多勐

（中國航空工業(yè)空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著列車運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高，受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的滑動摩擦更加劇烈，機(jī)車車體振動、風(fēng)速等隨機(jī)因素對弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響的不斷增強(qiáng)，這些直接影響列車運(yùn)行受流的可靠性和受流質(zhì)量。受電弓的振動特性直接影響弓網(wǎng)系統(tǒng)的相互作用，和高速列車運(yùn)行的安全息息相關(guān)[1]。受電弓風(fēng)致振動特性風(fēng)洞試驗主要目的是為測定高速列車受電弓在氣動風(fēng)載情況下的振動特性，以掌握高速受電弓的服役環(huán)境，為列車在高速運(yùn)行條件下列車弓網(wǎng)關(guān)系研究提供振動試驗數(shù)據(jù)支撐，為高速受電弓的評價和改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。

設(shè)計一套受電弓振動特性數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三軸加速度計、數(shù)據(jù)調(diào)理裝置、動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集處理軟件組成，該系統(tǒng)不僅能夠在時域和頻域下對受電弓振動情況進(jìn)行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，當(dāng)振動幅值超限后還能預(yù)警和停車。

1 系統(tǒng)功能需求

振動加速度時域信號均方值獲取和FFT 分析是受電弓振動特性分析的關(guān)鍵技術(shù)，整個系統(tǒng)功能需求如下：

1.1 受電弓弓頭、臂桿和底座布置6 個三向加速度測點(diǎn)；

1.2 能夠在波形圖上實時顯示測量數(shù)據(jù)；

1.3 能夠在每條吹風(fēng)曲線上計算振動加速度的平均值、均方根值、最大值和最小值；

1.4 能夠?qū)r域信號進(jìn)行FFT 分析；

1.5 能夠設(shè)定預(yù)警值，當(dāng)振動信號超限時能夠報警和停車。

2 系統(tǒng)硬件組成

本文研制的受電弓風(fēng)洞試驗振動測量系統(tǒng)硬件部分主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、信號調(diào)理儀、加速度計組成。

加速度計是三軸向信號輸出傳感器，該傳感器獨(dú)立測量x軸方向、y 軸方向和z 軸方向加速度值，并分別輸出三路電荷信號。加速度計主要性能指標(biāo)如表1。

表1 加速度計性能參數(shù)

信號調(diào)理儀是共地型信號調(diào)理裝置，主要功能是為加速度計供電并過濾掉其偏置電壓。

主要性能參數(shù)如表2。

表2 信號調(diào)理儀性能參數(shù)

振動數(shù)據(jù)采用PXIe-4497 聲音與振動模塊進(jìn)行采集，最大采樣速率為204.8kS/s、2 倍增益、交直流耦合，專為高通道數(shù)聲音和振動應(yīng)用而設(shè)計。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件概述

受電弓風(fēng)洞試驗振動數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)采集軟件采用LabVIEW 軟件進(jìn)行開發(fā)。LabVIEW 程序又稱虛擬儀器，程序為框圖形勢，是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。

3.2 軟件設(shè)計

軟件是整個測量系統(tǒng)核心，在LabVIEW 軟件環(huán)境下開發(fā)，軟件主要由以下三個功能模塊組成，數(shù)據(jù)采集及顯示模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊及主控通訊模塊。

數(shù)據(jù)采集及實時顯示模塊主要功能是對受電弓振動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和振動時域曲線的實時顯示。利用PXIe-4497聲音與振動模塊提供的函數(shù)庫接口，在LabVIEW 軟件環(huán)境下創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集函數(shù)，并將采集到數(shù)據(jù)存儲到文件中，待數(shù)據(jù)處理時用。本功能模塊可以設(shè)定數(shù)據(jù)采樣率、采集通道數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)、存儲路徑、曲線顏色、超限報警等功能。

數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是把采集保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，這樣可以得到固定側(cè)滑角下不同風(fēng)速時各測量點(diǎn)的振動頻率、均值、均方根值、極限值等結(jié)果，通過這些處理數(shù)據(jù)分析受電弓的振動特性、振動強(qiáng)度與風(fēng)速的關(guān)系。

主控通訊模塊主要用于測量軟件系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的通訊，把測量系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)信息傳遞給主控系統(tǒng)，并接受主控系統(tǒng)的指令。一旦測量軟件監(jiān)測到受電弓的振動值超過預(yù)設(shè)停車值，將觸發(fā)共享變量的控制功能，啟動緊急停車和安全保護(hù)機(jī)制。

4 風(fēng)洞試驗驗證

4.1 試驗件及試驗平臺

試驗件為受電弓，比例1:1，最大高度1.65m，最大寬度1.95m。試驗構(gòu)型包括降弓狀態(tài)和升弓狀態(tài)兩種，試驗支撐采用FL-9 風(fēng)洞三號架車。

此次試驗是在FL-9 低速增壓風(fēng)洞進(jìn)行，F(xiàn)L-9 風(fēng)洞是以提高洞內(nèi)氣流壓力的方式來提高試驗雷諾數(shù)的，其主要參數(shù)如下：

試驗段截面尺寸：4.5m×3.5m×10m（寬×長×高）；

壓力范圍：常壓～0.4MPa[2]。

4.2 加速度計的安裝

在受電弓弓頭、臂桿和底座布置6 個三向加速度測點(diǎn)，測定受電弓各關(guān)鍵位置的振動情況，每個加速度計在受電弓上的詳細(xì)安裝位置見圖1。

圖1 受電弓加速度測點(diǎn)分布

4.3 試驗結(jié)果

試驗時PXI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)采樣時間為10s，采樣頻率為2000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為20000 點(diǎn)，數(shù)據(jù)利用LabVIEW 軟件進(jìn)行編程處理。

4.3.1 振動特性分析

以試驗風(fēng)速V=28m/s 和111m/s、側(cè)滑角β=0°時為例，對升弓狀態(tài)下弓頭滑板x 方向振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

當(dāng)風(fēng)速28m/s 時，弓頭滑板x 方向振動頻率為32.5Hz，見圖2，均方值為0.395，最大加速度值為1.5m/s2。

圖2 弓頭滑板x 方向振動信號FFT（V=28m/s）

當(dāng)風(fēng)速111m/s 時，弓頭滑板x 方向振動頻率為32.5Hz，見圖3，均方值為3.58757，最大加速度值為14.8m/s2；

從上面的分析可以看出，受電弓弓頭滑板x 方向在風(fēng)速從28m/s 到111m/s 的變化中的振動主頻沒有明顯變化，而均方值與最大加速度值有明顯的變化。

4.3.2 振動強(qiáng)度與風(fēng)速的關(guān)系

圖3 弓頭滑板x 方向振動信號FFT（V=111m/s）

分析受電弓振動強(qiáng)度與風(fēng)速之間的關(guān)系可以直接分析振動信號均方值與風(fēng)速之間的關(guān)系。

圖4 例舉了在升弓狀態(tài)下弓頭滑板位置x 方向在不同風(fēng)速及側(cè)滑角下加速度均方值與風(fēng)速的關(guān)系，圖表橫坐標(biāo)β 表示受電弓側(cè)滑角度值，縱坐標(biāo)RMS 表示加速度均方值。

圖4 中可以看出在受電弓升弓狀態(tài)下隨著風(fēng)速的增大，弓頭滑板位置x 方向加速度均方值逐步增大，不同側(cè)滑角狀態(tài)都表現(xiàn)都表現(xiàn)為振動強(qiáng)度隨風(fēng)速增大而增加這種關(guān)系，振動強(qiáng)度最大的位置出現(xiàn)在在V=111m/s、β=180°時，均方根值達(dá)到8.2，而最大加速度絕對值值達(dá)到30m/s2。

圖4 升弓狀態(tài)弓頭滑板x 方向測量點(diǎn)曲線

5 結(jié)論

本文針對高鐵受電弓在FL-9 風(fēng)洞進(jìn)行的風(fēng)致振動特性試驗開發(fā)出了振動數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、安裝便捷，軟件設(shè)計人性化、兼容性好。測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，并能對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，還能夠?qū)崟r監(jiān)控受電弓各個測量點(diǎn)振動情況，并能對加速度超限情況進(jìn)行預(yù)警和安全停車，使FL-9 風(fēng)洞具備了開展高鐵受電弓風(fēng)致振動特性的試驗?zāi)芰Α?/p>