加速度能量法及其在列车冲动分析中的应用

王好勋,杨立军,王慧媛

(青州市节能监察中心,山东青州262500)

列车运行时的振动是影响乘坐舒适度的主要因素,但并不是所有的振动人体都能感受到,把那些人体能感觉到的,且对人体产生不良反应的振动定义为冲动,是宏观上给冲动的定义。从物理学角度冲动的定义是列车运行时加速度达到一定值,加速度的变化率即频率在1～80 Hz内,且持续一定时间时就会发生冲动,3个条件必须同时满足才会发生冲动。继自相关分析法之后提出了一种新能量分析法,论述了该方法在列车冲动实时检测与分析中的应用。

1 系统组成及原理

系统主要由数据采集和数据分析两大模块组成。其中,数据采集模块主要由以 3轴加速度传感器ADXL330为核心的传感器电路和动态数据采集卡USB-9233组成,该采集卡自备信号调理电路,并可以快速实现数据信号的A/D转换。数据采集模块负责按一定采样频率采集列车运行时纵向、横向和垂向3个方向上的加速度数据,并将采集到的模拟信号转换成数字信号,然后通过数据采集卡USB-9233的USB接口将数字信号直接传给PC机;数据分析模块是在PC机上实现的,采用图形化编程语言LabVIEW7.1编程,通过在LabVIEW7.1程序中设置的模拟通道实现与USB-9233的无缝链接,并实现加速度数据的保存、分析及数据波形显示,通过对1～80 Hz内的纵向、横向和垂向3个方向加速度数据进行加权,计算出各方向振动舒适度和综合振动舒适度,得出振动舒适度等级,同时实现加速度数据波形和振动舒适度等级的实时显示。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理框图

1.1 ADXL330特性及工作原理

ADXL330是亚德诺半导体公司研制的带有信号调理电路,可提供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗3轴加速度计,ADXL330集成了一个坚固的3轴传感器结构及其信号调理电路。ADXL330基本工作过程是首先利用微传感器感知三维的加速度,将得到的三维交流信号放大,然后分别将信号解调,在输出端分别将3路信号再次放大、滤波后输出和加速度成正比的模拟电压。

系统由3轴加速度传感器ADXL330采集列车运行时纵向、横向和垂向3个方向上的加速度,然后,将采集到的3路模拟加速度信号接入动态数据采集卡USB-9233的3个模拟输入通道,经由采集卡进行信号调理和数据A/D转换后通过USB通讯方式接入PC机。

1.2 振动舒适度的评价标准

目前国内还没有列车振动舒适度的评价标准,所以大都参考国外标准,本文借鉴的是目前最有影响的有关铁路旅客车辆振动舒适度的标准——UIC 513《铁路车辆内旅客振动舒适度评价标准》。

UIC 513标准实现了列车振动舒适度的量化评价,以乘客为主体,把评估结果与人体感受相对应得出了列车振动舒适度等级划分表,如表1所示。

表1 列车振动舒适度等级划分(UIC513标准)

2 加速度能量法及其在LabVIEW7.1中的实现

传统的列车冲动分析法是“倒棒法”,由于该方法具有较大的偶然性、不稳定性,通过研究试验找到了一种较稳定的判断列车冲动方法——自相关分析法。相关是指客观事物变量之间的线性关系,为了表达随机变量之间是否存在着一定的线性关系,采用变量在不同时刻的乘积平均来描述,我们用自相关函数Rx(τ)来表示,即,对采集的信号做自相关分析把冲动信号从信号中提取出来,并得到τ=0时的Rx(τ)值,结合列车冲动等级评价标准得到列车的冲动等级。

本文提到的能量是广义的能量,把单位质量的动态物理量取平方得到的称之为能量,加速度能量法即用加速度a的平方,单位是:(m2/s4)。列车运行时的加速度有正有负,实践证明用比较加速度大小的方法来判断列车冲动不合理,因为即使再大的加速度,如果时间很短只有几毫秒,也不会对人体产生任何影响,即乘客不会有不舒服的感觉。要发生冲动让乘客感觉不舒服必须满足3个条件:加速度a达到一定值、频率 f小于80 Hz和作用时间t足够长。为了更好的判断冲动,提出了加速度能量概念判断冲动的方法,用能量法分析加速度信号并判断冲动的步骤如下:

将采集的加速度信号进行低通滤波,滤波频率取200 Hz,将频率高于200 Hz的高频信号滤掉,只留下对人体有影响的1～80 Hz的低频信号,滤波前的高频信号滤波后变成了直线,滤波后将加速度数据取均值,再用各个数据减去均值,然后将所得的加速度数据取平方,并显示其波形图,通过观察波形判断冲动。

运用加速度能量法计算,并利用LabVIEW7.1强大的数据分析、波形显示功能,通过对列车运行中实时采集的加速度信号进行分析处理,利用截屏得到冲动显示图形。如图2所示。

随车记录表明:在5～15 s时无冲动发生,而30～40 s时有冲动发生,但是它们的自相关图形是一样的,所以便错误地认为5～15 s时有冲动发生,可见用自相关无法区别这两种情况,而用能量法去分析就可以很容易地判断出5～15 s时间段内无冲动发生。

图2 滤波前后5～15 s和30～40 s时的加速度波形图

为了加快运算速度,本文对原始信号进行了低通滤波处理,同时为了使频率在1～80 Hz内的低频数据不失真,确保数据运算的准确度,将滤波频率设定为200 Hz。

加速度信号由直流信号和交流信号组成,然而,直流信号对人体没有影响,真正造成冲动从而使人体感觉到不舒服的是加速度信号中的交流成分,因此,对两个时间段数据分别进行了取均值运算和加速度数据减均值运算,去掉加速度信号中的直流成分,留下产生冲动的实际信号成分,其波形显示如图3所示,把得到的加速度数据进行平方运算计算其“能量”,其波形显示如图4所示。

在图3中加速度数据的单位是g,g取约10 m/s2,在图4中,其幅值是加速度的平方,单位是g2,g2取约100 m2/s4。由图4很容易看出在5～15 s时波形为一条直线,幅值几乎为 0,即加速度“能量”很小;而在30～40 s期间,尤其是33～34 s时幅值很大,即加速度“能量”很大。为了更好地体现出冲动过程中时间因素的影响,准确地判断出实际冲动的大小,对该加速度“能量”信号进一步进行了低通滤波处理,滤波截止频率为30 Hz(随车试验的经验值),滤波后的图形如图5所示。

图3 加速度数据减均值后波形

图4 加速度数据减均值后平方波形

从图5中可以清楚的看到在5～15 s时间段内波形近似为一条直线,说明此时无冲动现象发生,而在30～40 s时间段内有两个波峰,说明发生了两次冲动,第1次发生在33～34.5 s时,第2次发生在35～36 s时。用能量法分析得到的结果与在列车上的实际感受相吻合,充分证明了能量法判断冲动的有效性和可行性。如果用传统的“倒棒”法和自相关分析法,两种方法都会错误地将5～15 s时的情况判定为冲动,传统的“倒棒”法本身就存在可能发生粗棒倒而细棒不倒的问题,并且用自相关分析法会将30～40 s时间段内的两次冲动误认为一次冲动,可见,传统的“倒棒”法存在偶然性和不科学性,而自相关分析法也有一定的弊端。

图5 加速度数据减均值平方后滤波波形

3 结束语

加速度能量法从加速度a、频率 f和时间t 3个因素分析冲动,弥补了自相关分析法的不足,为列车冲动的判定和列车舒适度的评价提供了一种有效可行的新方法,参考UIC 513标准,采用虚拟仪器技术在Lab-VIEW7.1环境下开发的列车振动舒适度检测和评价系统清楚、直观地显示了列车的加速度和振动舒适度的等级,具有良好的开放性和可扩展性,为正确评价列车乘坐舒适度评价打下基础。

[1] 杨乐平,李海涛,等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2] 陈立功,倪纯珍,张 悦,等.按UIC513标准评估旅客列车振动舒适度[J].中国铁路,2001,(04):60-62.

[3] 纽瑞萍,蔡伯根.加速度计ADXL105的性能测试[J].电子产品世界,2002,(Z1):40-43.