一种列车等效缩比模型碰撞试验装置及方法与流程

本发明涉及一种列车等效缩比模型碰撞试验装置及方法。

背景技术：

研究列车碰撞中造成破坏的原因及破坏模式和验证列车耐冲击性能是减少列车碰撞事故的重要方式。由于采用全尺寸列车实物碰撞试验代价过于昂贵，列车缩比模型碰撞试验系统和模拟方法是列车耐撞性研究中新的有效手段和方法。目前，缩比模型试验技术在各个工程领域被广泛应用，包括航空航天、汽车、车桥耦合、桥隧、建筑、弹药、地壳运动、部件材料性能等。对于列车缩比模型研究，Gipson G.S等人从理论上说明了只要各个物理参数进行合理缩小，则通过缩比模型的方法来研究铁道车辆的脱轨、塑性大变形、断裂失效、碰撞、爆炸、火灾等是可行的。同部分学者基于列车和相关结构建筑的几何外形相似模型，采用缩比列车模型，对列车的气动性能及隧道的气动性能开展了研究；Ejiri Kenji、Parczewski K、You Wonhee.等人利用简化的车辆动力学缩比模型，对车辆的运行稳定性、平稳性、车辆侧翻、蛇形运动、曲线通过能力等车辆动力学开展了大量研究。Allotta B、Min-Soo Kim和曾飞等人采用缩比模型试验对列车轮轨接触开展了研究。张水文和胡金柱等人基于缩比模型试验，对列车的牵引动力及制动性能开展了研究。Iwata Yusuke、Popprath S.等人基于铝合金车体小模型，对铁道车辆车体振动及其结构模态进行了研究分析。Nishimura K.基于滚动振动试验台和1/10车辆小模型，对地震情况下的车辆脱轨开展了研究。鲜有学者对列车缩比模型碰撞试验和模拟方法进行研究。Lowe和Al-Hassani在1972年对10种1:25的双层客车缩比模型碰撞行为开展了研究，进行了准静态压缩和落锤动态冲击试验，并指出不同比例模型试验结果与全尺寸模型的相关性。

然而，列车等效缩模碰撞试验模拟未见研究，本发明提供的列车的缩比模型碰撞试验装置和方法能够揭示列车碰撞过程中的运动规律和演化规律，是一种低难度、低成本、可重复性强的研究手段。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种列车的缩比模型碰撞试验装置和方法用于精确确定影响爬车、跳车、之字形脱轨等成因，降低试验难度，节约试验成本。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种列车等效缩比模型碰撞试验装置，包括控制系统、测力墙；其特征在于：

所述列车等效缩比模型碰撞试验装置还包括列车等效缩比模型、驱动车、驱动车发射系统、跟踪光源与图像采集系统、轨道、测速与触发装置、驱动车刹车装置、数据采集系统；

所述驱动车发射系统与所述测力墙之间的地基上设有轨道，轨道上摆放驱动车、列车等效缩比模型；

所述驱动车发射系统用于对所述驱动车进行加速；

所述控制系统与驱动车发射系统以及驱动车刹车装置连接，用于通过控制系统发出指令控制驱动车发射系统以及驱动车刹车装置的工作；

所述驱动车刹车装置位于所述驱动车加速前所述驱动车面向所述测力墙的一端与所述测力墙之间的轨道上，使得驱动车制动后，列车等效缩比模型能够无动力自由滑行再与测力墙相撞；

所述列车等效缩比模型放置在所述驱动车面向所述测力墙的一端，在驱动车制动前所述列车等效缩比模型与所述驱动车面向所述测力墙的一端相接触；

所述测速与触发装置位于测力墙与所述驱动车刹车装置之间的轨道两侧，用于测量自由滑行阶段的列车等效缩比模型的速度；所述测速与触发装置包括红外线发射装置和接收装置；

所述跟踪光源与图像采集系统安装在测力墙上方或侧面，用于采集运动列车等效缩比模型发生撞击的图像；

所述数据采集系统与所述测速与触发装置、所述测力墙以及所述跟踪光源与图像采集系统连接，当列车等效缩比模型经过所述测速与触发装置时，所述测速与触发装置进行测速，同时所述测速与触发装置触发所述测力墙和所述跟踪光源与图像采集系统开始采集数据；

所述数据采集系统对所述测速与触发装置、所述测力墙以及所述跟踪光源与图像采集系统分别测得的速度、力以及图像数据进行采集。

所述碰撞试验装置还包括静止列车等效缩比模型，所述静止列车等效缩比模型位于所述测速与触发装置与所述测力墙之间的轨道上，并且使得所述运动列车等效缩比模型与所述静止列车等效缩比模型在撞击后能将所述静止列车等效缩比模型撞击至测力墙上。

所述运动列车等效缩比模型与所述静止列车等效缩比模型都采用不同的等效吸能材料模拟列车车钩吸能装置、车端吸能装置以及列车车体。

所述运动列车等效缩比模型的列车车钩吸能装置、车端吸能装置以及列车车体分别采用橡胶、蜂窝材料、钛合金材料来等效模拟。

一种列车等效缩比模型碰撞试验方法，采用列车等效缩比模型碰撞试验装置进行试验，使运动列车等效缩比模型撞击测力墙，具体步骤为：

1）通过控制系统打开驱动车发射系统、驱动车刹车装置，并打开测速与触发系统、跟踪光源与图像采集系统、测力墙以及数据采集系统的电源；

2）通过控制系统发出信号，驱动车发射系统发射出面向所述测力墙的一端与所述运动列车等效缩比模型相接触的驱动车；

3）驱动车经过驱动车刹车装置时，驱动车刹车装置强制停止驱动车，所述运动列车等效缩比模型开始沿轨道自由滑行；

4）运动列车等效缩比模型经过所述测速与触发装置，所述测速与触发装置进行测速，同时所述测速与触发装置触发所述测力墙和所述跟踪光源与图像采集系统开始采集数据；

5）所述运动列车等效缩比模型与测力墙发生碰撞，所述测力墙与所述跟踪光源与图像采集系统测得力以及图像数据并传输至数据采集系统，试验结束。

一种列车等效缩比模型碰撞试验方法，采用包含静止等效缩比模型的列车等效缩比模型碰撞试验装置，使运动列车等效缩比模型撞击静止列车等效缩比模型，具体步骤为：

（a）通过控制系统打开驱动车发射系统、驱动车刹车装置，并打开测速与触发系统、跟踪光源与图像采集系统、测力墙以及数据采集系统的电源；

（b）通过控制系统发出信号，驱动车发射系统发射出面向所述测力墙的一端与所述运动列车等效缩比模型相接触的驱动车；

（c）驱动车经过驱动车刹车装置时，驱动车刹车装置强制停止驱动车，所述运动列车等效缩比模型开始沿轨道自由滑行；

（d）运动列车等效缩比模型经过所述测速与触发装置，所述测速与触发装置进行测速，同时所述测速与触发装置触发所述测力墙和所述跟踪光源与图像采集系统开始采集数据；

（e）所述运动列车等效缩比模型与所述静止列车等效缩比模型发生碰撞，所述测力墙与所述跟踪光源与图像采集系统测得力以及图像数据并传输至数据采集系统，试验结束。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明创造研建了国内外唯一的弹塑变分区、力流/能量流等效列车缩模碰撞装置，可模拟列车互撞、爬车、跳车等场景，得到了车辆间耦合互撞导致的穿透破坏、爬车、之字形脱轨等事故成因及演化规律，极大降低了列车碰撞过程模拟的难度和成本，提高了该过程模拟的可操作性和可重复性。

附图说明

图1为列车等效缩模碰撞装置示意图；

图2为包含静止列车等效缩比模型的列车等效缩模碰撞装置示意图；

图3为列车等效缩比模型示意图；

图中：1-控制系统，2-数据采集系统，3-跟踪光源与图像采集系统，4-驱动车，5-运动列车等效缩模模型，6-驱动车刹车装置，7-测速与触发装置，8-驱动车发射系统，9-轨道，10-测力墙，11-静止列车等效缩模模型，12-头车车钩吸能装置，13-头车车端吸能装置，14-头车车体，15-中间车车钩吸能装置，16-中间车车端吸能装置，17-中间车车体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

一种列车等效缩比模型碰撞试验装置，包括控制系统1、测力墙10；其特征在于：

所述碰撞试验装置还包括运动列车等效缩比模型5、驱动车4、驱动车发射系统8、跟踪光源与图像采集系统3、轨道9、测速与触发装置7、驱动车刹车装置6、数据采集系统2；

驱动车发射系统8与测力墙10之间的地基上设有轨道9，轨道9上摆放驱动车4、运动列车等效缩比模型5；

驱动车发射系统8用于对驱动车4进行加速；

控制系统1与驱动车发射系统8以及驱动车刹车装置6连接，用于通过控制系统1发出指令控制驱动车发射系统8以及驱动车刹车装置6的工作；

驱动车刹车装置6位于驱动车4加速前驱动车4面向测力墙10的一端与测力墙10之间的轨道上，使得驱动车4制动后，运动列车等效缩比模型5能够无动力自由滑行再与测力墙相撞；

运动列车等效缩比模型5放置在驱动车4面向测力墙10的一端，在驱动车4制动前运动列车等效缩比模型5与驱动车4面向测力墙10的一端相接触；

测速与触发装置7位于测力墙10与驱动车刹车装置6之间的轨道9两侧，用于测量自由滑行阶段的运动列车等效缩比模型5的速度；测速与触发装置7包括红外线发射装置和接收装置；当运动列车缩比模型5经过测速与触发装置7时，会阻断红外射线，此时测速与触发装置7发出信号，控制跟踪光源与图像采集系统3和测力墙10开始采集数据

跟踪光源与图像采集系统3安装在测力墙10上方或侧面，用于采集运动列车等效缩比模型5发生撞击的图像；

数据采集系统2与测速与触发装置7、测力墙10以及跟踪光源与图像采集系统3连接，当运动列车等效缩比模型5经过测速与触发装置7时，测速与触发装置7进行测速，同时测速与触发装置7触发测力墙10和跟踪光源与图像采集系统3开始采集数据；

数据采集系统2对测速与触发装置7、测力墙10以及跟踪光源与图像采集系统3分别测得的速度、力以及图像数据进行采集。

碰撞试验装置还包括静止列车等效缩比模型11，静止列车等效缩比模型11位于测速与触发装置7与测力墙10之间的轨道9上，并且使得运动列车等效缩比模型5与静止列车等效缩比模型11在撞击后能将静止列车等效缩比模型11撞击至测力墙10上。

运动列车等效缩比模型5与静止列车等效缩比模型11都采用不同的等效吸能材料模拟列车车钩吸能装置、车端吸能装置以及列车车体。

车钩吸能装置包括头车车钩吸能装置12和中间车车钩吸能装置15，车端吸能装置包括头车车端吸能装置13和中间车车端吸能装置16，车体包括头车车体14和中间车车体17。

列车等效缩比模型的列车车钩吸能装置、车端吸能装置以及列车车体分别采用橡胶、蜂窝材料、钛合金材料来等效模拟。

驱动车发射装置8采用现有技术的设备和产品；

运动列车等效缩比模型5和静止列车等效缩比模型11均是基于大量不同尺度的车辆撞击试验数据，针对车辆载人区中部弹变结构，采用相似理论，所建立得与全尺寸车辆力流路径和能量耗散规律一致的小尺度模型；针对车辆端部及连接装置的塑性大变形结构区，采用力学行为等效方法，建立等效缩模。

跟踪光源与图像采集系统3采用带有自适应变速度跟踪拍摄的拍摄系统进行记录，实现了长达60 米列车运动区域的连续拍摄及图像分析技术为实现列车等效缩模碰撞试验的全时域、无盲区拍摄。

轨道9和地基为常用公知技术设计制作。

一种列车等效缩比模型碰撞试验方法，采用列车等效缩比模型碰撞试验装置进行试验，使运动列车等效缩比模型撞击测力墙，具体步骤为：

1）通过控制系统打开驱动车发射系统、驱动车刹车装置，并打开测速与触发系统、跟踪光源与图像采集系统、测力墙以及数据采集系统的电源；

2）通过控制系统发出信号，驱动车发射系统发射出面向所述测力墙的一端与所述运动列车等效缩比模型相接触的驱动车；

3）驱动车经过驱动车刹车装置时，驱动车刹车装置强制停止驱动车，所述运动列车等效缩比模型开始沿轨道自由滑行；

4）运动列车等效缩比模型经过所述测速与触发装置，所述测速与触发装置进行测速，同时所述测速与触发装置触发所述测力墙和所述跟踪光源与图像采集系统开始采集数据；

5）所述运动列车等效缩比模型与测力墙发生碰撞，所述测力墙与所述跟踪光源与图像采集系统测得力以及图像数据并传输至数据采集系统，试验结束。

一种列车等效缩比模型碰撞试验方法，采用包含静止等效缩比模型的列车等效缩比模型碰撞试验装置，使运动列车等效缩比模型撞击静止列车等效缩比模型，具体步骤为：

（a）通过控制系统打开驱动车发射系统、驱动车刹车装置，并打开测速与触发系统、跟踪光源与图像采集系统、测力墙以及数据采集系统的电源；

（b）通过控制系统发出信号，驱动车发射系统发射出面向所述测力墙的一端与所述运动列车等效缩比模型相接触的驱动车；

（c）驱动车经过驱动车刹车装置时，驱动车刹车装置强制停止驱动车，所述运动列车等效缩比模型开始沿轨道自由滑行；

（d）运动列车等效缩比模型经过所述测速与触发装置，所述测速与触发装置进行测速，同时所述测速与触发装置触发所述测力墙和所述跟踪光源与图像采集系统开始采集数据；

（e）所述运动列车等效缩比模型与所述静止列车等效缩比模型发生碰撞，所述测力墙与所述跟踪光源与图像采集系统测得力以及图像数据并传输至数据采集系统，试验结束。