CN101650255B - 列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法及测试系统，所述确定方法包括：于实车实验中采用全尺寸人体模型，测量列车风作用下位于测试点的人体模型承受的气动力，监测列车风中的点速度及压力随时间变化情况，并获得人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。本发明能够正确地评价列车侧向人员安全退避距离，其通过人体模型和实测试验，系统且科学的测定了列车风对站台上及道旁人员空气动力作用的影响，为高速列车运行的安全评估提供精确的数字依据，能够合理的运用实验结果评估工作人员及旅客安全退避的距离。该测试系统结构设计合理，能够有效消除各种因素的干扰，得到合理且精确的测试结果。

Description

列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法及测试系统

技术领域

本发明属于高速列车的空气动力学领域，具体的涉及一种用于确定列车风作用下侧向人员安全退避距离的方法以及测试系统。

背景技术

列车是高速运行的长大物体，有其独特的空气动力问题需要研究解决。由于空气的粘性作用，列车在地面高速运行时将带动列车周围空气随之运动，形成一种特殊的非定常流动，通常称为列车风。列车风以空气流动和压力变化的形式表现出列车对周围环境及道旁人员安全的影响。列车风的作用随着离开列车侧面距离的增加而减少，为保障站台上旅客和路边作业人员安全，必须保证人体与列车侧壁之间有一定距离，这一距离即为人体安全退避距离。

列车安全退避距离主要有两方面研究内容，一是列车风作用下人体受力情况及列车风速度及压力分布；二是制定判别人体安全性的标准。从现有技术来看，各国对列车风的研究所采用的研究方法、研究手段不尽相同，大致可分为三种：一是采用实车试验研究方法，测量全尺寸人体模型受到的气动力，同时测量轨侧列车风风速和风压的分布规律；二是采用水洞等模拟试验方法，测量列车通过时轨侧园柱体(模拟人体)的压力分布；三是用势流理论计算方法，求解列车周围速度场和压力场以及轨侧圆柱体在列车通过时的压力系数变化规律。日本在高速铁路研究初期对列车风进行过一些理论计算和风洞试验，但主要是依赖于实车试验的测量结果。他们采用人体模型和二维超声风速仪测试列车以170km/h速度通过时，人体模型的受力情况以及站台上不同距离的列车风风速。同样法国和前苏联也采用全尺寸人体模型，测量处于列车风中的人体的受力情况。英国通过实车试验方法测量了高速列车通过时，线路侧向不同距离列车风风速及风向，还将残疾人轮椅置于距站台边缘不同距离位置，观测轮椅的受力及运动情况。德国除进行实车试验外，还通过水槽模拟试验，当拖动列车模型运动时，测量列车侧向圆柱体(模拟人体)的受力情况，同时采用基于势流理论的数值模拟计算方法，计算了列车侧向圆柱体的气动力。

列车安全退避距离研究另一项内容是制定判别人体安全性的标准，根据所采用的物理量不同，有风速标准和气动力标准两种。在制定人体安全退避距离时，各国采用的标准不尽相同。日本以平均风速9m/s作为确定站台安全距离的危险标准；英国也采用风速判据，以1秒钟平均风速11m/s确定站台安全距离、以17m/s确定作业安全距离(有扶手等类似设施条件下)。法国和德国采用气动力判据，规定人体允许承受的气动力为100N。

我国在“八五”期间就开展了列车安全退避距离的研究，以下简要介绍这方面的研究工作情况。一是实车试验，采用全尺寸人体模型分别在铁科院环行线(列车最高运行速度180km/h，人体模型放置在线路旁)、广深线(列车最高运行速度170km/h，人体模型置于路堤及路堑上)及沪宁线(列车最高运行速度160km/h，人体模型置于站台上)测量人体在列车风中受到的气动力，试验列车为DF11牵引的准高速列车，并采用三维超声风速仪测量列车风风速。二是模拟试验，在北京大学力学系的拖槽中分别对流线型和传统钝型列车进行列车绕流特性模拟试验。三是数值计算，采用势流理论(即将空气作为无粘、无旋流体处理)计算了列车头部列车风速度及压力分布，并采用集总参数法(将非定常、不均匀流场中圆柱体受力问题转化成定常、均匀问题处理)计算了短圆柱体在列车风中的受力情况。在上述研究工作基础上，参考国外标准采用类比法提出了我国人体允许承受的气动力值和风速值(建议值)：对站台而言，人体允许承受的最大气动力值为100N；对线路作业而言，人体允许承受的最大气动力值为130N；站台旅客和线路作业人员允许承受的列车风风速为14m/s。根据上述研究结果，“九五”期间制订的“时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定”中提出了200km新建线路有列车通过的站台人体安全退避距离为距站台边缘2m，线路作业人员安全距离为距轨侧3m。

虽然自“八五”以来我国研究工作者对列车安全退避距离的研究开展了大量工作，研究成果为高速铁路的建设提供了依据。但受研究条件的限制，研究结果未经高速列车运行试验的考核，无法用于正确的评价列车侧向人员安全退避距离。

发明内容

本发明提供了一种能够正确地评价列车侧向人员安全退避距离的列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法及测试系统，其通过人体模型和实测试验，系统且科学的测定了列车风对站台上及道旁人员空气动力作用的影响，为高速列车运行的安全评估提供精确的数字依据，能够合理的运用时间结果评估工作人员及旅客安全退避的距离。

本发明所采用的技术方案如下：

一种列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法，其特征在于所述确定方法包括：

于实车实验中采用全尺寸人体模型，测量列车风作用下位于测试点的人体模型承受的气动力，监测列车风中的点速度及压力随时间变化情况，并获得人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。

具体的讲，所述人体模型为1∶1比例的蹲位、站立人体模型，所述人体模型采用面迎气流方式设置在列车侧向位置。

一实施方式中，所述确定方法进一步包括：

将人体模型固定于一测力天平上并处于悬空状态；当列车通过时，人体模型受到的气动载荷作用在测力天平上，得到人体模型在列车风作用下的气动力；

利用热线风速仪和动态压力传感器测定列车风中的点速度及压力随时间变化情况；

在人体模型胸部和耳部安装动态压力传感器，测量人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。

另一实施方式中，所述确定方法进一步包括：

将站立的人体模型和蹲立的人体模型分别置于不同测试点，进行不同测试点的各人员位置情况模拟；所述不同的测试点包括于列车侧距不同的测试点，和站台、桥头、线路不同列车侧环境的测试点。

再一实施方式中，所述确定方法进一步包括：

根据测定的人体模型气动力值和瞬态压力冲击值，与允许的人体气动力值和瞬态压力冲击值进行比较，确定相应环境下侧向人员的安全退避距离。

一种列车风作用下侧向人员安全退避距离的测试系统，其特征在于所述测试系统包括：

人体模型，悬空设置于测力天平上，测力天平置于列车线路侧向的测试点上；

测速装置和风速测试仪，设置于测试点处，测定列车通过测试点的速度和测试点的列车风压力；

动态压力传感器，设置于人体模型的胸部和耳部，测定人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。

具体而言，所述人体模型包括1∶1的全尺寸站立人体模型和1∶1的全尺寸蹲立人体模型，所述人体模型采用面迎气流方式设置在列车侧向位置；

所述测试点位于列车线路侧向的不同测距处，所述测试点包括位于站台、桥头、线路不同列车侧环境位置的测试点。

一实施方式中，所述测试系统进一步包括：

数据采集系统，所述数据采集系统通过信号放大器连接测力天平和动态压力传感器，所述数据采集系统还连接设置测速装置和风速测试仪，所述测速装置为红外触发测速仪，风速测试仪为热线风速仪；一微机数据处理系统连接所述数据采集系统并进行采集数据处理。

另一实施后方式中，所述测试系统进一步包括：

风速及动态压力测量座，与人体模型沿面迎气流方向错开设置，该风速及动态压力测量座的于人体重心高度位置设置两测量支架，两测量支架上分布设置热线风速仪探头和一动态压力传感器。

所述测力天平为六分量测力天平；所述压力传感器为压阻式动态压力传感器。

列车风作用下侧向人员安全退避距离的确定方法通过采用全尺寸人体模型，于实车实验条件下，通过人体模型气动力测量、热线风速仪风速测量、动态压力测量以及列车运行速度测量，实时获得较为准确的不同环境测试点的列车风作用下人体模型承受的气动力、列车风的速度及压力变化，以及人体模型在列车风中受到的瞬态压力冲击数据，可以客观和真实的评价列车侧向人员于不同环境下的安全退避距离，其测试结果与数值计算结果有较好的一致性，能从定量上分析得到了人体模型受到的气动力及列车风风速和风压与列车运行速度及距列车侧向距离的变化规律，为正确评价安全退避距离提供精确实验依据。

本发明的有益效果在于，该列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法及测试系统能够正确地评价列车侧向人员安全退避距离，其通过人体模型和实测试验，系统且科学的测定了列车风对站台上及道旁人员空气动力作用的影响，为高速列车运行的安全评估提供精确的数字依据，能够合理的运用时间结果评估工作人员及旅客安全退避的距离。该测试系统结构设计合理，能够有效消除各种因素的干扰，得到合理且精确的测试结果。

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是本发明具体实施方式中测试系统的设置示意图；

图2是本发明具体实时方式中测试系统的测量装置组成框架图。

具体实施方式

该列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法系采用人体模型研究列车风对站台上及道旁人员空气动力作用的影响，评估工作人员及旅客安全退避距离的合理性；其还可测定高速列车与其它列车交会时，相互作用的压力冲击波幅值，为高速列车的安全评估提供依据；其能够测定列车风作用下人体模型承受的气动力；监测列车风的速度及压力变化；以及人体模型在列车风中受到的瞬态压力冲击。

因人体受到的气动力与人体特征尺寸有关，正常体形下，人体越高、受力越大。因此，该列车风作用下侧向人员安全退避距离的测试系统采用1∶1的全尺寸人体模型，人体模型的着装和摆放角度均应从所受气动力最大来考虑，本实施方式采用站立人体模型均采用面迎气流方式。因此根据GB1000-88《中国成年人人体尺寸》，确定选用的人体模型尺寸为：身高1.77m、肩宽0.47m。人体蹲立模型的尺寸为：高1.2m、肩宽0.47m，以测量人体下蹲情况下所受的气动力。

如图1所示，测力天平23安装于一支架上，人体模型固定在测力天平上，既不与支架接触，也不与地面接触，处于悬空状态。测量时，将人体模型置于线路10侧，当列车通过时，人体模型受到的气动载荷作用在测力天平上，即可通过数据采集系统和微机数据处理系统得到人体模型在列车风作用下的气动力。

风速及动态压力测量座22与人体模型沿面迎气流方向错开设置，该风速及动态压力测量座的于人体重心高度位置设置两测量支架，两测量支架上分布设置热线风速仪探头和一动态压力传感器，以测定列车风中某些点速度及压力随时间变化情况。

列车风是一种瞬态流动，当列车高速通过时，处于列车风影响范围内的人员会感受到突然的压力冲击，因此，测定列车风对人体造成的这种压力冲击也是制定人体安全退避距离所要考虑的因素之一。该测试系统在人体模型的的胸部(前胸和后背处)、耳部分别安装动态压力传感器，以测量出人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。

列车风实车试验是在地面进行，只要有列车通过就可测量，因此，对列车风的测量可与其它试验同时开展，互不干扰，这样就要求地面测试系统必须能实时测定列车运行速度，同时为有效捕捉列车风信息和准确测量人体模型在列车风中受到的气动力与列车相对位置之间的关系，整个测试系统采用带负延时的自动触发装置。

如图2所示，测试系统包括人体模型气动力测量、热线风速仪风速测量、动态压力测量以及列车运行速度测量。数据采集系统分别通过信号放大器连接测力天平和动态压力传感器，数据采集系统还连接设置红外触发测速仪和热线风速仪；一微机数据处理系统连接数据采集系统并进行采集数据处理。

红外触发测速仪由两套红外光电开关、采集装置及微机组成。用于测量列车运行速度，并兼作测试系统的触发装置。红外光电开关由红外探头和信号放大器组成。红外探头发射并接受反射回来的红外线，反射红外线的强弱与红外探头距其正前方物体的距离有关。通过调节红外光电开关发射红外线的强度和接受灵敏度，可使其探测到一定距离范围内的物体，产生一开关输出信号。当列车通过时，列车头部分别在不同时刻经过两个水平安装的红外光电开关，数据采集仪记录下通过各光电开关的时间，由于两红外光电开关水平距离已知，这样便可计算出列车运行速度。

如图1所示，为测试站台环境下人员在列车风中的受力情况，本实验在试验铁路线侧面搭建了一个模拟站台20，该模拟站台边缘距轨道中心为2.5m。以列车运行方向离模拟站台前缘3.0米、5.5米分别安置两个站立人体模型，此两位置尽管受站台绕流影响风速稍偏高，但风速较为稳定。热线风速仪探头支架安放在两人体模型中间，在大部分试验工况下热线风速仪探头支架和两人体模型三者互相交错排列，以避免模型之间流场相互干扰。红外触发测速仪21位于站台内侧的角落位置

本次试验测点布置是按人体距标准站台边缘的距离进行布点。沿列车侧向距标准站台边缘1.5m、2m、2.5m位置分别布置3组测点；在一桥头上距轨侧2.0m、2.5m布置了两组测点；线路边距轨侧2.5m、3m位置分别布置了2组测点。

将蹲位人体模型30置于线路旁，以检验线路维修人员在应急状态(如列车驶近时)的安全特性，距轨侧分别为2.5m和3.0m位置布置了两组测点。

将风速及动态压力测量座固定在相应工况测量位置，分别测量该位置列车风风速及压力的变化情况。为避免人体模型对测量的干扰，试验时风速与动态压力测量座与人体模型交错排列。

本次试验使用的测力天平为六分量测力天平，能够测量人体模型受到纵向力Z、侧向力X、升力Y、侧倾力矩Mz、倾覆力矩Mx和扭转力矩My。动态压力传感器可测量压力随时间的变化。本次试验使用的压力传感器为压阻式动态压力传感器，其灵敏度高，稳定性好，

本试验数据将以目前我国提出的判别标准及“暂规”中制定的站台及线路旁人体安全距离作为依据，评判列车侧向安全退避距离的合理性。

首先，本试验就某一列车运行速度为162km/h时，同一测试点的测力天平的试验结果进行多次测量，测量结果如表1。

表1测力天平重复性测量结果

测试点	纵向力(N)	侧向力(N)	升力(N)	倾覆力矩(N.m)	侧倾力矩(N.m)	扭转力矩(N.m)
							第一次测量	26.8	18.5	14.9	12.3	7.2	4.2
第二次测量	27.1	20.6	15.7	10.1	8.2	2.2
							第三次测量	27.6	22.3	16.2	9.7	9.3	3.2

从表1可以看出同种试验工况下，同一测力天平试验结果相差较小，说明该测试系统具有较好的重复性，试验结果可靠。

运用该测试系统和确定方法，对人体模型在列车通过时的各项数据进行测定，得到列车通过区主要试验测试点的测力天平和热线风速仪及动态压力传感器的测试结果，即表2和表3，所取结果为列车头波中幅值较大的数值。表4列出了本次试验列车尾流影响区主要试验测试点的测力天平的测试结果。由于安全退避距离评判标准只有气动力和风速标准因此，各表中只列出了六分量天平三个气动力测量结果。

表2列车通过区主要测试点的测力天平测试结果

注：①“A蹲2.5”表示人体模型为蹲立位，测力天平距基准2.5米；

②“线路B2.5”表中模型位于距外轨2.5m的线路旁；

③“桥上B2.0”表中模型位于距外轨2.0m的桥上；

④表中模型姿态未注明时均为站立姿态。

表3列车通过区主要测试点的热线风速仪及压力传感器测试结果

表4列车尾流影响区主要测试点的测力天平测试结果

根据上表和目前我国提出的判别标准及“暂规”中制定的站台及线路旁人体安全距离作为依据，可以科学的评价列车侧向人员的安全退避距离。

Claims (9)

1.一种列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法，其特征在于所述确定方法包括：

于实车实验中采用全尺寸人体模型，测量列车风作用下位于测试点的人体模型承受的气动力，监测列车风中的点速度及压力随时间变化情况，并获得人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击；

根据测定的人体模型气动力值和瞬态压力冲击值，与允许的人体气动力值和瞬态压力冲击值进行比较，确定相应环境下侧向人员的安全退避距离。

2.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法，其特征在于所述人体模型为1∶1比例的蹲位、站立人体模型，所述人体模型采用面迎气流方式设置在列车侧向位置。

3.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法，其特征在于所述确定方法进一步包括：

将人体模型固定于一测力天平上并处于悬空状态；当列车通过时，人体模型受到的气动载荷作用在测力天平上，得到人体模型在列车风作用下的气动力；

利用热线风速仪和动态压力传感器测定列车风中的点速度及压力随时间变化情况；

在人体模型胸部和耳部安装动态压力传感器，测量人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。

4.根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员安全退避距离确定方法，其特征在于所述确定方法进一步包括：

将站立的人体模型和蹲立的人体模型分别置于不同测试点，进行不同测试点的各人员位置情况模拟；所述不同的测试点包括于列车侧距不同的测试点，和站台、桥头、线路不同列车侧环境的测试点。

5.一种列车风作用下侧向人员安全退避距离的测试系统，其特征在于所述测试系统包括： 

人体模型，悬空设置于测力天平上，测力天平置于列车线路侧向的测试点上；

测速装置和风速测试仪，设置于测试点处，测定列车通过测试点的速度和测试点的列车风压力；

动态压力传感器，设置于人体模型的胸部和耳部，测定人体模型主要部位在列车风中受到的瞬态压力冲击。

6.根据权利要求5所述的列车风作用下侧向人员安全退避距离的测试系统，其特征在于所述人体模型包括1∶1的全尺寸站立人体模型和1∶1的全尺寸蹲立人体模型，所述人体模型采用面迎气流方式设置在列车侧向位置；

所述测试点位于列车线路侧向的不同测距处，所述测试点包括位于站台、桥头、线路不同列车侧环境位置的测试点。

7.根据权利要求5所述的列车风作用下侧向人员安全退避距离的测试系统，其特征在于所述测试系统进一步包括：

数据采集系统，所述数据采集系统通过信号放大器连接测力天平和动态压力传感器，所述数据采集系统还连接设置测速装置和风速测试仪，所述测速装置为红外触发测速仪，风速测试仪为热线风速仪；一微机数据处理系统连接所述数据采集系统并进行采集数据处理。

8.根据权利要求5所述的列车风作用下侧向人员安全退避距离的测试系统，其特征在于所述测试系统进一步包括：

风速及动态压力测量座，与人体模型沿面迎气流方向错开设置，该风速及动态压力测量座的于人体重心高度位置设置两测量支架，两测量支架上分布设置热线风速仪探头和一动态压力传感器。

9.根据权利要求5所述的列车风作用下侧向人员安全退避距离的测试系统，其特征在于所述测力天平为六分量测力天平；所述压力传感器为压阻式动态压力传感器。 

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