高速列車表面壓力測試設(shè)計

程 虎，伍川輝

（西南交通大學機械學院，四川 成都 610031）

0 引 言

高速列車一般是指時速達到200 km以上的火車，其優(yōu)點在于速度高、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?？諝鈩恿W問題是影響高速列車運行的最主要因素，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，以達最優(yōu)的空氣動力型式。高速鐵路是世界鐵路客運發(fā)展的方向，隨著列車運行速度的提高，列車高速通過隧道引起的空氣動力效應(yīng)（壓力波、空氣阻力、列車風、微氣壓波等）對列車運行的安全性、經(jīng)濟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)計中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[1-2]；因此，空氣動力學方面的測試工作，在高速鐵路的發(fā)展過程中顯得格外重要。

1 整體測試系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)主要由壓力傳感器、多芯屏蔽信號線、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)器、GPS及計算機等部分組成，如圖1所示。各個傳感器將測出的信息經(jīng)由放大器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換，存儲在計算機中，然后進行處理，GPS用于獲取當前壓力信號下列車的速度[3]。

圖1 測試組成系統(tǒng)

2 傳感器的選擇和安裝

傳感器的選擇以測量精度高、對流場影響小為原則，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)計很薄，具有對流動影響小、靈敏度很高、頻率響應(yīng)高等優(yōu)點。其安裝十分方便，可以使用雙面膠布直接貼附于測試部位，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 信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集設(shè)計

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。由于空氣動力學氣壓傳感器信號內(nèi)部為全橋電路，需要外部提供穩(wěn)定的橋壓，且信號輸出變化為mV/kPa，電橋所能輸出的ΔU信號非常小，為保證測量精度，除了全程使用多芯屏蔽信號線，還需要針對傳感器設(shè)計專門的信號調(diào)理電路，將傳感器信號干擾降到最小，以便數(shù)據(jù)采集，確保數(shù)據(jù)采集的準確性。信號調(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現(xiàn)對氣壓信號的調(diào)理放大及濾波，KEIL-C軟件編程實現(xiàn)對信號的調(diào)零、放大倍數(shù)和低通濾波頻率的設(shè)置，信號調(diào)理板總體框圖如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理板總體框圖

傳感器輸出的信號通過可編程數(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，通過反饋信號實現(xiàn)對信號的調(diào)零，然后通過串口通信到達上位機界面，實現(xiàn)人機交互。

上位機通過串口對信號調(diào)理板進行調(diào)零、放大倍數(shù)設(shè)置和濾波頻率設(shè)置，傳感器信號經(jīng)過調(diào)零處理后的信號調(diào)理板，將數(shù)據(jù)送達采集模塊，信號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下某部位傳感器測得的數(shù)據(jù)DASYLab處理分析結(jié)果。

圖5 列車交會壓力波幅

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+和負波幅值ΔP-的絕對值之和，即

如果用Δt表示臨近的壓力波正負峰值之間的時間間隔，那么可以用壓力波的時間梯度來描述列車空氣壓力波強弱，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，沖擊強度就會越強大[5]。測得的會車波形圖如圖6和圖7所示。

圖6 某測點330km/h明線會車波形

圖7 某測點高速列車330km/h隧道會車波形

圖8、圖9、圖10為某列車同側(cè)同剖面上中下3個測點在350km/h通過隧道所測試得出的結(jié)果[2]。圖11為某測點各速度級下氣壓比對。

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 某迎風面部位傳感器各速度級氣壓比較

測試結(jié)果可以看出，列車交會一般先出現(xiàn)正波，然后變?yōu)樨摬╗5]；同側(cè)同剖面相鄰部位測得的波形相似；迎風面壓力隨車速增加而顯著增大[6-7]。各種曲線比較、重復性精度和可信度分析，試驗結(jié)果規(guī)律基本保持一致，實車試驗有較好的重復性，證明測試結(jié)果可信，系統(tǒng)達到測試要求[5]。

5 結(jié)束語

列車高速交會產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力沖擊對行車安全、旅客的舒適度都會產(chǎn)生嚴重影響[1，8]，精確的空氣動力學測試和分析勢必會對列車的舒適性、安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟高效性都帶來不可或缺的參考價值。本測試系統(tǒng)穩(wěn)定，原件選擇簡單，多方面考慮去除噪聲途徑，能滿足當前列車壓力測試要求。

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