CN111289282A - 一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统。系统包括：环形轨道模型、高速铁路隧道模型、高速铁路列车模型、第一高速摄像机、第二高速摄像机和多个压力传感器；环形轨道模型模拟真实的高速铁路轨道；高速铁路隧道模型模拟真实的高速铁路隧道和高速铁路隧道所处的地质条件；高速铁路列车模型模拟真实的高速铁路列车，连续多次通过高速铁路隧道模型；第一高速摄像机和第二高速摄像机采集高速铁路列车模型通过高速铁路隧道模型时隧道支护结构裂缝的图片；压力传感器测量高速铁路列车模型通过高速铁路隧道模型时隧道支护结构所受的压力值。本发明能够模拟高速铁路列车多次通过隧道，且考虑了隧道支护结构受围岩压力的作用。

Description

一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统

技术领域

本发明涉及隧道模型试验领域，特别是涉及一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统。

背景技术

高速铁路列车通过隧道时会产生气动效应和振动效应。气动效应指高速铁路列车驶入隧道时，车头形成压缩波，车尾形成膨胀波，压缩波传递到洞口时会形成反射波，反射波会与压缩波等在隧道中形成叠加。振动效应指高速铁路列车以一定速度通过轨道时，会引起轨道各个方向的振动，并向道床、隧道和围岩传播。气动效应和振动效应会加速隧道支护结构病害的发展速度，从而降低隧道支护结构的使用寿命。故研究气动效应和振动效应对隧道支护结构的影响具有至关重要的工程价值和理论意义。

现有的研究方法主要分为四大类：理论分析、数值模拟、模型试验和现场监测。理论分析法存在较多假设条件，难以直接用来指导实际工程；数值模拟法所依赖的力学参数需通过室内实验来获取，且模拟结果受假设性本构关系影响较大；现场监测法局限性在于仪器的误差，人为造成的误差以及需要大量的人力物力和资金支持。

模型试验法提供了一个快速可靠稳定的解决方案，将所研究的模型装置、支护结构、土层材料等根据一定的相似比来模拟真实情况，从而得到可靠稳定的数据。而现有的模拟高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统，大多数只能模拟高速铁路列车单次通过隧道的情况，且没有考虑隧道支护结构受围岩压力作用，与实际高速铁路列车频繁连续通过隧道的现实情况不符。此外，目前的物理模型试验系统也无法对隧道支护结构裂缝扩展过程进行直观研究。

因此，目前亟需提供一种能够模拟高速铁路列车多次通过隧道，并考虑隧道支护结构受围岩压力作用的物理模型试验系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统，能够模拟高速铁路列车模型连续多次通过隧道，并监测高速铁路隧道支护结构裂缝发展过程。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统，所述系统包括：环形轨道模型、高速铁路隧道模型、高速铁路列车模型、第一高速摄像机、第二高速摄像机和多个压力传感器；

所述环形轨道模型从所述高速铁路隧道模型中穿过，所述环形轨道模型用于模拟真实的高速铁路轨道；

所述高速铁路隧道模型用于模拟真实的高速铁路隧道和所述高速铁路隧道所处的地质条件；

所述高速铁路列车模型用于模拟真实的高速铁路列车，沿着所述环形轨道模型运行，并连续多次通过所述高速铁路隧道模型；

所述第一高速摄像机设置在所述高速铁路列车模型的车头，所述第二高速摄像机设置在所述高速铁路列车模型的车尾；所述第一高速摄像机用于根据预设拍照频率采集所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型前隧道支护结构裂缝的图片；所述第二高速摄像机用于根据预设拍照频率采集所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型后隧道支护结构裂缝的图片；

多个所述压力传感器分别设置在所述高速铁路隧道模型的内部，所述压力传感器用于测量所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型时隧道支护结构所受的压力值。

可选的，所述系统还包括：驱动装置；

所述驱动装置与所述高速铁路列车模型连接，所述驱动装置用于控制所述高速铁路列车模型以一定的速度沿着所述环形轨道模型运行，并连续多次通过所述高速铁路隧道模型。

可选的，所述驱动装置为可控制转速的电机。

可选的，所述系统还包括：电脑；

所述电脑分别与所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机连接，所述电脑用于设置所述预设拍照频率，并存储所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机采集的所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型时隧道支护结构裂缝的图片；

所述电脑还与所述驱动装置连接，所述电脑还用于控制所述驱动装置的转速和转数，以控制所述高速铁路列车模型的运行速度和所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型的次数。

可选的，所述系统还包括：压力采集装置；

所述压力采集装置分别与多个所述压力传感器连接，所述压力采集装置用于采集所述压力传感器测量的压力值。

可选的，压力采集装置为压力传感器采集仪。

可选的，所述压力传感器为线性压力传感器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过环形轨道模型、高速铁路隧道模型和高速铁路列车模型构造了高速铁路列车通过隧道的物理试验模拟，驱动装置可以控制高速铁路列车模型的速度和运行环数，实现了高速铁路列车连续多次通过隧道的模拟；利用安装在列车车头的第一高速摄像机和安装在列车车尾的第二高速摄像机可以对隧道支护结构裂缝扩展过程进行高频连续拍照，利用压力传感器可以对隧道支护结构受力状态进行连续监测，能够较好的为高速铁路隧道支护结构种类选择及设计提供理论支持，并能提前查明高速铁路隧道支护结构裂缝分布情况、隧道支护结构受力状态，为高速铁路列车通过隧道前是否需要限速提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统的结构图；

图2为本发明提供的高速铁路列车模型的结构图；

图3为本发明提供的高速铁路隧道模型的切面图；

符号说明：

1-环形轨道模型，2-高速铁路隧道模型，3-高速铁路列车模型，4-第一高速摄像机，5-第二高速摄像机，6-驱动装置，7-压力传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统，能够模拟高速铁路列车模型连续多次通过隧道，并监测高速铁路隧道支护结构裂缝发展过程。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统的结构图。如图1所示，一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统包括：环形轨道模型1、高速铁路隧道模型2、高速铁路列车模型3、第一高速摄像机4、第二高速摄像机5和多个压力传感器7。

环形轨道模型1从高速铁路隧道模型2中穿过，环形轨道模型1用于模拟真实的高速铁路轨道。

高速铁路隧道模型2用于模拟真实的高速铁路隧道和高速铁路隧道所处的地质条件。

高速铁路列车模型3用于模拟真实的不同类型的高速铁路列车，沿着环形轨道模型1运行，并连续多次通过高速铁路隧道模型2。

第一高速摄像机4设置在高速铁路列车模型3的车头，第二高速摄像机5设置在高速铁路列车模型3的车尾，如图2所示。第一高速摄像机4用于根据预设拍照频率采集高速铁路列车模型3通过高速铁路隧道模型2前隧道支护结构裂缝的图片。第二高速摄像机5用于根据预设拍照频率采集高速铁路列车模型3通过高速铁路隧道模型2后隧道支护结构裂缝的图片，并进行快速存储。

多个压力传感器7分别设置在高速铁路隧道模型2的内部，如图3所示，压力传感器7用于测量高速铁路列车模型3通过高速铁路隧道模型2时隧道支护结构所受的压力值。

优选地，压力传感器7为线性压力传感器7。

本发明中的环形轨道模型1、高速铁路隧道模型2和高速铁路列车模型3的确定过程为：对高速铁路隧道现场进行调研，根据相似原理要求，对高速铁路隧道尺寸、形状及高铁铁路列车类型、速度进行试验设计，并通过相似比计算得出物理模型试验系统所需要的相似材料的相关参数。根据计算的相似材料参数进行材料配比，根据高速铁路隧道和列车尺寸进行模型制作。

系统还包括：驱动装置6。

驱动装置6与高速铁路列车模型3连接，驱动装置6用于控制高速铁路列车模型3以一定的速度沿着环形轨道模型1运行，并连续多次通过高速铁路隧道模型2。优选地，驱动装置6为可控制转速的电机，驱动装置6可以精确控制高速铁路列车模型3的运行速度。

系统还包括：电脑。

电脑分别与第一高速摄像机4和第二高速摄像机5连接，电脑用于在数据采集软件上设置预设拍照频率，并将第一高速摄像机4和第二高速摄像机5采集的高速铁路列车模型3通过高速铁路隧道模型2时隧道支护结构裂缝的图片存储在预设存储位置上。

第一高速摄像机4和第二高速摄像机5在试验整个过程中根据数据采集软件设定的时间间隔持续不间断拍照。试验整个过程包括高速列车进入隧道前、在隧道内行驶、通过隧道后三个典型阶段。

电脑还与驱动装置6连接，通过电脑上的相关软件控制驱动装置6的转速，以控制高速铁路列车模型3的运行速度；通过电脑上的相关软件控制驱动装置6的转数，以控制高速铁路列车模型3通过高速铁路隧道模型2的次数。

系统还包括：压力采集装置。

压力采集装置分别与多个压力传感器7连接，压力采集装置用于采集压力传感器7测量的压力值。

压力采集装置还与电脑连接，通过电脑设定压力采集装置的参数，且不同的压力采集装置需要设定不同的参数。

优选地，压力采集装置为压力传感器采集仪。

本发明的工作原理：本物理模型试验系统能够实现高速铁路列车频繁通过隧道的模拟，通过驱动装置可以实现高速铁路列车以不同速度通过隧道的模拟，通过环形轨道模型可以实现高速铁路列车频繁连续通过隧道的模拟；利用高速铁路隧道模型可以再现围岩与支护结构相互作用；利用高速摄像机可以对隧道支护结构裂缝扩展过程进行高频连续拍照，并快速存储；利用压力采集装置可以对隧道支护结构受力状态进行连续监测，并快速存储。通过该物理模型试验系统，可以研究高速铁路隧道支护结构裂缝扩展过程及受力状态，能较好的为高速铁路隧道支护结构种类选择及设计提供理论支持，提前查明高速铁路隧道支护结构裂缝分布情况、隧道支护结构受力状态，为高速铁路列车通过隧道前是否需要限速提供依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种高速铁路列车通过隧道的物理模型试验系统，其特征在于，所述系统包括：环形轨道模型、高速铁路隧道模型、高速铁路列车模型、第一高速摄像机、第二高速摄像机和多个压力传感器；

所述环形轨道模型从所述高速铁路隧道模型中穿过，所述环形轨道模型用于模拟真实的高速铁路轨道；

所述高速铁路隧道模型用于模拟真实的高速铁路隧道和所述高速铁路隧道所处的地质条件；

所述高速铁路列车模型用于模拟真实的高速铁路列车，沿着所述环形轨道模型运行，并连续多次通过所述高速铁路隧道模型；

所述第一高速摄像机设置在所述高速铁路列车模型的车头，所述第二高速摄像机设置在所述高速铁路列车模型的车尾；所述第一高速摄像机用于根据预设拍照频率采集所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型前隧道支护结构裂缝的图片；所述第二高速摄像机用于根据预设拍照频率采集所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型后隧道支护结构裂缝的图片；

多个所述压力传感器分别设置在所述高速铁路隧道模型的内部，所述压力传感器用于测量所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型时隧道支护结构所受的压力值。

2.根据权利要求1所述的高速铁路列车模型通过隧道的物理模型试验系统，其特征在于，所述系统还包括：驱动装置；

所述驱动装置与所述高速铁路列车模型连接，所述驱动装置用于控制所述高速铁路列车模型以一定的速度沿着所述环形轨道模型运行，并连续多次通过所述高速铁路隧道模型。

3.根据权利要求2所述的高速铁路列车模型通过隧道的物理模型试验系统，其特征在于，所述驱动装置为可控制转速的电机。

4.根据权利要求2所述的高速铁路列车模型通过隧道的物理模型试验系统，其特征在于，所述系统还包括：电脑；

所述电脑分别与所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机连接，所述电脑用于设置所述预设拍照频率，并存储所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机采集的所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型时隧道支护结构裂缝的图片；

所述电脑还与所述驱动装置连接，所述电脑还用于控制所述驱动装置的转速和转数，以控制所述高速铁路列车模型的运行速度和所述高速铁路列车模型通过所述高速铁路隧道模型的次数。

5.根据权利要求1所述的高速铁路列车模型通过隧道的物理模型试验系统，其特征在于，所述系统还包括：压力采集装置；

所述压力采集装置分别与多个所述压力传感器连接，所述压力采集装置用于采集所述压力传感器测量的压力值。

6.根据权利要求5所述的高速铁路列车模型通过隧道的物理模型试验系统，其特征在于，压力采集装置为压力传感器采集仪。

7.根据权利要求1所述的高速铁路列车模型通过隧道的物理模型试验系统，其特征在于，所述压力传感器为线性压力传感器。

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