受電弓風(fēng)洞試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)研制

多勐

（中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著列車(chē)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(dòng)摩擦更加劇烈，機(jī)車(chē)車(chē)體振動(dòng)、風(fēng)速等隨機(jī)因素對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響的不斷增強(qiáng)，這些直接影響列車(chē)運(yùn)行受流的可靠性和受流質(zhì)量。受電弓的振動(dòng)特性直接影響弓網(wǎng)系統(tǒng)的相互作用，和高速列車(chē)運(yùn)行的安全息息相關(guān)[1]。受電弓風(fēng)致振動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)主要目的是為測(cè)定高速列車(chē)受電弓在氣動(dòng)風(fēng)載情況下的振動(dòng)特性，以掌握高速受電弓的服役環(huán)境，為列車(chē)在高速運(yùn)行條件下列車(chē)弓網(wǎng)關(guān)系研究提供振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，為高速受電弓的評(píng)價(jià)和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

設(shè)計(jì)一套受電弓振動(dòng)特性數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三軸加速度計(jì)、數(shù)據(jù)調(diào)理裝置、動(dòng)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(shí)域和頻域下對(duì)受電弓振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，當(dāng)振動(dòng)幅值超限后還能預(yù)警和停車(chē)。

1 系統(tǒng)功能需求

振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)均方值獲取和FFT 分析是受電弓振動(dòng)特性分析的關(guān)鍵技術(shù)，整個(gè)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(gè)三向加速度測(cè)點(diǎn)；

1.2 能夠在波形圖上實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)；

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

1.4 能夠?qū)r(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT 分析；

1.5 能夠設(shè)定預(yù)警值，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)超限時(shí)能夠報(bào)警和停車(chē)。

2 系統(tǒng)硬件組成

本文研制的受電弓風(fēng)洞試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)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(hào)調(diào)理儀、加速度計(jì)組成。

加速度計(jì)是三軸向信號(hào)輸出傳感器，該傳感器獨(dú)立測(cè)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(hào)。加速度計(jì)主要性能指標(biāo)如表1。

表1 加速度計(jì)性能參數(shù)

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

主要性能參數(shù)如表2。

表2 信號(hào)調(diào)理儀性能參數(shù)

振動(dòng)數(shù)據(jù)采用PXIe-4497 聲音與振動(dòng)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(zhuān)為高通道數(shù)聲音和振動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件概述

受電弓風(fēng)洞試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)采集軟件采用LabVIEW 軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。LabVIEW 程序又稱(chēng)虛擬儀器，程序?yàn)榭驁D形勢(shì)，是開(kāi)發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)核心，在LabVIEW 軟件環(huán)境下開(kāi)發(fā)，軟件主要由以下三個(gè)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(shí)時(shí)顯示模塊主要功能是對(duì)受電弓振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和振動(dòng)時(shí)域曲線的實(shí)時(shí)顯示。利用PXIe-4497聲音與振動(dòng)模塊提供的函數(shù)庫(kù)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(chǔ)到文件中，待數(shù)據(jù)處理時(shí)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(chǔ)路徑、曲線顏色、超限報(bào)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(shí)各測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)頻率、均值、均方根值、極限值等結(jié)果，通過(guò)這些處理數(shù)據(jù)分析受電弓的振動(dòng)特性、振動(dòng)強(qiáng)度與風(fēng)速的關(guān)系。

主控通訊模塊主要用于測(cè)量軟件系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的通訊，把測(cè)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(cè)量軟件監(jiān)測(cè)到受電弓的振動(dòng)值超過(guò)預(yù)設(shè)停車(chē)值，將觸發(fā)共享變量的控制功能，啟動(dòng)緊急停車(chē)和安全保護(hù)機(jī)制。

4 風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)件及試驗(yàn)平臺(tái)

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

此次試驗(yàn)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(lái)提高試驗(yàn)雷諾數(shù)的，其主要參數(shù)如下：

試驗(yàn)段截面尺寸：4.5m×3.5m×10m（寬×長(zhǎng)×高）；

壓力范圍：常壓～0.4MPa[2]。

4.2 加速度計(jì)的安裝

在受電弓弓頭、臂桿和底座布置6 個(gè)三向加速度測(cè)點(diǎn)，測(cè)定受電弓各關(guān)鍵位置的振動(dòng)情況，每個(gè)加速度計(jì)在受電弓上的詳細(xì)安裝位置見(jiàn)圖1。

圖1 受電弓加速度測(cè)點(diǎn)分布

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)PXI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)采樣時(shí)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(dòng)特性分析

以試驗(yàn)風(fēng)速V=28m/s 和111m/s、側(cè)滑角β=0°時(shí)為例，對(duì)升弓狀態(tài)下弓頭滑板x 方向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

當(dāng)風(fēng)速28m/s 時(shí)，弓頭滑板x 方向振動(dòng)頻率為32.5Hz，見(jiàn)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(dòng)信號(hào)FFT（V=28m/s）

當(dāng)風(fēng)速111m/s 時(shí)，弓頭滑板x 方向振動(dòng)頻率為32.5Hz，見(jiàn)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?gòu)?8m/s 到111m/s 的變化中的振動(dòng)主頻沒(méi)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(dòng)強(qiáng)度與風(fēng)速的關(guān)系

圖3 弓頭滑板x 方向振動(dòng)信號(hào)FFT（V=111m/s）

分析受電弓振動(dòng)強(qiáng)度與風(fēng)速之間的關(guān)系可以直接分析振動(dòng)信號(hào)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(dòng)強(qiáng)度隨風(fēng)速增大而增加這種關(guān)系，振動(dòng)強(qiáng)度最大的位置出現(xiàn)在在V=111m/s、β=180°時(shí)，均方根值達(dá)到8.2，而最大加速度絕對(duì)值值達(dá)到30m/s2。

圖4 升弓狀態(tài)弓頭滑板x 方向測(cè)量點(diǎn)曲線

5 結(jié)論

本文針對(duì)高鐵受電弓在FL-9 風(fēng)洞進(jìn)行的風(fēng)致振動(dòng)特性試驗(yàn)開(kāi)發(fā)出了振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝便捷，軟件設(shè)計(jì)人性化、兼容性好。測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，并能對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控受電弓各個(gè)測(cè)量點(diǎn)振動(dòng)情況，并能對(duì)加速度超限情況進(jìn)行預(yù)警和安全停車(chē)，使FL-9 風(fēng)洞具備了開(kāi)展高鐵受電弓風(fēng)致振動(dòng)特性的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>