一种单隧道链条牵引多运动体车内起火缩尺寸实验系统的制作方法

本发明涉及长大地铁单隧道多运动体火灾缩尺寸实验系统，特别涉及一种单隧道链条牵引多运动体车内起火缩尺寸实验系统。

背景技术：

随着我国高铁地铁等技术的日渐成熟，在建及新投入使用的隧道规模也逐年增加，据统计，隧道发生火灾频率约为2次/108·车·千米，长大隧道一旦发生火灾对人员的安全和隧道结构的安全威胁是巨大的。近年来，地铁隧道迎来了建设的高峰期，在建及新投入使用的隧道规模呈现逐年增加的趋势，据预计到2020年，全国地铁总里程将达到6000公里，投资达到4万亿。在线路运行高峰时段，通常地铁运行间隔约2分钟，按照地铁列车设计时速100km/h计算，前后两列车的追踪距离为3.3km，所以目前已经投入使用的重庆地铁1号线中梁山隧道(全长4.33km)、正在建设中的青岛—海阳城际(蓝色硅谷段)崂山地铁隧道(全长4.58km)、及正在规划中的青岛地铁1号线过海隧道(全长6.2km)，隧道内均会同时存在同方向行驶的两列车，火灾的一旦发生，将产生更大的危害性。随着地铁隧道的长大化，火灾发生后起火列车往往会被迫减速直至停车，列车滞留在隧道内进行紧急疏散。火灾通常由于以下三种情况造成的：1)火灾发生时通常会切断行车系统供电使列车失去动力；2)驱动电机故障也会使列车失去动力；3)乘客启动紧急制动系统或人为破坏致使列车迫停。

在长大地铁隧道运行高峰期，单隧道内会同时存在同方向高速行驶的两列车，这时隧道内列车如果发生火灾有如图11四种情况。

以前车尾部发生火灾事故为例，前车发生火灾继续向前行驶时，会在列车尾部形成一个高温的烟气区；在前车失去动力后被迫停车的过程中，高温的烟气会随着活塞风继续向前流动，淹没整列车，并会继续向前流动一段距离。前车着火后，后车也必须被迫停在隧道内进行疏散，后车会根据区间信号或线路调度的指示迟于前车停车，后车行车产生的活塞风必然会对发生火灾前车的烟气流动产生影响。同理，后车发生火灾，前车的运动状态必然会对后车的烟气流动产生影响。因此有必要研究列车发生火灾后，起火列车减速停车以及非起火列车的运动状态下整个动态过程的活塞风耦合规律、火灾燃烧特性、烟气蔓延特性、临界抑制风速、热释放速率等相关机理。

现有的隧道火灾缩尺寸实验系统大都只适用于研究公路隧道，或者研究地铁、铁路隧道列车静止状态时的火灾特性研究，不能反映如今越来越多的长大地铁隧道多列车同时在隧道中运行时候的起火情况。而且现有实验系统大多将燃烧情况简化为车顶部起火，但是这种情况是并不多见的，列车内部装饰物有许多化学合成的可燃性材料，加上乘客随身携带的可燃物品，人为因素较大，往往地铁发生火灾大多是车厢内部起火，且内部起火危害性更大。现有的实验装置不能考虑到车厢内部起火时，烟气在车厢内蔓延，并透过车厢连接处，门缝窗缝等渗入隧道的蔓延过程。可见，迫切需要建立能够用于地铁车内起火的多运动体火灾燃烧特性和烟气扩散特性的实验系统。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种单隧道链条牵引多运动体车内起火缩尺寸实验系统，克服现有技术中实验系统不能模拟长大地铁隧道多列车同时在隧道中运行时候的列车内部起火情况的问题。

本发明采用的技术方案是：一种单隧道链条牵引多运动体车内起火缩尺寸实验系统，包括隧道主体，设置于隧道主体上的压力测试系统、温度测试系统、烟气分析系统和活塞风速测试系统，列车模型以及设置于列车模型中的燃烧器，所述隧道主体和列车模型由多段缩尺寸模型实验标准段拼装组成，列车模型为两至多个，每个列车模型车头和车尾与分别与各自的列车模型运动主动系统和列车模型运动从动系统通过链条连接，列车模型底部设有列车运动定位轮，所述列车运动定位轮位于轨道内，所述燃烧器设置于列车模型的任意一节车厢中部、座椅上部或座椅下部。

所述隧道主体包括耐高温隧道主体标准段、耐高温火焰观察窗、传动链条托辊支架、传动链条托辊，所述的隧道标准段之间采用法兰连接，在隧道端头安装法兰盘，法兰盘之间用螺栓紧固在一起。连接好的隧道主体放置在隧道主体支架上。

所述列车模型前后分别设置有车头前的链条拉紧器和车尾链条拉紧器，链条的端头利用钢圈与链条拉紧器连接。

所述燃烧器包括燃烧盘，列车模型上设置有燃烧器槽位，燃烧盘的尺寸与燃烧器槽位的尺寸对应，燃烧盘内分隔成多个小格。

列车运动定位轮焊接在模型列车的车底，列车运动定位轮位于轨道内，轨道呈“c”字型，限定了列车运动定位轮只能在轨道槽内，轨道采用模块化设计，轨道之间采用分段拼接的方式连接，轨道前段和后段设置成“子母扣”的形式，逐段插接，轨道主体与隧道主体之间通过螺孔固定。

所述列车模型运动主动系统包括速度控制电机、齿轮盘、与隧道主体连接的法兰盘，速度控制电机与齿轮盘利用联轴器连接，速度控制电机通过联轴器将动力传递给齿轮盘，齿轮盘转动再带动链条运动，链条牵引模型列车按照指定运动规律进行运动。

所述列车模型运动从动系统包括齿轮盘、固定齿轮盘的齿轮支架、便于链条穿过隧道底部的链条通过孔、放置于隧道内部用于连接链条的齿轮涨紧装置和固定齿轮涨紧装置的支架；链条连接列车模型与齿轮涨紧装置，并通过隧道底部的链条通过孔下垂，连接从动系统齿轮盘；通过链条将主动系统、从动系统、列车模型连接成一个闭环运动系统。

所述隧道耐高温火焰观察窗外，设置有两至多台高清数码摄像机。

本发明的有益效果是：本发明提出一种新的地铁或铁路单隧道非稳态多运动体车内起火的火灾缩尺寸实验系统。该系统通过放置在车内不同位置的燃烧盘模拟车内起火和烟气流动扩散情况，通过调整隧道主体标准段的数量来调节自身的长度，通过调整列车主体标准段的数量来调节列车长度，从而模拟不同长度地铁或铁路隧道、不同列车长度的多运动体火灾特性、烟气扩散特性及活塞风耦合规律。通过改变燃烧盘在车内的放置位置，研究车厢中部，座椅上方，座椅下方的起火情况。本发明为单隧道多运动体车内起火的火灾实验研究提供平台支撑，同时也为地铁或铁路隧道防灾减灾提供解决方案，具有良好的社会效益。

附图说明

图1地铁隧道多运动体车内起火实验系统图；

图2隧道主体拼装示意图；图2(a)为隧道主体主视图，(b)为隧道主体侧视图；

图3列车模型图；

图4链条拉紧器与链条连接示意图；

图5燃烧盘侧视图及俯视图；图5(a)是燃烧盘侧视图，图5(b)是燃烧盘俯视图；

图6列车模型断面图；(a)为列车车厢内部侧视图，(b)为列车车厢内部主视图；

图7轨道俯视图；(a)定位轮和轨道的相对位置关系图，(b)轨道俯视图；

图8列车运动主动系统图；(a)为主动系统侧视图，(b)为主动系统主视图；

图9列车运动从动系统侧视图；

图10高速摄像机布置位置图；

图11单隧道内同时存在同方向高速行驶两列车发生火灾四种情况；

其中：1.隧道主体；2.压力测试系统；3.温度测试系统；4.烟气分析系统；5.活塞风速测试系统；6.列车模型运动主动系统；7.列车模型运动从动系统；8.链条；9.列车模型；10.列车车窗；11.列车车门；12.燃烧器13.传动链条拉紧器；14.列车运动定位轮；15.速度控制电机；16.隧道风机；17.行程开关；18.链条托辊；19.链条涨紧装置；20.隧道主体支架；21.轨道；22.高清数码摄像机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，地铁隧道多运动体车内起火实验系统包括隧道主体1、压力测试系统2、温度测试系统3、烟气分析系统4、活塞风速测试系统5、列车模型运动主动系统6、列车模型运动从动系统7、链条传动系统8、列车模型9、列车车窗10、列车车门11、车内燃烧器12、传动链条拉紧器13、列车运动定位轮14、速度控制电机15、隧道风机16、行程开关17、链条托辊18、链条涨紧装置19、隧道主体支架20。列车模型为两个。

如图2所示，(a)隧道主体多段缩尺寸模型实验台主视图，(b)隧道主体多段缩尺寸模型实验台侧视图。隧道主体由多段缩尺寸模型实验标准段拼装组成，包括耐高温隧道主体标准段1-1、耐高温火焰观察窗1-2、传动链条托辊支架18-1、传动链条托辊18-2。隧道标准段之间采用法兰连接，图2放大部分为法兰连接示意图，在隧道端头安装法兰盘，法兰盘之间用螺栓紧固在一起。连接好的隧道主体放置在隧道主体支架20上。

如图3所示，实验列车模型也采用标准段拼接组合的方式连接。有利于研究列车长度对活塞风的影响，及其对烟气扩散、火灾特性等的影响。列车模型包括车头前的链条拉紧器13-1和车尾链条拉紧器13-2、列车底部运动定位轮14。链条8的端头利用钢圈与链条拉紧器13-1、13-2连接，通过旋转拉紧器，逐渐使链条呈紧绷状态，如图4所示。运动定位轮14的作用是限定模型列车在轨道内行驶，防止列车倾倒。车厢内部设置有燃烧器12，燃烧器可以放置在模型列车的任意一节车厢中，可以放置在车厢中部，座椅上部或座椅下部，适用于研究不同火灾发生位置的烟气扩散特性。

图5分别展示了燃烧盘侧视图和俯视图。燃烧盘的尺寸与列车模型中不同位置的燃烧器槽位12-1，12-2，12-3的尺寸对应。实验时，将燃烧盘放置于任一燃烧器槽位中，适用于研究不同车内起火位置的烟气扩散特性。同时，燃烧盘内分隔成多个小格。适用于研究不同强度的火灾的运动体火灾特性及烟气扩散特性。

图6展示了列车模型断面图，(a)为列车车厢内部侧视图，(b)为列车车厢内部主视图。其中包括列车内扶手固定柱9-1、座椅9-2、车厢连接处9-3，车厢内部放置燃烧盘，可以布置在车厢中部12-1、座椅下部12-2和座椅上部12-3，用于研究火灾在车内发生位置不同的烟气流动研究。车厢底部安装有定位轮11，定位轮11位于轨道21内。

图7(a)具体展示了定位轮和轨道的相对位置关系，(b)展示了轨道俯视图，其中，定位轮14焊接在列车模型9的车底，在隧道断面中部设置有定位轮轨道21。列车模型运动时，定位轮14位于轨道21内，轨道21起到限定列车运动的作用，保证列车只能直线运动。轨道21呈“c”字型，限定了稳定轮14只能在轨道槽内，从而保证高速运动状态下列车不会倾倒。轨道21也采用模块化设计，轨道之间采用分段拼接的方式连接，轨道前段和后段设置成“子母扣”的形式，逐段插接。轨道主体21-1与隧道主体1之间通过螺孔21-2固定。

图8展示了列车运动主动系统图，(a)为主动系统侧视图，(b)为主动系统主视图。主动系统包括速度控制电机15、齿轮盘6-1、与隧道主体1连接的法兰盘6-2、速度控制电机15与齿轮盘6-1利用联轴器6-3连接。速度控制电机15通过联轴器6-3将动力传递给齿轮盘6-1，齿轮盘6-1转动再带动链条8运动，链条8牵引列车模型9按照指定运动规律进行运动。得益于列车模型9的前后都与链条8连接，形成一个闭环连接。所以链条8既可以控制模型列车9加速运动，又可以控制模型列车9减速制动。隧道内另一列车模型的控制方式与此相同。

图9展示了列车运动从系统的侧视图，从动系统包括齿轮盘7-1和固定齿轮盘的齿轮支架7-2，便于链条穿过隧道底部的链条通过孔7-3、放置于隧道内部用于连接链条的齿轮涨紧装置19-1和固定齿轮涨紧装置的支架19-2。链条8连接列车模型9与齿轮涨紧装置19-1，并通过隧道底部的链条通过孔7-3下垂，连接从动系统齿轮盘7-1。两列列车模型的主动系统6分别放置在隧道左右两端，从动系统7均放置在隧道中部，通过链条8将主动系统6、从动系统7、列车模型9连接成一个闭环运动系统，整个运动系统可实现对模型列车的加速、减速、匀速控制。

图10展示了实验图像采集系统与隧道主体1的相对位置关系，从图10中也可以看出，主动系统6、涨紧装置19，隧道主体1的连接关系。摄像系统数码相机22采用分段采集的办法，每台摄像机负责一个模型隧道标准段的图像采集工作，相邻的两台摄像机的图像采集会有小范围的重叠。图中虚线表示的是每台摄像机的图像采集范围。图像采集结束后，利用专业软件将各台摄像机的图像拼接成一个图像整体。

数据采集系统包括压力测试系统2、温度测试系统3、烟气分析系统4、活塞风速测试系统5。可以实时测量并记录隧道内的压力、温度、风速及烟气成分、浓度等参数。此外，图像采集系统布置在隧道耐高温火焰观察窗1-2外，包括多台高清数码摄像机22，负责采集运动体火灾特性的相关图像资料。

列车模型的驱动系统主要包括主动系统6及从动系统7两部分。通过链条控制列车的加速、匀速及制动。列车模型的定位轮14被置于轨道21内，保证列车模型的直线运动。在列车高速运行工况下，保证列车不倾倒。此外，行程开关17被用来控制列车运动的区间，防止模型列车超出预定的运动区域，从而保证模型实验的安全性。

本发明的工作过程如下：

1)将高速摄像机(2～3台)置于耐高温火焰观察窗1-2外侧，摄像机距离观察窗约1.5m，摄像机的位置在整个实验中固定不动，然后在实验开始前统一各摄像机的系统时间(误差在±1s内)，并调整其处于拍摄状态，拍摄过程由实验人员操作。

2)检查各测试系统(2～5)的工作状态。启动数据采集系统，并检查各通道数据采集是否正常。经确认无问题后，开始各数据采集仪记录功能。

3)按照热烟实验规范中指定的燃料重量，为燃料称重，并注入到列车模型的燃烧盘中。

4)启动风机16，并根据速度测试系统5的测试数据调整风机16的风速，使隧道内的机械通风风速达到实验设定的风速。在无风工况下，风机16应关闭。

5)使用长柄火把通过车窗点燃列车模型中的燃烧盘。

6)启动驱动系统的主动系统6中的控制电机15，通过链条8带动列车模型9以设定的速度在隧道内运行。

7)运行一段时间后先制动起火列车，非起火列车继续运动一段时间后，制动非起火列车。

8)灭火及称重。上述过程为实验的完整过程，列车运行完行程后，利用燃烧盘盖板熄灭燃烧盘，并称重。

待实验系统冷却至初始状态后，准备下轮实验，重复过程1～8。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。