CN116052501A - 一种高速地铁列车车厢和车底火灾模拟系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速地铁列车车厢和车底火灾模拟系统及其控制方法，包括地铁隧道模型，地铁列车模型，火源模拟系统，数据采集系统，动力系统和控制器；地铁隧道模型和地铁列车模型通过拼接实现模型不同长度的贯通连接；三种火源模拟系统能对列车车厢火、车底电缆火和大功率电器火进行模拟；数据采集系统用于获取火灾特征参数；动力系统使用同步带传动单元，同步带牵引地铁列车模型在滚轮V形导轨上进行高速运动；控制器对模拟系统进行整体控制。本发明能模拟高速地铁列车发生车厢、车底火灾情况，也能对一定速度车底火进行拍摄，用于火焰形态、烟气蔓延、有毒有害气体浓度分布演化规律等多源信息系统的研究，从而为地铁列车火灾防治提供参考。

Description

一种高速地铁列车车厢和车底火灾模拟系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及火灾安全技术领域，更具体的说是设计一种高速地铁列车车厢和车底火灾模拟系统及其火灾模拟控制方法，用于不同类型地铁列车火灾的研究。

背景技术

近年来，我国经济发展水平不断提高，城市化进程日益推进，地铁以其方便快捷、节约空间资源等特点在现代化城市交通网络的中发挥着越来越重要的作用。但是地铁具有空间狭长封闭、人员相对密集等特点，一旦发生火灾事故，极易造成非常严重的后果。

对列车火灾进行研究，对减少火灾发生、降低火灾严重度有重要的意义,研究方法包括实验研究、数值模拟和理论分析等，实验研究是一种获得真实火灾结果非常重要有效的手段，它包括全尺寸实验和缩尺寸模型实验研究，全尺寸实验存在实验场地需求不易、可重复性差、对实验场地破坏大等问题而不被广泛应用，所以缩尺寸实验便成为众多实验研究的首选。基于地铁系统火灾的危险性，已经有不少学者对其火灾特性开展研究，其研究多关注在地铁隧道火灾方面，建立了各种不同比例、不同功能的隧道火灾试验平台。

在实际情况下，列车在隧道内发生火灾往往需要继续运行至前方车站实施抢险救援，列车以不同速度行驶火灾特性会有所不同，目前地铁列车最高速度可达160km/h，而现有的隧道火灾实验系统多用于列车静止或者低速情况下的研究；且模型试验中的火源多使用油池火和燃烧器设置在列车车顶，而这两种火源不宜用于长距离、高速运行的情况，也不能有效模拟实际列车发生的车厢火、车底电缆火和电器火的危险性；同时模型中的列车在隧道底板的轨道上运行，隧道底板需要对列车支撑而且列车车底空间狭窄，并不能对车底的火焰形态进行有效拍摄。因此，需要建立一种高速地铁列车车厢和车底火灾模拟系统，对运行列车不同火灾防治情况进行研究。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高速地铁列车车厢和车底火灾模拟系统及其控制方法，以期能模拟真实高速地铁列车发生的车厢火和车底火的情况，用于对火焰形态和烟气蔓延、温度、热流和一氧化碳分布演化规律等多源信息进行采集，从而为此类高速地铁列车发生火灾时提供更优的应急方案与防范措施。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种高速地铁列车车厢和车底的火灾模拟系统的特点在于，包括：地铁隧道模型、地铁列车模型、火源模拟系统、动力系统、数据采集系统、控制器；

所述地铁隧道模型由设置在隧道模型支架上多个标准段模型拼接而成，任意一个标准段模型是在钢结构骨架上设置有顶棚、底板和两侧壁；

所述地铁列车模型是由若干个列车模型标准段组成，其中，每个列车模型标准段的顶棚、底板、两侧壁均为可拆卸的防火板，并通过连接片和螺丝螺母将每个列车模型标准段的两侧壁拼接为钢结构小车，各列车模型标准段侧壁间的缝隙使用防火材料封堵，所述地铁列车模型的两端部使用防火板封闭并在防火板外部设置有连接杆；在所述地铁列车模型的底部设置有水平V形滚轮；

所述火源模拟系统包括：设置在地铁列车模型车厢内部的车厢火模拟系统和设置在地铁列车模型车底的电缆火模拟系统、大功率电器火模拟系统；

所述车厢火模拟系统包括：火源单元、固定装置；其中，所述火源单元包括：加热板、燃料托盘、防火隔热板、第一电子天平、可升降支架，所述车厢火固定装置包括：U形底座、竖杆、滑块、螺纹丝杆；

在所述地铁列车模型车厢内部的地面上设置有U形底座，在所述U形底座的两平行边上分别连接有竖杆，竖杆在所述U形底座各自的平行边上为可移动结构；每个竖杆上设置有可上下移动的四个滑块，在每个滑块的中心通过螺纹孔洞连接有螺纹丝杆；每个螺纹丝杆的一端设有手轮，用于调节螺纹丝杆的伸缩长度，每个螺纹丝杆的另一端设有圆形垫片；

在所述U形底座的中间位置处设置有可升降支架，所述可升降支架上设置第一电子天平，所述第一电子天平上设置防火隔热板，所述防火隔热板上设置燃料托盘，加热板固定设置在燃料托盘的一侧壁上；通过U形底座两平行边的四个滑块上的各个丝杆，对处于各丝杆的圆形垫片间的燃料托盘、防火隔热板、第一电子天平、可升降支架进行固定；

所述电缆火模拟系统包括：实验电缆、电缆架、点火单元、控制单元，其中，所述点火单元包括：电热丝、第一导线、第二导线、中间插头、中间插孔、电源，所述控制单元包括：第一横杆、第二横杆、第三横杆、第一夹板、第二夹板、固定夹、三个齿轮、三个电机、压力传感器；

所述电缆架将实验电缆固定在地铁列车模型车底的中心，所述实验电缆上缠绕有电热丝，电热丝与第一导线连接，第一导线与中间插头连接，所述中间插头与中间插孔连接，所述中间插孔与第二导线连接，所述第二导线连接在所述电源上；所述第一夹板、第二夹板用于对中间插头两侧进行夹紧与松弛，并通过第一夹板、第二夹板表面上的压力传感器获取夹紧力，所述固定夹用于对所述中间插孔进行夹紧，所述第一夹板、第二夹板、固定夹分别与第一横杆、第二横杆、第三横杆对应连接，所述第一横杆、第二横杆、第三横杆水平放置，且第三横杆分别与第一横杆、第二横杆垂直；所述第一横杆、第二横杆、第三横杆上均设有齿条，并分别与三个齿轮配合，所述控制器分别控制三个电机的转速以对应驱动三个齿轮转动，从而带动设有齿条的三个横杆进行往复直线运动，使得所述中间插头和中间插孔之间处于连接或断开状态；

所述大功率电器火模拟系统包括：第二电子天平、支撑台、水平支撑架、左侧竖直杆、右侧竖直杆、左侧支撑臂、右侧支撑臂、电器火固定装置；

所述第二电子天平置于车厢内部的中心，在第二电子天平上设置有所述支撑台，所述支撑台上连接有水平支撑架，所述水平支撑架的两侧连接有左侧竖直杆、右侧竖直杆，且所述左侧竖直杆、右侧竖直杆在所述水平支撑架上为可上下移动结构；所述左侧竖直杆、右侧竖直杆穿过地铁列车模型的底板延伸到地铁列车模型的底部，所述左侧竖直杆、右侧竖直杆上分别连接有左侧支撑臂、右侧支撑臂，所述左侧支撑臂、右侧支撑臂分别在左侧竖直杆、右侧竖直杆上为可左右移动结构，所述左侧支撑臂、右侧支撑臂用于对可燃物进行支撑；所述电器火固定装置与车厢火固定装置的结构相同，并用于对第二电子天平、支撑台进行固定；

所述动力系统包括：滚轮V形导轨、同步带传动单元；其中，所述同步带传动单元包括：同步带基座、带轮、同步带、伺服电机、驱动器；

所述滚轮V形导轨固定在地铁隧道模型上，并与所述水平V形滚轮配合；所述滚轮V形导轨的两端连接有同步带基座，并在所述同步带基座上固定有所述带轮，所述带轮与同步带啮合，所述同步带水平连接在地铁列车模型两端部的连接杆上；以所述控制器控制所述伺服电机的转速并驱动所述带轮转动后，带动所述同步带上的地铁列车模型通过所述水平V形滚轮在所述滚轮V形导轨上以不同速度行驶；

所述数据采集系统包括：温度测量单元、热流测量单元、烟气分析单元、摄像单元、计算机终端；

所述温度测量单元、热流测量单元、烟气分析单元的探头间隔一定距离布置在所述地铁隧道模型内侧，用于采集隧道不同位置处温度、热流和气体浓度的变化信号，并将采集到的温度、热流、气体浓度变化信号通过数据采集卡传送到计算机终端进行实时显示与存储，控制器对数据采集系统的开关进行控制；所述摄像单元位于地铁隧道模型外侧，且设置在与滚轮V形导轨平行的另一导轨上，导轨通过摄像单元支架支撑，所述摄像单元采用与地铁列车模型相同的同步带传动单元，通过控制器控制实现摄像单元与地铁列车模型的同步运行，用于获取全程的火灾图像信息。

本发明一种高速地铁列车车厢和车底的火灾模拟控制方法的特点在于，是应用于所述的火灾模拟系统中，并按如下步骤进行：

第一步：所述控制器设置地铁列车模型与摄像单元的运行加速度、最高速度、匀速运动距离；若实验中火源模拟系统为车厢火模拟系统，则执行第二步至第五步；若实验中火源模拟系统为大功率电器火模拟系统，则执行第四步至第五步；若实验中火源模拟系统为电缆火模拟系统，则执行第六步至第十步；

第二步：所述控制器设置加热板的加热功率和加热时间，若对车厢材料的阴燃特性研究，则执行第三步至第五步，否则，将加热功率和加热时间设置为0后，执行第四步和第五步；

第三步：所述控制器控制加热板按照设定的加热功率和加热时间进行加热，到达加热时间后，加热板停止加热；

第四步：所述控制器启动地铁列车模型、摄像单元、数据采集系统，所述地铁列车模型、摄像单元按照设定的参数同步运行，所述数据采集系统同步采集实验实时数据；

第五步：所述地铁列车模型与所述摄像单元一起按照设定的参数行驶结束后，所述摄像单元和数据采集系统同时关闭；

第六步：所述控制器以电热丝的通电加热时间为起始时间，并设置电热丝的加热停止时间以及地铁列车模型、摄像单元、数据采集系统的启动时间；其中，启动时间晚于所述加热停止时间；

第七步：将电源接通，使得所述电热丝开始加热并计时，同时所述控制器控制两个电机启动以驱动两个齿轮转动，从而带动第一横杆、第二横杆移动，使得第一夹板、第二夹板对中间插头进行夹紧，并通过所述压力传感器采集夹紧力；

第八步：在到达电热丝的加热停止时间时，电源断开的同时，所述控制器通过电机控制所述第三横杆移动，使得所述中间插头和中间插孔断开，然后通过电机控制第一横杆、第二横杆移动，以释放所述中间插头，同时所述第三横杆恢复原位；

第九步：在到达地铁列车模型、摄像单元、数据采集系统的启动时间时，地铁列车模型与摄像单元按照设定参数同步运行，所述数据采集系统同步采集实验实时数据；

第十步：所述地铁列车模型与所述摄像单元一起行驶完匀速运动的距离后，所述摄像单元和数据采集系统同时关闭。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出一种适用于研究高速运行地铁列车车厢和车底火灾燃烧特性、烟气蔓延特性、热释放速率等相关机理的实验系统，从而为隧道内运行地铁列车火灾的防治提供参考；

2、本发明通过地铁列车模型的水平V形滚轮在滚轮V形导轨面上的高效低摩擦运动，同步带传动单元的使用，再利用伺服电机的转速大、精度高、响应快的特点，实现了地铁列车模型的高速运行，根据Froude相似模拟准则，可以实现小尺度列车模型的高速运行，换算成全尺寸速度可达160km/h；

3、本发明中地铁列车模型标准段之间贯通连接，在列车车厢内布置车厢火模拟系统，能够对车厢火的烟气蔓延特性进行研究，也可对车厢内典型材料的阴燃蔓延特性进行研究，同时设置了专门的固定装置对火源单元进行固定，固定装置能够满足火源不同高度、不同大小的固定要求；在列车车厢底部布置车底电缆火模拟系统，电热丝的通电导线连接有中间插头和中间插孔，在地铁列车模型启动之前控制器对设置的控制单元进行控制将中间插头和中间插孔断开，可以实现对点火和启动的精确控制，避免了点火单元的超长导线随地铁列车模型高速移动；列车模型车底空间狭窄，将车底大功率电器火模拟系统的电子天平设置在车厢内部，支撑架设置在电子天平上并通过竖直杆延伸到车底从而对可燃物进行支撑测量；通过上述设置能够实现高速地铁列车车厢和车底火的实验模拟，更加符合实际地铁列车发生火灾的情形；

4、本发明将摄像单元设置在地铁隧道模型防火玻璃外侧且与滚轮V形导轨平行的另一导轨上，采用与地铁列车模型相同的同步带传动单元，通过控制器控制实现摄像单元与地铁列车模型的同步运行，从而获取全程的火灾图像信息；

5、本发明中地铁列车模型使用水平V形滚轮，V形滚轮在滚轮V形导轨上运动不受滚轮V形导轨空间位置的限制，滚轮V形导轨设置在地铁隧道模型顶棚，地铁列车模型通过水平V形滚轮悬挂放置在滚轮V形导轨上，隧道底板安设防火玻璃，防火玻璃下部布置摄像单元，能够对一定速度车底火进行拍摄，从而获取了车底火形态特征参数。

附图说明

图1为高速地铁列车车厢和车底火灾模拟系统结构示意图；

图2为列车标准段连接示意图；

图3a为车厢火模拟系统正视图；

图3b为车厢火模拟系统俯视图；

图4a为电缆火模拟系统连接图；

图4b为电缆火模拟系统点火单元和控制单元作用图；

图5为大功率电器火模拟系统示意图；

图6a为动力系统示意图；

图6b为地铁列车模型与动力系统连接图；

图7为车底火拍摄实验示意图；

图中标号：1.隧道模型；2.温度测量单元；3.热流热量单元；4.烟气分析单元；5.地铁列车模型；6.车厢火模拟系统；7.电缆火模拟系统；8.大功率电器火模拟系统；9.动力系统；10.法兰盘；11.隧道模型支架；12.摄像单元；13.摄像单元支架；14.连接杆；15.连接片；16.螺丝螺母；17.V形滚轮；18.滚轮V形导轨；19.同步带基座；20.带轮；21.同步带；22.加热板；23.燃料托盘；24.防火隔热板；25.电子天平；26.可升降支架；27.U形底座；28.竖杆；29.滑块；30.螺纹丝杆；31.实验电缆；32.电缆架；33.电热丝；34.第一导线；35.中间插头；36.中间插孔；37.第二导线；38.电源；39.第一夹板；40.第二夹板；41.固定夹；42.第一横杆；43.第二横杆；44.第三横杆；45.箱体；46.第二电子天平；47.支撑台；48.水平支撑架；49.左侧竖直杆；50.右侧竖直杆；51.左侧支撑臂；52.右侧支撑臂。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种高速地铁列车车厢和车底的火灾模拟系统，包括：地铁隧道模型1、地铁列车模型5、火源模拟系统、动力系统9、数据采集系统、控制器；

地铁隧道模型1由设置在隧道模型支架11上多个标准段模型拼接而成，任意一个标准段模型是在钢结构骨架上设置有顶棚、底板和两侧壁；

地铁列车模型5是由若干个列车模型标准段组成，其中，每个列车模型标准段的顶棚、底板、两侧壁均为可拆卸的防火板，并如图2所示，通过连接片15和螺丝螺母16将每个列车模型标准段的两侧壁拼接为钢结构小车，各列车模型标准段侧壁间的缝隙使用防火材料封堵；地铁列车模型5的两端部使用防火板封闭并在防火板外部设置有连接杆14；在地铁列车模型5的底部设置有水平V形滚轮17；

火源模拟系统包括：设置在地铁列车模型5车厢内部的车厢火模拟系统6和设置在地铁列车模型5车底的电缆火模拟系统7、大功率电器火模拟系统8；

本实施例中，如图3a和图3b所示，车厢火模拟系统6包括：火源单元、固定装置；其中，火源单元包括：加热板22、燃料托盘23、防火隔热板24、第一电子天平25、可升降支架26，车厢火固定装置包括：U形底座27、竖杆28、滑块29、螺纹丝杆30；

在地铁列车模型5车厢内部的地面上设置有U形底座27，在U形底座27的两平行边上分别连接有竖杆28，竖杆28在U形底座27各自的平行边上为可移动结构；每个竖杆上设置有可上下移动的四个滑块29，在每个滑块的中心通过螺纹孔洞连接有螺纹丝杆30；每个螺纹丝杆的一端设有手轮，用于调节螺纹丝杆30的伸缩长度，每个螺纹丝杆30的另一端设有圆形垫片；

在U形底座27的中间位置处设置有可升降支架26，可升降支架26上设置第一电子天平25，第一电子天平25上设置防火隔热板24，防火隔热板24上设置燃料托盘23；通过U形底座27两平行边的四个滑块29上的各个丝杆，对处于各丝杆的圆形垫片间的燃料托盘23、防火隔热板24、第一电子天平25、可升降支架26进行固定；

本实施例中，如图4a、图4b所示，电缆火模拟系统7包括：实验电缆31、电缆架32、点火单元、控制单元，其中，点火单元包括：电热丝33、第一导线34、第二导线37、中间插头35、中间插孔36、电源38，控制单元包括：第一横杆42、第二横杆43、第三横杆44、第一夹板39、第二夹板40、固定夹41、三个齿轮、三个电机、压力传感器；

电缆架32将实验电缆31固定在地铁列车模型5车底的中心，实验电缆31上缠绕有电热丝33，电热丝33与第一导线34连接，第一导线34与中间插头35连接，中间插头35与中间插孔36连接，中间插孔36与第二导线37连接，第二导线37连接在电源38上；第一夹板39、第二夹板40用于对中间插头36两侧进行夹紧与松弛，并通过第一夹板39、第二夹板40表面上的压力传感器获取夹紧力，固定夹41用于对中间插孔36进行夹紧，第一夹板39、第二夹板40、固定夹41分别与第一横杆42、第二横杆43、第三横杆44对应连接，第一横杆42、第二横杆43、第三横杆44水平放置，且第三横杆44分别与第一横杆42、第二横杆43垂直；第一横杆42、第二横杆43、第三横杆44上均设有齿条，并分别与三个齿轮配合，控制器分别控制三个电机的转速以对应驱动三个齿轮转动，从而带动设有齿条的三个横杆进行往复直线运动，使得中间插头35和中间插孔36之间处于连接或断开状态；

本实施例中，如图5所示，大功率电器火模拟系统8包括：第二电子天平46、支撑台47、水平支撑架48、左侧竖直杆49、右侧竖直杆50、左侧支撑臂51、右侧支撑臂52、电器火固定装置；

第二电子天平46置于车厢内部的中心，在第二电子天平46上设置有支撑台47，支撑台47上连接有水平支撑架48，水平支撑架48的两侧连接有左侧竖直杆49、右侧竖直杆50，且左侧竖直杆49、右侧竖直杆50在水平支撑架48上为可上下移动结构；左侧竖直杆49、右侧竖直杆50穿过地铁列车模型5的底板延伸到地铁列车模型5的底部，左侧竖直杆49、右侧竖直杆50上分别连接有左侧支撑臂51、右侧支撑臂52，左侧支撑臂51、右侧支撑臂52分别在左侧竖直杆49、右侧竖直杆50上为可左右移动结构，左侧支撑臂51、右侧支撑臂52用于对可燃物进行支撑；电器火固定装置与车厢火固定装置的结构相同，并用于对第二电子天平46、支撑台47进行固定；

本实施例中，如图6a、图6b所示，动力系统9包括：滚轮V形导轨18、同步带传动单元；其中，同步带传动单元包括：同步带基座19、带轮20、同步带21、伺服电机、驱动器；

滚轮V形导轨18固定在地铁隧道模型1上，并与水平V形滚轮17配合；滚轮V形导轨18的两端连接有同步带基座19，并在同步带基座19上固定有带轮20，带轮20与同步带21啮合，同步带21水平连接在地铁列车模型5两端部的连接杆14上；以控制器控制伺服电机的转速并驱动带轮20转动后，带动同步带21上的地铁列车模型5通过水平V形滚轮17在滚轮V形导轨18上以不同速度行驶；

本实施例中，如图1所示，数据采集系统包括：温度测量单元2、热流测量单元3、烟气分析单元4、摄像单元12、计算机终端；

温度测量单元2、热流测量单元3、烟气分析单元4的探头间隔一定距离布置在地铁隧道模型1内侧，用于采集隧道不同位置处温度、热流和气体浓度的变化信号，并将采集到的温度、热流、气体浓度变化信号通过数据采集卡传送到计算机终端进行实时显示与存储，控制器对数据采集系统的开关进行控制；摄像单元12位于地铁隧道模型1外侧，且设置在与滚轮V形导轨18平行的另一导轨上，导轨通过摄像单元支架13支撑，摄像单元12采用与地铁列车模型5相同的同步带传动单元，通过控制器控制实现摄像单元12与地铁列车模型5的同步运行，用于获取全程的火灾图像信息。

本实施例中，一种高速地铁列车车厢和车底的火灾模拟控制方法，是应用于火灾模拟系统中并按如下步骤进行：

第一步：控制器设置地铁列车模型5与摄像单元12的运行加速度、最高速度、匀速运动距离；若实验中火源模拟系统为车厢火模拟系统6，则执行第二步至第五步；若实验中火源模拟系统为大功率电器火模拟系统8，则执行第四步至第五步；若实验中火源模拟系统为电缆火模拟系统7，则执行第六步至第十步；

第二步：控制器设置加热板22的加热功率和加热时间，若对车厢材料的阴燃特性研究，则执行第三步至第五步，否则，将加热功率和加热时间设置为0后，执行第四步和第五步；

第三步：控制器控制加热板22按照设定的加热功率和加热时间进行加热，到达加热时间后，加热板22停止加热；

第四步：控制器启动地铁列车模型5、摄像单元12、数据采集系统，地铁列车模型5、摄像单元12按照设定的参数同步运行，数据采集系统同步采集实验实时数据；

第五步：地铁列车模型5与摄像单元12一起按照设定的参数行驶结束后，摄像单元12和数据采集系统同时关闭；

第六步：控制器以电热丝33的通电加热时间为起始时间，并设置电热丝33的加热停止时间以及地铁列车模型5、摄像单元12、数据采集系统的启动时间；其中，启动时间晚于加热停止时间；

第七步：将电源38接通，使得电热丝33开始加热并计时，同时控制器控制两个电机启动以驱动两个齿轮转动，从而带动第一横杆42、第二横杆43移动，使得第一夹板39、第二夹板40对中间插头35进行夹紧，并通过压力传感器采集夹紧力；

第八步：在到达电热丝33的加热停止时间时，电源38断开的同时，控制器通过电机控制第三横杆44移动，使得中间插头35和中间插孔36断开，然后通过电机控制第一横杆42、第二横杆43移动，以释放中间插头35，同时第三横杆44恢复原位；

第九步：在到达地铁列车模型5、摄像单元12、数据采集系统的启动时间时，地铁列车模型5与摄像单元12按照设定参数同步运行，数据采集系统同步采集实验实时数据；

第十步：地铁列车模型5与摄像单元12一起行驶完匀速运动的距离后，摄像单元12和数据采集系统同时关闭。

实施例：

实验1：车厢火模拟。地铁隧道模型1的顶棚、底板、一侧壁使用防火板，另一侧壁使用防火玻璃，滚轮V形导轨18设置在地铁隧道模型1底板上，地铁列车模型5设置在滚轮V形导轨18上；将地铁列车模型5的侧壁防火板换为有开口的防火板，以模拟车厢内烟气扩散到隧道内的情形；将可升降支架26放置在地铁列车模型5车厢内部，在可升降支架26上放置第一电子天平25，第一电子天平25上放置防火隔热板24，防火隔热板24上放置燃料托盘23，加热板22固定设置在燃料托盘23的一侧壁上，燃烧材料放置在燃料托盘23里，第一电子天平25可以测量燃烧材料的实时质量损失；调节可升降支架26的高度以对火源高度进行调整，调节车厢火固定装置中螺纹丝杆30的伸缩长度对火源单元进行固定，防止运行时火源单元的移动，燃料托盘23和防火隔热板24的固定要留有余量，不影响燃烧材料质量损失的测量；然后将数据采集系统的探头间隔一定距离布置在地铁隧道模型1的顶棚内侧，确保数据采集系统可以正常工作；将摄像单元12的导轨设置在地铁隧道模型1防火玻璃侧壁的外侧并与滚轮V形导轨18平行，调整摄像单元12位置并确定好拍摄范围和比例；在控制器上设置地铁列车模型5与摄像单元12运行加速度、最高速度、匀速运动距离，通过运动行程和时间要求对设定参数进行校核；使用燃气喷灯点燃燃烧材料；燃烧材料稳定燃烧后打开摄像单元12进行拍摄并通过控制器启动地铁列车模型5、摄像单元12和数据采集系统，摄像单元12用于获取全程的火灾图像信息，数据采集系统进行实验参数的实时采集；地铁列车模型5与摄像单元12减速停止、数据采集系统关闭后，使用盖板熄灭车厢火结束实验并对实验装置进行清理。不同工况下的实验可以改变相应实验参数后重复上述步骤；对车厢地板、行李等阴燃特性研究时，设置加热板的加热功率和加热时间，使燃烧材料进行点燃，通过改变不同的车厢气流，将材料火灾变成阴燃模式，通过控制环境气流、材料的类型，放置角度等参量，研究车厢内典型材料阴燃特征，具体可在燃烧材料表面轴线设置热电偶、内置水冷热流计、材料上表面设置辐射加热板，通过温度、表面热流测量单元以采集记录实验过程中的温度和热流变化。

实验2：电缆火模拟。地铁隧道模型1的顶棚、底板、一侧壁使用防火板，另一侧壁使用防火玻璃，滚轮V形导轨18设置在地铁隧道模型1底板上，地铁列车模型5设置在滚轮V形导轨18上；将实验电缆31穿过电热丝33并放置于固定在地铁列车模型5底板上的电缆架32上，电热丝33与第一导线34连接，第一导线34与中间插头35连接，中间插头35与中间插孔36连接，中间插孔36与第二导线37连接，第二导线37连接在电源38上，中间插孔36放置在固定夹41上；然后将数据采集系统的探头间隔一定距离布置在地铁隧道模型1的顶棚内侧，确保数据采集系统可以正常工作；将摄像单元12的导轨设置在地铁隧道模型1防火玻璃侧壁的外侧并与滚轮V形导轨18平行，调整摄像单元12位置并确定好拍摄范围和比例；在控制器上以电热丝33通电加热时间为起始时间，设置电热丝33加热停止时间，设置地铁列车模型5、摄像单元12、数据采集系统启动时间；设置地铁列车模型5与摄像单元12运行加速度、最高速度、匀速运动距离；打开摄像单元12进行拍摄然后通过控制器控制电热丝33的加热与停止、地铁列车模型5和摄像单元12的运行、数据采集系统的启动，地铁列车模型5与摄像单元12减速停止、数据采集系统关闭后停止实验，等待燃烧冷却至室温后对实验装置进行清理。不同工况下的实验可以改变相应实验参数后重复上述步骤。

实验3：大功率电器火模拟。地铁隧道模型1的顶棚、底板、一侧壁使用防火板，另一侧壁使用防火玻璃，滚轮V形导轨18设置在地铁隧道模型1底板上，地铁列车模型5设置在滚轮V形导轨18上；将第二电子天平46放置在地铁列车模型5车厢内部的中心，支撑台47放置在第二电子天平46上，在左侧支撑臂51、右侧支撑臂52上放置可燃物，调整左侧支撑臂51、右侧支撑臂52以对可燃物高度进行调节；使用电器火固定装置对第二电子天平46和支撑台47进行固定；然后将数据采集系统的探头间隔一定距离布置在地铁隧道模型1的顶棚内侧，确保数据采集系统可以正常工作；将摄像单元12的导轨设置在地铁隧道模型1防火玻璃侧壁的外侧并与滚轮V形导轨18平行，调整摄像单元12位置并确定好拍摄范围和比例；在控制器上设置地铁列车模型5与摄像单元12运行加速度、最高速度、匀速运动距离，通过运动行程和时间要求对设定参数进行校核；使用燃气喷灯点燃燃烧材料；燃烧材料稳定燃烧后打开摄像单元12进行拍摄并通过控制器启动地铁列车模型5、摄像单元12和数据采集系统，摄像单元12用于获取全程的火灾图像信息，数据采集系统进行实验参数的实时采集；地铁列车模型5与摄像单元12减速停止、数据采集系统关闭后停止实验，等待燃烧冷却至室温后对实验装置进行清理。不同工况下的实验可以改变相应实验参数后重复上述步骤。

实验4：车底火拍摄。地铁隧道模型1的顶棚、两侧壁使用防火板，底板使用防火玻璃；如图7所示，滚轮V形导轨18设置在地铁隧道模型1顶棚上，地铁列车模型5通过水平V形滚轮17悬挂放置在滚轮V形导轨18上；将车底火源模拟系统布置在地铁列车模型5上；将数据采集系统的探头通过隧道侧壁间隔一定距离布置在地铁隧道模型1的底部，确保数据采集系统可以正常工作；将摄像单元12的导轨设置在地铁隧道模型1防火玻璃的底部并与滚轮V形导轨18平行，调整摄像单元12位置并确定好拍摄范围和比例；运用实验2、实验3其中的步骤进行实验，对一定速度列车车底位置的火灾燃烧特性进行拍摄研究。

Claims (2)

1.一种高速地铁列车车厢和车底的火灾模拟系统，其特征在于，包括：地铁隧道模型(1)、地铁列车模型(5)、火源模拟系统、动力系统(9)、数据采集系统、控制器；

所述地铁隧道模型(1)由设置在隧道模型支架(11)上多个标准段模型拼接而成，任意一个标准段模型是在钢结构骨架上设置有顶棚、底板和两侧壁；

所述地铁列车模型(5)是由若干个列车模型标准段组成，其中，每个列车模型标准段的顶棚、底板、两侧壁均为可拆卸的防火板，并通过连接片(15)和螺丝螺母(16)将每个列车模型标准段的两侧壁拼接为钢结构小车，各列车模型标准段侧壁间的缝隙使用防火材料封堵，所述地铁列车模型(5)的两端部使用防火板封闭并在防火板外部设置有连接杆(14)；在所述地铁列车模型(5)的底部设置有水平V形滚轮(17)；

所述火源模拟系统包括：设置在地铁列车模型(5)车厢内部的车厢火模拟系统(6)和设置在地铁列车模型(5)车底的电缆火模拟系统(7)、大功率电器火模拟系统(8)；

所述车厢火模拟系统(6)包括：火源单元、固定装置；其中，所述火源单元包括：加热板(22)、燃料托盘(23)、防火隔热板(24)、第一电子天平(25)、可升降支架(26)，所述车厢火固定装置包括：U形底座(27)、竖杆(28)、滑块(29)、螺纹丝杆(30)；

在所述地铁列车模型(5)车厢内部的地面上设置有U形底座(27)，在所述U形底座(27)的两平行边上分别连接有竖杆(28)，竖杆(28)在所述U形底座(27)各自的平行边上为可移动结构；每个竖杆上设置有可上下移动的四个滑块(29)，在每个滑块的中心通过螺纹孔洞连接有螺纹丝杆(30)；每个螺纹丝杆的一端设有手轮，用于调节螺纹丝杆(30)的伸缩长度，每个螺纹丝杆(30)的另一端设有圆形垫片；

在所述U形底座(27)的中间位置处设置有可升降支架(26)，所述可升降支架(26)上设置第一电子天平(25)，所述第一电子天平(25)上设置防火隔热板(24)，所述防火隔热板(24)上设置燃料托盘(23)，加热板(22)固定设置在燃料托盘(23)的一侧壁上；通过U形底座(27)两平行边的四个滑块(29)上的各个丝杆，对处于各丝杆的圆形垫片间的燃料托盘(23)、防火隔热板(24)、第一电子天平(25)、可升降支架(26)进行固定；

所述电缆火模拟系统(7)包括：实验电缆(31)、电缆架(32)、点火单元、控制单元，其中，所述点火单元包括：电热丝(33)、第一导线(34)、第二导线(37)、中间插头(35)、中间插孔(36)、电源(38)，所述控制单元包括：第一横杆(42)、第二横杆(43)、第三横杆(44)、第一夹板(39)、第二夹板(40)、固定夹(41)、三个齿轮、三个电机、压力传感器；

所述电缆架(32)将实验电缆(31)固定在地铁列车模型(5)车底的中心，所述实验电缆(31)上缠绕有电热丝(33)，电热丝(33)与第一导线(34)连接，第一导线(34)与中间插头(35)连接，所述中间插头(35)与中间插孔(36)连接，所述中间插孔(36)与第二导线(37)连接，所述第二导线(37)连接在所述电源(38)上；所述第一夹板(39)、第二夹板(40)用于对中间插头(36)两侧进行夹紧与松弛，并通过第一夹板(39)、第二夹板(40)表面上的压力传感器获取夹紧力，所述固定夹(41)用于对所述中间插孔(36)进行夹紧，所述第一夹板(39)、第二夹板(40)、固定夹(41)分别与第一横杆(42)、第二横杆(43)、第三横杆(44)对应连接，所述第一横杆(42)、第二横杆(43)、第三横杆(44)水平放置，且第三横杆(44)分别与第一横杆(42)、第二横杆(43)垂直；所述第一横杆(42)、第二横杆(43)、第三横杆(44)上均设有齿条，并分别与三个齿轮配合，所述控制器分别控制三个电机的转速以对应驱动三个齿轮转动，从而带动设有齿条的三个横杆进行往复直线运动，使得所述中间插头(35)和中间插孔(36)之间处于连接或断开状态；

所述大功率电器火模拟系统(8)包括：第二电子天平(46)、支撑台(47)、水平支撑架(48)、左侧竖直杆(49)、右侧竖直杆(50)、左侧支撑臂(51)、右侧支撑臂(52)、电器火固定装置；

所述第二电子天平(46)置于车厢内部的中心，在第二电子天平(46)上设置有所述支撑台(47)，所述支撑台(47)上连接有水平支撑架(48)，所述水平支撑架(48)的两侧连接有左侧竖直杆(49)、右侧竖直杆(50)，且所述左侧竖直杆(49)、右侧竖直杆(50)在所述水平支撑架(48)上为可上下移动结构；所述左侧竖直杆(49)、右侧竖直杆(50)穿过地铁列车模型(5)的底板延伸到地铁列车模型(5)的底部，所述左侧竖直杆(49)、右侧竖直杆(50)上分别连接有左侧支撑臂(51)、右侧支撑臂(52)，所述左侧支撑臂(51)、右侧支撑臂(52)分别在左侧竖直杆(49)、右侧竖直杆(50)上为可左右移动结构，所述左侧支撑臂(51)、右侧支撑臂(52)用于对可燃物进行支撑；所述电器火固定装置与车厢火固定装置的结构相同，并用于对第二电子天平(46)、支撑台(47)进行固定；

所述动力系统(9)包括：滚轮V形导轨(18)、同步带传动单元；其中，所述同步带传动单元包括：同步带基座(19)、带轮(20)、同步带(21)、伺服电机、驱动器；

所述滚轮V形导轨(18)固定在地铁隧道模型(1)上，并与所述水平V形滚轮(17)配合；所述滚轮V形导轨(18)的两端连接有同步带基座(19)，并在所述同步带基座(19)上固定有所述带轮(20)，所述带轮(20)与同步带(21)啮合，所述同步带(21)水平连接在地铁列车模型(5)两端部的连接杆(14)上；以所述控制器控制所述伺服电机的转速并驱动所述带轮(20)转动后，带动所述同步带(21)上的地铁列车模型(5)通过所述水平V形滚轮(17)在所述滚轮V形导轨(18)上以不同速度行驶；

所述数据采集系统包括：温度测量单元(2)、热流测量单元(3)、烟气分析单元(4)、摄像单元(12)、计算机终端；

所述温度测量单元(2)、热流测量单元(3)、烟气分析单元(4)的探头间隔一定距离布置在所述地铁隧道模型(1)内侧，用于采集隧道不同位置处温度、热流和气体浓度的变化信号，并将采集到的温度、热流、气体浓度变化信号通过数据采集卡传送到计算机终端进行实时显示与存储，控制器对数据采集系统的开关进行控制；所述摄像单元(12)位于地铁隧道模型(1)外侧，且设置在与滚轮V形导轨(18)平行的另一导轨上，导轨通过摄像单元支架(13)支撑，所述摄像单元(12)采用与地铁列车模型(5)相同的同步带传动单元，通过控制器控制实现摄像单元(12)与地铁列车模型(5)的同步运行，用于获取全程的火灾图像信息。

2.一种高速地铁列车车厢和车底的火灾模拟控制方法，其特征在于，是应用于如权利要求1所述的火灾模拟系统中，并按如下步骤进行：

第一步：所述控制器设置地铁列车模型(5)与摄像单元(12)的运行加速度、最高速度、匀速运动距离；若实验中火源模拟系统为车厢火模拟系统(6)，则执行第二步至第五步；若实验中火源模拟系统为大功率电器火模拟系统(8)，则执行第四步至第五步；若实验中火源模拟系统为电缆火模拟系统(7)，则执行第六步至第十步；

第二步：所述控制器设置加热板(22)的加热功率和加热时间，若对车厢材料的阴燃特性研究，则执行第三步至第五步，否则，将加热功率和加热时间设置为0后，执行第四步和第五步；

第三步：所述控制器控制加热板(22)按照设定的加热功率和加热时间进行加热，到达加热时间后，加热板(22)停止加热；

第四步：所述控制器启动地铁列车模型(5)、摄像单元(12)、数据采集系统，所述地铁列车模型(5)、摄像单元(12)按照设定的参数同步运行，所述数据采集系统同步采集实验实时数据；

第五步：所述地铁列车模型(5)与所述摄像单元(12)一起按照设定的参数行驶结束后，所述摄像单元(12)和数据采集系统同时关闭；

第六步：所述控制器以电热丝(33)的通电加热时间为起始时间，并设置电热丝(33)的加热停止时间以及地铁列车模型(5)、摄像单元(12)、数据采集系统的启动时间；其中，启动时间晚于所述加热停止时间；

第七步：将电源(38)接通，使得所述电热丝(33)开始加热并计时，同时所述控制器控制两个电机启动以驱动两个齿轮转动，从而带动第一横杆(42)、第二横杆(43)移动，使得第一夹板(39)、第二夹板(40)对中间插头(35)进行夹紧，并通过所述压力传感器采集夹紧力；

第八步：在到达电热丝(33)的加热停止时间时，电源(38)断开的同时，所述控制器通过电机控制所述第三横杆(44)移动，使得所述中间插头(35)和中间插孔(36)断开，然后通过电机控制第一横杆(42)、第二横杆(43)移动，以释放所述中间插头(35)，同时所述第三横杆(44)恢复原位；

第九步：在到达地铁列车模型(5)、摄像单元(12)、数据采集系统的启动时间时，地铁列车模型(5)与摄像单元(12)按照设定参数同步运行，所述数据采集系统同步采集实验实时数据；

第十步：所述地铁列车模型(5)与所述摄像单元(12)一起行驶完匀速运动的距离后，所述摄像单元(12)和数据采集系统同时关闭。

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