CN109489999A - 一种列车气动性能模拟模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

一种列车气动性能模拟模型试验装置及其试验方法 Download PDF

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丁云飞
夏晶晶
余文明
耿纪莹
周君
冯研
姜晴
姜丹丹
徐嘉
李峥嵘
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Abstract

本发明公开了一种列车气动性能模拟模型试验装置，依次设有加速段、监测段和减速段，加速段、监测段和减速段上均设有电磁轨道炮导轨，电磁轨道炮导轨上铺设有列车轨道，列车模型置于列车轨道上，列车模型底端中部固定连接电枢；监测段上设有隧道模型，隧道模型内设有风速检测系统和风压检测系统；减速段段尾设有一道冲撞墙，减速段两侧设有侧挡板。能够使模型列车产生较为理想的高速，可以分析列车高速运行时在隧道内的气动效应问题。试验方法通过对列车模型速度、列车模型种类和列车模型比例的多样控制对比，为列车模型和隧道断面优化提供试验数据支撑，具有重要的理论意义和应用价值，具有适应范围广，可靠度高，试验精度高的优点。

Description

一种列车气动性能模拟模型试验装置及其试验方法
技术领域
本发明属于列车气动性能模拟试验技术领域，具体涉及一种列车气动性能模拟模型试验装置及其试验方法。
背景技术
随着铁路运输的发展，越来越多的人选择列车作为出行工具，列车在众多出行方式中，以速度较快、能耗小、噪音小、无污染、安全等优点深受人们的喜爱。然而人们对列车的速度、舒适度有了更高的需求。因此，研究人员对列车气动性能模拟动模型试验装置进行了大量的研究。
电磁轨道炮与通常的爆炸装置、空气炮和轻气炮等驱动技术相比，它驱动弹丸的速度要大得多。目前美国LANL/LLNL联合研究小组的轨道炮，发射的弹速已达11Km/s的水平；日本东京工学院用轻气炮与轨道炮接力加速，可使弹速达到15Km/s。研究表明，在1—2年内将大质量弹丸的速度提高到30Km/s没有困难，而且从原理上说，这也不是极限值。由于轨道炮能把大质量弹丸发射到极高速度，而且还能在很大范围内精确控制它，因此展示了电磁轨道炮可在科学技术的许多领域内得到广泛应用的前景。
申请号为200810188331.7的中国专利，研究的主要是作用在列车上的空气动力和力矩，及其对列车性能的影响；自然风对列车性能的影响及列车风对人和建筑物的影响；列车通过隧道和列车会车时的压力波特性；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。本发明主要针对的是列车的稳定性、舒适度，但列车模型无法适应高速运行测试，列车模型的最大运行速度太小。对此，本试验装置针对列车模型运行速度进行了优化，使其尽可能接近真实列车速度。
发明内容
本发明提供了一种列车气动性能模拟模型试验装置及其试验方法，解决了试验中列车最大运行速度小问题，达到了能够使模型列车产生较为理想的高速，使其可以适用于各种不同比例列车模型的气动性能模拟试验，可以分析列车高速运行时在隧道内的气动效应问题，为列车模型和隧道断面优化提供试验数据支撑的有益效果。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种列车气动性能模拟模型试验装置，依次设有加速段、监测段和减速段，其特征在于：所述加速段、监测段和减速段上均设有电磁轨道炮导轨，电磁轨道炮导轨上铺设有列车轨道，列车模型置于列车轨道上，列车模型底端中部固定连接电枢；所述监测段上设有隧道模型，隧道模型内设有风速检测系统和风压检测系统。
优选地，所述电磁轨道炮导轨为两条平行的金属轨道板，贯穿试验装置。
优选地，所述电枢为等离子体电枢，起到了消除了轨道与电枢间滑动接触的限制，从而提高列车行驶速度的作用。
优选地，所述金属轨道板由氧化物弥散强化铜合金制成，起到了更好的机构强度和导电率作用。
优选地，所述风速检测系统包括若干个风速测试组，风速测试组以固定间距设于隧道模型内，排布方向与所述隧道模型延伸方向一致。
优选地，所述风速测试组为两个对称布设在所述隧道模型内的墙角处的风速传感器。
优选地，所述风压检测系统包括若干个风压测试组，风压测试组以固定间距设于隧道模型内，排布方向与所述隧道模型延伸方向一致。
优选地，所述风压测试组为五个均匀布设于隧道模型的拱顶、拱腰和墙脚处的风压传感器。
优选地，所述减速段段尾设有一道冲撞墙，减速段两侧设有侧挡板，起到了有效止停列车的同时防止列车冲撞后的碎片伤人。
一种列车气动性能模拟模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制电磁弹射器，使弹射速度一致，保持列车模型的大小与列车实际大小的比例值一致，在列车轨道上放置多种类型的列车模型，实时测量并记录各种类型列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S2：控制电磁弹射器，使弹射速度一致，改变步骤S1中列车模型的大小与列车实际大小的比例值，在列车轨道上放置各种类型的列车模型，实时测量并记录各种大小的列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S3：控制电磁弹射器，使弹射速度变化，在列车轨道上放置同一种类同一大小比例值的列车模型，实时测量并记录列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压；
S4：控制电磁弹射器，使弹射速度变化，在列车轨道上放置同一种类不同大小比例值的列车模型，实时测量并记录各种大小比例值的列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压。
本发明所达到的有益效果：电磁轨道炮导轨与列车模型连接的电枢的设置，能够使模型列车产生较为理想的高速，可以分析列车高速运行时在隧道内的气动效应问题，试验方法通过对列车模型速度、列车模型种类和列车模型比例的多样控制对比，为列车模型和隧道断面优化提供试验数据支撑，具有重要的理论意义和应用价值，具有适应范围广，可靠度高，试验精度高的优点。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2 为本发明的示意图；
图3为本发明加速段的侧视图。
图中：1-列车模型；2-列车轨道；3-电枢；4-电磁轨道炮导轨；5-地面；6-风速传感器；7-风压传感器；8-隧道模型。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种列车气动性能模拟模型试验装置，依次设有加速段、监测段和减速段，加速段、监测段和减速段上均设有电磁轨道炮导轨4，电磁轨道炮导轨4上铺设有列车轨道2，列车模型1置于列车轨道2上，列车模型1底端中部固定连接电枢3，电磁弹射器的电枢4弹射部分与列车模型1底端中部固定连接，使模型列车1产生较为理想的高速；所述监测段上设有隧道模型8，隧道模型8内设有风速检测系统和风压检测系统；所述减速段段尾设有一道冲撞墙，减速段两侧设有侧挡板。减速段与加速段布置相同，但考虑到列车速度过快无法在有限距离里减速故在减速段最后设置一道冲撞墙，由10cm厚的钢板组成。并使用5cm厚钢板做挡板包裹减速段，防止列车冲撞后的碎片伤人。
如图2和3所示，电磁轨道炮导轨4由两条平行的并且间隔一定距离的金属轨道板组成，并贯穿整个试验装置。整个实验装置以1：10的比例搭建，实际轨道间距1435mm，故电磁轨道炮导轨平行的间隔距离范围在0~0.1435m。其材质为铜，铜导轨被固定在高强度耐热并且绝缘性能较好的环氧树脂材料内，共同构成轨道炮的身管。对于轨道材料而言，相较于普通黄铜，氧化物弥散强化铜有着更好的机构强度和电导率。电磁轨道炮导轨4设置在列车轨道2里。列车模型1在列车轨道2上运行，列车模型1的底端中部固定连接电枢3，电枢3为等离子体电枢，等离子体电枢消除了列车轨道2与电枢3间滑动接触的限制，从而提高列车的行驶速度。电磁轨道炮导轨4与列车模型1连接的电枢3的设置，能够使模型列车产生较为理想的高速。
如图1所示，监测段上设有隧道模型8，隧道模型8由围岩堆砌而成，围岩由沙子、重晶石、凡士林和石膏按照一定配比混合堆砌而成。隧道模型8内设有风速检测系统和风压检测系统。
风速检测系统包括若干个风速测试组，风速测试组以固定间距设于隧道模型内，排布方向与所述隧道模型延伸方向一致。风速测试组为两个对称布设在所述隧道模型内的墙角处的风速传感器6。隧道洞口向里每间隔1 米布设一个风速测试组，风速测试组的两个风速测试点对称地布设在围岩的左右墙脚处，测试隧道内风速分布。
风压检测系统包括若干个风压测试组，风压测试组以固定间距设于隧道模型8内，排布方向与隧道模型8延伸方向一致。风压测试组包括五个风压测试点，五个风压测试点均匀布设于隧道模型的拱顶、拱腰和墙脚处，风压测试点处均安装有风压传感器7。风压测试组从隧道洞口向里每间隔1m布设在隧道模型8内。风压测试组的五个风压测试点分别布设在围岩的拱顶中、左右拱腰中和围岩左右墙脚中，五个风压传感器7沿着隧道径向布置，测试隧道内风压分布。
一种列车气动性能模拟模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1：控制电磁弹射器，使弹射速度一致，保持列车模型的大小与列车实际大小的比例值一致，在列车轨道上放置多种类型的列车模型，实时测量并记录各种类型列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S2：控制电磁弹射器，使弹射速度一致，改变步骤S1中列车模型的大小与列车实际大小的比例值，在列车轨道上放置各种类型的列车模型，实时测量并记录各种大小的列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S3：控制电磁弹射器，使弹射速度变化，在列车轨道上放置同一种类同一大小比例值的列车模型，实时测量并记录列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压；
S4：控制电磁弹射器，使弹射速度变化，在列车轨道上放置同一种类不同大小比例值的列车模型，实时测量并记录各种大小比例值的列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压。
本发明试验中，列车模型的类型包括和谐号、隼号、复兴号；弹射速度为60~350km/h；列车模型的大小与列车实际大小的比例值为1:12~1:8；
包括以下实施例：
实施例一：
S1：控制电磁弹射器，使弹射速度为350 km/h，保持列车模型的大小与列车实际大小的比例值均为1:10，在列车轨道上放置和谐号、隼号、复兴号的列车模型依次弹射，实时测量并记录各种类型列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S2：控制电磁弹射器，使弹射速度为350 km/h，列车模型的大小与列车实际大小的比例值均为1:8，在列车轨道上放置各种类型和谐号、隼号、复兴号的列车模型依次弹射，实时测量并记录每次列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S3：在列车轨道上放置比例值为1:10的和谐号列车模型，控制电磁弹射器，使弹射速度分别为300 km/h、250 km/h和150km/h，实时测量并记录列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压；
S4：在列车轨道上放置比例值分别为1:12、1:11、1:9和1:8的和谐号列车模型，控制电磁弹射器，使弹射速度分别为300 km/h、250 km/h和150km/h，实时测量并记录各种各样大小比例的列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压。
实施例二：
S1：控制电磁弹射器，使弹射速度为300 km/h，保持列车模型的大小与列车实际大小的比例值均为1:11，在列车轨道上放置和谐号、隼号、复兴号的列车模型依次弹射，实时测量并记录各种类型列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S2：控制电磁弹射器，使弹射速度为300 km/h，列车模型的大小与列车实际大小的比例值均为1:12，在列车轨道上放置各种类型和谐号、隼号、复兴号的列车模型依次弹射，实时测量并记录每次列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S3：在列车轨道上放置比例值为1:11的和谐号列车模型，控制电磁弹射器，使弹射速度分别为250 km/h、200 km/h和150km/h，实时测量并记录列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压；
S4：在列车轨道上放置比例值分别为1:12、1:10、1:9和1:8的和谐号列车模型，控制电磁弹射器，使弹射速度分别为250 km/h、200 km/h和150km/h，实时测量并记录各种各样大小比例的列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压。
最后，汇总试验数据，通过拟合分析试验数据可以明确列车通过隧道洞内围岩径向和纵向压力的变化规律以及风速情况，为列车设计提供试验数据积累。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种列车气动性能模拟模型试验装置，依次设有加速段、监测段和减速段，其特征在于：所述加速段、监测段和减速段上均设有电磁轨道炮导轨，电磁轨道炮导轨上铺设有列车轨道，列车模型置于列车轨道上，列车模型底端中部与电磁弹射器的电枢固定连接；所述监测段上设有隧道模型，隧道模型内设有风速检测系统和风压检测系统。
2.根据权利要求1所述的一种列车气动性能模拟模型试验装置，其特征在于：所述电磁轨道炮导轨为两条平行的金属轨道板，贯穿试验装置。
3.根据权利要求1所述的一种列车气动性能模拟模型试验装置，其特征在于：所述电枢为等离子体电枢。
4.根据权利要求2所述的一种列车气动性能模拟模型试验装置，其特征在于：所述金属轨道板由氧化物弥散强化铜合金制成。
5.根据权利要求1所述的一种列车气动性能模拟模型试验装置，其特征在于：所述风速检测系统包括若干个风速测试组，风速测试组以固定间距设于隧道模型内，排布方向与所述隧道模型延伸方向一致。
6.根据权利要求5所述的一种列车气动性能模拟模型试验装置，其特征在于：所述风速测试组为两个对称布设在所述隧道模型内的墙角处的风速传感器。
7.根据权利要求1所述的一种列车气动性能模拟模型试验装置，其特征在于：所述风压检测系统包括若干个风压测试组，风压测试组以固定间距设于隧道模型内，排布方向与所述隧道模型延伸方向一致。
8.根据权利要求7所述的一种列车气动性能模拟模型试验装置，其特征在于：所述风压测试组为五个均匀布设于隧道模型的拱顶、拱腰和墙脚处的风压传感器。
9.根据权利要求1所述的一种新型列车气动性能模拟模型试验装置，其特征在于：所述减速段段尾设有一道冲撞墙，所述减速段两侧设有侧挡板。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种列车气动性能模拟模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制电磁弹射器，使弹射速度一致，保持列车模型的大小与列车实际大小的比例值一致，在列车轨道上放置多种类型的列车模型，实时测量并记录各种类型列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S2：控制电磁弹射器，使弹射速度一致，改变步骤S1中列车模型的大小与列车实际大小的比例值，在列车轨道上放置各种类型的列车模型，实时测量并记录各种大小的列车模型运行下隧道模型内部风速和风压；
S3：控制电磁弹射器，使弹射速度变化，在列车轨道上放置同一种类同一大小比例值的列车模型，实时测量并记录列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压；
S4：控制电磁弹射器，使弹射速度变化，在列车轨道上放置同一种类不同大小比例值的列车模型，实时测量并记录各种大小比例值的列车模型在不同速度的运行下隧道模型内部风速和风压。
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