一种模块化单隧道多运动体冷烟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，特别涉及一种模块化单隧道多运动体冷烟缩尺寸实验系统。

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。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以下四种情况(图10)。

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。而且这种实验系统的长度通常是固定的，只能反映某一具体长度的隧道发生火灾的情形，火灾往往采用点燃可燃物质模拟的形式进行实验，这种实验装置试用范围较小，火灾规模不容易控制，而且具有一定危险性。随着隧道的逐渐长大化，火灾的危害越来越大，运动的列车起火情况急需研究，尤其当多列车同时运行在同一隧道当中，某一列车从发生火灾到减速停车以及非起火列车运动情况对烟气的动态影响过程目前几乎没有相关研究。可见，迫切需要建立能够用于长大地铁隧道的多运动体火灾燃烧特性和烟气扩散特性的实验系统，且如何保证火源在运动状态下的安全、稳定是亟待解决的实际问题。而且如何将实验系统设计模块化，从而在一个实验系统上模拟研究不同长度的地铁隧道火灾情形也是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种模块化单隧道多运动体冷烟缩尺寸实验系统，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起火情况、不能调节火灾规模的情况、不能保证火源在运动状态下的安全、稳定的问题。

本发明采用的技术方案是：一种模块化单隧道多运动体冷烟缩尺寸实验系统，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、活塞风速测试系统和列车模型，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；列车模型内设置有冷烟发生器。

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。

所述冷烟发生器喷口安装在车厢顶部，冷烟发生器放置于列车模型的车头，车尾或车中位置。

所述冷烟发生器包括压缩空气储罐、发烟装置、烟气喷嘴和拉法尔管，气体从压缩空气储罐流出，经过拉法尔管，产生负压区，导致烟气从发烟装置流出与空气混合后，经过烟气喷嘴喷出。

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火灾缩尺寸冷烟实验系统。该系统通过冷烟发生装置模拟火灾情形，不仅可以降低实验的危险性，还可以控制烟气流量，便于研究不同规模大小的火灾发生情况，同时也解决了火源在运动状态下不稳定的问题。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。本发明为单隧道多运动体火灾的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本发明实验系统结构示意图；

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冷烟发生装置图；

图6列车模型断面图及轨道俯视图；图6(a)是列车模型断面图，图6(b)是定位轮与轨道的相对位置断面图，图6(c)是轨道的俯视图；

图7列车运动主动系统侧视图；图7(a)是列车运动主动系统沿隧道方向的侧视图，图7(b)是列车运动主动系统垂直于隧道方向的侧视图；

图8列车运动从动系统侧视图；

图9高速摄像机布置位置图；

图10隧道内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.传动链条拉紧器；11.列车运动定位轮；12.链条托辊；13.冷烟发生装置；14.速度控制电机；15.隧道风机；16.行程开关；17.隧道主体支架；18.轨道；19.链条涨紧装置；20.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，地铁隧道多运动体冷烟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8、列车模型9、传动链条拉紧器10、列车运动定位轮11、链条托辊12、冷烟发生装置13、速度控制电机14、隧道风机15、行程开关16、隧道主体支架17、链条涨紧装置19。本实施例有两组列车模型。

如图2所示，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12-1、传动链条托辊12-2。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17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10-1和车尾链条拉紧器10-2、列车底部运动定位轮11。链条8的端头利用钢圈与链条拉紧器10-1、10-2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11的作用是限定模型列车在轨道内行驶，防止列车倾倒。列车内设置有冷烟发生器13，喷口安装在车厢顶部。冷烟发生器可以放置在模型列车的车头，车尾和车中位置，适用于研究列车不同位置发生火灾时的烟气扩散特性，也可以放置在沿列车运动方向的前方列车或后方列车。

图5详细展示了冷烟发生器。其中包括压缩空气储罐13-1、发烟装置13-2、烟气喷嘴13-3、拉法尔管13-4。气体从压缩空气储罐13-1流出，经过拉法尔管13-4，产生负压区，导致烟气从发烟装置13-2流出与空气混合后，经过烟气喷嘴13-3喷出。图5放大部分为拉法尔管详细结构形状示意图。通过冷烟模拟火灾烟气，便于调节烟气量的大小，降低了实验的危险性。

图6(a)为列车模型断面图，(b)为轨道与定位轮位置关系图，(c)为轨道俯视图。其中，定位轮11焊接在模型列车9的车底，在隧道断面中部设置有定位轮轨道18。列车模型运动时，定位轮11位于轨道18内，轨道18起到限定列车运动的作用，保证列车只能直线运动。轨道18呈“C”字型，限定了稳定轮11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18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18-1与隧道主体1之间通过螺孔18-2固定。

图7展示了列车运动主动系统图，主动系统包括速度控制电机14、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14与齿轮盘6-1利用联轴器6-3连接。速度控制电机14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既可以控制列车模型9加速运动，又可以控制列车模型9减速制动。隧道内另一列车模型的控制方式与此相同。

图8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9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9中也可以看出，主动系统6、从动系统7，隧道主体1的连接关系。摄像系统采用分段采集的办法，每台摄像机20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20，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11被置于轨道18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16被用来控制列车运动的区间，防止列车模型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)启动风机15，并根据速度测试系统5的测试数据调整风机15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15应关闭。

4)启动冷烟发生器13。

5)启动驱动系统的主动系统6中的控制电机14，通过链条8带动列车模型9以设定的速度在隧道内运行。

6)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。

7)关闭冷烟发生器13。

待实验系统冷却至初始状态后，准备下轮实验，重复过程1～7。

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。