高速列車表面壓力測試設計

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，其優點在于速度高、燃料省、服務優良；因此，高速列車從一開始就顯示出了巨大的優越性?？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，以達最優的空氣動力型式。高速鐵路是世界鐵路客運發展的方向，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（壓力波、空氣阻力、列車風、微氣壓波等）對列車運行的安全性、經濟性和旅客乘坐的舒適性及隧道周圍環境均有不良影響，是高速鐵路隧道設計中必須解決的關鍵技術問題[1-2]；因此，空氣動力學方面的測試工作，在高速鐵路的發展過程中顯得格外重要。

1 整體測試系統組成

測試系統主要由壓力傳感器、多芯屏蔽信號線、放大器、A/D轉換器、觸發器、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由放大器、A/D、D/A轉換，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

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；設計很薄，具有對流動影響小、靈敏度很高、頻率響應高等優點。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壓力傳感器全橋結構圖

3 信號調理和數據采集設計

傳感器需要2 V精密電路提供電源，調理系統可采用5 V電池供電。由于空氣動力學氣壓傳感器信號內部為全橋電路，需要外部提供穩定的橋壓，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計專門的信號調理電路，將傳感器信號干擾降到最小，以便數據采集，確保數據采集的準確性。信號調理板可以選用STM32F103T8為主芯片，多種可編程控制芯片以及其他模擬電路實現對氣壓信號的調理放大及濾波，KEIL-C軟件編程實現對信號的調零、放大倍數和低通濾波頻率的設置，信號調理板總體框圖如圖4所示。

圖4 信號調理板總體框圖

傳感器輸出的信號通過可編程數字放大器放大后再由模擬放大，通過低通濾波后進行數據的采集。主芯片編程設置A/D芯片放大倍數，輸出相應頻率脈沖設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，通過反饋信號實現對信號的調零，然后通過串口通信到達上位機界面，實現人機交互。

上位機通過串口對信號調理板進行調零、放大倍數設置和濾波頻率設置，傳感器信號經過調零處理后的信號調理板，將數據送達采集模塊，信號采集模塊采集并保存相關數據。

數據采集模塊可選用wavebook高速數據采集分析系統、NI采集器或者其他數據采集方式。

4 采集到的數據分析處理結果

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據DASYLab處理分析結果。

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據分析出，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為某列車同側同剖面上中下3個測點在350km/h通過隧道所測試得出的結果[2]。圖11為某測點各速度級下氣壓比對。

圖8 350km/h通過隧道（側面上部位）

圖9 350km/h通過隧道（側面下部位）

圖10 350km/h通過隧道（側面中部位）

圖11 某迎風面部位傳感器各速度級氣壓比較

測試結果可以看出，列車交會一般先出現正波，然后變為負波[5]；同側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，試驗結果規律基本保持一致，實車試驗有較好的重復性，證明測試結果可信，系統達到測試要求[5]。

5 結束語

列車高速交會產生的瞬態壓力沖擊對行車安全、旅客的舒適度都會產生嚴重影響[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、安全穩定性、經濟高效性都帶來不可或缺的參考價值。本測試系統穩定，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。

[1]王英學，高波.高速列車進出隧道空氣動力學研究的新進展[J].中國鐵道科學，2003，24（2）：83-87.

[2]田紅旗.列車交會空氣壓力波研究及應用[J].鐵道科學與工程學報，2004，1（1）：83-89.

[3]梁習鋒，田紅旗.200km/h動車組交會空氣壓力波實驗[J].中南工業大學學報，2002，33（6）：621-624.

[4]梁習鋒.實車表面空氣壓力分布試驗技術研究[J].中南工業大學，2002，24（3）：95-98.

[5]田紅旗.列車空氣動力學[M].北京：中國鐵道出版社，2007：59-83，118-123，148-173.

[6]田紅旗，盧執中.列車交會壓力波的影響因素分析[J].鐵道學報，2001，23（4）：17-20.

[7]田紅旗，許平，梁習鋒.列車交會壓力波與運行速度的關系[J].中國鐵道科學，2003，27（6）：64-67.

[8]梁習鋒，張燕榮.列車交會空氣壓力波測量的影響因素[J].中南大學學報，2004，35（5）：810-814.