CN101441136A - 列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法及系统 - Google Patents

Abstract

列车气动性能模拟试验装置同步发射测控方法及系统，该方法包括采用辅助测控计算机设定弹射力加载量，由一总控制台控制经可编程控制器输出控制信号，可编程控制器直接或间接通过一电器控制柜控制列车模型的同步发射；列车模型触发同步测控，启动测试系统采集测试数据；所述测试系统包括车载数据采集系统和地面数据采集系统。本发明能够对列车模型起动性能模拟试验的全过程，包括弹射力加载同步发射和同步采样进行测控，灵活可靠，能够实现该模拟试验所采用列车模型的精确弹射力加载量的同步发射，以及动态的测量和同步测控功能，可靠的实现双端动模型列车的同步发射，以及车载数据采集系统与地面数据采集系统的同步工作。

Description

列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法及系统

技术领域

本发明属于列车气动性能模拟试验技术领域，具体的涉及一种可以对模拟试验的列车气动性能模拟动模型试验装置进行同步发射和同步测控的方法，以及该同步发射测控系统。

背景技术

列车是在地面上高速运行的长大物体，复线上两相对运行列车交会及列车过隧道引发的空气压力骤变，对行车安全、旅客舒适性及周围环境将产生严重影响，诸如使车厢产生过大的变形，破坏车体结构，击碎车窗玻璃，损坏空调系统进风装置，吸下被交会列车的物品，列车瞬态横摆过大(可能引起轮轨列车脱轨，或损坏磁浮列车导向磁铁)，使乘客耳鸣、呕吐等。随着列车速度的提高，因列车交会引起的空气动力学问题更为突出。日本在修建世界上第一条高速铁路时，由于未能认识到列车交会和过隧道的空气动力对行车安全及旅客舒适性的严重影响，导致复线间距和隧道断面积较小(可节约工程投资)，尽管随后的几十年日本对改善列车气动性能的外形进行了大量研究(流线型头部长度达15m)，但仍受到复线间距和隧道断面积的制约。

列车空气动力学研究的目的主要是减小气动阻力，改善操纵稳定性，提高安全舒适性及减小其对环境的影响。列车空气动力学的研究内容可以归纳如下几个方面。(1)研究作用在列车上的空气动力和力矩，及其对列车性能的影响。(2)研究列车运行时，自然风对列车性能的影响及列车风对人和建(构)筑物的影响。(3)研究列车通过隧道和列车会车时的压力波特性。(4)研究列车气动噪声和气候条件及其对车厢内人员舒适性的影响。

缩尺模型模拟试验是研究列车空气动力特性的一种主要手段。本案发明人发明了一种列车气动性能模拟试验装置，如图1和图2所示，图1绘示了该列车气动性能模拟试验装置的部分结构示意图；图2绘示了该列车气动性能模拟试验装置的整体示意图。该列车气动性能模拟动模型试验装置主要由试验台、动力系统、控制系统、测试系统数据处理系统及列车模型组成。试验台分上下两层，上层为列车模型运行试验线，下层为动滑轮车运行轨道。整个试验线分为三段：发射段I，试验段II和减速段III。列车模型12缩比为1:16～1:25，列车模型12的重量为15～30kg，列车模型12的最大瞬间释放速度为350～400km/h。上层轨道11上设置有列车模型12，列车模型12的一端连接拉动绳14，拉动绳由牵引电机15驱动牵引，使列车模型12向牵引方向移动。在钢丝绳的拉动末端首先连接一牵引小车13，牵引小车13与列车模型12均处于上层轨道11上，牵引小车13再连接列车模型12，并且牵引小车13与列车模型12间设置有包括电磁阀的脱钩装置，通过操控该电磁阀，可以使牵引小车13与列车模型12间脱离。轨道的试验段II与发射段I临界处设置一脱钩机构，列车模型运行至该脱钩机构时，该脱钩机构可使动滑轮车与列车模型间脱离连接。下层轨道16上设置有动滑轮车18，动滑轮车18上设置有动滑轮组，动滑轮组上绕有牵引绳19，该牵引绳19的一端连接列车模型12，另一端绕经动滑轮组后固定在下层轨道16的右端，如此，当牵引小车13拉动列车模型12向右运动时，牵引绳24也牵动动滑轮车23向右沿下层轨道21移动。弹力绳连接动力绳17，在列车模型被牵引电机牵引一定距离后动力绳传递弹力绳的回缩弹力使动滑轮车拉动列车模型进行瞬态加速，使列车模型以符合试验要求的速度驶入试验段，进行试验。

如图2所示，两组轨道21、23上分别设置相对的列车模型22、24，两列车模型经由各自的动滑轮增速机构与弹力牵引机构牵引连接，两列车模型在弹力牵引机构收缩力的带动下加速到测定速度并相对交会运动。能够模拟两交会列车之间、列车与地面之间、列车与周围环境之间的相对运动，对不同形状、不同运行速度列车，在不同线间距情况下通过可控制的试验，现实际列车在线路上运行情况，获得列车表面和周围空气流场的动态变化过程。列车模型21的轨道23上分别设置的发射段I，试验段II和减速段III与列车模型23的轨道24上设置的减速段III’，试验段II’和发射段I’平行相邻，如此可以实时的获得两车高速交会时的各种测量数据。

如何能够对两列车模型的发射和测控保持同步是实现该实验装置最终结果真实性的重要内容。

发明内容

本发明提供了一种可以实现列车气动性能模拟试验进行同步发射和测控的方法以及实现该同步发射测控的系统，其能够实现该模拟试验所采用列车模型的精确弹射力的加载，并可实现同步发射，以及动态的同步测量和测控功能，可靠的实现双端动模型列车的同步发射，以及车载数据采集系统与地面数据采集系统的同步工作。

本发明所采用的技术方案如下：

列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法，该模拟试验装置采用牵引机构牵引列车模型从而带动与列车模型连接的弹力绳伸长，牵引机构释放列车模型后弹力绳收缩，将列车模型发射并沿轨道加速后行进，其特征在于该同步发射测控方法包括：

采用辅助测控计算机设定弹射力加载量，由一总控制台控制经可编程控制器输出控制信号，可编程控制器直接或间接通过一电器控制柜控制列车模型的同步发射；列车模型触发同步测控，启动测试系统采集测试数据。

具体的讲，所述同步发射测控方法还包括：

首先，在辅助测控计算机中输入发射质量、预订发射速度并由此计算弹射力；

判断是否为双端发射，如果为双端发射，则进行双端弹力绳加载弹射力，然后检测弹力绳弹射力是否达到预定值，如果达到预定值，则会对双端牵引列车模型的脱钩装置发送信号，双端牵引列车模型的牵引小车同时解锁，将列车模型进行相对交会发射；

如果为单端发射，则进行单端弹力绳加载弹射力，然后检测单端弹力绳弹射力是否达到预定值，如果达到预定值，则将列车模型进行单端发射。

所述弹射力加载量的设定方法包括：

对弹力绳在不同的弹射质量M0和环境温度T下测试，实测得到弹射力Ftmax及试验段初速度V0，采用曲线拟合方法，建立弹射力-弹射速度模型Ftmax＝f(V0，M0，T)；根据该模型选取试验弹射速度所需要的弹射力。

所述同步发射测控方法包括：

在两轨道的试验段起点分别设置地面光电传感器和地面同步标志，两列车模型上分别设置有车载光电传感器和车载同步标志，两列车模型发射后，当每一辆列车的车载光电传感器检测到地面同步标记的初始端时，地面光电传感器也同时检测到车载同步标记的初始端，车载光电传感器和地面光电传感器在该同一时刻产生同步脉冲信号输出，并同时分别触发启动车载数据采集系统和地面数据采集系统工作。

两列车发射后由地面光电传感器产生的地面同步脉冲信号分别输入至一测控系统时间差检测记录仪表和所述辅助测控计算机，记录两同步脉冲信号到达的时间差值，同时两同步脉冲信号触发地面数据采集系统，使地面数据采集系统与首先进入轨道试验段的列车模型的车载数据采集系统同步工作，并以此为基准，确定地面数据采集系统和两列车模型上的车载数据采集系统的时间坐标的零点。

一种列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控系统，该模拟试验装置采用牵引机构牵引列车模型从而带动与列车模型连接的弹力绳伸长，牵引机构释放列车模型后弹力绳收缩，将列车模型发射并沿轨道加速后行进，其特征在于该同步发射测控系统包括：

辅助测控计算机，用于输入包括发射质量、预定试验速度的试验参数，从而设定弹射力加载量；

总控制台，控制连接弹射力传感器和地面同步光电传感器，并连接设置一可编程控制器，由该可编程控制器直接或者通过电气控制柜根据弹射力加载量调控列车模型的牵引机构、列车模型的牵引、发射释放。

具体的讲，所述同步发射、测控系统还包括试验线路，所述试验线路包括两个并行设置的轨道和分别在该轨道上相对运行的列车模型，所述轨道依次分为发射段、试验段和减速段，两轨道的相对端分别设置卷扬机，卷扬机牵引连接列车模型，列车模型的另一方向还连接设置弹力绳；所述总控制台根据辅助测控计算机输入的试验参数控制卷扬机的牵引距离，以及列车模型的发射释放。

所述同步发射测控系统包括：

两轨道试验段起点分别设置的地面光电传感器和地面同步标记；

两列车模型上分别设置的车载光电传感器和车载同步标志；

所述当每一辆列车的车载光电传感器检测到地面同步标记的初始端时，地面光电传感器也同时检测到车载同步标记的初始端，车载光电传感器和地面光电传感器在该同一时刻产生同步脉冲信号输出，并同时分别触发启动车载数据采集系统和地面数据采集系统工作。

本发明能够对列车模型起动性能模拟试验的发射和试验段，包括弹射力加载同步发射和同步采样进行测控，灵活可靠，能够实现该模拟试验所采用列车模型的精确弹射力加载量的同步发射，以及动态的同步测量和测控功能，可靠的实现双端动模型列车的同步发射，以及车载数据采集系统与地面数据采集系统的同步工作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

附图说明

图1是列车模型起动性能模拟试验装置的部分结构示意图；

图2是双端列车气动性能模拟试验装置的整体结构示意图；

图3是本法明具体实施方式中同步发射测控系统的组成方框图；

图4是本发明具体实施方式中同步发射测控方法的步骤结构示意图；

图5是本发明具体实施方式中同步测控的结构示意图；

具体实施方式

本发明列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法是采用图1和图2所示，列车气动性能模拟试验装置，牵引机构牵引列车模型从而带动与列车模型连接的弹力绳伸长，牵引机构释放列车模型后弹力绳收缩，将列车模型发射并沿轨道加速后行进。

该同步发射、测控方法主要采用辅助测控计算机设定弹射力加载量，由一总控制台控制经可编程控制器输出控制信号，可编程控制器直接或间接通过一电器控制柜控制列车模型的同步发射；列车模型触发同步测控，同时启动包括车载数据采集系统和地面数据采集系统的测试系统采集测试数据。

如图3所示，该同步发射测控系统主要包括：

辅助测控计算机，用于输入包括发射质量、预定试验速度的试验参数，从而设定弹射力加载量；

总控制台，控制连接弹射力传感器和地面同步光电传感器，并连接设置一可编程控制器，由该可编程控制器直接或者通过电气控制柜根据弹射力加载量调控列车模型的牵引机构、列车模型的牵引、发射释放。

车载数据采集系统，包括车载动压力检测装置和车载速度检测装置；

地面数据采集系统，包括地面动压力检测装置和地面速度检测装置；

测控系统的人机界面是辅助测控计算机和总测控台设置的测控操作面板。辅助测控计算通过键盘操作输入参数，实现预定弹射速度的弹射力计算，同时实现试验过程同步信号的自动测控和弹射力的自动检测。测控面板为手动测控方式，通过操作测控按钮将测控信号输入到可编程测控器，可编程测控器通过逻辑运算，输出测控信号，直接驱动或通过电气测控柜驱动弹射装置电气设备。测控过程中的各种参变量(如弹力绳弹力，同步信号等)同时输入计算机和测控面板，以便数据采集或仪表显示。

如图4所示，在进行列车模型气动性能试验时，首先给出预定的列车模型运行速度，并实测出弹射质量、环境温度等其它相关的参数，将这些参数输入弹力绳弹射系统的数学模型，由此模型计算并输出本次橡筋弹射所需的最大弹射力，试验操作人员根据此最大弹射力值，测控弹力绳弹射测控装置卷扬机对弹力绳的加载，当拉力达到所需的最大值时，打开发射按钮，使列车模型在一定误差范围内按预定试验速度发射。试验结束后，由辅助测控计算机对弹射力和动模型弹射速度数据进行处理，并将动模型的预定速度和实测速度进行比较，以对弹力绳弹射系统数学模型进行修正。

对弹射力加载量的设定方法即该弹射系统数学模型的建立方法是：通过在不同弹射质量M0和环境温度T下试验、实测得到弹射力Ftmax及试验段初速度V0的大量数据基础上，采用曲线拟合方法，建立了简便实用的弹力绳弹射力-弹射速度模型Ftmax＝f(V0，M0，T)。该模型在每次弹射试验结束后，再次根据实测数据进行修正和更新，使该数学模型不断得到优化并消除弹力绳特性变化的影响。弹力绳弹射动模型速度测控属于开环测控，其测控精度取决于弹力绳弹射系统建立的数学模型合理性和输入测控参数的精度。

列车模型在试验段上的运行速度，取决于列车模型脱离后进入试验段的初始速度V0、列车模型与轨道的摩擦力Fg以及空气阻力Fk。实验表明，当轨道状态和轮轨间隙保持相对稳定时，摩擦力Fg对列车模型运动速度的影响相对稳定，列车模型在整个试验段上的速度特性按恒减速度呈线性变化，列车模型在整个试验段上速度变化<2m/s。因此，对于一定的列车模型，影响试验速度的主要参数是初始速度V0。而V0又是初始弹射力Ftmax、弹射总质量M0、橡筋拉伸特性、环境温度T以及加速段轮轨摩擦力和列车模型空气阻力等的复杂函数。弹力绳的拉伸特性具有非线性特征，且与环境温度相关。因此通过该数学模型可以精确的得到弹力绳弹射力-弹射速度的对应关系，获得误差不超过2m/s的测试速度。

同步测控可建立整个测控系统统一的时间和空间参考基准点，以确保系统中相互独立工作的各部分获得的试验数据在时间和空间上的一致性。如图5所示，该同步测控由4套同步光电传感器和相应的同步标志(黑白相间条纹标记)相互作用实现。在两条轨道试验段II、II’的起始点各设置一组地面光电传感器51、51’和地面同步标志55、55’，同时，两动模型列车52、52’上也各设置一组车载光电传感器54、54’和车载同步标志53、53’。地面光电传感器51、51’的位置是这样确定的：当车载光电传感器检测到地面同步标志第一个白色条纹时，恰好使地面光电传感器也同时检测到动模型车外侧面上同步标志的第一个白色条纹。这样，列车模型和地面上的光电传感器便在同一时刻产生高电平脉冲(同步信号)输出，并同时分别触发启动车载数据采集系统和地面数据采集系统工作。双端同时发射时，两端的地面同步脉冲信号输入到测控系统时间差检测记录仪表和辅助测控计算机上，记录并计算两脉冲到达的时间差值，同时两同步脉冲经过脉冲整形后，用其逻辑或来触发地面数据采集系统，这样就保证了地面数据采集系统与首先进入试验段的列车模型的车载数据采集系统同步工作，并以此为基准，确定地面数据采集系统和两套车载数据采集系统采集数据时间坐标的零点。列车模型采集数据的空间(位移)坐标基准点确定为地面同步光电传感器安装轴线位置。

如此，该列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法及系统对动模型列车试验的全过程，即弹射力加载、安全预警、同步发射和同步采样进行控制。在控制操作方式上可采用自动和手动两种控制操作方式相结合方法。能够实现对动模型弹射及速度的精确，控制。能可靠地控制弹力绳弹射力加载从而较为精确地控制列车模型试验速度。获得不同速度下列车模型空气动压力变化曲线。还能够实现同步控制。能可靠地控制双端动模型列车的同步发射、车载系统与地面系统的同步工作，获得时间和空间上一致的试验数据。

Claims (8)

1.列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法，该模拟试验装置采用牵引机构牵引列车模型从而带动与列车模型连接的弹力绳伸长，牵引机构释放列车模型后弹力绳收缩，将列车模型发射并沿轨道加速后行进，其特征在于该同步发射测控方法包括：

采用辅助测控计算机设定弹射力加载量，由一总控制台控制经可编程控制器输出控制信号，可编程控制器直接或间接通过一电器控制柜控制列车模型的同步发射；列车模型触发同步测控，启动测试系统采集测试数据。

2.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法，其特征在于所述同步发射测控方法还包括：

首先，在辅助测控计算机中输入发射质量、预订发射速度并由此计算弹射力；

判断是否为双端发射，如果为双端发射，则进行双端弹力绳加载弹射力，然后检测弹力绳弹射力是否达到预定值，如果达到预定值，则会对双端牵引列车模型的脱钩装置发送信号，双端牵引列车模型的牵引小车同时解锁，将列车模型进行相对交会发射；

如果为单端发射，则进行单端弹力绳加载弹射力，然后检测单端弹力绳弹射力是否达到预定值，如果达到预定值，则将列车模型进行单端发射。

3.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法，其特征在于所述弹射力加载量的设定方法包括：

对弹力绳在不同的弹射质量MO和环境温度T下测试，实测得到弹射力Ftmax及试验段初速度VO，采用曲线拟合方法，建立弹射力-弹射速度模型Ftmax＝f(VO，MO，T)；根据该模型选取试验弹射速度所需要的弹射力。

4.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控方法，其特征在于所述同步发射测控方法包括：

在两轨道的试验段起点分别设置地面光电传感器和地面同步标志，两列车模型上分别设置有车载光电传感器和车载同步标志，两列车模型发射后，当每一辆列车的车载光电传感器检测到地面同步标记的初始端时，地面光电传感器也同时检测到车载同步标记的初始端，车载光电传感器和地面光电传感器在该同一时刻产生同步脉冲信号输出，并同时分别触发启动车载数据采集系统和地面数据采集系统工作。

5.根据权利要求4所述的列车气动性能模拟试验装置的同步发射控方法，其特征在于两列车发射后由地面光电传感器产生的地面同步脉冲信号分别输入至一测控系统时间差检测记录仪表和所述辅助测控计算机，记录两同步脉冲信号到达的时间差值，同时两同步脉冲信号触发地面数据采集系统，使地面数据采集系统与首先进入轨道试验段的列车模型的车载数据采集系统同步工作，并以此为基准，确定地面数据采集系统和两列车模型上的车载数据采集系统的时间坐标的零点。

6.一种列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控系统，该模拟试验装置采用牵引机构牵引列车模型从而带动与列车模型连接的弹力绳伸长，牵引机构释放列车模型后弹力绳收缩，将列车模型发射并沿轨道加速后行进，其特征在于该同步发射测控系统包括：

辅助测控计算机，用于输入包括发射质量、预定试验速度的试验参数，从而设定弹射力加载量；

总控制台，控制连接弹射力传感器和地面同步光电传感器，并连接设置一可编程控制器，由该可编程控制器直接或者通过电气控制柜根据弹射力加载量调控列车模型的牵引机构、列车模型的牵引、发射释放。

7.根据权利要求6所述的列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控系统，其特征在于所述同步发射、测控系统还包括试验线路，所述试验线路包括两个并行设置的轨道和分别在该轨道上相对运行的列车模型，所述轨道依次分为发射段、试验段和减速段，两轨道的相对端分别设置卷扬机，卷扬机牵引连接列车模型，列车模型的另一方向还连接设置弹力绳；所述总控制台根据辅助测控计算机输入的试验参数控制卷扬机的牵引距离，以及列车模型的发射释放。

8.根据权利要求7所述的列车气动性能模拟试验装置的同步发射测控系统，其特征在于所述同步发射测控系统包括：

两轨道试验段起点分别设置的地面光电传感器和地面同步标记；

两列车模型上分别设置的车载光电传感器和车载同步标志；

所述当每一辆列车的车载光电传感器检测到地面同步标记的初始端时，地面光电传感器也同时检测到车载同步标记的初始端，车载光电传感器和地面光电传感器在该同一时刻产生同步脉冲信号输出，并同时分别触发启动车载数据采集系统和地面数据采集系统工作。

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