高速列车表面压力测试设计

程 虎，伍川辉

（西南交通大学机械学院，四川 成都 610031）

0 引 言

高速列车一般是指时速达到200 km以上的火车，其优点在于速度高、燃料省、服务优良；因此，高速列车从一开始就显示出了巨大的优越性。空气动力学问题是影响高速列车运行的最主要因素，所以高速列车车头一般都采用流线型的车头形状（如TGV），外表面光滑并使玻璃窗与外部齐平，以达最优的空气动力型式。高速铁路是世界铁路客运发展的方向，随着列车运行速度的提高，列车高速通过隧道引起的空气动力效应（压力波、空气阻力、列车风、微气压波等）对列车运行的安全性、经济性和旅客乘坐的舒适性及隧道周围环境均有不良影响，是高速铁路隧道设计中必须解决的关键技术问题[1-2]；因此，空气动力学方面的测试工作，在高速铁路的发展过程中显得格外重要。

1 整体测试系统组成

测试系统主要由压力传感器、多芯屏蔽信号线、放大器、A/D转换器、触发器、GPS及计算机等部分组成，如图1所示。各个传感器将测出的信息经由放大器、A/D、D/A转换，存储在计算机中，然后进行处理，GPS用于获取当前压力信号下列车的速度[3]。

图1 测试组成系统

2 传感器的选择和安装

传感器的选择以测量精度高、对流场影响小为原则，选择ENDEVCO公司生产的压阻式传感器8515C-15（图2）或者美国KULITE LL-80压阻式传感器。传感器8515C-15体积小，直径约6.35mm，厚度约0.76mm；设计很薄，具有对流动影响小、灵敏度很高、频率响应高等优点。其安装十分方便，可以使用双面胶布直接贴附于测试部位，周围再用其他胶带加固[2，4]，如图 3。

图2 ENDEVCO压力传感器外形

图3 ENDEVCO压力传感器全桥结构图

3 信号调理和数据采集设计

传感器需要2 V精密电路提供电源，调理系统可采用5 V电池供电。由于空气动力学气压传感器信号内部为全桥电路，需要外部提供稳定的桥压，且信号输出变化为mV/kPa，电桥所能输出的ΔU信号非常小，为保证测量精度，除了全程使用多芯屏蔽信号线，还需要针对传感器设计专门的信号调理电路，将传感器信号干扰降到最小，以便数据采集，确保数据采集的准确性。信号调理板可以选用STM32F103T8为主芯片，多种可编程控制芯片以及其他模拟电路实现对气压信号的调理放大及滤波，KEIL-C软件编程实现对信号的调零、放大倍数和低通滤波频率的设置，信号调理板总体框图如图4所示。

图4 信号调理板总体框图

传感器输出的信号通过可编程数字放大器放大后再由模拟放大，通过低通滤波后进行数据的采集。主芯片编程设置A/D芯片放大倍数，输出相应频率脉冲设置低通滤波器截止频率，同时控制D/A芯片，给A/D芯片和模拟放大电路提供参考电压，通过反馈信号实现对信号的调零，然后通过串口通信到达上位机界面，实现人机交互。

上位机通过串口对信号调理板进行调零、放大倍数设置和滤波频率设置，传感器信号经过调零处理后的信号调理板，将数据送达采集模块，信号采集模块采集并保存相关数据。

数据采集模块可选用wavebook高速数据采集分析系统、NI采集器或者其他数据采集方式。

4 采集到的数据分析处理结果

图5所显示为某高速列车在各速度级下某部位传感器测得的数据DASYLab处理分析结果。

图5 列车交会压力波幅

一般描述列车空气压力波大小的量是列车空气压力波幅值，称为全波，用ΔP表示，全波的值等于空气压力波正波幅值ΔP+和负波幅值ΔP-的绝对值之和，即

如果用Δt表示临近的压力波正负峰值之间的时间间隔，那么可以用压力波的时间梯度来描述列车空气压力波强弱，即

gradΔP=ΔP/Δt

因此可以由得到的数据分析出，ΔP越大，Δt越小，梯度就很大，冲击强度就会越强大[5]。测得的会车波形图如图6和图7所示。

图6 某测点330km/h明线会车波形

图7 某测点高速列车330km/h隧道会车波形

图8、图9、图10为某列车同侧同剖面上中下3个测点在350km/h通过隧道所测试得出的结果[2]。图11为某测点各速度级下气压比对。

图8 350km/h通过隧道（侧面上部位）

图9 350km/h通过隧道（侧面下部位）

图10 350km/h通过隧道（侧面中部位）

图11 某迎风面部位传感器各速度级气压比较

测试结果可以看出，列车交会一般先出现正波，然后变为负波[5]；同侧同剖面相邻部位测得的波形相似；迎风面压力随车速增加而显著增大[6-7]。各种曲线比较、重复性精度和可信度分析，试验结果规律基本保持一致，实车试验有较好的重复性，证明测试结果可信，系统达到测试要求[5]。

5 结束语

列车高速交会产生的瞬态压力冲击对行车安全、旅客的舒适度都会产生严重影响[1，8]，精确的空气动力学测试和分析势必会对列车的舒适性、安全稳定性、经济高效性都带来不可或缺的参考价值。本测试系统稳定，原件选择简单，多方面考虑去除噪声途径，能满足当前列车压力测试要求。

[1]王英学，高波.高速列车进出隧道空气动力学研究的新进展[J].中国铁道科学，2003，24（2）：83-87.

[2]田红旗.列车交会空气压力波研究及应用[J].铁道科学与工程学报，2004，1（1）：83-89.

[3]梁习锋，田红旗.200km/h动车组交会空气压力波实验[J].中南工业大学学报，2002，33（6）：621-624.

[4]梁习锋.实车表面空气压力分布试验技术研究[J].中南工业大学，2002，24（3）：95-98.

[5]田红旗.列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007：59-83，118-123，148-173.

[6]田红旗，卢执中.列车交会压力波的影响因素分析[J].铁道学报，2001，23（4）：17-20.

[7]田红旗，许平，梁习锋.列车交会压力波与运行速度的关系[J].中国铁道科学，2003，27（6）：64-67.

[8]梁习锋，张燕荣.列车交会空气压力波测量的影响因素[J].中南大学学报，2004，35（5）：810-814.