陈心悦, 路宏遥, 杨仕伟, 钱元元
(上海工程技术大学 城市轨道交通学院, 上海 201620)
摘要：基于程序开发环境LabVIEW和Matlab软件编程开发了轨道交通地面环境振动测试分析系统,并利用试验仿真对该系统进行了程序验证.同时,还利用该系统对轨道交通引起的环境振动进行了试验评估.试验结果表明,开发的该套系统能够对地面环境振动进行有效测试,并能对环境振动效应作出准确评价.
关键词：轨道交通; 环境振动; 振动分析
针对轨道交通引起的环境振动问题,主要有4种研究方法:解析的波数-频域法、数值法、试验法和统计能量分析[1].目前常采用理论分析与试验测试相结合的方法对环境振动进行有效评估.根据我国1988年制定的GB 10070—88《城市区域环境振动标准》[2],垂向Z振级的标准值可以作为评估量.文献[3]利用实测轨道交通环境振动数据,对振动的Z振级和1/3倍频程谱进行了分析,并对环境振动的影响作出了评价.对于试验系统的开发,程序开发环境LabVIEW平台以其独特的图形化编辑语言,得到了广泛的应用.文献[4-5]利用LabVIEW平台,开发了转子振动试验的测试系统,借助该系统,有效测量转子系统的振动响应.文献[6]以上海地铁9号线沿线近车站典型区段为对象,基于LabVIEW开发平台的振动测试系统进行数据采集,并对采集数据分析了振动响应实况和振动特性的传播规律.
本文基于LabVIEW和Matlab平台,自主开发了由轨道交通引起的地面环境振动测试与分析系统.该系统能快速、高效地测试由轨道交通引起的地面环境振动情况.
1.1 Z振级分析
为了控制城市环境振动污染,根据GB 10070—88《城市区域环境振动标准》对轨道结构振动进行了评价.计算各测点垂向振动Z振级,即
(1)
式中:V为加速度时程的振级,dB;aw为频率计权加速度有效值,m/s2;a0为基准加速度值,10-6m/s2.
表1所列为我国城市的各类区域Z振级标准评判值.通过对环境振动的测量,利用式(1)得到实测环境振动的Z振级值,针对不同城市区域与标准中的有效值进行比较,最终对环境振动的影响进行判别.
表1 城市各类区域沿垂向Z振级标准值
Table 1 Standard values of vertical Z vibration level for all kinds of urban areas dB
适用地带范围昼间夜间特殊住宅区6565居民、文教区7067混合区、商业中心区7572工业集中区7572交通干线道路两侧7572铁路干线两侧8080
1.2 倍频程振动加速度
倍频程分析是振动分析中的频率尺度,1/n倍频程指在每个倍频程内信号频率分为n个频带.传统的倍频程分析是通过计算每个频带内的均方根值,从而得到每个中心频率频带的功率谱值,以此计算1/3倍频程频谱.
1 000 Hz为国际认可的参考频率,是一个倍频程的中心频率.其他倍频程的中心频率从1 000 Hz开始,通过将前一个中心频率乘以或除以103/10得到.在确定倍频程的频率比时,其倍频程频带中心频率fm确定为
fm=Gn/bfr
(2)
式中:倍频程G为103/10；1/b为倍频程带宽的分数,在1/3倍频程中，b=3；fr=1 000 Hz为参考频率；n可取任何整数(n=0,±1,±2,…).倍频程每个频带的上限和下限截止频率(分别记作f1和f2),可确定为
(3)
表2 1/3倍频程中心频率与频率范围
Table 2 Center frequency and frequency range of one-third octave Hz
中心频率频率范围中心频率频率范围109～11.21000900～112012.511.2～1412501120～14001614～1816001400～18002018～22.420001800～22402522.4～2825002240～280031.528～35.531502800～35504035.5～4540003550～45005045～5650004500～56006356～7163005600～71008071～9080007100～900010090～112100009000～11200125112～1401250011200～14000160140～1801600014000～18000200180～2242000018000～22400250224～2802500022400～28000310280～3553150028000～35500400355～4504000035500～45000500450～5605000045000～56000630560～7106300056000～71000800710～9008000071000～90000
本文对轨道交通引起的环境振动测试,采用的振动测试仪器包括:工控机、NIcDAQ-9188XT以太网机箱、NI 9234数据采集卡和拾振器.同时,通过拾振器连接数据采集板卡,用NI 9234数据采集卡采集振动加速度进行信号调理，并利用NIcDAQ-9188XT以太网机箱与上位机进行通信.采用LabVIEW编写测试系统中的数据采集软件,开发一套基于虚拟仪器的环境振动状态测试系统.
2.1 硬件部分
硬件系统主要用工控机、NIcDAQ-9188XT以太网机箱、NI 9234数据采集卡和高灵敏度加速度传感器,实现振动数据的高速度、高精度的采集.将加速度传感器放置在测试点上,通过硬件的NI 9234数据采集卡采集振动加速度进行信号调理,通过以太网机箱的网络接口实现软、硬件之间的高速数据通信,从而完成对相关数据的采集.硬件系统的主要功能是实现高速度、高精度的数据采集.
2.2 软件部分
软件系统主要通过LabVIEW软件实时显示所测的轨道振动数据,对采集到的轨道振动数据进行时域和频域分析,并保存采集到的轨道振动数据.然后，基于Matlab软件对所采集的数据作进一步的分析和处理.在设计软件时，为了便于扩展,采用模块化的设计思想,主要包括DAQ数据采集模块、数据显示模块、数据保存模块和Matlab分析模块.软件系统的主要功能是实现对采集到的环境振动数据进行分析和处理.
2.2.1 LabVIEW分析
DAQ数据采集模块的主要功能是为了实现与硬件系统之间的通信,并接收硬件系统所采集到的数据信息.本项目设计的DAQ数据采集程序利用“DAQmx采集数据”模块,在多态视觉识别系统(VI)选择器中模拟输入电压,并在物理通道中选择指定的虚拟通道.利用“DAQmx读取”的多态VI选择器中模拟波形N通道N采样.
在分析轨道振动信号时,一般采用有频域分析、1/3倍频分析和Z振级等.在分析轨道交通引起的环境振动时,可以通过对振动加速度的有效值分析确定.频域分析采用快速傅里叶变换(FFT),将采集到的数据通过FFT得到其频谱特性.通过FFT将信号的波形分解成谐波分量,这些谐波具有不同的谐频.将这些谐波分量按频率的大小进行排列,形成频谱.对振动信号进行频域分析时,主要利用功率谱分析来确定振动特性,利用功率谱函数了解信号的主频以及各频率的能量分布情况.1/3倍频分析是一种频域分析方法,倍频程是频域分析的一种相对尺度,由一系列频率点以及对应这些频率点附近频带内信号的平均幅值构成,这些频率称为中心频率,每隔3个中心频率,频率值增加1倍.1/3倍频分析方法具有谱线少、频带宽的特点,可以得到全面的频域特性和振动加速度.数据处理和显示模块程序如图1所示.
图1 数据处理和显示模块程序
Fig.1 Data processing and displaying module program
基于试验的采样通道和采样速率要求,采集的数据量较大,为了方便储存和管理这些数据,程序采用Excel格式进行数据储存.LabVIEW软件利用技术数据管理流“TDMS写入”,使加速度值按行写入Excel,其中,采集数据要转换成小数字符串才可以写入文件.文件路径采用相对路径,通过转化为“文字表格文件”写入文件路径.路径语法“%Y、%m、%d %H、Excel”,为时间路径.
2.2.2 振动特性分析
将DAQ数据采集仪得到的振动响应数据导入Matlab,根据Z振级计算原理及1/3倍频程分析方法,对所采集得到的时域响应数据进行振动特性分析.为了演示动态特性分析结果,利用Matlab模拟得到10组振动响应试验值.根据式(1)得到10组数据Z振级图,如图2所示.
图2 1～10#模拟测点Z振级直方图
Fig.2 Z vibration level histogram of 1～10# simulated measuring points
同样,利用模拟生成得到的试验数据,计算测点1的1/3倍频直方图,如图3所示.
3.1 测试布置
试验装置和试验方案如图4所示.在距离中轴线3 m位置放置拾振器,并且用拌水的生石灰固定,连接拾振器、采集板卡和NI机箱.当试验车辆在轨道上行驶时,利用图4所示的试验装置和本文开发的环境振动测试系统,先对振动响应进行数据采集和存储,再将所存储的数据导入Matlab软件,编程实现对环境振动响应的评价.
图3 1#测点1/3倍频程分析结果
Fig.3 Analysis result of one-third octave of 1# measuring point
图4 试验器材布置
Fig.4 Arrangement of test equipments
3.2 结果分析
3.2.1 数据处理方法
测试采取连续采样的方法,频率为200 Hz,用LabVIEW软件读取采样源数据并保存数据,通过Matlab对所采集的数据进行振动特性分析.通过LabVIEW在t=0.6 s时,测试振动响应试验数据.试验数据在整个运行过程中的环境振动响应如图5所示.根据GB 10070—88《城市区域环境振动标准》利用Z振级和1/3倍频程对测点的振动水平进行评价.
3.2.2 数据分析
波形分析主要针对试验车辆通过轨道时引起的环境振动.试验车辆通过时的环境振动时程曲线，如图6所示.
图5 地面环境振动测点断面图
Fig.5 Section surface profile of environmental vibration measuring point
对时程响应进行FFT分析,得到环境振动时的频谱图和1/3倍频谱图,分别如图7和图8所示.Z振级计算结果为101.812 dB.
轨道交通引起的地面环境振动影响不容忽视，在享受轨道交通便利的同时,也应当对其产生的不利的方面进行思考并及时采取措施来应对.
图6 环境振动时程曲线
Fig.6 Curve of environmental vibration
图7 环境振动频谱图
Fig.7 Environmental vibration spectrum
图8 环境振动1/3倍频谱图
Fig.8 One-third octave of environmental vibration
随着社会科学技术的发展,人们越来越多地使用到了在各个领域都有广泛应用的虚拟仪器技术,与传统的测量方式相比,使用虚拟仪器技术能够大大简化测量步骤,实现更方便、更准确的测量和分析,是当前科技、生产领域较为常用的一种方法.本文设计的环境振动的测试分析系统由硬件和软件构成.软件部分通过LabVIEW和Matlab软件编程,主要包括DAQ数据采集模块、数据处理与显示模块、数据保存模块.硬件部分主要利用NI机箱构建环境振动数据采集硬件系统,做到高效的采集.在此系统中,软件实现与硬件实时通信、数据传输.同时，基于LabVIEW和Matlab软件对数据进行分析和处理,两者相结合,体现了虚拟仪器对轨道环境振动测量的优势,能够稳定、快速、精确地进行数据采集和分析处理.
参考文献：
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[4] 冯德虎,刘满银.基于LabVIEW的虚拟测试转子振动的研究[J].陕西科技大学学报,2006,24(05):104-108.
[5] 赵荣珍,马再超,冯如只,等.转子振动实验的多功能测试系统开发[J].振动·测试与诊断,2013,33(S2):95-99,221-222.
[6] 屈迪,林皋,李建波,等.近车站地铁运行引起的环境振动的实验与分析[J].防灾减灾工程学报,2014,34(2):173-179.
(编辑: 张敏)
CHEN Xinyue, LU Hongyao, YANG Shiwei, Qian Yuanyuan
(College of Urban Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)
Abstract：The environmental vibration test and analysis system were developed based on LabVIEW and Matlab softwares,and the system was verified by the simulation test which was applied to the vibration evaluation of environmental vibration test caused by rail transit.The experimental result shows that the ground environment vibration can be effectively tested and accurately evaluated by the system developed.
Key words：rail transportation; environmental vibration; vibration analysis
文章编号：1009-444X(2016)04-0306-05
收稿日期：2016-11-01
基金项目：上海工程技术大学大学生重点科研平台创新训练资助项目(cz151001)
作者简介：陈心悦(1995-),女,在读本科生,研究方向为交通工程.E-mail:498793093@qq.com
通信作者：路宏遥(1990-),男,助教,硕士,研究方向为交通工程.E-mail:799117843@qq.com
中图分类号：TB 53
文献标志码：A
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