加速度能量法及其在列車沖動(dòng)分析中的應(yīng)用

王好勛,楊立軍,王慧媛

(青州市節(jié)能監(jiān)察中心,山東青州262500)

列車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)是影響乘坐舒適度的主要因素,但并不是所有的振動(dòng)人體都能感受到,把那些人體能感覺(jué)到的,且對(duì)人體產(chǎn)生不良反應(yīng)的振動(dòng)定義為沖動(dòng),是宏觀上給沖動(dòng)的定義。從物理學(xué)角度沖動(dòng)的定義是列車運(yùn)行時(shí)加速度達(dá)到一定值,加速度的變化率即頻率在1～80 Hz內(nèi),且持續(xù)一定時(shí)間時(shí)就會(huì)發(fā)生沖動(dòng),3個(gè)條件必須同時(shí)滿足才會(huì)發(fā)生沖動(dòng)。繼自相關(guān)分析法之后提出了一種新能量分析法,論述了該方法在列車沖動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大模塊組成。其中,數(shù)據(jù)采集模塊主要由以 3軸加速度傳感器ADXL330為核心的傳感器電路和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡USB-9233組成,該采集卡自備信號(hào)調(diào)理電路,并可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)按一定采樣頻率采集列車運(yùn)行時(shí)縱向、橫向和垂向3個(gè)方向上的加速度數(shù)據(jù),并將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡USB-9233的USB接口將數(shù)字信號(hào)直接傳給PC機(jī);數(shù)據(jù)分析模塊是在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的,采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW7.1編程,通過(guò)在LabVIEW7.1程序中設(shè)置的模擬通道實(shí)現(xiàn)與USB-9233的無(wú)縫鏈接,并實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的保存、分析及數(shù)據(jù)波形顯示,通過(guò)對(duì)1～80 Hz內(nèi)的縱向、橫向和垂向3個(gè)方向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán),計(jì)算出各方向振動(dòng)舒適度和綜合振動(dòng)舒適度,得出振動(dòng)舒適度等級(jí),同時(shí)實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)波形和振動(dòng)舒適度等級(jí)的實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1 ADXL330特性及工作原理

ADXL330是亞德諾半導(dǎo)體公司研制的帶有信號(hào)調(diào)理電路,可提供模擬電壓輸出的小量程、小尺寸、低功耗3軸加速度計(jì),ADXL330集成了一個(gè)堅(jiān)固的3軸傳感器結(jié)構(gòu)及其信號(hào)調(diào)理電路。ADXL330基本工作過(guò)程是首先利用微傳感器感知三維的加速度,將得到的三維交流信號(hào)放大,然后分別將信號(hào)解調(diào),在輸出端分別將3路信號(hào)再次放大、濾波后輸出和加速度成正比的模擬電壓。

系統(tǒng)由3軸加速度傳感器ADXL330采集列車運(yùn)行時(shí)縱向、橫向和垂向3個(gè)方向上的加速度,然后,將采集到的3路模擬加速度信號(hào)接入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡USB-9233的3個(gè)模擬輸入通道,經(jīng)由采集卡進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)USB通訊方式接入PC機(jī)。

1.2 振動(dòng)舒適度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有列車振動(dòng)舒適度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),所以大都參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn),本文借鑒的是目前最有影響的有關(guān)鐵路旅客車輛振動(dòng)舒適度的標(biāo)準(zhǔn)——UIC 513《鐵路車輛內(nèi)旅客振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。

UIC 513標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了列車振動(dòng)舒適度的量化評(píng)價(jià),以乘客為主體,把評(píng)估結(jié)果與人體感受相對(duì)應(yīng)得出了列車振動(dòng)舒適度等級(jí)劃分表,如表1所示。

表1 列車振動(dòng)舒適度等級(jí)劃分(UIC513標(biāo)準(zhǔn))

2 加速度能量法及其在LabVIEW7.1中的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的列車沖動(dòng)分析法是“倒棒法”,由于該方法具有較大的偶然性、不穩(wěn)定性,通過(guò)研究試驗(yàn)找到了一種較穩(wěn)定的判斷列車沖動(dòng)方法——自相關(guān)分析法。相關(guān)是指客觀事物變量之間的線性關(guān)系,為了表達(dá)隨機(jī)變量之間是否存在著一定的線性關(guān)系,采用變量在不同時(shí)刻的乘積平均來(lái)描述,我們用自相關(guān)函數(shù)Rx(τ)來(lái)表示,即,對(duì)采集的信號(hào)做自相關(guān)分析把沖動(dòng)信號(hào)從信號(hào)中提取出來(lái),并得到τ=0時(shí)的Rx(τ)值,結(jié)合列車沖動(dòng)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到列車的沖動(dòng)等級(jí)。

本文提到的能量是廣義的能量,把單位質(zhì)量的動(dòng)態(tài)物理量取平方得到的稱之為能量,加速度能量法即用加速度a的平方,單位是:(m2/s4)。列車運(yùn)行時(shí)的加速度有正有負(fù),實(shí)踐證明用比較加速度大小的方法來(lái)判斷列車沖動(dòng)不合理,因?yàn)榧词乖俅蟮募铀俣?如果時(shí)間很短只有幾毫秒,也不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何影響,即乘客不會(huì)有不舒服的感覺(jué)。要發(fā)生沖動(dòng)讓乘客感覺(jué)不舒服必須滿足3個(gè)條件:加速度a達(dá)到一定值、頻率 f小于80 Hz和作用時(shí)間t足夠長(zhǎng)。為了更好的判斷沖動(dòng),提出了加速度能量概念判斷沖動(dòng)的方法,用能量法分析加速度信號(hào)并判斷沖動(dòng)的步驟如下:

將采集的加速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波,濾波頻率取200 Hz,將頻率高于200 Hz的高頻信號(hào)濾掉,只留下對(duì)人體有影響的1～80 Hz的低頻信號(hào),濾波前的高頻信號(hào)濾波后變成了直線,濾波后將加速度數(shù)據(jù)取均值,再用各個(gè)數(shù)據(jù)減去均值,然后將所得的加速度數(shù)據(jù)取平方,并顯示其波形圖,通過(guò)觀察波形判斷沖動(dòng)。

運(yùn)用加速度能量法計(jì)算,并利用LabVIEW7.1強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、波形顯示功能,通過(guò)對(duì)列車運(yùn)行中實(shí)時(shí)采集的加速度信號(hào)進(jìn)行分析處理,利用截屏得到?jīng)_動(dòng)顯示圖形。如圖2所示。

隨車記錄表明:在5～15 s時(shí)無(wú)沖動(dòng)發(fā)生,而30～40 s時(shí)有沖動(dòng)發(fā)生,但是它們的自相關(guān)圖形是一樣的,所以便錯(cuò)誤地認(rèn)為5～15 s時(shí)有沖動(dòng)發(fā)生,可見(jiàn)用自相關(guān)無(wú)法區(qū)別這兩種情況,而用能量法去分析就可以很容易地判斷出5～15 s時(shí)間段內(nèi)無(wú)沖動(dòng)發(fā)生。

圖2 濾波前后5～15 s和30～40 s時(shí)的加速度波形圖

為了加快運(yùn)算速度,本文對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行了低通濾波處理,同時(shí)為了使頻率在1～80 Hz內(nèi)的低頻數(shù)據(jù)不失真,確保數(shù)據(jù)運(yùn)算的準(zhǔn)確度,將濾波頻率設(shè)定為200 Hz。

加速度信號(hào)由直流信號(hào)和交流信號(hào)組成,然而,直流信號(hào)對(duì)人體沒(méi)有影響,真正造成沖動(dòng)從而使人體感覺(jué)到不舒服的是加速度信號(hào)中的交流成分,因此,對(duì)兩個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了取均值運(yùn)算和加速度數(shù)據(jù)減均值運(yùn)算,去掉加速度信號(hào)中的直流成分,留下產(chǎn)生沖動(dòng)的實(shí)際信號(hào)成分,其波形顯示如圖3所示,把得到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行平方運(yùn)算計(jì)算其“能量”,其波形顯示如圖4所示。

在圖3中加速度數(shù)據(jù)的單位是g,g取約10 m/s2,在圖4中,其幅值是加速度的平方,單位是g2,g2取約100 m2/s4。由圖4很容易看出在5～15 s時(shí)波形為一條直線,幅值幾乎為 0,即加速度“能量”很小;而在30～40 s期間,尤其是33～34 s時(shí)幅值很大,即加速度“能量”很大。為了更好地體現(xiàn)出沖動(dòng)過(guò)程中時(shí)間因素的影響,準(zhǔn)確地判斷出實(shí)際沖動(dòng)的大小,對(duì)該加速度“能量”信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行了低通濾波處理,濾波截止頻率為30 Hz(隨車試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值),濾波后的圖形如圖5所示。

圖3 加速度數(shù)據(jù)減均值后波形

圖4 加速度數(shù)據(jù)減均值后平方波形

從圖5中可以清楚的看到在5～15 s時(shí)間段內(nèi)波形近似為一條直線,說(shuō)明此時(shí)無(wú)沖動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生,而在30～40 s時(shí)間段內(nèi)有兩個(gè)波峰,說(shuō)明發(fā)生了兩次沖動(dòng),第1次發(fā)生在33～34.5 s時(shí),第2次發(fā)生在35～36 s時(shí)。用能量法分析得到的結(jié)果與在列車上的實(shí)際感受相吻合,充分證明了能量法判斷沖動(dòng)的有效性和可行性。如果用傳統(tǒng)的“倒棒”法和自相關(guān)分析法,兩種方法都會(huì)錯(cuò)誤地將5～15 s時(shí)的情況判定為沖動(dòng),傳統(tǒng)的“倒棒”法本身就存在可能發(fā)生粗棒倒而細(xì)棒不倒的問(wèn)題,并且用自相關(guān)分析法會(huì)將30～40 s時(shí)間段內(nèi)的兩次沖動(dòng)誤認(rèn)為一次沖動(dòng),可見(jiàn),傳統(tǒng)的“倒棒”法存在偶然性和不科學(xué)性,而自相關(guān)分析法也有一定的弊端。

圖5 加速度數(shù)據(jù)減均值平方后濾波波形

3 結(jié)束語(yǔ)

加速度能量法從加速度a、頻率 f和時(shí)間t 3個(gè)因素分析沖動(dòng),彌補(bǔ)了自相關(guān)分析法的不足,為列車沖動(dòng)的判定和列車舒適度的評(píng)價(jià)提供了一種有效可行的新方法,參考UIC 513標(biāo)準(zhǔn),采用虛擬儀器技術(shù)在Lab-VIEW7.1環(huán)境下開(kāi)發(fā)的列車振動(dòng)舒適度檢測(cè)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)清楚、直觀地顯示了列車的加速度和振動(dòng)舒適度的等級(jí),具有良好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性,為正確評(píng)價(jià)列車乘坐舒適度評(píng)價(jià)打下基礎(chǔ)。

[1] 楊樂(lè)平,李海濤,等.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

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