CN101498622A - 列车气动性能模拟动模型试验方法及其装置 - Google Patents

Abstract

列车气动性能模拟动模型试验方法及试验装置，该试验方法包括：使用设置与轨道上的列车模型，在其一端设置弹力牵引机构，该弹力牵引机构经由一动滑轮增速机构与牵引列车模型；将列车模型向另一轨道的另一方向拉动，使弹力牵引机构张紧产生收缩弹力；然后释放拉伸后的列车模型，列车模型在弹力牵引机构收缩弹力的带动下加速到测定速度。本发明实现方法简单，易于控制，能够实现列车从静止到400km/h的高速加速，以及从高速快速制动到静止的操控，并具有较高的试验精度，能较为真实地反映地面效应、列车交会情况，再现实际列车在线路上的各种运行状态。

Description

列车气动性能模拟动模型试验方法及其装置

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实现高逼真度和真实度模拟试验的列车气动性能模拟动模型试验方法及其该实验装置。

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。

列车交会空气压力波试验有风洞的风压板试验、水槽试验、动模型模拟试验和实车试验等方法。由于风洞试验不能模拟两交会列车以及列车与周围环境之间的相对运动，风洞试验只能做一些定性研究；水槽试验不能处理三维问题，并需要通过不同介质的换算方能得到结果；实车试验需俟产品竣工以后才能进行，且需要耗费大量的人力、财力，一般都用于新型列车产品的验收考核。因此，动模型模拟试验有其独特的优势。

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。列车气动性能模拟动模型试验装置有多种，如日本、荷兰、西南交通大学的管道动模型试验装置，模型列车沿钢丝滑行，这种装置优点是成本低、速度高；缺点是模型比例小，雷诺数较低，测试精度不高，模型列车上无法安装测试仪器，不能反映列车受到的空气动力和瞬态压力冲击波，仅能完成列车通过隧道试验。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种列车气动性能模拟动模型试验方法，它的实现方法简单，易于控制，并具有较高的试验精度，能较为真实地反映地面效应、再现实际列车在线路上的运行状态。

本发明的另一目的在于提供了一种列车气动性能模拟动模型试验装置，它结构设计合理，能够获得较为真实的试验数据，逼真度高，可较为真实地反映地面效应、再现实际列车在线路上的运行状态。满足试验精度要求。

本发明采用的技术方案如下：

一种列车气动性能模拟动模型试验方法，其特征在于该试验方法包括：

使用设置与轨道上的列车模型，在其一端设置弹力牵引机构，该弹力牵引机构经由一动滑轮增速机构与牵引列车模型；

将列车模型向另一轨道的另一方向拉动，使弹力牵引机构张紧产生收缩弹力；

然后释放拉伸后的列车模型，列车模型在弹力牵引机构收缩弹力的带动下加速到测定速度。

具体的讲，该实验方法中所述列车模型的缩比为1:16～1:25，列车模型的重量为15～30kg。

所述弹力牵引机构包括弹力牵引绳，弹力牵引绳经由动滑轮增速机构与列车模型牵引连接，所述弹力牵引机构在牵引列车模型至轨道某一设定位置时与列车模型脱离，使列车模型无动力状态运行。

所述动滑轮增速机构为一动滑轮车，所述动滑轮车上设置有滑轮组，牵引绳的一端连接弹力牵引机构，另一端经动滑轮车后与列车牵引连接，在拉动列车模型向轨道的另一方向运动时，动滑轮车也向轨道的该方向作位移小于列车模型运行位移的运动。

该试验方法进一步包括：

将轨道沿列车模型的加速方向分为发射段、试验段和制动段，所述列车模型在发射段被拉动从而使弹力牵引机构产生收缩弹力；所述列车模型在发射段与试验段的临界点处与弹力牵引机构脱离；所述列车模型在制动段停止移动。

所述在列车模型携带有包括车载数据采集器、动态压力传感器、测速光电传感器和探头在内的车载测试系统，所述试验段设置有地面测试系统，所述地面测试系统用于测定列车模型运行速度，列车模型外空气压力变化以及环境参数。

所述实验方法进一步包括：

相对设置两组或两组以上的轨道和列车模型，两列车模型分别相对经由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。

一种列车气动性能模拟动模型试验装置，其特征在于该试验装置包括：

轨道及列车模型，所述列车模型的一端连接拉动绳，所述拉动绳的另一端设置牵引电机，使列车模型向其加速运动的牵引方向运动；

动滑轮增速机构，所述动滑轮增速机构设置一导轨上，其包括两组或两组以上的动滑轮组，所述动滑轮组上绕设牵引绳，该牵引绳的一端固定，另一端与列车模型连接；

弹力牵引机构，所述弹力牵引机构与动滑轮增速机构连接，并在动滑轮增速机构于导轨中移动时拉伸弹力牵引机构使其产生收缩弹力。

测试系统，用于测定列车模型的试验参数。

具体的讲，该实验装置中所述轨道包括依次连续设置的发射段、试验段和制动段，所述导轨设置在轨道的下方，动滑轮增速机构为一动滑轮车；所述轨道的试验段与发射段临界处设置一脱钩机构，所述列车模型运行至该脱钩机构时，与所述动滑轮车间脱离连接。

所述弹力牵引机构包括沿轨道方向设置的弹力绳束，所述弹力绳束外套装一导向管，弹力绳束的一端固定，另一端与所述动滑增速机构连接。

该列车气动性能模拟动模型试验方法及其实验装置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，再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，研究列车周围空气流场形成的机理，深入开展列车空气动力学研究(列车在明线与隧道内交会空气压力波、列车通过隧道时的瞬态压力变化及微气压波等)。在新车研制、新建铁路和既有线改造的复线间距确定、隧道断面形状设计等过程中即可对多种方案进行试验、比较，确定出满足空气动力性能要求的列车气动外形、合理的线间距和隧道断面形状，完善设计。还可在数值模拟计算软件的调试、计算模型建立、计算边界条件确定、经验参数选取等过程中，通过反复的试验、对比、分析，使数值模拟计算结果能达到满足工程要求的准确度与精度。

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是本发明试验装置的具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明试验装置的具体实施方式的俯视结构示意图；

图3是本发明实验方法的具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

该列车气动性能模拟动模型试验方法使用设置于轨道上的列车模型，将轨道按列车模型的加速方向分为发射段、试验段和制动段，列车模型在发射段被拉动从而使弹力牵引机构产生收缩弹力；列车模型在发射段与试验段的临界点处与弹力牵引机构脱离；列车模型在制动段停止移动。在轨道的其一端设置弹力牵引机构，该弹力牵引机构经由一动滑轮增速机构与牵引列车模型；将列车模型向另一轨道的另一方向拉动，使弹力牵引机构张紧产生收缩弹力；然后释放拉伸后的列车模型，列车模型在弹力牵引机构收缩弹力的带动下加速到测定速度。弹力牵引机构包括弹力牵引绳，弹力牵引绳经由动滑轮增速机构与列车模型牵引连接，弹力牵引机构在牵引列车模型至轨道某一设定位置时与列车模型脱离，使列车模型无动力状态运行。动滑轮增速机构为一动滑轮车，动滑轮车上设置有滑轮组，牵引绳的一端连接弹力牵引机构，另一端经动滑轮车后与列车牵引连接，在拉动列车模型向轨道的另一方向运动时，动滑轮车也向轨道的该方向作位移小于列车模型运行位移的运动。

在列车模型携带有包括车载数据采集器、动态压力传感器、测速光电传感器和探头在内的车载测试系统，所述试验段设置有地面测试系统，地面测试系统用于测定列车模型运行速度，列车模型外空气压力变化以及环境参数。

该试验方法所支持的列车模型的最佳缩比为1:16～1:25，列车模型的最佳重量为15～30kg。可实现较为真实的模拟试验，并符合缩比模型相似性和试验精度的要求。

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导轨。整个试验线分为三段：发射段I，试验段II和制动段III。列车模型12由3节车组成，缩比为1:16～1:25，以适应不同线间距试验的需要。列车模型最高试验速度为400km/h。

如图1所示，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，该拉动绳14为钢丝绳，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。为了便于列车模型12在拉动到设定位置进行释放，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。

图2中，U段为上层轨道的俯视结构示意图；D段为下层轨道的俯视结构示意图。下层轨道21上设置有一动滑轮车23，动滑轮车23上设置有动滑轮组，动滑轮组上绕有牵引绳24，该牵引绳24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21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。

如图2，弹力牵引机构由弹性绳束25、25’和导引管26、26’组成。弹力绳束25、25’可以为多根橡胶弹力绳组成的绳束，其具有较大的加速能量储备和相对较低的造价等优点，在下层轨道21的两侧分别设置与下层轨道同向设置的导向管26、26’，该导向管可选用PVC管，用于限定弹力绳束的收缩方向。弹力绳束的一端固定，另一端连接一锦纶绳221、222，该锦纶绳与动滑轮车23连接固定。其间锦纶绳221、222经由导向轮转向，使其拉伸方向与下层轨道21的方向保持一致。两组弹力牵引机构可有效地保证弹力绳束收缩时对动力传递车拉伸方向的恒定。当列车模型12被牵引电机15拉动而向右运动时，其通过牵引绳24使动滑轮车23于同方向移动从而使弹力牵引机构的弹力绳束25、25’拉伸产生收缩弹力。当列车模型12被牵引电机15释放后，该收缩弹力提供给列车模型12向左运行的拉力，而使其在瞬间达到较高的速度，以实现对列车模型12进行测试的速度条件。

该试验装置通过动滑轮车与弹力牵引机构相结合，能使列车模型在0.3秒内，从静止加速到400km/h，解决了弹力牵引机构仅能使模型列车加速到140km/h的问题。列车模型在0.36秒内，速度从400km/h紧急制动为0km/h，成功解决了短距离内列车模型加速和减速制动的问题。进行双端利车模型发射，两列车模型在交会试验时，相对速度可到700km/h—800km/h，较真实的模拟列车实际交会情形。列车模型在整个制动段的平均冲击力可达到12KN，如果制动措施不当，冲击力将急剧增大，为避免制动时列车模型冲击力和减速度过大，损坏车载测试系统和列车模型，可在试验线制动段采用分级逐步减速停车，通过列车模型与橡胶条摩擦、并牵引制动管内的活塞及其后的制动盘运动阻力，能使高速运行的列车模型在0.5秒左右从高速减速到最终停车。

如图3所示，通过相对设置两组轨道31、31’和列车模型32、32’，两列车模型32、32’分别相对经由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，再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32的轨道31上分别设置的发射段I、试验段II和减速段III与列车模型32’的轨道31’上设置的减速段III’、试验段II’和发射段I’对应，如此可以实时的获得两列车模型高速交会时的各种测量数据。

Claims (10)

1.一种列车气动性能模拟动模型试验方法，其特征在于该试验方法包括：

使用设置与轨道上的列车模型，在其一端设置弹力牵引机构，该弹力牵引机构经由一动滑轮增速机构与牵引列车模型；

将列车模型向另一轨道的另一方向拉动，使弹力牵引机构张紧产生收缩弹力；

然后释放拉伸后的列车模型，列车模型在弹力牵引机构收缩弹力的带动下加速到测定速度。

2.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟动模型试验方法，其特征在于所述列车模型的缩比为1:16～1:25，列车模型的重量为15～30kg。

3.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟动模型试验方法，其特征在于所述弹力牵引机构包括弹力牵引绳，弹力牵引绳经由动滑轮增速机构与列车模型牵引连接，所述弹力牵引机构在牵引列车模型至轨道某一设定位置时与列车模型脱离，使列车模型无动力状态运行。

4.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟动模型试验方法，其特征在于所述动滑轮增速机构为一动滑轮车，所述动滑轮车上设置有滑轮组，牵引绳的一端连接弹力牵引机构，另一端经动滑轮车后与列车牵引连接，在拉动列车模型向轨道的另一方向运动时，动滑轮车也向轨道的该方向作位移小于列车模型运行位移的运动。

5.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟动模型试验方法，其特征在于该试验方法进一步包括：

将轨道沿列车模型的加速方向分为发射段、试验段和制动段，所述列车模型在发射段被拉动从而使弹力牵引机构产生收缩弹力；所述列车模型在发射段与试验段的临界点处与弹力牵引机构脱离；所述列车模型在制动段停止移动。

6.根据权利要求5所述的列车气动性能模拟动模型试验方法，其特征在所述在列车模型携带有包括车载数据采集器、动态压力传感器、测速光电传感器和探头在内的车载测试系统，所述试验段设置有地面测试系统，所述地面测试系统用于测定列车模型运行速度，列车模型外空气压力变化以及环境参数。

7.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟动模型试验方法，其特征在所述实验方法进一步包括：

相对设置两组或两组以上的轨道和列车模型，两列车模型分别相对经由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。

8.一种列车气动性能模拟动模型试验装置，其特征在于该试验装置包括：

轨道及列车模型，所述列车模型的一端连接拉动绳，所述拉动绳的另一端设置牵引电机，使列车模型向其加速运动的牵引方向运动；

动滑轮增速机构，所述动滑轮增速机构设置一导轨上，其包括两组或两组以上的动滑轮组，所述动滑轮组上绕设牵引绳，该牵引绳的一端固定，另一端与列车模型连接；

弹力牵引机构，所述弹力牵引机构与动滑轮增速机构连接，并在动滑轮增速机构于导轨中移动时拉伸弹力牵引机构使其产生收缩弹力；

测试系统，用于测定列车模型的试验参数。

9.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟动模型试验装置，其特征在于所述轨道包括依次连续设置的发射段、试验段和制动段，所述导轨设置在轨道的下方，动滑轮增速机构为一动滑轮车；所述轨道的试验段与发射段临界处设置一脱钩机构，所述列车模型运行至该脱钩机构时，与所述动滑轮车间脱离连接。

10.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟动模型试验装置，其特征在于所述弹力牵引机构包括沿轨道方向设置的弹力绳束，所述弹力绳束外套装一导向管，弹力绳束的一端固定，另一端与所述动滑增速机构连接。

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