受電弓風洞試驗振動數據測量系統研制

多勐

（中國航空工業空氣動力研究院，黑龍江 哈爾濱150001）

隨著列車運行速度的進一步提高，受電弓滑板與接觸網導線的滑動摩擦更加劇烈，機車車體振動、風速等隨機因素對弓網系統的影響的不斷增強，這些直接影響列車運行受流的可靠性和受流質量。受電弓的振動特性直接影響弓網系統的相互作用，和高速列車運行的安全息息相關[1]。受電弓風致振動特性風洞試驗主要目的是為測定高速列車受電弓在氣動風載情況下的振動特性，以掌握高速受電弓的服役環境，為列車在高速運行條件下列車弓網關系研究提供振動試驗數據支撐，為高速受電弓的評價和改進設計提供依據。

設計一套受電弓振動特性數據測量系統，該系統由三軸加速度計、數據調理裝置、動態數據采集系統及數據采集處理軟件組成，該系統不僅能夠在時域和頻域下對受電弓振動情況進行實時監測和數據分析，當振動幅值超限后還能預警和停車。

1 系統功能需求

振動加速度時域信號均方值獲取和FFT 分析是受電弓振動特性分析的關鍵技術，整個系統功能需求如下：

1.1 受電弓弓頭、臂桿和底座布置6 個三向加速度測點；

1.2 能夠在波形圖上實時顯示測量數據；

1.3 能夠在每條吹風曲線上計算振動加速度的平均值、均方根值、最大值和最小值；

1.4 能夠對時域信號進行FFT 分析；

1.5 能夠設定預警值，當振動信號超限時能夠報警和停車。

2 系統硬件組成

本文研制的受電弓風洞試驗振動測量系統硬件部分主要由工控機、數據采集設備、信號調理儀、加速度計組成。

加速度計是三軸向信號輸出傳感器，該傳感器獨立測量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。加速度計主要性能指標如表1。

表1 加速度計性能參數

信號調理儀是共地型信號調理裝置，主要功能是為加速度計供電并過濾掉其偏置電壓。

主要性能參數如表2。

表2 信號調理儀性能參數

振動數據采用PXIe-4497 聲音與振動模塊進行采集，最大采樣速率為204.8kS/s、2 倍增益、交直流耦合，專為高通道數聲音和振動應用而設計。

3 系統軟件設計

3.1 軟件概述

受電弓風洞試驗振動數據測量系統采集軟件采用LabVIEW 軟件進行開發。LabVIEW 程序又稱虛擬儀器，程序為框圖形勢，是開發測量或控制系統的理想選擇。

3.2 軟件設計

軟件是整個測量系統核心，在LabVIEW 軟件環境下開發，軟件主要由以下三個功能模塊組成，數據采集及顯示模塊、數據分析處理模塊及主控通訊模塊。

數據采集及實時顯示模塊主要功能是對受電弓振動數據進行采集、存儲和振動時域曲線的實時顯示。利用PXIe-4497聲音與振動模塊提供的函數庫接口，在LabVIEW 軟件環境下創建數據采集函數，并將采集到數據存儲到文件中，待數據處理時用。本功能模塊可以設定數據采樣率、采集通道數、采樣點數、存儲路徑、曲線顏色、超限報警等功能。

數據處理模塊的主要功能是把采集保存的數據進行分析和處理，這樣可以得到固定側滑角下不同風速時各測量點的振動頻率、均值、均方根值、極限值等結果，通過這些處理數據分析受電弓的振動特性、振動強度與風速的關系。

主控通訊模塊主要用于測量軟件系統與主控系統的通訊，把測量系統的關鍵參數信息傳遞給主控系統，并接受主控系統的指令。一旦測量軟件監測到受電弓的振動值超過預設停車值，將觸發共享變量的控制功能，啟動緊急停車和安全保護機制。

4 風洞試驗驗證

4.1 試驗件及試驗平臺

試驗件為受電弓，比例1:1，最大高度1.65m，最大寬度1.95m。試驗構型包括降弓狀態和升弓狀態兩種，試驗支撐采用FL-9 風洞三號架車。

此次試驗是在FL-9 低速增壓風洞進行，FL-9 風洞是以提高洞內氣流壓力的方式來提高試驗雷諾數的，其主要參數如下：

試驗段截面尺寸：4.5m×3.5m×10m（寬×長×高）；

壓力范圍：常壓～0.4MPa[2]。

4.2 加速度計的安裝

在受電弓弓頭、臂桿和底座布置6 個三向加速度測點，測定受電弓各關鍵位置的振動情況，每個加速度計在受電弓上的詳細安裝位置見圖1。

圖1 受電弓加速度測點分布

4.3 試驗結果

試驗時PXI 數據采集系統設定的數據采樣時間為10s，采樣頻率為2000Hz，采樣點數為20000 點，數據利用LabVIEW 軟件進行編程處理。

4.3.1 振動特性分析

以試驗風速V=28m/s 和111m/s、側滑角β=0°時為例，對升弓狀態下弓頭滑板x 方向振動數據進行分析。

當風速28m/s 時，弓頭滑板x 方向振動頻率為32.5Hz，見圖2，均方值為0.395，最大加速度值為1.5m/s2。

圖2 弓頭滑板x 方向振動信號FFT（V=28m/s）

當風速111m/s 時，弓頭滑板x 方向振動頻率為32.5Hz，見圖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 方向在風速從28m/s 到111m/s 的變化中的振動主頻沒有明顯變化，而均方值與最大加速度值有明顯的變化。

4.3.2 振動強度與風速的關系

圖3 弓頭滑板x 方向振動信號FFT（V=111m/s）

分析受電弓振動強度與風速之間的關系可以直接分析振動信號均方值與風速之間的關系。

圖4 例舉了在升弓狀態下弓頭滑板位置x 方向在不同風速及側滑角下加速度均方值與風速的關系，圖表橫坐標β 表示受電弓側滑角度值，縱坐標RMS 表示加速度均方值。

圖4 中可以看出在受電弓升弓狀態下隨著風速的增大，弓頭滑板位置x 方向加速度均方值逐步增大，不同側滑角狀態都表現都表現為振動強度隨風速增大而增加這種關系，振動強度最大的位置出現在在V=111m/s、β=180°時，均方根值達到8.2，而最大加速度絕對值值達到30m/s2。

圖4 升弓狀態弓頭滑板x 方向測量點曲線

5 結論

本文針對高鐵受電弓在FL-9 風洞進行的風致振動特性試驗開發出了振動數據測量系統，該系統硬件結構設計簡單、安裝便捷，軟件設計人性化、兼容性好。測量數據穩定可靠，并能對大量數據進行處理和分析，還能夠實時監控受電弓各個測量點振動情況，并能對加速度超限情況進行預警和安全停車，使FL-9 風洞具備了開展高鐵受電弓風致振動特性的試驗能力。