CN109596304B - 一种带通风井地铁隧道相似模型试验台 - Google Patents

一种带通风井地铁隧道相似模型试验台 Download PDF

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Abstract

本发明属于地铁隧道技术领域，提出了一种带通风井地铁隧道相似模型试验台，包括隧道模块、轨道模块、列车模块、动力模块、支撑模块和测量模块；多组隧道模块依次连接，外部由支撑模块支撑，内部放置轨道模块及列车模块，测量模块置于隧道模块外壁，动力模块放在隧道模块两端。该隧道模型可通过模型隧道与原型隧道的相似关系，由模型隧道的测试参数，反映原型隧道活塞风风速和风压特性。通过模型试验台于不同截面布置不同测点进行实验，以预测原型隧道内活塞风风速、风压对隧道内部设施(如广告牌、联络通道安全门等)的影响，为工程实践人员的设计施工提供指导性意见。

Description

一种带通风井地铁隧道相似模型试验台
技术领域
本发明属于地铁隧道技术领域，涉及一种带通风井地铁隧道相似模型试验台。
背景技术
地铁是一种相对稳定的交通工具，具有封闭环运行、准点可靠、载客量大、节能无污染等特点，不易受天气和交通等外界客观因素的限制，又极大的降低了对广大群众日常生活的影响，因此成为大中城市改善地上交通状况的有效方案。尽管地铁给城市居民生活带来了许多便利，但其运行过程中所产生的安全问题关乎到乘客的生命财产安全，必须予以足够重视。当列车在隧道内行驶时，列车正面的空气受压，形成正压，列车后面的空气稀薄，形成负压，由此产生空气的流动。由于隧道墙壁对空气的束缚作用以及空气与墙壁和列车表面的摩擦作用，原先占据着列车空间的空气形成了一股特定方向的气流，在隧道内穿行，就好像活塞在气缸内做往复运动，因此这股气流又被称为活塞风。活塞风的大小与列车在隧道内的阻塞比、列车的行驶速度、列车行驶时的空气阻力、空气与隧道墙壁间的摩擦力等因素有关。当活塞风速较快且长时间作用时，就会对隧道内的安全门和广告灯箱等造成极大的破坏。为避免风压载荷对广告牌、安全门等隧道设施的破坏导致地铁列车无法行车而产生极大的社会影响，对活塞风的风压及风速研究就显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种带通风井地铁隧道相似模型试验台，符合相似理论的要求，可对活塞风风速、风压等参数进行测量，能够更加真实地模拟出实际隧道内活塞风流动特性，以便设计者在设计时充分考虑到地铁活塞风对联络通道安全门、广告灯箱的破坏，此外，还可以为维护人员对隧道内设施的维护提供足够的理论支持。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种带通风井地铁隧道相似模型试验台，包括隧道模块、轨道模块、列车模块、动力模块和测量模块，多组隧道模块依次连接；轨道模块和列车模块安装在隧道模块内，列车模块连接动力模块，并由动力模块驱动；测量模块置于隧道模块外壁，用于测试隧道内活塞风的参数；
隧道模块，包括隧道管道和隧道底板，隧道管道分为多节，每节之间用螺栓连接，组成整个隧道，隧道底板放置于隧道之中，轨道模块固定在隧道底板之上；
轨道模块包括直线导轨和精密滑块；所述的直线导轨共2条，用螺栓固定在隧道模块的隧道底板之上；所述的精密滑块共4个，精密滑块下端与直线导轨间隙配合，精密滑块上端与列车模块相连接，列车模块通过精密滑块在直线导轨上进行直线运动；
动力模块，有两套，一套动力模块用于前进，另一套动力模块用于回程；每套动力模块包括伺服电机、线辊、滑轮、滑轮架和绳子；伺服电机、线辊、滑轮均安装在滑轮架上；绳子一端缠绕在线辊上，另一端通过滑轮换向后与列车模块相连接；伺服电机通过带动线辊的转动来拉动列车车身进行移动，车速大小通过控制电机的转速来调节；
所述测量模块包括微差压变送器和风速传感器；所述微差压变送器有两个接口，一个接口与大气相通，另一接口深入管道内部待测点，共计3个微差压变送器；所述风速传感器只有一个接口，根据需测的实际位置的活塞风风速进行位置选择，共计3个，根据需要可增加传感器数量。
进一步地，上述隧道模块还包括隧道风井,隧道风井为可拆卸式，使用时固定在隧道管道上。
进一步地，上述试验台还包括支撑模块，支撑在隧道模块的外部，并使其距地面有一定高度，其数量根据隧道管道数量而定，用于固定隧道模块、轨道模块及列车模块；所述的支撑模块包括隧道支撑和底板支撑；隧道支撑用于固定隧道管道，所述底板支撑用于固定隧道底板，确保其水平。
进一步地，上述列车模块包括列车车身和列车车顶；所述的列车车身通过螺钉固定在4个精密滑块上，通过滑块带动列车车身在导轨上运动以模拟真实列车在轨道上的移动；为便于列车车身与精密滑块的固定连接，选用列车车顶与列车车身的分体设计，待列车车身内部螺钉拧紧完成后，再将列车车顶固定列车车身上，组成整个列车模块。
本发明一种带通风井地铁隧道相似模型试验台，改进了现有实验台在隧道盾构空间仿真方面的不足，采用伺服电机带动线辊运转，绳子带动列车模型在隧道模型内行驶，测量活塞风在隧道边壁处的风速大小以及活塞风对隧道边壁的压力，该隧道模型可近似地反映实际隧道内活塞风风速和风压特性。通过模型试验台进行试验以预测原型隧道内活塞风风速风压的数据，能够为相关人员的设计施工提供一定的依据。
附图说明
图1为本发明的整体装配示意图。
图2为本发明的隧道模块和支撑模块示意图。
图3为本发明的轨道模块和列车模块示意图。
图4为本发明的动力模块示意图。
图5为本发明的测量模块局部放大图。
图6为本发明的二维模型示意图。
图7为A-A截面在列车前方条件下二维模型简化图。
图8为A-A截面在列车周围条件下二维模型简化图。
图9为A-A截面在列车后方条件下二维模型简化图。
图中：1隧道模块；2支撑模块；3轨道模块；4列车模块；5动力模块；6测量模块；101隧道管道；102隧道底板；103隧道风井；201隧道支撑；202隧道底板支撑；301直线导轨；302精密滑块；401列车车身；402列车车顶；501伺服电机；502线辊；503滑轮；504滑轮架；505绳子；601微差压变送器；602风速传感器。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种带通风井地铁隧道相似模型试验台，包括隧道模块1、支撑模块2、轨道模块3、列车模块4、动力模块5、测量模块6；轨道模块3和列车模块4安装在隧道模块1内，由支撑模块2支撑，列车模块4连接动力模块5，并由其驱动，最后由安装在隧道模块1上的测量模块6进行参数测量。
如图2所示，所述的隧道模块1和支撑模块2包括隧道管道101、隧道底板102、隧道风井103、管道支撑201和底板支撑202。所述隧道管道101分为多节，每节之间用螺栓连接，组成整个隧道，所述的隧道风井103可根据实际情况按需安装；所述隧道底板102放置于隧道之中，轨道模块就是固定在隧道底板之上。
所述支撑模块2包括隧道支撑201和底板支撑202；所述的隧道支撑201用以固定隧道管道102，并使其距地面有一定高度，其数量根据管道数量而定，离地高度也可由需要调整；所述底板支撑202用以支撑底板102，并使其及轨道模块3的水平，以便于列车模块4运动的准确。
如图3所示，所述的轨道模块3和列车模块4包括直线导轨301、精密滑块302、列车车身401和列车车顶402；所述的轨道模块3，含有直线导轨301共2条，用螺栓固定在隧道模块1的隧道底板102之上；所述的精密滑块302需4个，精密滑块302下端与直线导轨301相配合，精密滑块上端与列车车身401相连接，列车模块通过精密滑块可在直线导轨上进行直线运动。
所述的列车模块4，包括列车车身401和列车车顶402；所述的列车车身401通过螺钉固定在四个精密滑块302上，通过精密滑块302带动列车车身401在导轨301上运动以模拟真实列车在轨道上的移动；车顶为便于列车车身与精密滑块的连接，选用车顶402与车身的分体设计，待车身内部螺钉拧紧完成后，再将车顶固定在车身上，组成整个列车模块4。
如图4所示，所述的动力模块5包括伺服电机501、线辊502、滑轮503、滑轮架504、绳子505，本试验台共计2套动力模块5。所述的伺服电机501、线辊502、滑轮503均安装在滑轮架504上；绳子一端缠绕在线辊上，另一端通过滑轮换向后与列车车身相连；伺服电机通过带动线辊的转动来拉动列车车身进行移动，车速大小可通过控制电机的转速来调节；两套动力模块，可使列车在同一直线上来回往复运动。
如图5所示，所述测量模块6包括微差压变送器601和风速传感器602；所述微差压变送器601有两个接口，一个接口与大气相通，另一接口深入管道内部待测点，共计3个微差压变送器601；所述风速传感器602只有一个接口，可根据需测的实际位置的活塞风风速进行位置选择，共计3个，根据需要可增加传感器数量。列车进入相应测点时，微差压变送器601会测试到隧道活塞风与外界大气压的压力差，即风压载荷，风速传感器602会直接测定该点风速，根据所测结果结合相似比，就能够分析处实际隧道活塞风载荷情况。
本隧道试验台中存在风井，在列车运行的过程中，风井也成为一个气流通道。此隧道中的两个风井，分别为排出活塞风的分流活塞风井及吸入外界空气的吸入活塞风井，现推导模型试验台与原型隧道的相似关系。
P1-P8分别代表隧道内1-8断面的静压值，v1、v7分别表示断面1和7处的风速，v为活塞风风速，v0表示列车的车速，v6、v8分别为断面6和8处的风速值。
建立断面1-2之间的伯努利方程
断面7-2之间的伯努利方程
断面2-3之间的伯努利方程
断面4-5之间的伯努利方程
断面5-6之间的伯努利方程
断面5-8之间的伯努利方程
上式中，ξ1和ξ7分别为断面1、7处的入口局部阻力系数，η1、η7、η6、η8分别为气流经过各三通处的局部阻力系数；λ1为风井7、8的沿程阻力系数；λ为隧道沿程阻力系数；lij为隧道段i与j之间的长度；d、d1分别为隧道段风井7和风井8的水力直径；h是风井7和风井8的高度。对于(5)、(6)式，认为隧道出口外的平面6与平面8与隧道足够远，两者处风速近似为零，因此该处的速度水头为零。
①设列车前方任选一截面为A-A面，现讨论A点处模型压力与原型压力之间关系。
三通处的连续性方程为
Aν＝A1ν8+Aν6 (9)
根据联立(5)、(6)式得，
其中，空气密度ρ在模型与原型中相等，在A截面位置确定的条件下，C1取值为一定值，因此原型压力与模型压力相似比与速度相似比成平方关系。
②若选定车身周围某一截面为A截面，推导其压力相似关系。
式中，ε1与ε2为列车车身附近空气的局部阻力系数。
结合式(4)、(5)得
式中，空气密度ρ在模型与原型中相等，隧道各参数均为确定值，在A截面位置确定的条件下，C2取值为一定值，因此原型压力与模型压力相似比与速度相似比成平方关系。
③若选择车后某一截面为A-A截面，其压力相似公式如下。
联立(1)(2)得
根据连续性方程有Aν1+A1ν7＝Aν，
其中，空气密度ρ在模型与原型中相等，隧道各参数均为确定值，在A截面位置确定的条件下，C3取值也为一定值，因此原型压力与模型压力相似比与速度相似比成平方关系。
④隧道活塞风风速相似验证
结合式(1)、(2)、(3)、(4)可得
与式(16)联立得
其中，α为隧道阻塞比，在模型工况确定的情况下，C4取值为一定值，对于模型与原型活塞风速相似比，其大小与车速相似比成线性关系。
本发明为模型缩尺设计，它可有效地用于隧道活塞风的测试与预测，操作简单、方便，拆装与维护容易。

Claims (3)

1.一种带通风井地铁隧道相似模型试验台，其特征在于，包括隧道模块(1)、轨道模块(3)、列车模块(4)、动力模块(5)和测量模块(6)，多组隧道模块(1)依次连接；轨道模块(3)和列车模块(4)安装在隧道模块(1)内，列车模块(4)连接动力模块(5)，并由动力模块驱动；测量模块(6)置于隧道模块(1)外壁，用于测试隧道内活塞风的参数；
隧道模块(1)，包括隧道管道(101)和隧道底板(102)，隧道管道(101)分为多节，每节之间用螺栓连接，组成整个隧道，隧道底板(102)放置于隧道之中，轨道模块(3)固定在隧道底板(102)之上；隧道模块(1)还包括隧道风井(103),隧道风井(103)为可拆卸式，使用时固定在隧道管道(101)上；
轨道模块(3)包括直线导轨(301)和精密滑块(302)；所述的直线导轨(301)共2条，用螺栓固定在隧道模块(1)的隧道底板(102)之上；所述的精密滑块共4个，精密滑块下端与直线导轨间隙配合，精密滑块上端与列车模块相连接，列车模块(4)通过精密滑块(302)在直线导轨(301)上进行直线运动；
动力模块(5)，有两套，一套动力模块(5)用于前进，另一套动力模块(5)用于回程；每套动力模块包括伺服电机(501)、线辊(502)、滑轮(503)、滑轮架(504)和绳子(505)；伺服电机(501)、线辊(502)、滑轮(503)均安装在滑轮架(504)上；绳子(505)一端缠绕在线辊(502)上，另一端通过滑轮(503)换向后与列车模块(4)相连接；伺服电机通过带动线辊的转动来拉动列车车身进行移动，车速大小通过控制电机的转速来调节；
测量模块(6)包括微差压变送器(601)和风速传感器(602)；所述微差压变送器(601)有两个接口，一个接口与大气相通，另一接口深入管道内部待测点，所述风速传感器(602)只有一个接口，根据需要测量的实际位置的活塞风风速进行位置选择；具体步骤为：对于列车运行过程中的空气压力，
①若选定列车前方任一截面，则试验台模型空气压力与实际地铁隧道的原型空气压力之间的相似关系为
②若选定车身周围任一截面，则试验台模型空气压力与实际地铁隧道的原型空气压力之间的相似关系为
③若选定车后任一截面,则试验台模型空气压力与实际地铁隧道的原型空气压力之间的相似关系为
对于列车运行过程中的空气速度，有相似关系为
2.根据权利要求1所述的一种带通风井地铁隧道相似模型试验台，其特征在于，还包括支撑模块(2)，支撑在隧道模块的外部，并使其距地面有一定高度，其数量根据隧道管道数量而定，用于固定隧道模块、轨道模块列车模块；所述的支撑模块(2)包括隧道支撑(201)和底板支撑(202)；隧道支撑(201)用于固定隧道管道(101)，所述底板支撑(202)用于固定隧道底板(102)。
3.根据权利要求1或2所述的一种带通风井地铁隧道相似模型试验台，其特征在于，列车模块(4)包括列车车身(401)和列车车顶(402)；所述的列车车身(401)通过螺钉固定在4个精密滑块(302)上；为便于列车车身(401)与精密滑块(302)的固定连接，选用列车车顶(402)与列车车身(401)的分体设计，待列车车身(401)内部螺钉拧紧完成后，再将列车车顶(402)固定列车车身(401)上，组成整个列车模块(4)。
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