CN110031241A - 模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置，其包括模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置，其包括隧道试验段、列车运动模拟装置及与隧道试验段进口端连接的正常气候试验段和/或与隧道试验段出口端连接的高原气候试验段；隧道试验段包括内壁为圆弧形的隧道试验箱、保持隧道试验箱内温度恒定的恒温控制系统及布置于隧道试验箱内的温湿度传感器、第一超声波水雾发生器和恒温恒湿控制器；列车运动模拟装置包括列车模型、部分布置于连接的试验段内的动态弓网模拟装置、位于试验装置入口端给列车模型提供初始速度的列车弹射空气炮及位于试验装置出口端、用于模拟列车模型运行过程中气流环境的第一调频风机。

Description

模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置

技术领域

本发明涉及模拟环境对列车部件影响的试验装置，具体涉及一种模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置。

背景技术

川藏铁路途径五个地貌单元，先后跨越七大江河，地势西高东低，北高南低，铁路建设过程中长大隧道比中之高前所未有，隧线占比为82.83％，由于高海拔超长隧道、长大隧道群的防灾疏散及运营维护的难度较大，一旦出现故障就会造成大量损失，因此保障列车在隧道环境及其他恶劣高原气候条件下的运行安全问题就显得十分重要了。目前，针对隧道环境下列车运行及列车出隧道后面临复杂气候条件下的运行状态的研究还十分缺乏。因此，发明一种可以模拟复杂环境先列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置，对青藏铁路列车的安全运行有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置能够模拟列车在多种环境的运行状态，以助于研究人员了解隧道环境或高原环境下对列车弓网及绝缘子的造成的影响。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置，其包括隧道试验段、列车运动模拟装置及与隧道试验段进口端连接的正常气候试验段和/或与隧道试验段出口端连接的高原气候试验段；

隧道试验段包括内壁为圆弧形的隧道试验箱、保持隧道试验箱内温度恒定的恒温控制系统及布置于隧道试验箱内的温湿度传感器、第一超声波水雾发生器和恒温恒湿控制器；

列车运动模拟装置包括列车模型、部分布置于连接的试验段内的动态弓网模拟装置、位于试验装置入口端给列车模型提供初始速度的列车弹射空气炮及位于试验装置出口端、用于模拟列车模型运行过程中气流环境的第一调频风机；

正常气候试验段包括正常气候试验箱、布置于正常气候试验箱的温湿度传感器和天气模拟系统；天气模拟系统包括给正常气候试验箱内提供降雨环境的雨水模拟器、放置于正常气候试验箱内用于模拟自然风的负压风机及调节正常气候试验箱内温度的温度循环系统；

高原气候试验段包括高原气候试验箱，高原气候试验箱内设置有紫外线模拟装置、桥梁横向风模拟装置、第二超声波水雾发生器、给高原气候试验箱提供低温环境的低温控制装置及对高原气候试验箱内的环境进行监测的环境监测系统。

进一步地，隧道试验箱、正常气候试验箱和高原气候试验箱均为长方体亚克力玻璃箱体，正常气候试验箱和高原气候试验箱中内壁边长等于隧道试验箱的内壁直径；隧道试验箱的外壁上设置有防紫外线涂层。

进一步地，隧道试验箱的侧壁上开设有若干贯穿侧壁、以模拟隧道气流环境的排气孔。

进一步地，恒温控制系统包括位于隧道试验箱外的恒温水箱和环绕于隧道试验箱的侧壁内的循环管道，恒温水箱内的水通过循环泵泵入循环管道，并经循环管道流回恒温水箱；

温度循环系统包括位于正常气候试验箱外的恒温箱体和环绕于隧道试验箱的侧壁内的循环水管，恒温箱体内的水通过抽水泵泵入循环水管，并经循环水管流回恒温箱体；

低温控制装置包括液氮存储箱及环绕在高原气候试验箱侧壁内的循环通道，液氮存储箱内的液氮通过液氮泵泵入循环通道，并经循环通道流回液氮存储箱。

进一步地，雨水模拟器包括分别位于正常气候试验箱内和外的喷头和储水箱，储水箱的水通过水泵泵入进水管，从喷头喷洒至正常气候试验箱内。

进一步地，紫外线模拟装置包括若干布置于高原气候试验箱内壁上的紫外灯管、开启所有紫外灯管的总开关及单独开启每个紫外灯管的独立开关；桥梁横向风模拟装置放置于高原气候试验箱前方通风入口处，其为第二调频风机。

进一步地，环境监测系统包括布置于高原气候试验箱内的温湿度传感器、风速仪、紫外传感器及将温湿度传感器、风速仪和紫外传感器采集的信息发送给外部处理器的蓝牙通信模块。

进一步地，动态弓网模拟装置包括两个转轮，其中一个转轮通过电机带动转动；两个转轮上套设有接触线，接触线通过电刷与外部电源导通；转轮下表面的接触线位于连接的试验段内与列车模型的受电弓接触。

进一步地，隧道试验段设置有一个开启恒温控制系统、第一超声波水雾发生器和恒温恒湿控制器的总开关及独立开启恒温控制系统、第一超声波水雾发生器和恒温恒湿控制器的独立开关；

列车运动模拟装置设置有一个开启动态弓网模拟装置、列车弹射空气炮和调频风机的总开关及独立开启动态弓网模拟装置、列车弹射空气炮和第一调频风机的独立开关；

正常气候试验段设置有开启雨水模拟器、负压风机和温度循环系统的总开关及独立开启雨水模拟器、负压风机和温度循环系统的独立开关；

高原气候试验段设有开启紫外线模拟装置、桥梁横向风模拟装置、第二超声波水雾发生器和低温控制装置的总开关及独立开启紫外线模拟装置、桥梁横向风模拟装置、第二超声波水雾发生器和低温控制装置的独立开关。

进一步地，的隧道试验箱、正常气候试验箱和高原气候试验箱两端均设置连接有支耳，支耳上开设有固定孔。

本发明的有益效果为：本方案的多个试验段可以进行灵活拆卸组合，可以完成列车模型由一种环境快速进入另一种环境的试验，为列车在隧道、高原等复杂气候间的运行状态的研究提供了可靠的试验工具。

本方案提供的试验装置可以同时进行不同环境下的列车运行状态试验，可以提升试验效率，通过模拟试验发现：

高原环境的复杂气候下，受电弓与接触网的摩擦会随之加剧，使得受电弓表面磨蚀程度发生变化，同时，复杂环境会导致受电弓与接触网拉弧更加频繁，这种现象会导致列车受流不稳，动力不足，严重会导致列车停；

高原紫外环境温度的剧烈变化会导致绝缘子表面材料老化，隧道内的复杂气流变化会导致绝缘子表面气流分布发生改变，这些变化会导致绝缘子发生闪络的概率增加，从而导致火灾，断电等事故的发生。

附图说明

图1为模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置的结构示意图。

图2为隧道试验段的隧道试验箱的侧视图。

图3为静态试验时，列车模型位于隧道试验段与动态弓网模拟装置接触的结构示意图。

图4为动态试验时，列车模型位于组合在一起的隧道试验段和高原气候试验段的入口端的结构示意图。

图5为动态弓网模拟装置的结构示意图。

图6为雨水模拟器的结构示意图。

其中，1、正常气候试验段；11、正常气候试验箱；12、温湿度传感器；13、雨水模拟器；131、喷头；132、进水管；133、水泵；134、储水箱；14、负压风机；15、温度循环系统；151、循环水管；2、隧道试验段；21、隧道试验箱；211、排气孔；2122、支耳；22、恒温控制系统；221、循环管道；23、第一超声波水雾发生器；24、恒温恒湿控制器；

3、高原气候试验段；31、高原气候试验箱；32、紫外线模拟装置；321、风速仪；33、桥梁横向风模拟装置；34、第二超声波水雾发生器；35、低温控制装置；351、循环通道；36、环境监测系统；4、列车运动模拟装置；41、列车模型；411、受电弓；412、列车动力部；413、绝缘子；42、动态弓网模拟装置；421、转轮；422、接触线；423、电刷；43、列车弹射空气炮；44、第一调频风机。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子413运行状态的试验装置包括隧道试验段2、列车运动模拟装置4及与隧道试验段2进口端连接的正常气候试验段1和/或与隧道试验段2出口端连接的高原气候试验段3。

隧道试验段2包括内壁为圆弧形的隧道试验箱21、保持隧道试验箱21内温度恒定的恒温控制系统22及布置于隧道试验箱21内的温湿度传感器12、第一超声波水雾发生器221和恒温恒湿控制器24。其中的恒温恒湿控制器24主要在隧道只需要短时间内湿度和温度控制时应用，当需要长时间进行温度和湿度控制时，采用恒温控制系统22进行调整。

实施时，本方案优选隧道试验箱21的侧壁上开设有若干贯穿侧壁、以模拟隧道气流环境的排气孔211，以保证本方案提供的试验装置提供的模拟环境能够无限接近真实环境。

如图1、图3和图4所示，列车运动模拟装置4包括列车模型41、部分布置于连接的试验段内的动态弓网模拟装置42、位于试验装置入口端给列车模型41提供初始速度的列车弹射空气炮43及位于试验装置出口端、用于模拟列车模型41运行过程中气流环境的第一调频风机44。

其中列车模型41包括列车和设置在列车上给列车提供动力的列车动力部412，优选列车动力部412为直流电机。

其中，列车弹射空气炮43通过压缩空气的瞬间释放，为列车模型41提供极大的初速度，以此缩短列车加速至试验车速所需距离。第一调频风机44用以模拟列车模型41高速运行过程中所处的气流环境，高速风洞可以为试验段内提供0～150m/s的高速气流环境。

在进行试验时，三个试验段可以单独进行静态和动态的模拟试验，也可以进行组合使用，组合使用时存在三种使用方式，即正常气候试验段1、隧道试验段2和高原气候试验段3依次连接，正常气候试验段1和隧道试验连接，隧道试验段2和高原气候试验段3连接，这三种组合使用情况也存在静态和动态模拟试验。

其中的静态模拟试验是指列车模型41静止不动，动态弓网模拟装置42高速运动，以模拟同一种环境中对绝缘子413和受电弓411的影响；动态模拟试验是指列车模型41高速运动，动态弓网模拟装置42静止不动，以模拟列车从一种环境进入另一种环境时对绝缘子413和受电弓411的影响。

如图5所示，动态弓网模拟装置42包括两个转轮421，其中一个转轮421通过电机带动转动；两个转轮421上套设有接触线422，接触线422通过电刷423与外部电源导通；转轮421下表面的接触线422位于连接的试验段内与列车模型41的受电弓411接触。

电刷423与接触线422紧密接触，连接电源，可以为接触线422提供27.5kV交流电压，以及操作冲击电压和雷电冲击电压，通过调节转轮421转速，可以实现接触线422与受电弓411的相对高速运动以此模拟列车的高速运行。

如图1所示，正常气候试验段1包括正常气候试验箱11、布置于正常气候试验箱11的温湿度传感器12和天气模拟系统；天气模拟系统包括给正常气候试验箱11内提供降雨环境的雨水模拟器13、放置于正常气候试验箱11内用于模拟自然风的负压风机14及调节正常气候试验箱11内温度的温度循环系统15。负压风机14用于模拟0～5m/s的自然风。

如图6所示，雨水模拟器13包括分别位于正常气候试验箱11内和外的喷头131和储水箱134，储水箱134的水通过水泵133泵入进水管132，从喷头131喷洒至正常气候试验箱11内。其中喷头131的出水板设置成可更换的结构，其包括三种结构，分别为模拟大雨、中雨和小雨，其上密布的网孔数量为：模拟大雨的出水板＞模拟中雨雨的出水板＞模拟小雨的出水板。

如图1和图4所示，高原气候试验段3包括高原气候试验箱31，高原气候试验箱内设置有紫外线模拟装置32、桥梁横向风模拟装置33、第二超声波水雾发生器34、给高原气候试验箱31提供低温环境的低温控制装置35及对高原气候试验箱31内的环境进行监测的环境监测系统36。

本方案的第一超声波水雾发生器221和第二超声波水雾发生器34的输出功率均可以调节，通过调节第一超声波水雾发生器221和第二超声波水雾发生器34的输出功率可以调节水雾产生速率，以此模拟不同降雾情况。

实施时，本方案优选隧道试验箱21、正常气候试验箱11和高原气候试验箱31均为长方体亚克力玻璃箱体，正常气候试验箱11和高原气候试验箱31中内壁边长等于隧道试验箱21的内壁直径；隧道试验箱21的外壁上设置有防紫外线涂层，以模拟隧道无光环境。

在本发明的一个实施例中，恒温控制系统22包括位于隧道试验箱21外的恒温水箱和环绕于隧道试验箱21的侧壁内的循环管道221，恒温水箱内的水通过循环泵泵入循环管道221，并经循环管道221流回恒温水箱。

温度循环系统15包括位于正常气候试验箱11外的恒温箱体和环绕于隧道试验箱21的侧壁内的循环水管151，恒温箱体内的水通过抽水泵泵入循环水管151，并经循环水管151流回恒温箱体；

低温控制装置35包括液氮存储箱及环绕在高原气候试验箱31侧壁内的循环通道351，液氮存储箱内的液氮通过液氮泵泵入循环通道351，并经循环通道351流回液氮存储箱。通过调节液氮在循环通道351内的流速以及液氮在通道内的体积(气体绝热放气制冷法)可以调节高原气候试验箱31内温度在-40℃～0℃变化。

具体地恒温控制系统22、温度循环系统15和低温控制装置35的部件结构完全相同，只是在相应结构中流淌的介质不一样。

紫外线模拟装置32包括若干布置于高原气候试验箱31内壁上的紫外灯管、开启所有紫外灯管的总开关及单独开启每个紫外灯管的独立开关；每个紫外灯管对应独立开关的设置，可以根据需要关闭部分紫外线灯管，以达到在一定范围内调节紫外线强度。

桥梁横向风模拟装置33放置于高原气候试验箱31前方通风入口处，其为第二调频风机，其可以形成0～50m/s的高速气流，以模拟列车经过桥梁等空旷环境下所受的横向风，横向风通过风速仪32113进行检测。

环境监测系统36包括布置于高原气候试验箱31内的温湿度传感器12、风速仪321、紫外传感器及将温湿度传感器12、风速仪321和紫外传感器采集的信息发送给外部处理器的蓝牙通信模块。

为了方便试验时对试验装置中的众多部件的开启，在隧道试验段2设置有一个开启恒温控制系统22、第一超声波水雾发生器221和恒温恒湿控制器24的总开关及独立开启恒温控制系统22、第一超声波水雾发生器221和恒温恒湿控制器24的独立开关；

列车运动模拟装置4设置有一个开启动态弓网模拟装置42、列车弹射空气炮43和调频风机的总开关及独立开启动态弓网模拟装置42、列车弹射空气炮43和第一调频风机44的独立开关；

正常气候试验段1设置有开启雨水模拟器13、负压风机14和温度循环系统15的总开关及独立开启雨水模拟器13、负压风机14和温度循环系统15的独立开关；

高原气候试验段3设有开启紫外线模拟装置32、桥梁横向风模拟装置33、第二超声波水雾发生器34和低温控制装置35的总开关及独立开启紫外线模拟装置32、桥梁横向风模拟装置33、第二超声波水雾发生器34和低温控制装置35的独立开关。

本方案在每个隧道试验箱21、正常气候试验箱11和高原气候试验箱31内设置的总开关，可以同时启动多个对环境起作用的电器件，当在模拟试验时，不需要模拟多种复杂天气时，可以通过独立开关关闭相应的电器件。

如图2所示，隧道试验箱21、正常气候试验箱11和高原气候试验箱31两端均设置连接支耳2122，支耳2122上开设有固定孔。支耳2122及固定孔的设置，可以实现正常气候试验段1、隧道试验段2和高原气候试验段3的三种组合情况的快速组装。

在静态试验时，为了避免试验段间气候环境的相互影响，本方案在隧道试验箱21、正常气候试验箱11和高原气候试验箱31两端均设置有密封门。

下面分别以图3和图4示出来的结构分别对静态试验和动态试验进行说明：

静态试验方式用于研究列车长时间在同种环境状态运行时的运行状态，拆卸组合试验装置如图3所示，为模拟列车模型41在隧道试验段2运行时的状态；

将列车模型41置于隧道试验段2中部固定放置，调节第一超声波水雾发生器221使隧道内部湿度为70％，调节恒温控制系统22使隧道试验箱21内温度为20℃不变；

将第一调频风机44置于试验段出口处，以模拟隧道试验段2内列车模型41运行时的气流环境，开启动态弓网模拟装置42，使受电弓411与接触网高速相对运动，接触网上通有27.5kV交流电压；

运行20分钟，实时监测列车模型41电压波形，接地保护电流和工作电流；运行完成后，检查绝缘子413表面积污老化等状态，以用于分析湿度和温度对列车模型41的绝缘子413和受电弓411的影响。

动态试验方式用于研究列车由一种环境运行到另一种极端环境过程中列车运行状态及车顶绝缘子413状态评估实验，拆卸组合试验装置如图4所示，为研究列车驶出隧道试验段2进入高原气候试验段3时列车运行状态及列车车顶绝缘子413性能变换评估的试验。

调节隧道试验箱21内的第一超声波水雾发生器221使隧道试验箱21内部湿度为70％，调节恒温控制系统22使隧道试验段2内温度为20℃不变；

调节桥梁横向风模拟装置33为高原气候试验段3内提供30m/s的桥梁横向风，调节低温控制装置35，使复杂环境试验段内温度为-10℃，调节紫外线模拟装置32，使高原气候试验段3内紫外线指数为15级，以此模拟高原地区复杂的复杂环境；

将动态弓网模拟装置42置于如图4所示，外部加27.5kV交流电同时给予随机脉冲信号以模拟操作过电压，将列车弹射空气炮43放置于试验段入口处压缩空气，将列车模型41置于列车弹射空气炮43的前方，打开空气炮开关的同时打开列车动力部412，保证列车模型41以100m/s的速度进入试验段，如此重复10次，检测列车模拟上绝缘子413性能及状态变化情况。

通过三个试验段采用本申请所说的三种组合方式组合进行静态试验和动态试验，经试验发现：

高原环境的复杂气候下，受电弓411与接触网的摩擦会随之加剧，使得受电弓411表面磨蚀程度发生变化，同时，复杂环境会导致受电弓411与接触网拉弧更加频繁，这种现象会导致列车受流不稳，动力不足，严重会导致列车停；

高原紫外环境温度的剧烈变化会导致绝缘子413表面材料老化，隧道内的复杂气流变化会导致绝缘子413表面气流分布发生改变，这些变化会导致绝缘子413发生闪络的概率增加，从而导致火灾，断电等事故的发生。

Claims (10)

1.模拟复杂环境下列车弓网及绝缘子运行状态的试验装置，其特征在于，包括隧道试验段、列车运动模拟装置及与隧道试验段进口端连接的正常气候试验段和/或与隧道试验段出口端连接的高原气候试验段；

所述隧道试验段包括内壁为圆弧形的隧道试验箱、保持隧道试验箱内温度恒定的恒温控制系统及布置于隧道试验箱内的温湿度传感器、第一超声波水雾发生器和恒温恒湿控制器；

所述列车运动模拟装置包括列车模型、部分布置于连接的试验段内的动态弓网模拟装置、位于试验装置入口端给列车模型提供初始速度的列车弹射空气炮及位于试验装置出口端、用于模拟列车模型运行过程中气流环境的第一调频风机；

所述正常气候试验段包括正常气候试验箱、布置于正常气候试验箱的温湿度传感器和天气模拟系统；所述天气模拟系统包括给正常气候试验箱内提供降雨环境的雨水模拟器、放置于正常气候试验箱内用于模拟自然风的负压风机及调节正常气候试验箱内温度的温度循环系统；

所述高原气候试验段包括高原气候试验箱，所述高原气候试验箱内设置有紫外线模拟装置、桥梁横向风模拟装置、第二超声波水雾发生器、给高原气候试验箱提供低温环境的低温控制装置及对高原气候试验箱内的环境进行监测的环境监测系统。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述隧道试验箱、正常气候试验箱和高原气候试验箱均为长方体亚克力玻璃箱体，所述正常气候试验箱和高原气候试验箱中内壁边长等于隧道试验箱的内壁直径；所述隧道试验箱的外壁上设置有防紫外线涂层。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述隧道试验箱的侧壁上开设有若干贯穿侧壁、以模拟隧道气流环境的排气孔。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述恒温控制系统包括位于隧道试验箱外的恒温水箱和环绕于隧道试验箱的侧壁内的循环管道，所述恒温水箱内的水通过循环泵泵入循环管道，并经循环管道流回恒温水箱；

所述温度循环系统包括位于正常气候试验箱外的恒温箱体和环绕于隧道试验箱的侧壁内的循环水管，所述恒温箱体内的水通过抽水泵泵入循环水管，并经循环水管流回恒温箱体；

所述低温控制装置包括液氮存储箱及环绕在高原气候试验箱侧壁内的循环通道，所述液氮存储箱内的液氮通过液氮泵泵入循环通道，并经循环通道流回液氮存储箱。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述雨水模拟器包括分别位于正常气候试验箱内和外的喷头和储水箱，所述储水箱的水通过水泵泵入进水管，从所述喷头喷洒至所述正常气候试验箱内。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述紫外线模拟装置包括若干布置于高原气候试验箱内壁上的紫外灯管、开启所有紫外灯管的总开关及单独开启每个紫外灯管的独立开关；所述桥梁横向风模拟装置放置于高原气候试验箱前方通风入口处，其为第二调频风机。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述环境监测系统包括布置于高原气候试验箱内的温湿度传感器、风速仪、紫外传感器及将温湿度传感器、风速仪和紫外传感器采集的信息发送给外部处理器的蓝牙通信模块。

8.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述动态弓网模拟装置包括两个转轮，其中一个转轮通过电机带动转动；两个转轮上套设有接触线，所述接触线通过电刷与外部电源导通；转轮下表面的接触线位于连接的试验段内与列车模型的受电弓接触。

9.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述隧道试验段设置有一个开启恒温控制系统、第一超声波水雾发生器和恒温恒湿控制器的总开关及独立开启恒温控制系统、第一超声波水雾发生器和恒温恒湿控制器的独立开关；

列车运动模拟装置设置有一个开启动态弓网模拟装置、列车弹射空气炮和调频风机的总开关及独立开启动态弓网模拟装置、列车弹射空气炮和第一调频风机的独立开关；

所述正常气候试验段设置有开启雨水模拟器、负压风机和温度循环系统的总开关及独立开启雨水模拟器、负压风机和温度循环系统的独立开关；

所述高原气候试验段设有开启紫外线模拟装置、桥梁横向风模拟装置、第二超声波水雾发生器和低温控制装置的总开关及独立开启紫外线模拟装置、桥梁横向风模拟装置、第二超声波水雾发生器和低温控制装置的独立开关。

10.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述的隧道试验箱、正常气候试验箱和高原气候试验箱两端均设置有连接支耳，所述支耳上开设有固定孔。