受电弓风洞试验振动数据测量系统研制

多勐

（中国航空工业空气动力研究院，黑龙江 哈尔滨150001）

随着列车运行速度的进一步提高，受电弓滑板与接触网导线的滑动摩擦更加剧烈，机车车体振动、风速等随机因素对弓网系统的影响的不断增强，这些直接影响列车运行受流的可靠性和受流质量。受电弓的振动特性直接影响弓网系统的相互作用，和高速列车运行的安全息息相关[1]。受电弓风致振动特性风洞试验主要目的是为测定高速列车受电弓在气动风载情况下的振动特性，以掌握高速受电弓的服役环境，为列车在高速运行条件下列车弓网关系研究提供振动试验数据支撑，为高速受电弓的评价和改进设计提供依据。

设计一套受电弓振动特性数据测量系统，该系统由三轴加速度计、数据调理装置、动态数据采集系统及数据采集处理软件组成，该系统不仅能够在时域和频域下对受电弓振动情况进行实时监测和数据分析，当振动幅值超限后还能预警和停车。

1 系统功能需求

振动加速度时域信号均方值获取和FFT 分析是受电弓振动特性分析的关键技术，整个系统功能需求如下：

1.1 受电弓弓头、臂杆和底座布置6 个三向加速度测点；

1.2 能够在波形图上实时显示测量数据；

1.3 能够在每条吹风曲线上计算振动加速度的平均值、均方根值、最大值和最小值；

1.4 能够对时域信号进行FFT 分析；

1.5 能够设定预警值，当振动信号超限时能够报警和停车。

2 系统硬件组成

本文研制的受电弓风洞试验振动测量系统硬件部分主要由工控机、数据采集设备、信号调理仪、加速度计组成。

加速度计是三轴向信号输出传感器，该传感器独立测量x轴方向、y 轴方向和z 轴方向加速度值，并分别输出三路电荷信号。加速度计主要性能指标如表1。

表1 加速度计性能参数

信号调理仪是共地型信号调理装置，主要功能是为加速度计供电并过滤掉其偏置电压。

主要性能参数如表2。

表2 信号调理仪性能参数

振动数据采用PXIe-4497 声音与振动模块进行采集，最大采样速率为204.8kS/s、2 倍增益、交直流耦合，专为高通道数声音和振动应用而设计。

3 系统软件设计

3.1 软件概述

受电弓风洞试验振动数据测量系统采集软件采用LabVIEW 软件进行开发。LabVIEW 程序又称虚拟仪器，程序为框图形势，是开发测量或控制系统的理想选择。

3.2 软件设计

软件是整个测量系统核心，在LabVIEW 软件环境下开发，软件主要由以下三个功能模块组成，数据采集及显示模块、数据分析处理模块及主控通讯模块。

数据采集及实时显示模块主要功能是对受电弓振动数据进行采集、存储和振动时域曲线的实时显示。利用PXIe-4497声音与振动模块提供的函数库接口，在LabVIEW 软件环境下创建数据采集函数，并将采集到数据存储到文件中，待数据处理时用。本功能模块可以设定数据采样率、采集通道数、采样点数、存储路径、曲线颜色、超限报警等功能。

数据处理模块的主要功能是把采集保存的数据进行分析和处理，这样可以得到固定侧滑角下不同风速时各测量点的振动频率、均值、均方根值、极限值等结果，通过这些处理数据分析受电弓的振动特性、振动强度与风速的关系。

主控通讯模块主要用于测量软件系统与主控系统的通讯，把测量系统的关键参数信息传递给主控系统，并接受主控系统的指令。一旦测量软件监测到受电弓的振动值超过预设停车值，将触发共享变量的控制功能，启动紧急停车和安全保护机制。

4 风洞试验验证

4.1 试验件及试验平台

试验件为受电弓，比例1:1，最大高度1.65m，最大宽度1.95m。试验构型包括降弓状态和升弓状态两种，试验支撑采用FL-9 风洞三号架车。

此次试验是在FL-9 低速增压风洞进行，FL-9 风洞是以提高洞内气流压力的方式来提高试验雷诺数的，其主要参数如下：

试验段截面尺寸：4.5m×3.5m×10m（宽×长×高）；

压力范围：常压～0.4MPa[2]。

4.2 加速度计的安装

在受电弓弓头、臂杆和底座布置6 个三向加速度测点，测定受电弓各关键位置的振动情况，每个加速度计在受电弓上的详细安装位置见图1。

图1 受电弓加速度测点分布

4.3 试验结果

试验时PXI 数据采集系统设定的数据采样时间为10s，采样频率为2000Hz，采样点数为20000 点，数据利用LabVIEW 软件进行编程处理。

4.3.1 振动特性分析

以试验风速V=28m/s 和111m/s、侧滑角β=0°时为例，对升弓状态下弓头滑板x 方向振动数据进行分析。

当风速28m/s 时，弓头滑板x 方向振动频率为32.5Hz，见图2，均方值为0.395，最大加速度值为1.5m/s2。

图2 弓头滑板x 方向振动信号FFT（V=28m/s）

当风速111m/s 时，弓头滑板x 方向振动频率为32.5Hz，见图3，均方值为3.58757，最大加速度值为14.8m/s2；

从上面的分析可以看出，受电弓弓头滑板x 方向在风速从28m/s 到111m/s 的变化中的振动主频没有明显变化，而均方值与最大加速度值有明显的变化。

4.3.2 振动强度与风速的关系

图3 弓头滑板x 方向振动信号FFT（V=111m/s）

分析受电弓振动强度与风速之间的关系可以直接分析振动信号均方值与风速之间的关系。

图4 例举了在升弓状态下弓头滑板位置x 方向在不同风速及侧滑角下加速度均方值与风速的关系，图表横坐标β 表示受电弓侧滑角度值，纵坐标RMS 表示加速度均方值。

图4 中可以看出在受电弓升弓状态下随着风速的增大，弓头滑板位置x 方向加速度均方值逐步增大，不同侧滑角状态都表现都表现为振动强度随风速增大而增加这种关系，振动强度最大的位置出现在在V=111m/s、β=180°时，均方根值达到8.2，而最大加速度绝对值值达到30m/s2。

图4 升弓状态弓头滑板x 方向测量点曲线

5 结论

本文针对高铁受电弓在FL-9 风洞进行的风致振动特性试验开发出了振动数据测量系统，该系统硬件结构设计简单、安装便捷，软件设计人性化、兼容性好。测量数据稳定可靠，并能对大量数据进行处理和分析，还能够实时监控受电弓各个测量点振动情况，并能对加速度超限情况进行预警和安全停车，使FL-9 风洞具备了开展高铁受电弓风致振动特性的试验能力。