加速度能量法及其在列車沖動分析中的應用

王好勛,楊立軍,王慧媛

(青州市節能監察中心,山東青州262500)

列車運行時的振動是影響乘坐舒適度的主要因素,但并不是所有的振動人體都能感受到,把那些人體能感覺到的,且對人體產生不良反應的振動定義為沖動,是宏觀上給沖動的定義。從物理學角度沖動的定義是列車運行時加速度達到一定值,加速度的變化率即頻率在1～80 Hz內,且持續一定時間時就會發生沖動,3個條件必須同時滿足才會發生沖動。繼自相關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實時檢測與分析中的應用。

1 系統組成及原理

系統主要由數據采集和數據分析兩大模塊組成。其中,數據采集模塊主要由以 3軸加速度傳感器ADXL330為核心的傳感器電路和動態數據采集卡USB-9233組成,該采集卡自備信號調理電路,并可以快速實現數據信號的A/D轉換。數據采集模塊負責按一定采樣頻率采集列車運行時縱向、橫向和垂向3個方向上的加速度數據,并將采集到的模擬信號轉換成數字信號,然后通過數據采集卡USB-9233的USB接口將數字信號直接傳給PC機;數據分析模塊是在PC機上實現的,采用圖形化編程語言LabVIEW7.1編程,通過在LabVIEW7.1程序中設置的模擬通道實現與USB-9233的無縫鏈接,并實現加速度數據的保存、分析及數據波形顯示,通過對1～80 Hz內的縱向、橫向和垂向3個方向加速度數據進行加權,計算出各方向振動舒適度和綜合振動舒適度,得出振動舒適度等級,同時實現加速度數據波形和振動舒適度等級的實時顯示。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

1.1 ADXL330特性及工作原理

ADXL330是亞德諾半導體公司研制的帶有信號調理電路,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,ADXL330集成了一個堅固的3軸傳感器結構及其信號調理電路。ADXL330基本工作過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放大,然后分別將信號解調,在輸出端分別將3路信號再次放大、濾波后輸出和加速度成正比的模擬電壓。

系統由3軸加速度傳感器ADXL330采集列車運行時縱向、橫向和垂向3個方向上的加速度,然后,將采集到的3路模擬加速度信號接入動態數據采集卡USB-9233的3個模擬輸入通道,經由采集卡進行信號調理和數據A/D轉換后通過USB通訊方式接入PC機。

1.2 振動舒適度的評價標準

目前國內還沒有列車振動舒適度的評價標準,所以大都參考國外標準,本文借鑒的是目前最有影響的有關鐵路旅客車輛振動舒適度的標準——UIC 513《鐵路車輛內旅客振動舒適度評價標準》。

UIC 513標準實現了列車振動舒適度的量化評價,以乘客為主體,把評估結果與人體感受相對應得出了列車振動舒適度等級劃分表,如表1所示。

表1 列車振動舒適度等級劃分(UIC513標準)

2 加速度能量法及其在LabVIEW7.1中的實現

傳統的列車沖動分析法是“倒棒法”,由于該方法具有較大的偶然性、不穩定性,通過研究試驗找到了一種較穩定的判斷列車沖動方法——自相關分析法。相關是指客觀事物變量之間的線性關系,為了表達隨機變量之間是否存在著一定的線性關系,采用變量在不同時刻的乘積平均來描述,我們用自相關函數Rx(τ)來表示,即,對采集的信號做自相關分析把沖動信號從信號中提取出來,并得到τ=0時的Rx(τ)值,結合列車沖動等級評價標準得到列車的沖動等級。

本文提到的能量是廣義的能量,把單位質量的動態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)。列車運行時的加速度有正有負,實踐證明用比較加速度大小的方法來判斷列車沖動不合理,因為即使再大的加速度,如果時間很短只有幾毫秒,也不會對人體產生任何影響,即乘客不會有不舒服的感覺。要發生沖動讓乘客感覺不舒服必須滿足3個條件:加速度a達到一定值、頻率 f小于80 Hz和作用時間t足夠長。為了更好的判斷沖動,提出了加速度能量概念判斷沖動的方法,用能量法分析加速度信號并判斷沖動的步驟如下:

將采集的加速度信號進行低通濾波,濾波頻率取200 Hz,將頻率高于200 Hz的高頻信號濾掉,只留下對人體有影響的1～80 Hz的低頻信號,濾波前的高頻信號濾波后變成了直線,濾波后將加速度數據取均值,再用各個數據減去均值,然后將所得的加速度數據取平方,并顯示其波形圖,通過觀察波形判斷沖動。

運用加速度能量法計算,并利用LabVIEW7.1強大的數據分析、波形顯示功能,通過對列車運行中實時采集的加速度信號進行分析處理,利用截屏得到沖動顯示圖形。如圖2所示。

隨車記錄表明:在5～15 s時無沖動發生,而30～40 s時有沖動發生,但是它們的自相關圖形是一樣的,所以便錯誤地認為5～15 s時有沖動發生,可見用自相關無法區別這兩種情況,而用能量法去分析就可以很容易地判斷出5～15 s時間段內無沖動發生。

圖2 濾波前后5～15 s和30～40 s時的加速度波形圖

為了加快運算速度,本文對原始信號進行了低通濾波處理,同時為了使頻率在1～80 Hz內的低頻數據不失真,確保數據運算的準確度,將濾波頻率設定為200 Hz。

加速度信號由直流信號和交流信號組成,然而,直流信號對人體沒有影響,真正造成沖動從而使人體感覺到不舒服的是加速度信號中的交流成分,因此,對兩個時間段數據分別進行了取均值運算和加速度數據減均值運算,去掉加速度信號中的直流成分,留下產生沖動的實際信號成分,其波形顯示如圖3所示,把得到的加速度數據進行平方運算計算其“能量”,其波形顯示如圖4所示。

在圖3中加速度數據的單位是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時幅值很大,即加速度“能量”很大。為了更好地體現出沖動過程中時間因素的影響,準確地判斷出實際沖動的大小,對該加速度“能量”信號進一步進行了低通濾波處理,濾波截止頻率為30 Hz(隨車試驗的經驗值),濾波后的圖形如圖5所示。

圖3 加速度數據減均值后波形

圖4 加速度數據減均值后平方波形

從圖5中可以清楚的看到在5～15 s時間段內波形近似為一條直線,說明此時無沖動現象發生,而在30～40 s時間段內有兩個波峰,說明發生了兩次沖動,第1次發生在33～34.5 s時,第2次發生在35～36 s時。用能量法分析得到的結果與在列車上的實際感受相吻合,充分證明了能量法判斷沖動的有效性和可行性。如果用傳統的“倒棒”法和自相關分析法,兩種方法都會錯誤地將5～15 s時的情況判定為沖動,傳統的“倒棒”法本身就存在可能發生粗棒倒而細棒不倒的問題,并且用自相關分析法會將30～40 s時間段內的兩次沖動誤認為一次沖動,可見,傳統的“倒棒”法存在偶然性和不科學性,而自相關分析法也有一定的弊端。

圖5 加速度數據減均值平方后濾波波形

3 結束語

加速度能量法從加速度a、頻率 f和時間t 3個因素分析沖動,彌補了自相關分析法的不足,為列車沖動的判定和列車舒適度的評價提供了一種有效可行的新方法,參考UIC 513標準,采用虛擬儀器技術在Lab-VIEW7.1環境下開發的列車振動舒適度檢測和評價系統清楚、直觀地顯示了列車的加速度和振動舒適度的等級,具有良好的開放性和可擴展性,為正確評價列車乘坐舒適度評價打下基礎。

[1] 楊樂平,李海濤,等.LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003.

[2] 陳立功,倪純珍,張 悅,等.按UIC513標準評估旅客列車振動舒適度[J].中國鐵路,2001,(04):60-62.

[3] 紐瑞萍,蔡伯根.加速度計ADXL105的性能測試[J].電子產品世界,2002,(Z1):40-43.