度高、對(duì)流場(chǎng)影響小為原則，選擇ENDEVCO公司生產(chǎn)的壓阻式傳感器8515C-15（圖2）或者美國KULITE LL-80壓阻式傳感器。傳感器8515C-15體積小，直徑約6.35mm，厚度約0.76mm；設(shè)計(jì)很薄，具有對(duì)流動(dòng)影響小、靈敏度很高、頻率響應(yīng)高等優(yōu)點(diǎn)。其安裝十分方便，可以使用雙面膠布直接貼附于測(cè)試部位，周圍再用其他膠帶加固[2，4]，如圖 3。

圖2 ENDEVCO壓力傳感器外形

圖3 ENDEVCO壓力傳感器全橋結(jié)構(gòu)圖

3 信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

傳感器需要2 V精密電路提供電源，調(diào)理系統(tǒng)可采用5 V電池供電。由于空氣動(dòng)力學(xué)氣壓傳感器信號(hào)內(nèi)部為全橋電路，需要外部提供穩(wěn)定的橋壓，且信號(hào)輸出變化為mV/kPa，電橋所能輸出的ΔU信號(hào)非常小，為保證測(cè)量精度，除了全程使用多芯屏蔽信號(hào)線，還需要針對(duì)傳感器設(shè)計(jì)專門的信號(hào)調(diào)理電路，將傳感器信號(hào)干擾降到最小，以便數(shù)據(jù)采集，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。信號(hào)調(diào)理板可以選用STM32F103T8為主芯片，多種可編程控制芯片以及其他模擬電路實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓信號(hào)的調(diào)理放大及濾波，KEIL-C軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的調(diào)零、放大倍數(shù)和低通濾波頻率的設(shè)置，信號(hào)調(diào)理板總體框圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理板總體框圖

傳感器輸出的信號(hào)通過可編程數(shù)字放大器放大后再由模擬放大，通過低通濾波后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。主芯片編程設(shè)置A/D芯片放大倍數(shù)，輸出相應(yīng)頻率脈沖設(shè)置低通濾波器截止頻率，同時(shí)控制D/A芯片，給A/D芯片和模擬放大電路提供參考電壓，通過反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的調(diào)零，然后通過串口通信到達(dá)上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

上位機(jī)通過串口對(duì)信號(hào)調(diào)理板進(jìn)行調(diào)零、放大倍數(shù)設(shè)置和濾波頻率設(shè)置，傳感器信號(hào)經(jīng)過調(diào)零處理后的信號(hào)調(diào)理板，將數(shù)據(jù)送達(dá)采集模塊，信號(hào)采集模塊采集并保存相關(guān)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集模塊可選用wavebook高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、NI采集器或者其他數(shù)據(jù)采集方式。

4 采集到的數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果

圖5所顯示為某高速列車在各速度級(jí)下某部位傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)DASYLab處理分析結(jié)果。

圖5 列車交會(huì)壓力波幅

一般描述列車空氣壓力波大小的量是列車空氣壓力波幅值，稱為全波，用ΔP表示，全波的值等于空氣壓力波正波幅值ΔP+和負(fù)波幅值ΔP-的絕對(duì)值之和，即

如果用Δt表示臨近的壓力波正負(fù)峰值之間的時(shí)間間隔，那么可以用壓力波的時(shí)間梯度來描述列車空氣壓力波強(qiáng)弱，即

gradΔP=ΔP/Δt

因此可以由得到的數(shù)據(jù)分析出，ΔP越大，Δt越小，梯度就很大，沖擊強(qiáng)度就會(huì)越強(qiáng)大[5]。測(cè)得的會(huì)車波形圖如圖6和圖7所示。

圖6 某測(cè)點(diǎn)330km/h明線會(huì)車波形

圖7 某測(cè)點(diǎn)高速列車330km/h隧道會(huì)車波形

圖8、圖9、圖10為某列車同側(cè)同剖面上中下3個(gè)測(cè)點(diǎn)在350km/h通過隧道所測(cè)試得出的結(jié)果[2]。圖11為某測(cè)點(diǎn)各速度級(jí)下氣壓比對(duì)。

圖8 350km/h通過隧道（側(cè)面上部位）

圖9 350km/h通過隧道（側(cè)面下部位）

圖10 350km/h通過隧道（側(cè)面中部位）

圖11 某迎風(fēng)面部位傳感器各速度級(jí)氣壓比較

測(cè)試結(jié)果可以看出，列車交會(huì)一般先出現(xiàn)正波，然后變?yōu)樨?fù)波[5]；同側(cè)同剖面相鄰部位測(cè)得的波形相似；迎風(fēng)面壓力隨車速增加而顯著增大[6-7]。各種曲線比較、重復(fù)性精度和可信度分析，試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律基本保持一致，實(shí)車試驗(yàn)有較好的重復(fù)性，證明測(cè)試結(jié)果可信，系統(tǒng)達(dá)到測(cè)試要求[5]。

5 結(jié)束語

列車高速交會(huì)產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊對(duì)行車安全、旅客的舒適度都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1，8]，精確的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試和分析勢(shì)必會(huì)對(duì)列車的舒適性、安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)高效性都帶來不可或缺的參考價(jià)值。本測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定，原件選擇簡(jiǎn)單，多方面考慮去除噪聲途徑，能滿足當(dāng)前列車壓力測(cè)試要求。

[1]王英學(xué)，高波.高速列車進(jìn)出隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究的新進(jìn)展[J].中國鐵道科學(xué)，2003，24（2）：83-87.

[2]田紅旗.列車交會(huì)空氣壓力波研究及應(yīng)用[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，1（1）：83-89.

[3]梁習(xí)鋒，田紅旗.200km/h動(dòng)車組交會(huì)空氣壓力波實(shí)驗(yàn)[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，33（6）：621-624.

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