鐵路風(fēng)速風(fēng)向傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究

王哲，孫博，魯寨軍，李田，蓋增杰

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鐵路風(fēng)速風(fēng)向傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究

王哲1, 2, 3，孫博1, 2, 3，魯寨軍1, 2, 3，李田1, 2, 3，蓋增杰4

(1. 中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075； 2. 中南大學(xué) 軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075； 3. 中南大學(xué) 軌道交通列車安全保障技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長沙 410075； 4. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

風(fēng)速風(fēng)向傳感器能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確可靠地提供風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，是確保風(fēng)區(qū)鐵路運(yùn)輸安全的關(guān)鍵要素之一。蘭新鐵路大風(fēng)具有風(fēng)速變化范圍大、風(fēng)向變化快的特性，對傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性提出更高的要求。通過風(fēng)洞模擬真實(shí)環(huán)境下風(fēng)速風(fēng)向改變的條件，對超聲式和熱場式風(fēng)速風(fēng)向傳感器及強(qiáng)風(fēng)儀分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明：各傳感器均存在風(fēng)速跟隨性誤差，但均滿足使用要求；熱場式傳感器的風(fēng)向跟隨誤差較小，超聲波傳感器風(fēng)向跟隨誤差相對稍大，且風(fēng)向輸出不穩(wěn)定；風(fēng)向改變角速度降低時(shí)，傳感器風(fēng)向輸出波動(dòng)明顯減小。

風(fēng)速風(fēng)向傳感器；動(dòng)態(tài)性能；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)；校核參數(shù)

隨著列車運(yùn)行速度的提升，列車運(yùn)行安全性受到更多的關(guān)注。惡劣環(huán)境(特別是大風(fēng))對列車氣動(dòng)性能影響極大[1?3]，是引起行車安全問題的重要原因之一。為了最大限度保障列車運(yùn)行安全，各國均建立了大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，指揮行車[4?7]。風(fēng)速風(fēng)向傳感器作為大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成部分，其輸出準(zhǔn)確性對行車指揮系統(tǒng)具有重要作用。劉昕等[8?10]通過對風(fēng)速風(fēng)向傳感器的實(shí)驗(yàn)，得到風(fēng)洞校準(zhǔn)和現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，能夠獲得傳感器的性能參數(shù)。但目前對風(fēng)速風(fēng)向傳感器的標(biāo)定多為靜態(tài)校準(zhǔn)，考核其靜態(tài)指標(biāo)，忽略其在變化的環(huán)境中輸出穩(wěn)定性。新疆鐵路風(fēng)區(qū)是世界鐵路內(nèi)陸大風(fēng)風(fēng)速最高、風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一。百里風(fēng)區(qū)最大瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)60 m/s[12]，8級(jí)以上大風(fēng)盛行風(fēng)向較為穩(wěn)定，集中在NNE至NNW方向上。但是通過對大風(fēng)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到在新疆鐵路沿線不同位置的大風(fēng)監(jiān)測站風(fēng)向略有不同，十三間房站累年最大風(fēng)速的風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，風(fēng)向最為集中，最多風(fēng)向頻率達(dá)到59.3%，烏魯木齊風(fēng)向最為分散，最多風(fēng)向頻率為14.9%。研究表明：老風(fēng)口不同于新疆其他風(fēng)區(qū)，該地區(qū)在持續(xù)大風(fēng)天氣過程中，東、西大風(fēng)相繼出現(xiàn)，風(fēng)向交替明顯，在某次連續(xù)大風(fēng)天氣過程中，風(fēng)向交替4次，偏東大風(fēng)極大值為28.3 m/s，偏西大風(fēng)極大值為32.5 m/s。同時(shí)有研究人員通過對2015~2016年新疆南疆線百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)分析，表明南疆線百里風(fēng)區(qū)典型強(qiáng)風(fēng)天氣的脈動(dòng)性較強(qiáng)。風(fēng)速風(fēng)向傳感器穩(wěn)定、高效的運(yùn)行是保障列車正常運(yùn)行的條件。本文通過對新疆鐵路沿線風(fēng)場進(jìn)行分析，并結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對多種類型傳感器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試，提出一種新的動(dòng)態(tài)參數(shù)考核方法，不僅能快速、準(zhǔn)確得出各類型傳感器在不同環(huán)境下的測量準(zhǔn)確性，同時(shí)為風(fēng)區(qū)鐵路用風(fēng)速風(fēng)向傳感器選型提供依據(jù)。

1 新疆鐵路沿線環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向特性分析

選取2014年蘭新鐵路第二客運(yùn)專線某一測風(fēng)站大風(fēng)數(shù)據(jù)為分析對象，風(fēng)速數(shù)據(jù)如圖1所示，風(fēng)向數(shù)據(jù)如圖2所示。其中圖2(a)為實(shí)時(shí)風(fēng)向數(shù)據(jù)，圖2(b)為風(fēng)向數(shù)據(jù)的每秒變化值。

圖1 風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線

由圖1風(fēng)速變化曲線可以看出，風(fēng)速由5 m/s增加到25 m/s的起風(fēng)時(shí)間為1 h，風(fēng)速由25 m/s降低到5 m/s以下的停風(fēng)階段的時(shí)間小于1 h，在這2個(gè)階段風(fēng)速變化較快。

由圖2(a)可得到，同一場大風(fēng)中，當(dāng)風(fēng)速大于某一值時(shí)，風(fēng)向比較穩(wěn)定，但是在風(fēng)速較小的起風(fēng)階段和風(fēng)停階段，風(fēng)向變化較大。因傳感器風(fēng)向測量范圍為0°~359°，當(dāng)風(fēng)向跨越0°時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)曲線，因此對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)風(fēng)向大于180°時(shí)，′=?360°，同時(shí)對風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算，用后1 s的數(shù)據(jù)減去前1 s的數(shù)據(jù)，得到其差值(即風(fēng)向變化率)，并繪制風(fēng)向變化率隨時(shí)間變化的曲線如圖2(b)所示。最大變化角度為79 (°)/s，風(fēng)向角的變化集中在?40°~40°。

為了保證測試數(shù)據(jù)的可靠性，《鐵科技[2013]50號(hào)高鐵風(fēng)速風(fēng)向、雨量監(jiān)測設(shè)備技術(shù)條件》對現(xiàn)有多種類型風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測設(shè)備提出相應(yīng)的技術(shù)條件。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場環(huán)境起風(fēng)速度快、變化劇烈，但是現(xiàn)有技術(shù)條件只是針對傳感器靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，缺乏相關(guān)動(dòng)態(tài)測量標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。為了保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此需要在風(fēng)洞中模擬現(xiàn)場環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向改變的環(huán)境，對傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析。

(a) 風(fēng)向角實(shí)測數(shù)據(jù)；(b) 風(fēng)向角變化率

2 風(fēng)速風(fēng)向傳感器動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)設(shè)備及檢測參數(shù)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)速風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)風(fēng)洞。該風(fēng)洞同時(shí)具備高速試驗(yàn)段和低速試驗(yàn)段，本文試驗(yàn)在高速試驗(yàn)段完成。高速試驗(yàn)段高0.8 m，寬1 m，長3.4 m，風(fēng)速范圍為5~60 m/s，速度穩(wěn)定性≤0.5%，湍流度≤0.5%。試驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)物圖如圖3所示，風(fēng)洞中安裝角度儀，角度儀與步進(jìn)電機(jī)相連，通過PC電腦控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)得到不同的旋轉(zhuǎn)角度。角度儀在旋轉(zhuǎn)開始階段和結(jié)束階段的旋轉(zhuǎn)加速度為18 (°)/s2，穩(wěn)定階段的旋轉(zhuǎn)速度通過控制面板進(jìn)行設(shè)置。風(fēng)洞風(fēng)速通過微差壓傳感器測量風(fēng)洞試驗(yàn)段不同截面的多點(diǎn)靜壓平均值計(jì)算得到。微差壓傳感器微ZCY- 012系列智能數(shù)字差壓傳感器，具有精密溫度補(bǔ)償和信號(hào)放大功能，靈敏度高、穩(wěn)定性好、精度高，能實(shí)時(shí)穩(wěn)定輸出風(fēng)洞風(fēng)速值。

(a) 整體圖；(b) 試驗(yàn)段內(nèi)部圖

2.2 試驗(yàn)用風(fēng)速風(fēng)向傳感器

目前，鐵路大風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)用的傳感器有超聲傳感器、熱場傳感器和機(jī)械式風(fēng)速儀三大類。機(jī)械式風(fēng)速儀由螺旋槳或葉片組成，目前應(yīng)用最為廣泛。螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度與風(fēng)速成正比，通過測量螺旋槳的轉(zhuǎn)速可以得到風(fēng)速數(shù)據(jù)，但是其存在旋轉(zhuǎn)部件，具有慣性并且容易引起機(jī)械磨損[13]。

超聲波式風(fēng)速儀通過測量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間得到風(fēng)速，并因采樣率高和實(shí)時(shí)性好，且不存在機(jī)械磨損，得到廣泛應(yīng)用[14]。但是超聲波探頭具有較差的環(huán)境適應(yīng)性，容易受到沙塵的影響。

熱線或熱場式風(fēng)速儀的工作原理分為恒溫和恒流2種模式，通過加熱周圍空氣，并將熱量流失轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而得到風(fēng)速。熱場式風(fēng)速儀在測量低速流動(dòng)時(shí)具有較高的穩(wěn)定性[15]，但是相比其他類型傳感器，熱場式風(fēng)速儀具有較大的功耗，并且在測量過程中，加熱元件極易被損壞。

試驗(yàn)選取不同廠家的不同類型的傳感器，如表1所示。試驗(yàn)傳感器包含2個(gè)超聲式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，1個(gè)熱場式風(fēng)速風(fēng)向傳感器和1個(gè)強(qiáng)風(fēng)儀，4個(gè)傳感器的量程均為0~70 m/s。進(jìn)行動(dòng)態(tài)指標(biāo)校準(zhǔn)之前，均對各傳感器進(jìn)行靜態(tài)指標(biāo)校準(zhǔn)，各傳感器靜態(tài)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因強(qiáng)風(fēng)儀存在旋轉(zhuǎn)部件和慣性，對風(fēng)速測量存在較大的滯后性，因此本文主要研究和對比超聲傳感器和熱場傳感器，強(qiáng)風(fēng)儀只進(jìn)行風(fēng)速啟停實(shí)驗(yàn)，風(fēng)向跟隨性不討論。

表1 實(shí)驗(yàn)傳感器

2.3 風(fēng)速風(fēng)向傳感器動(dòng)態(tài)特性檢測參數(shù)

動(dòng)態(tài)標(biāo)定是指風(fēng)速風(fēng)向傳感器在外界環(huán)境風(fēng)變化的情況下，輸出風(fēng)速風(fēng)向的準(zhǔn)確性，包括風(fēng)速變化和風(fēng)向變化。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室風(fēng)速0~60 m/s連續(xù)可調(diào)，通過在風(fēng)洞中安裝角度儀，并將風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝在角度儀上，由電腦控制角度儀進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，模擬環(huán)境風(fēng)向改變的情形，從而根據(jù)輸出數(shù)據(jù)得到風(fēng)速風(fēng)向傳感器的跟隨特性以及風(fēng)向改變時(shí)風(fēng)速輸出穩(wěn)定性。

《鐵科技[2013]50號(hào)高鐵風(fēng)速風(fēng)向、雨量監(jiān)測設(shè)備技術(shù)條件》中對傳感器的靜態(tài)指標(biāo)做了詳細(xì)的描述，本文對多種傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并得到傳感器動(dòng)態(tài)指標(biāo)標(biāo)定方法。該方法適用于檢測超聲波式和熱場傳感器的風(fēng)速和風(fēng)向動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。為了能捕捉風(fēng)速的動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)規(guī)范，傳感器的采樣頻率設(shè)置為4 Hz，風(fēng)速輸出4 次/s，風(fēng)向輸出1次/s。

1) 風(fēng)洞風(fēng)速啟停跟隨性實(shí)驗(yàn)：啟動(dòng)風(fēng)洞，同時(shí)記錄風(fēng)洞風(fēng)速和傳感器輸出風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)洞風(fēng)速達(dá)到設(shè)定風(fēng)速后穩(wěn)定一段時(shí)間，關(guān)閉風(fēng)洞，對比風(fēng)洞風(fēng)速和傳感器輸出風(fēng)速的變化曲線；

2) 風(fēng)向旋轉(zhuǎn)跟隨性實(shí)驗(yàn)：使傳感器在穩(wěn)定的風(fēng)洞風(fēng)速中旋轉(zhuǎn)，模擬環(huán)境風(fēng)向不穩(wěn)定的情形，以不同的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析傳感器輸出數(shù)據(jù)，得到風(fēng)向跟隨性。

3 風(fēng)速風(fēng)向傳感器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 風(fēng)洞風(fēng)速啟停跟隨性實(shí)驗(yàn)

傳感器風(fēng)向角固定，風(fēng)洞風(fēng)速以最快速度從0 m/s增加到50 m/s，并穩(wěn)定一段時(shí)間后，切斷風(fēng)洞風(fēng)機(jī)電源，讓風(fēng)洞風(fēng)速再從50 m/s減到0 m/s過程中傳感器對風(fēng)洞風(fēng)速的響應(yīng)。實(shí)時(shí)記錄風(fēng)洞風(fēng)速和傳感器風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

傳感器在風(fēng)洞中安裝如圖4所示。

(a) LUFFT WS500超聲傳感器；(b) IRDAM WST6000熱場傳感器；(c) LUFFT-VENTUS超聲傳感器；(d) 強(qiáng)風(fēng)儀

圖5 傳感器風(fēng)速啟停響應(yīng)曲線

實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)速上升速度和下降速度均大于現(xiàn)場真實(shí)環(huán)境。如圖5所示，在上升和下降階段各傳感器輸出均能實(shí)時(shí)反映真實(shí)風(fēng)速大小。由圖5可以看出，IRDAM WST6000熱場式傳感器具有最好的跟隨性，滯后時(shí)間僅為0.9 s；LUFFT WS500超聲波傳感器在風(fēng)速上升階段具有較好的跟隨性，但是風(fēng)速大于40 m/s時(shí)具有一定的滯后性，滯后時(shí)間為10 s；LUFFT-VENTUS超聲波傳感器雖然跟隨性很好，但是在風(fēng)速穩(wěn)定階段輸出具有波動(dòng)性，穩(wěn)定性較差；強(qiáng)風(fēng)儀在因?yàn)閼T性旋轉(zhuǎn)部件的存在，開始階段滯后風(fēng)洞風(fēng)速，并且在下降階段具有較明顯的滯后性。

3.2 變風(fēng)向情況下風(fēng)速風(fēng)向測試實(shí)驗(yàn)

在風(fēng)速不變的情況下，利用電動(dòng)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)，模擬自然環(huán)境下風(fēng)向突變的情況，根據(jù)傳感器輸出風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，與風(fēng)洞風(fēng)速和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)對比，得到變風(fēng)向條件下傳感器輸出結(jié)果以及傳感器的風(fēng)向跟隨性。

將傳感器安裝在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤由步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)加速和減速階段的加速度均為18 (°)/s，穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速度為45 (°)/s，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)洞風(fēng)速穩(wěn)定在20 m/s時(shí)，設(shè)定轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度為720°，轉(zhuǎn)盤進(jìn)行自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。傳感器的風(fēng)速輸出如圖6所示。

(a) 傳感器風(fēng)速值；(b) 風(fēng)速相對誤差值

由圖6可知，在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速為20 m/s時(shí)，以45 (°)/s改變風(fēng)向，傳感器的輸出會(huì)發(fā)生變化，其中WST6000熱場傳感器輸出較穩(wěn)定，誤差較小；WS500和VENTUS超聲波傳感器在風(fēng)向改變時(shí)，輸出結(jié)果存在較大誤差，最大誤差分別為3.1 m/s和2.3 m/s。

當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器的風(fēng)向數(shù)據(jù)輸出如圖7所示。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由上位機(jī)程序控制，轉(zhuǎn)盤以?18 (°)/s2的加速度加速至45 (°)/s后穩(wěn)定運(yùn)行，然后以?18 (°)/s2的加速度減速至0。因此，理論上傳感器的風(fēng)向值應(yīng)該與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值一致，因電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)720°，所以風(fēng)速傳感器的風(fēng)向數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理，即在轉(zhuǎn)完第1個(gè)360°之后的輸出值應(yīng)該加360°。由圖7數(shù)據(jù)可知，IRDAM WST 6000熱場傳感器的風(fēng)向值與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度趨勢一致，但存在一定的滯后，即存在風(fēng)向跟隨誤差，且誤差較小；LUFFT WS500和LUFFT- VENTUS超聲波傳感器同樣具有風(fēng)向跟隨誤差，且風(fēng)向輸出不穩(wěn)定，誤差較大。

圖7 變風(fēng)向時(shí)傳感器風(fēng)向輸出曲線

3.3 變風(fēng)向角改變率情況下傳感器風(fēng)速風(fēng)向測試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以不同的風(fēng)向改變角度進(jìn)行，根據(jù)傳感器輸出值分析其性能參數(shù)。傳感器為LAMBRECHT- 16420熱場傳感器，如圖8所示，該傳感器風(fēng)速測量范圍為0~60 m/s，風(fēng)向?yàn)?°~360°。

圖8 LAMBRECHT-16420熱場式風(fēng)速傳感器安裝圖

實(shí)驗(yàn)分別以90，45，30和20 (°)/s進(jìn)行，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析傳感器在不同的風(fēng)向角變化速度時(shí)的風(fēng)向跟隨性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，當(dāng)風(fēng)向以90 (°)/s的速度改變時(shí)，傳感器風(fēng)向輸出具有較大波動(dòng)，處于非正常工作狀態(tài)，但是當(dāng)風(fēng)向改變角速度降低時(shí)，波動(dòng)明顯減小。當(dāng)風(fēng)向以20 (°)/s改變時(shí)，傳感器風(fēng)向輸出趨于穩(wěn)定。

(a) 旋轉(zhuǎn)速度90 (°)/s；(b) 旋轉(zhuǎn)速度45 (°)/s；(c) 旋轉(zhuǎn)速度30 (°)/s；(d) 旋轉(zhuǎn)速度20 (°)/s

4 結(jié)論

1) 實(shí)驗(yàn)用多個(gè)傳感器的風(fēng)速啟停跟隨特性略有差異，但均可滿足要求。

2) 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器在風(fēng)向改變時(shí)，由于探頭和4個(gè)圓柱會(huì)引起流場的變化，造成測量誤差，而熱場式風(fēng)速風(fēng)向傳感器在風(fēng)洞中旋轉(zhuǎn)時(shí)受到干擾較小。因此，WST6000熱場式風(fēng)速風(fēng)向傳感器在環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向變化的情況下較WS500和VENTUS超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器具有較好的表現(xiàn)，輸出穩(wěn)定性較高。

3) LAMBRECHT-16420熱場傳感器在以不同風(fēng)向改變角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，其風(fēng)向跟隨性具有較大差異，在風(fēng)向跟隨性風(fēng)向以90 (°)/s的速度改變時(shí)，傳感器風(fēng)向輸出具有較大波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)向改變角速度降低時(shí)，波動(dòng)明顯減小。當(dāng)風(fēng)向以20 (°)/s改變時(shí)，傳感器風(fēng)向輸出在開始階段出現(xiàn)波動(dòng)，但之后趨于穩(wěn)定。

[1] 周丹, 田紅旗, 魯寨軍. 大風(fēng)對路堤上運(yùn)行的客運(yùn)列車氣動(dòng)性能的影響[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2007, 7(4): 6?9. ZHOU Dan, TIAN Hongqi, LU Zhaijun. Influence of strong crosswind on aerodynamic performance of passenger train running on embankment[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2007, 7(4): 6?9.

[2] 魯寨軍, 田紅旗. 大風(fēng)環(huán)境下YW25G型客車橫向振動(dòng)偏移量研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 8(3): 57? 61. LU Zhaijun, TIAN Hongqi. Research on YW25Gpassenger-car’s lateral vibration offsets under strong winds[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2011, 8(3): 57?61.

[3] 李鵬, 梁習(xí)鋒, 牛紀(jì)強(qiáng). 突風(fēng)口環(huán)境下的高速列車周圍流場數(shù)值模擬[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2017, 14(6): 1113?1121. LI Peng, LIANG Xifeng, NIU Jiqiang. Numerical simulation of the flow around a high-speed train moving through a crosswind flow[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(6): 1113?1121.

[4] 夏祎萌, 何清, 李軍, 等. 新疆大風(fēng)災(zāi)害災(zāi)度和危險(xiǎn)度分析[J]. 中國沙漠, 2012, 32(4): 1025?1028. XIA Yimeng, HE Qing, LI Jun, et al. Disaster degree and risk degree of wind disasters in Xinjiang[J]. Journal of Desert Research, 2012, 32(4): 1025?1028.

[5] Heine Chr, Matschke G. Full scale tests on side wind effects on trains evaluation of aerodynamic coefficients and efficiency of wind breaking devices[J]. Springer Berlin Heidelberg, 2000, 23(79): 1938?1941.

[6] Fujii T, Maeda T, Ishida H, et al. Wind-induced accidents of train/vehicles and their measures in Japan[J]. Quarterly Report of Rtri, 1999, 40(1): 50?55.

[7] 劉慶寬, 杜彥良, 喬富貴. 日本列車橫風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)對策研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2008, 30(1): 82?88. LIU Qingkuang, DU Yanliang, QIAO Fugui. Trian- crosswind and strong wind countermeasure research in Japan[J]. Journal of the China Railway Society, 2008, 30(1): 82?88.

[8] 劉昕, 邊澤強(qiáng), 李松奎. 自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法研究[J]. 計(jì)量與測試技術(shù), 2015, 42(8): 7?9. LIU Xin, BIAN Zeqiang, LI Songkui. Field calibration method of wind direction and wind velocity sensor[J]. Metrology & Measurement Technique, 2015, 42(8): 7?9.

[9] 論立勇, 陳厚磊,蔡京輝. 高壓交變流動(dòng)下熱線風(fēng)速儀標(biāo)定方法研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2016, 24(3): 87?90. LUN Liyong, CHEN Houlei, CAI Jinghui. Investigation on calibration method of hot-wire anemometer in high pressure reciprocating flow[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2016, 24(3): 87?90.

[10] 李國祥, 劉云崗, 陸辰, 等. 熱線風(fēng)速傳感器X型探針的一種新標(biāo)定方法[J]. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量, 1997, 11(4): 57?61. LI Guoxiang, LIU Yungang, LU Chen, et al. A new calibration method for X-probes of anemometers[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 1997, 11(4): 57?61.

[11] LIU Bin. Wind characteristic analysis of 100-kilometer wind area in Lanzhou-Xinjiang high-speed railway[C]// 2017 2nd International Conference on Industrial Aerodynamics, 2017: 562?571.

[12] 李紅軍, 趙勇, 霍文, 等. 新疆“百里、三十里風(fēng)區(qū)”鐵路沿線設(shè)計(jì)風(fēng)速研究[J]. 干旱區(qū)地理, 2011, 34(6): 941?947. LI Hongjun, ZHAO Yong, HUO Wen, et al. Design wind speed along railway in Baili and Shanshili Wind Area, Xinjiang[J]. Journal of Desert Research, 2011, 34(6): 941?947.

[13] Ligeza P. An alternative mathematical model of vane anemometers based on the balance of power[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2017, 54: 210?215.

[14] Wyngaard J C, ZHANG S F. Transducer-shadow effects on turbulence spectra measured by sonic anemometers[J]. Journal of Atmosphere and Oceanic Technology, 1985, 2: 548?558.

[15] Rachalski A. Absolute measurement of low gas flow by means of the spectral analysis of the thermal wave[J]. Review of Scientific Instruments, 2013, 84: 025105.

Experimental study on dynamic responses of railway wind speed and direction sensor

WANG Zhe1, 2, 3, SUN Bo1, 2, 3, LU Zhaijun1, 2, 3, LI Tian1, 2, 3, GAI Zengjie4

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track (Central South University), Ministry of Education, Changsha 410075, China; 2. Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety, Changsha 410075, China; 3. National & Local Joint Engineering Research Center of Safety Technology for Rail Vehicle, Changsha 410075, China; 4. CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao 266111, China)

Wind sensor can provide wind speed and direction data accurately and reliably in real time. It is one of the key elements to ensure the safety of railway transportation in windy area. Lanzhou-Xinjiang Railway gale has the characteristics of large range of wind speed, quickly changes of wind direction. Therefore the dynamic response characteristics of the sensor should be put forward higher requirements. Through the wind tunnel simulation of wind speed and wind direction under real conditions, the dynamic characteristics experiments of ultrasonic and thermal field wind sensors and mechanical anemometers were respectively carried out. The conclusions are as follows. Each sensor has wind speed follow error, but all meet the requirements. The error of the wind direction of the thermal field sensor is smaller, the error of the wind direction of the ultrasonic sensor is relatively larger, and the wind direction output is unstable. When the angular velocity is reduced by the changes of wind direction, the sensor wind direction output fluctuations significantly reduced.

wind sensor; dynamic performance; wind tunnel test; parameter checking

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.028

U270.7

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0494 ? 07

2018?02?05

中國鐵路總公司科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(Z2015T-002)；國家鐵路局課題(KF2017-006)

魯寨軍(1975?)，男，湖南醴陵人，教授，從事軌道車輛動(dòng)力學(xué)方面的研究；E?mail：qlzjzd@csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)