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[導(dǎo)讀]0 引 言 列車的振動性能,包括舒適性、平穩(wěn)性的檢測與*價(jià)是新型列車研究、檢驗(yàn)過程中的一項(xiàng)重要工作。隨著我國鐵路新型高速列車研究、研制及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工作的大面積展開,十分需要一種方便、快捷的便攜式列車振動測試

0 引 言
列車的振動性能,包括舒適性、平穩(wěn)性的檢測與*價(jià)是新型列車研究、檢驗(yàn)過程中的一項(xiàng)重要工作。隨著我國鐵路新型高速列車研究、研制及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工作的大面積展開,十分需要一種方便、快捷的便攜式列車振動測試儀。

  國內(nèi)有多家單位開展了研制工作,例如,北京化工大學(xué)開發(fā)的基于DSP的便攜式測振儀,河北工業(yè)大學(xué)研制的便攜式車輛振動測試分析系統(tǒng),東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的便攜式測振儀等。這些專用儀器對常規(guī)速度列車的振動檢測是比較有效的,信號控制與數(shù)據(jù)采集也比較方便。但這些設(shè)計(jì)多采用有線傳輸方式,對于高速列車,檢測人員在密閉的車箱內(nèi),而振動檢測包括車體下方的轉(zhuǎn)向架、軸箱多處測點(diǎn),車下到車上的電纜布線就成了很大的問題。而且,對已經(jīng)投入運(yùn)營的高速列車,檢測布線因?yàn)闀?yán)重影響車體的氣密性,所以幾乎是不可能的,即便可以也是非常不便的。

  北方交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院研制的無線便攜式列車測振儀,雖采用了無線傳輸,但記錄的數(shù)據(jù)通過最終IC卡下載至地面PC,由地面分析軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

  因此針對高速列車振動性能檢測的特點(diǎn)及要求,有必要將測振系統(tǒng)分為車內(nèi)接收端+車下數(shù)據(jù)采集器兩部分,二者之間采用無線連接,解決布線難的問題。本文對測振儀關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,研制了以DSP、藍(lán)牙、GPS為基礎(chǔ)的便攜式列車測振儀,介紹了在高速列車線路實(shí)驗(yàn)中的試用情況。

  1 系統(tǒng)方案

  按照GB 5599-85,列車測振儀主要測試參數(shù)是車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、軸箱的振動加速度以及車體和構(gòu)架之間、構(gòu)架和軸箱間的相對位移。

  列車測振儀分為傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收存儲4部分,該系統(tǒng)一方面是一個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng),它可以可通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與PC/PDA的無線連接,進(jìn)行信號的采集、處理、顯示提供了與PC之間進(jìn)行有線數(shù)據(jù)通信的接口,在沒有藍(lán)牙設(shè)備的情況下,也可以把系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)送到微機(jī)進(jìn)行二次處理,既實(shí)現(xiàn)硬件冗余性設(shè)計(jì),又方便了系統(tǒng)調(diào)試。檢測參數(shù)振動加速度位移軸箱轉(zhuǎn)向架構(gòu)架車體二系一系通道。

  此外系統(tǒng)還采用了GPS手持定位儀(如圖1),獲取*價(jià)列車振動性能必需的運(yùn)行速度信號。

  為確保列車測振儀能正常穩(wěn)定的工作以下問題必須解決:

  (1)不能犧牲數(shù)據(jù)采集的精度來換取便攜性;

  (2)數(shù)采盒在車底只能采用電池供電,因此系統(tǒng)功耗必須低;

  (3)系統(tǒng)要能適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)地檢測環(huán)境;

  (4)為確保數(shù)據(jù)有效傳輸,無線傳輸必須有強(qiáng)抗干擾能力;

  (5)無線傳輸速率要滿足系統(tǒng)基本要求。[!--empirenews.page--]

  2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

  2.1系統(tǒng)硬件

  在列車測振儀的數(shù)據(jù)采集過程中,不可避免地會有電氣化鐵路高壓電力線、動車大功率脈沖電壓和脈動電流對有用信號造成干擾。為了最大程度地抑制或消除混疊現(xiàn)象對動態(tài)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的影響,需要設(shè)置抗混疊濾波器。常用的模擬低通濾波器有3種:

  (1)巴特沃思濾波器:通帶平坦,相位特性最好;7階以上的截止特性和阻帶衰減率滿足本系統(tǒng)抗混疊濾波器要求。

  (2)切比雪夫?yàn)V波器:過渡帶陡,但通帶內(nèi)有一定偏差,且相位特性差。

  (3)濾波器:通帶邊緣過渡帶最陡,但相位特性也最差。

  故本系統(tǒng)選用MAX7480作為抗混疊濾波器。MAX7480是低功耗8階巴特沃思低通濾波器,中心頻率1 Hz~2 kHz,單+5 V供電,工作電流2.9 mA。

  根據(jù)通道數(shù)及精度、輸入量程、轉(zhuǎn)換速率、功耗、工作電壓等指標(biāo)我們選擇了ADS8381,18位500k逐次逼近(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其高動態(tài)范圍改善了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效能。ADS8381在前8位輸人范圍內(nèi)的非線性小于+/-9.5×10-6,在頻率為500 kHz時(shí)功耗為100 mW。ADS8381使用一個(gè)單獨(dú)+5 V電源,溫度范圍為:-40℃到+85℃。

  TMS320F2812 DSP芯片為數(shù)據(jù)采集的核心,主頻150 MHz,可解決數(shù)據(jù)流量大、實(shí)時(shí)性高等問題。它一方面控制多種信號的采集、緩存以及處理,另一方面負(fù)責(zé)系統(tǒng)與PDA或PC之間的通信。數(shù)據(jù)采集器硬件電路主要包括:DSP最小系統(tǒng)、外擴(kuò)存儲器的接口、SCI串口通信。其系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

  2.2數(shù)據(jù)傳輸

  列車測振儀借助藍(lán)牙通信相連進(jìn)行無線連接。藍(lán)牙通信具有連線簡單,無須電平轉(zhuǎn)換;可組網(wǎng),多機(jī)共享;傳輸速率高接口廣泛,和多數(shù)手持設(shè)備/筆記本電腦連接方便等特點(diǎn)。藍(lán)牙采用跳頻機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,故能極大提高數(shù)據(jù)傳送的抗干擾性能。由表1,系統(tǒng)需要的理論帶寬為163.84 kbps。本設(shè)備無線傳輸速率可達(dá)400 kbps以上,充分保證了系統(tǒng)性能。視距傳輸可達(dá)100 m,完全能夠勝任大部分測試場合。

  2.3系統(tǒng)軟件

  根據(jù)總體方案設(shè)計(jì),振列車測振儀軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序設(shè)計(jì)、Notebook人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)兩大部分。DSP采集加速度/位移信號,通過藍(lán)牙傳送到Notebook;Notebook接收、存儲所有傳送的數(shù)據(jù),同時(shí)繪制變化曲線。根據(jù)上述要求我們設(shè)計(jì)的列車測振儀實(shí)物如圖3所示。

  DSP數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序?qū)崿F(xiàn)的功能如下:

  (1)通過ADC模塊采集傳感器數(shù)據(jù);

  (2)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行打包;

  (3)查詢藍(lán)牙模塊狀態(tài)和寫數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]

  列車測振儀優(yōu)于其他測振系統(tǒng)的地方不僅在于高精度、高速率、小體積、輕重量,還在于它有基于Notebook良好的人機(jī)界面(如圖4)。進(jìn)一步我們擬采用帶藍(lán)牙的PDA/智能手機(jī)作為接收平臺。

  Notebook人機(jī)界面程序主要實(shí)現(xiàn)功能如下:

  (1)接收、存儲所有列車測振儀發(fā)送的數(shù)據(jù);

  (2)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù),計(jì)算、顯示、保存平穩(wěn)性和舒適性指標(biāo);

  (3)動態(tài)繪制變化曲線。

  3列車測振儀試用情況

  在我國某高速列車實(shí)驗(yàn)的振動參數(shù)測試中,對列車測振儀進(jìn)行了試用,通過了最高280 km/h動車組實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)。圖5為實(shí)驗(yàn)中測得的部分?jǐn)?shù)據(jù),我們可以看出,運(yùn)行中車體的橫垂向振動加速度均在0.1 g左右,而軸箱處則高達(dá)數(shù)10 g。

  在高速列車高速運(yùn)行中,在受電氣化鐵路高壓電力線(27.5 kV)、動車大功率脈動電壓(±2 000 V)和脈動電流干擾及經(jīng)過橋梁隧道等復(fù)雜路況時(shí)均能保持良好的通信。經(jīng)過了包括-20℃低溫、雨雪、長時(shí)間工作等一系列惡劣條件下的試用,表現(xiàn)出良好的可操控性和穩(wěn)定性。民品級GPS在250 km以上時(shí)速時(shí)初始化困難,但一旦初始化成功,可充分實(shí)現(xiàn)其功能。

  4結(jié) 論

  以DSP、Notebook為基礎(chǔ),綜合運(yùn)用藍(lán)牙、GPS等技術(shù)的列車測振儀對于高速列車的振動性檢測具有可靠性。且本測振儀不僅能用于檢測列車振動性能,在接收端虛擬儀器進(jìn)行外擴(kuò)后能很方便的實(shí)現(xiàn)頻譜分析,故障診斷及其他振動測試


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