CN108507806A - 列车乘员二次碰撞试验系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道车辆试验技术领域，公开一种列车乘员二次碰撞试验系统与方法。本发明系统包括前端安装有过载吸能结构的驱动车；轨道按规定间隔敷设在地面上；驱动车与用于提供驱动的气动发射式动力模块相连；速度控制装置安装于试验区轨道两侧以提供制动；驱动车和试验车纵向以液压控制器连接，并在纵向的至少一个连接处布置至少一个第一加速度传感器；驱动车和试验车横向以控制弹簧连接，并在横向的至少一个连接处布置至少一个第二加速度传感器；试验车车厢内座椅上摆放非约束坐姿的碰撞假人，并在假人上布置压力传感器、位移传感器和第三加速度传感器。

Description

列车乘员二次碰撞试验系统与方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆试验技术领域，更具体地说，涉及一种列车乘员二次碰撞试验系统与方法。

背景技术

列车碰撞事故严重威胁乘员安全。碰撞过程中二次碰撞是造成乘员伤亡的主要原因，对于乘员被动安全的研究具有重要的意义。实车碰撞试验是一种能真实反映列车“单车+多车辆耦合”碰撞过程并且不可替代的研究手段，因此必须依托实车碰撞试验开展列车碰撞过程中的乘员二次碰撞动力学及损伤分析。

中国专利申请号为201410195039.3，名称为《气动发射式轨道车辆实车撞击试验系统》公开了以下技术方案：“一种气动发射式轨道车辆实车撞击试验系统，所述试验系统包括中央控制台、发射器、实车和撞击墙；发射器与撞击墙之间的钢轨上摆放实车；发射器为气动发射装置，包括行走小车、支架、储气罐、空压机、空心活塞、触发机构和缸套；空心活塞安装在支架上，缸套安装在行走小车上，空心活塞与缸套之间设置触发机构；撞击墙的侧面安装撞击测速装置和高速摄影装置；在撞击试验过程中：中央控制台程序控制发射器、撞击测速装置、高速摄影装置和撞击墙的测力采集装置的工作，接收并保存相关数据；实车无动力自由滑行距离至少为发射器有效行程的1.1倍；实车与撞击墙的试验撞击速度不低于每小时25公里。”

以上公开的试验方案，虽然可有效实现轨道车辆实车撞击试验，但所得数据仅限于车体本身，无法实现乘员二次碰撞的运动学响应及损伤分析，因此需要重新开发针对列车乘员二次碰撞的试验系统。

发明内容

本发明的主要目的在于公开一种列车乘员二次碰撞试验系统与方法，以克服现有技术中的不足。

为达上述目的，本发明公开一种列车乘员二次碰撞试验系统，包括试验车、气动发射式动力模块、轨道、控制弹簧、液压控制器、前端安装有过载吸能结构的驱动车、第一、第二及第三加速度传感器、速度控制装置、中央控制模块、压力传感器、位移传感器；

所述轨道按规定间隔敷设在地面上；所述驱动车与用于提供驱动的所述气动发射式动力模块相连；所述速度控制装置安装于所述试验区轨道两侧以提供制动；所述驱动车和所述试验车垂向以所述液压控制器连接，并在垂向的至少一个连接处布置至少一个所述第一加速度传感器；所述驱动车和所述试验车纵向以所述控制弹簧连接，并在纵向的至少一个连接处布置至少一个所述第二加速度传感器；所述试验车车厢内座椅上摆放非约束坐姿的碰撞假人，并在假人上布置压力传感器、位移传感器和第三加速度传感器；

所述中央控制模块，用于与所述气动发射式动力模块、液压控制器、速度控制装置、控制弹簧以及各传感器相连完成多点实时协同控制，包括：接收第一、第二加速度传感器传回的数据形成加速度曲线，并与各第一、第二加速度传感器安装点处预设的加速度曲线进行对比及误差分析，实时增强或者削弱控制弹簧、液压控制器、速度控制装置的控制力，使第一、第二加速度传感器传回的实时加速度曲线与预设的加速度曲线相符，从而影响所述试验车横向、纵向、垂向的动力学行为，使所述试验车车厢内模拟乘员二次碰撞场景。

为达上述目的，本发明还公开一种列车乘员二次碰撞试验系统的试验方法，包括以下步骤；

搭建列车乘员二次碰撞试验系统，所述系统包括试验车、气动发射式动力模块、轨道、控制弹簧、液压控制器、前端安装有过载吸能结构的驱动车、第一、第二及第三加速度传感器、速度控制装置、中央控制模块、压力传感器、位移传感器；所述轨道按规定间隔敷设在地面上；所述驱动车与用于提供驱动的所述气动发射式动力模块相连；所述速度控制装置安装于所述试验区轨道两侧以提供制动；所述驱动车和所述试验车垂向以所述液压控制器连接，并在垂向的至少一个连接处布置至少一个所述第一加速度传感器；所述驱动车和所述试验车纵向以所述控制弹簧连接，并在纵向的至少一个连接处布置至少一个所述第二加速度传感器；所述试验车车厢内座椅上摆放非约束坐姿的碰撞假人，并在假人上布置压力传感器、位移传感器和第三加速度传感器；

所述中央控制模块与所述气动发射式动力模块、液压控制器、速度控制装置、控制弹簧以及各传感器相连完成多点实时协同控制，包括：所述中央控制模块接收第一、第二加速度传感器传回的数据形成加速度曲线，并与各第一、第二加速度传感器安装点处预设的加速度曲线进行对比及误差分析，实时增强或者削弱控制弹簧、液压控制器、速度控制装置的控制力，使第一、第二加速度传感器传回的实时加速度曲线与预设的加速度曲线相符，从而影响所述试验车横向、纵向、垂向的动力学行为，使所述试验车车厢内模拟乘员二次碰撞场景。

本发明具有以下有益效果：集驱动、实时控制和试验参数采集于一体，综合考虑列车碰撞过程中横向、纵向、垂向的运动特征，实现了列车乘员二次碰撞的实车试验研究，结构简单、新颖、易于实现，且结构稳定，经济性好，具有广阔的应用前景。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明列车二次碰撞结构示意图。

图2为本发明速度控制装置的结构示意图。

【标号说明】

试验车1、驱动车2、储气罐3、固定壁障4、轨道5、速度控制装置6、照明装置7、中央控制模块8、加速度传感器9、压力传感器10、位移传感器11、高速摄影装置12、速度传感器13、液压控制器14、碰撞假人15、控制弹簧16、活塞轴17、触发机构18、发射管19、安全阀20、压缩机21、进气管22、过载吸能结构23、摩擦板24、液压控制模块25、压力板26。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

下面结合具体实施方式和结构示意图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

如图1(其上半部分为主视图，下半部分为俯视图)及图2所示，本发明实施例提供一种列车乘员二次碰撞试验系统，试验场地设置在大型封闭的场所内，在场地内按照铁路实施情况布置路基、固定壁障4及轨道5，并在路基五米外设置防护栏，轨道按照规定铁路实际间隔敷设在场所内，并且根据其试验阶段在对应铁轨设置分区。

分区分别为加速区、滑行区和试验区；加速区由气动发射动力模块提供驱动车2所需的动能，使驱动车能够以设定的速度启动运行，由压缩机对储气罐3进行施压，当达到一定压力时，触发机构18开启，从而对驱动车产生冲击力，其设定速度为列车试验运行速度，使其符合实际效果；滑行区内驱动车匀速滑行，模拟列车运行过程中匀速行驶，在进入下一分区时记录其速度；试验区内速度控制装置6提供摩擦力做驱动车制动来源，根据试验车1上各接触点的加速度传感器9提供的加速度曲线，由中央控制模块8实时协同控制，通过液压控制器14对试验车横向的加速度进行调整，通过控制弹簧16、液压控制器及速度控制装置的协同作用对试验车纵向的加速度进行调整，通过液压控制器对试验车的垂向的加速度进行调整，使其达到多点位实时控制，有效模拟列车碰撞时各个点位的运动学响应，再现列车的二次碰撞过程。

轨道上摆放驱动车，试验车通过液压控制器和控制弹簧置于驱动车上，每一接触点安装加速度传感器；所述试验区的轨道两侧安装速度控制装置，并于上方布置照明装置7，于侧方布置高速摄影装置12；所述试验车车厢内乘员区上方布置高速摄影装置，座椅上摆放非约束坐姿的碰撞假人15，并布置加速度传感器、压力传感器10和位移传感器11用于检测假人的所需研究点，如胸部、头部等的加速度曲线、压力曲线和位移曲线，通过不同的数据来衡量假人的碰撞损伤程度。

加速区内列车加速运动，所述试验车车厢内布置所述非约束坐姿的碰撞假人以及所述第三加速度传感器、压力传感器、位移传感器；当列车速度由零增大到预设速度时，列车进入滑行区。

滑行区内当列车接近匀速运动，加速度为零时进入试验区。

试验区内由所述中央控制模块协同控制各动力模块使所述试验车车厢内模拟乘员二次碰撞场景，根据所述第三加速度传感器、压力传感器、位移传感器，得出二次碰撞中假人受损情况，以供用户对车厢内结构进行优化设计。

轨道上滑行区与试验区的交界处设置速度传感器13，测量试验车的初始行驶速度；驱动车右端通过活塞轴17与气动发射式动力模块相连；驱动车左端设有过载吸能结构，实现保护作用。

高速摄影装置设置于试验区边侧和试验车车厢内乘员区上方，分别用于拍摄碰撞过程中列车和车厢内假人的运动轨迹。

第三加速度传感器、位移传感器、压力传感器用于测量二次碰撞中假人受损的情况。

中央模块控制器，它采用一种可编程的存储器，用于其内部程序存储，执行逻辑运算，顺序控制，定数，计数与算术操作等指令，并通过数字或者模拟式输入/输出控制整个系统；所述的中央控制模块可以采用顺序功能图，梯形图，功能模块图三种图形化语言和语句表，结构文；其编程语言简洁明了，逻辑清晰，并不需要计算机编程相关知识，因此其程序开发时间短，现场调试容易，可以在线修改程序，并不需要拆卸硬件。

接触点包括4个液压控制器与试验车的接触点和2个控制弹簧与试验车的接触点；液压控制器与控制弹簧分别模拟实车中转向架与车体之间的空气弹簧和车体两端的连接装置。本实施例中，加速度传感器是安装在前述6个接触点处，以分别测量每个接触点的横、纵、垂向的加速度。其中，横向表示面向车头的左右方向，纵向表示轨道方向，垂向表示上下方向。

试验车采用12m实车车体。

气动发射模块是一组由储气罐3、触发机构18、发射管19、安全阀20、压缩机21、进气管22、过载吸能结构23；压缩机通过进气管与储气罐相连用来积蓄初始冲击力；安全阀用于调节储气罐内压力，起到保护作用；由中央控制模块控制压缩机和触发机构，把积蓄的初始冲击力转化为动能。

速度控制装置包括液压控制模块25和压力板26，由中央控制模块对液压控制模块发出实时控制信号，通过对压力板施加压力，控制两端压力板与驱动车两侧的摩擦板24之间的摩擦力，从而调节驱动车的行驶速度。

多点实时协同控制是一种应用于这套系统的控制方法，通过中央控制模块来控制4个液压传感器，2组控制弹簧以及速度控制器，分别调节横向、纵向、垂向加速度以及驱动车速度，根据各个加速度传感器传回的数据，经过中央控制模块整理出加速度曲线，与预设的加速度曲线进行比对，实时控制接触点动力装置的增强或者削弱其控制力，精细调节到每个接触点的加速度传感器，从而影响其向的动力学行为；列车属于多体结构，在碰撞过程中目标车厢还会受到其他车厢所提供的碰撞力，另外还伴随着爬车、脱轨等现象，动力学行为复杂，因此模拟实车中6个动力控制点，通过开展实时、协同控制，还原真实列车碰撞中横向、纵向、垂向的行为特征。

列车冲击加速度曲线为初始设定的试验车各接触点的运动标准曲线，该曲线是通过数据仿真得到并输入在中央控制模块里，当中央控制模块检测到某一接触点传输的信号与提前输入的不符，由中央控制模块对于进行调整，其列车加速度曲线起到了对比真实列车碰撞过程中的行为特征，保证了试验系统的精确性。

加速区内气动发射式动力模块所提供的冲击力由以下公式计算：

F＝m×(v²/2L)+mgμ，其中F为冲击力；m为驱动车及以上部件的质量总和；v为预设的初始行驶速度；L为加速区轨道长度；μ为轨道的摩擦系数。

可选的，碰撞假人设置7个测试点，分别为头部、颈部、背部、前胸部、腹部、腿部和手部，在每个测试点分别布置压力传感器、位移传感器和加速度传感器。在试验结束后传感器把碰撞假人上记录的数据传回中央控制模块作为记录，以便和下次试验进行比较。

试验后得到试验车每一接触点的加速度曲线以及试验车初始行驶速度，与预设加速度曲线及行驶速度相比较，误差在4％以内，证明试验可行。

综上，本实施例公开的列车乘员二次碰撞试验系统，其核心包括：

试验车、气动发射式动力模块、轨道、控制弹簧、液压控制器、前端安装有过载吸能结构的驱动车、第一、第二及第三加速度传感器、速度控制装置、中央控制模块、压力传感器、位移传感器；

所述轨道按规定间隔敷设在地面上；所述驱动车与用于提供驱动的所述气动发射式动力模块相连；所述速度控制装置安装于所述试验区轨道两侧以提供制动；所述驱动车和所述试验车垂向以所述液压控制器连接，并在垂向的至少一个连接处布置至少一个所述第一加速度传感器；所述驱动车和所述试验车纵向以所述控制弹簧连接，并在纵向的至少一个连接处布置至少一个所述第二加速度传感器；所述试验车车厢内座椅上摆放非约束坐姿的碰撞假人，并在假人上布置压力传感器、位移传感器和第三加速度传感器；

所述中央控制模块，用于与所述气动发射式动力模块、液压控制器、速度控制装置、控制弹簧以及各传感器相连完成多点实时协同控制，包括：接收第一、第二加速度传感器传回的数据形成加速度曲线，并与各第一、第二加速度传感器安装点处预设的加速度曲线进行对比及误差分析，实时增强或者削弱控制弹簧、液压控制器、速度控制装置的控制力，使第一、第二加速度传感器传回的实时加速度曲线与预设的加速度曲线相符，从而影响所述试验车横向、纵向、垂向的动力学行为，使所述试验车车厢内模拟乘员二次碰撞场景。其中，加速度控制方面，纵向可通过速度控制装置、液压控制器和控制弹簧的协同作用来控制的；横向和垂向的加速度通过液压控制器来调节的。

可选的，上述气动发射式动力模块包括储气罐、触发机构、发射管、安全阀、压缩机、进气管、活塞轴；活塞轴连接驱动车；压缩机通过进气管与储气罐相连；安全阀用于调节储气罐内压力；由所述中央控制模块控制所述压缩机和所述触发机构为所述驱动车行驶提供动能。

可选的，上述速度控制装置包括液压控制模块和压力板，所述液压控制模块接收所述中央控制模块控制信号，通过控制信号对所述压力板施加压力，控制两端压力板与所述驱动车两侧的摩擦板之间的摩擦力，从而调节驱动车的加速度。

可选的，上述加速度曲线是为初始设定的试验车各接触点的运动标准曲线；所述运动标准曲线通过数值仿真获得。

可选的，上述试验车车厢内乘员区上方还安置有高速摄影装置；所述高速摄影装置悬挂于所述假人正上方，用于拍摄假人在二次碰撞中的运动轨迹。

实施例2

与上述实施例相对应的，本实施例公开一种列车乘员二次碰撞试验系统的试验方法，包括以下步骤；

步骤S1、搭建列车乘员二次碰撞试验系统，所述系统包括试验车、气动发射式动力模块、轨道、控制弹簧、液压控制器、前端安装有过载吸能结构的驱动车、第一、第二及第三加速度传感器、速度控制装置、中央控制模块、压力传感器、位移传感器；所述轨道按规定间隔敷设在地面上；所述驱动车与用于提供驱动的所述气动发射式动力模块相连；所述速度控制装置安装于所述试验区轨道两侧以提供制动；所述驱动车和所述试验车垂向以所述液压控制器连接，并在垂向的至少一个连接处布置至少一个所述第一加速度传感器；所述驱动车和所述试验车纵向以所述控制弹簧连接，并在纵向的至少一个连接处布置至少一个所述第二加速度传感器；所述试验车车厢内座椅上摆放非约束坐姿的碰撞假人，并在假人上布置压力传感器、位移传感器和第三加速度传感器。

步骤S2、所述中央控制模块与所述气动发射式动力模块、液压控制器、速度控制装置、控制弹簧以及各传感器相连完成多点实时协同控制，包括：所述中央控制模块接收第一、第二加速度传感器传回的数据形成加速度曲线，并与各第一、第二加速度传感器安装点处预设的加速度曲线进行对比及误差分析，实时增强或者削弱控制弹簧、液压控制器、速度控制装置的控制力，使第一、第二加速度传感器传回的实时加速度曲线与预设的加速度曲线相符，从而影响所述试验车横向、纵向、垂向的动力学行为使所述试验车车厢内模拟乘员二次碰撞场景。

可选的，本实施例方法还包括：

将轨道划分为加速区、滑行区和试验区；

加速区内列车加速运动；

滑行区内当列车接近匀速运动，加速度为零时进入试验区；

试验区内模拟乘员二次碰撞场景，根据所述第三加速度传感器、压力传感器、位移传感器，得出二次碰撞中假人受损情况，以供用户对二次碰撞中车厢内结构进行优化设计。

综上，本发明上述各实施例所公开的列车乘员二次碰撞试验系统与方法，集驱动、实时控制和试验参数采集于一体，综合考虑列车碰撞过程中横向、纵向、垂向的运动特征，实现了列车乘员二次碰撞的实车试验研究，结构简单、新颖、易于实现，且结构稳定，经济性好，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种列车乘员二次碰撞试验系统，其特征在于，包括试验车、气动发射式动力模块、轨道、控制弹簧、液压控制器、前端安装有过载吸能结构的驱动车、第一、第二及第三加速度传感器、速度控制装置、中央控制模块、压力传感器、位移传感器；

所述轨道按规定间隔敷设在地面上；所述驱动车与用于提供驱动的所述气动发射式动力模块相连；所述速度控制装置安装于所述试验区轨道两侧以提供制动；所述驱动车和所述试验车垂向以所述液压控制器连接，并在垂向的至少一个连接处布置至少一个所述第一加速度传感器；所述驱动车和所述试验车纵向以所述控制弹簧连接，并在纵向的至少一个连接处布置至少一个所述第二加速度传感器；所述试验车车厢内座椅上摆放非约束坐姿的碰撞假人，并在假人上布置压力传感器、位移传感器和第三加速度传感器；

所述中央控制模块，用于与所述气动发射式动力模块、液压控制器、速度控制装置、控制弹簧以及各传感器相连完成多点实时协同控制，包括：接收第一、第二加速度传感器传回的数据形成加速度曲线，并与各第一、第二加速度传感器安装点处预设的加速度曲线进行对比及误差分析，实时增强或者削弱控制弹簧、液压控制器、速度控制装置的控制力，使第一、第二加速度传感器传回的实时加速度曲线与预设的加速度曲线相符，从而影响所述试验车横向、纵向、垂向的动力学行为，使所述试验车车厢内模拟乘员二次碰撞场景。

2.根据权利要求1所述的列车乘员二次碰撞试验系统，其特征在于，所述中央控制模块是一种可编程操控的逻辑继电器，通过继电器开关的通断来完成系统流程控制。

3.根据权利要求1所述的列车乘员二次碰撞试验系统，其特征在于，所述气动发射式动力模块包括储气罐、触发机构、发射管、安全阀、压缩机、进气管、活塞轴；活塞轴连接驱动车；压缩机通过进气管与储气罐相连；安全阀用于调节储气罐内压力；由所述中央控制模块控制所述压缩机和所述触发机构为所述驱动车行驶提供动能。

4.根据权利要求1所述的列车乘员二次碰撞试验系统，其特征在于，所述速度控制装置包括液压控制模块和压力板，所述液压控制模块接收所述中央控制模块控制信号，通过控制信号对所述压力板施加压力，控制两端压力板与所述驱动车两侧的摩擦板之间的摩擦力，从而调节驱动车的加速度。

5.根据权利要求1所述的列车乘员二次碰撞试验系统，其特征在于，所述加速度曲线是为初始设定的试验车各接触点的运动标准曲线；所述运动标准曲线通过数值仿真获得。

6.根据权利要求1所述的列车乘员二次碰撞试验系统，其特征在于，还包括：

所述试验车车厢内乘员区上方还安置有高速摄影装置；所述高速摄影装置悬挂于所述假人正上方，用于拍摄假人在二次碰撞中的运动轨迹。

7.一种应用于如权利要求1至6任一所述的列车乘员二次碰撞试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤；

搭建列车乘员二次碰撞试验系统，所述系统包括试验车、气动发射式动力模块、轨道、控制弹簧、液压控制器、前端安装有过载吸能结构的驱动车、第一、第二及第三加速度传感器、速度控制装置、中央控制模块、压力传感器、位移传感器；所述轨道按规定间隔敷设在地面上；所述驱动车与用于提供驱动的所述气动发射式动力模块相连；所述速度控制装置安装于所述试验区轨道两侧以提供制动；所述驱动车和所述试验车垂向以所述液压控制器连接，并在垂向的至少一个连接处布置至少一个所述第一加速度传感器；所述驱动车和所述试验车纵向以所述控制弹簧连接，并在纵向的至少一个连接处布置至少一个所述第二加速度传感器；所述试验车车厢内座椅上摆放非约束坐姿的碰撞假人，并在假人上布置压力传感器、位移传感器和第三加速度传感器；

所述中央控制模块与所述气动发射式动力模块、液压控制器、速度控制装置、控制弹簧以及各传感器相连完成多点实时协同控制，包括：所述中央控制模块接收第一、第二加速度传感器传回的数据形成加速度曲线，并与各第一、第二加速度传感器安装点处预设的加速度曲线进行对比及误差分析，实时增强或者削弱控制弹簧、液压控制器、速度控制装置的控制力，使第一、第二加速度传感器传回的实时加速度曲线与预设的加速度曲线相符，从而影响所述试验车横向、纵向、垂向的动力学行为，使所述试验车车厢内模拟乘员二次碰撞场景。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，还包括：

将轨道划分为加速区、滑行区和试验区；

加速区内列车加速运动；

滑行区内当列车接近匀速运动，加速度为零时进入试验区；

试验区内模拟乘员二次碰撞场景，根据所述第三加速度传感器、压力传感器、位移传感器，得出二次碰撞中假人受损情况，以供用户对二次碰撞中车厢内结构进行优化设计。