一種高速列車空氣動力學測試方案的設計

聶錫成，陳春俊

（西南交通大學機械學院，四川 成都 610031）

0 引 言

高速列車運行引起的空氣動力學效應[1-2]，可通過理論分析及數值模擬仿真計算進行研究[3-4]，還需通過試驗對理論分析進行驗證[5-6]。高速列車空氣動力學測試，主要測量列車在各種工況下運行時，列車車外空氣流場、氣壓分布以及車內外氣壓變化趨勢[7]。

為保證測試的準確性，需要用較小尺寸的氣壓傳感器[8]，在現有的技術條件下，滿足尺寸要求的空氣壓力傳感器靈敏度一般為2mV/10V/kPa左右，列車表面氣壓變化范圍一般為相對一個標準大氣壓±5kPa。常規測試方法會遇到以下問題：（1）若直接對傳感器信號進行放大，由于共模輸出信號也一并放大，變化信號占比依然較小，且增加放大倍數后信號輸出幅值較大，不適用于常規數據采集器；（2）直接測試絕對氣壓變化不能反應出列車表面相對于車外大氣環境的氣壓值，需消除當地環境大氣壓值才能得出列車表面氣壓具體分布情況。因此需要改變測試方法。

1 測試方案總體設計

針對提出的問題，提出改進測試方案，增加信號調理模塊，其主要功能是：消除傳感器共模輸出、信號放大、提升信號基準、濾波。并通過兩種方法消除線路氣壓變化趨勢：引入絕壓傳感器測量線路氣壓變化趨勢和通過線路海拔數據用最小二乘法擬合出線路氣壓變化趨勢。兩種方法配合使用，達到消除線路氣壓變化趨勢的目的，最終測得列車表面相對當地環境氣壓變化值。信號處理流程圖如圖1所示。

圖1 信號處理流程圖

1.1 消除共模輸出

空氣動力學測試目的主要關注氣壓變化情況，測量共模輸出無實用價值；因此，可把共模輸出去除，得到傳感器輸出差分信號，再把差分信號進行放大，消除共模輸出的影響。當氣壓減小時，電壓信號輸出小于0，負電壓信號不能被主流電子原器件識別，可在信號放大后加一個正電壓基準；當氣壓減小時，輸出小于設定的正電壓值，電壓信號仍然為正，電子器件可正常識別。

當氣壓發生變化時，是在一個大氣壓基礎上發生的變化，對應于傳感器輸出電壓信號，即在一個電壓基準上產生變化，表達式為

式中：Pt——測量氣壓；

P0——靜態氣壓（一個正常大氣壓）；

ΔPt——動態氣壓變化。

轉換為電壓形式有

式中：Ut——測量電壓；

U0——靜態電壓；

ΔUt——動態電壓變化。

列車靜止時，去除信號共模輸出，得到差分信號U=ΔUt，把差分信號放大 K 倍，得 U=K·ΔUt，再把放大的信號增加一個正壓基準，即 U=+K·ΔUt，輸出零點由0變為。當氣壓增大時，輸出電壓大于，反之則小于。

1.2 消除線路氣壓趨勢

對于實車在線測試，線路上大氣絕對氣壓隨海拔高度不同而發生變化，須消除線路氣壓趨勢的影響。方法有兩種：（1）在列車合適位置安裝絕對壓力傳感器，實時測試線路上環境氣壓，得到線路氣壓變化趨勢；（2）提前獲取線路海拔數據，以公里標為橫坐標，海拔引起的氣壓變化為縱坐標，通過最小二乘法擬合曲線[9-10]，得出線路氣壓變化趨勢。當列車在復雜工況下運行，可把兩種方法配合使用。

即

關于 a0，a1…，an的線性方程組，用矩陣表示為

對于一系列的海拔隨公里標變化的離散數據（xi，yi），由于大氣壓與海拔成一定的比例關系P=k·y，間接得到公里標與海拔之間的關系序列（xi，Pi）。通過最小二乘法對數據進行擬合，得到一條近似曲線，橫坐標為公里標，縱坐標為氣壓，如圖2所示。

圖2 線路氣壓變化趨勢擬合曲線

2 測試方案實現

根據設計方案，信號調理板以單片機為主控芯片，采用可編程控制芯片實現對氣壓信號的調理（包括去除共模輸出、信號放大、調整基準、信號濾波），通過編程實現對信號的調零以及放大倍數和低通濾波頻率的設置，其總體框圖如圖3所示。

2.1 硬件設計

硬件部分主要包含供電模塊、信號調零模塊、信號放大模塊、濾波模塊等4個模塊。

圖3 信號調理板總體框圖

供電模塊采用模擬放大器與場效應管組成的精密橋壓電路，為傳感器提供穩定的電壓源；信號調零及放大電路選用可編程控制器件，可通過主控芯片控制D/A輸出去除共模信號，調整零點，并設置信號放大倍數及濾波參數。

2.2 軟件設計

程序設計主要是對電路參數進行設置（信號放大倍數、濾波參數）以及控制調零，實時消除線路氣壓變化趨勢。程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3 實車在線測試驗證

按照測試方案進行電路及程序設計，選用合適的空氣壓力傳感器進行實車在線測試，對測試數據進行分析，得出列車通過一個隧道時頭車車體側表面空氣壓力相對變化趨勢波形，如圖5所示。

由測試結果知，列車進入隧道前，即明線運行時，車體側表面相對氣壓為負壓；當進入隧道，由于測點位于頭車，車體壓縮隧道內空氣，使氣壓上升一定幅度；之后隨著列車在隧道內相對位置的變化，隧道內空氣壓縮波與膨脹波來回交替，使車體表面氣壓產生波動；當列車出隧道后，車體表面測點區域重新恢復為相對平穩的負壓狀態。

圖5 通過隧道測試氣壓波形圖

4 結束語

本文設計的空氣動力學測試方案，可提高測試靈敏度及準確性，通過實車在線測試應用，取得較好的效果。同時，此測試方法還可進行推廣應用，如應變、溫度等測試，有較好的實用價值。

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[5]梁習鋒，田紅旗.遂渝線200km·h-1隧道空氣動力學實車試驗研究報告[R].長沙：中南大學，2005.

[6]余南陽，雷波，許志浩，等.高速列車隧道壓力波淺水槽模擬試驗研究[J].鐵道學報，2004，26（2）：52-55.

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