列车动模型试验空气助推弹射装置及试验方法与流程

本发明涉及高速列车动模型试验技术领域，具体而言，涉及一种列车动模型试验空气助推弹射装置及试验方法。

背景技术

列车是在地面上高速运行的长大物体，随着列车运行速度的提升，列车与空气的相互作用也随之增强，导致一系列更为严峻的空气动力学问题。尤其是复线上两相对运行的列车明线以及隧道内交会时产生的空气压力瞬变，会导致车体及隧道壁面承受高达6kpa(0.6吨/平方米)以上的强瞬态气动冲击压力，引起车体变形，甚至疲劳断裂，还会造成隧道结构及附属设施损坏。车内压力剧烈变化会导致乘客耳鸣、头晕等不适，甚至击坏人体耳膜。因此，需要开展列车高速运行时的空气动力特性研究。

目前，关于高速列车空气动力特性的试验研究工作包括：实车试验和模型试验(包括水槽试验、风洞试验、动模型试验等)。实车试验可以提供最真实、最精确的流场信息，可以获得有效而满意的试验结果；但需要首先具备高速线路和车辆，不但耗时长，人力、物力投入大，且得到的试验数据有限。另外自然条件多样，特别是环境风、线路曲线、坡度等，这些因素对列车空气动力特性参数的测量带来不利影响，试验重复性难以保证。因此，对于高速列车研制初期，实车试验无法实现，只能作为工程检验和评价的手段。

水槽试验是以水为介质的模型试验，利用可压缩气体与自由表面液体的相似性，根据水槽中水的运动模拟列车周围的空气变化。但由于其相关性难以确定，气液换算存在一定的困难，只能给出一维准流路特性或者三维定性分析，流场测试结果的定量分析受到一定制约。

风洞试验相比于动模型试验，其试验装置和操作相对简单，由于其不存在运动模型与轨道机械相互作用所诱导的振动，可提供较高品质的绕列车流场。但风洞试验中的模型列车与地面无相对运动，只模拟了列车和空气的相对运动，没有真实模拟气流和地面，以及列车和地面、隧道之间的相对运动，导致新的附面层的产生。尤其是模拟列车过隧道的工况，新附面层很可能影响列车周围的流场，导致测量的列车空气动力特性参数不准确。

与风洞试验不同，动模型试验可真实模拟列车与地面、隧道壁面以及交会列车的相对运动。该类试验可用以研究真实速度下的列车明线运行、明线交会、穿越隧道以及隧道内交会的瞬态现象，包括列车周围的定常及非定常流场结构、交会压力波、隧道内压力波以及隧道出口的微气压波。因此，动模型试验是列车明线交会、穿越隧道以及隧道内交会的主要试验研究手段。

现阶段的动模型试验主要采用弹力绳拉伸弹射的发射方式，相对应的最高运行速度在500km/h量级，无法对于600km/h以上的高速列车开展相关研究。虽然电磁加速的方式可以将动模型加速到该目标速度，但是电磁加速的试验平台建设成本过于巨大(以亿为量级)。因此，亟待研发新的低投入发射方式，使得动模型试验最高速度达到600km/h以上的同时显著的降低建设成本。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种列车动模型试验空气助推弹射装置及试验方法，以解决现有技术中的列车动模型试验弹射装置无法低成本地将模型列车加速到600km/h以上运行速度的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种列车动模型试验空气助推弹射装置，包括轨道以及滑设在轨道上的模型列车，试验装置还包括：助推弹射车，滑设在轨道上，并且紧挨在模型列车的一端；空气罐，用于驱动模型列车和助推弹射车沿轨道滑动；空气管道，其一端与空气罐的排气端连通，轨道、模型列车和助推弹射车均设置在空气管道内，助推弹射车设置在模型列车和空气罐之间，空气管道远离空气罐的一端安装有用于使助推弹射车与模型列车相分离，并使助推弹射车减速的制动机构。

进一步地，空气管道包括：整体加速段，其一端与空气罐的排气端连通，整体加速段的侧壁为密封结构；助推弹射车制动段，与整体加速段远离空气罐的一端连通，制动机构安装在助推弹射车制动段的内侧。

进一步地，整体加速段的长度大于20m。

进一步地，空气罐的输出压力为60-70mpa。

进一步地，模型列车的重量为70-120kg，助推弹射车的重量为60-80kg，模型列车和助推弹射车的总重量为130-200kg。

进一步地，模型列车的缩比为1:16-1:30；模型列车由多节列车连接形成。

进一步地，助推弹射车制动段的上方开有多个排气孔，更优选将多个排气孔沿助推弹射车制动段的长度方向设置在助推弹射车制动段的上方。

进一步地，整体加速段与空气罐的排气端之间设有一控制阀。

进一步地，制动机构包括摩擦片以及驱动摩擦片向助推弹射车伸出的摩擦驱动装置，制动机构安装在助推弹射车制动段的内壁两侧。

进一步地，轨道上滑设一车架，模型列车固定设置在车架上，车架的一端与助推弹射车紧挨接触。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的列车动模型试验空气助推弹射装置的试验方法，包括以下步骤：

s1、空气罐释放高压空气，高压空气推动助推弹射车和模型列车一起在空气管道内沿轨道加速运动至预定速度；

s2、当助推弹射车和模型列车运动到制动机构处时，制动机构动作使助推弹射车与模型列车相分离，并使助推弹射车逐渐减速至停止，模型列车与助推弹射车分离后在无动力状态下继续运动。

本发明的列车动模型试验空气助推弹射装置采用空气罐作为动力源，通过在模型列车靠近空气罐的一端紧挨设置助推弹射车，在空气管道的初段，空气罐喷出的高压空气推动助推弹射车和模型列车一起沿轨道加速运动到目标速度，在空气管道的后段，通过制动机构使助推弹射车与模型列车相分离，模型列车继续沿轨道运动。该列车动模型试验装置试验时，高压空气作用在助推弹射车上，通过助推弹射车平缓地将推力过渡到模型列车上，使得模型列车可以承受较高的加速度，试验时可以用高压空气推动模型列车在短时间内达到600km/h以上的目标速度。相比于现有的采用弹力绳拉伸弹射方式的动模型试验装置，本发明可以达到的运行速度更高，相比于现有的采用电磁加速方式的动模型试验装置，本发明的建设成本更低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的列车动模型试验空气助推弹射装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的列车动模型试验空气助推弹射装置中助推弹射车制动段的截面放大图。

图3为本发明实施例的列车动模型试验空气助推弹射装置中整体加速段的截面放大图(轨道未示出)。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、轨道；20、模型列车；30、助推弹射车；40、空气罐；50、空气管道；51、整体加速段；52、助推弹射车制动段；60、制动机构；61、摩擦片；62、摩擦驱动装置；70、控制阀；80、车架。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

参见图1、图2和图3，一种本发明实施例的列车动模型试验空气助推弹射装置，包括轨道10以及滑设在轨道10上的模型列车20。该空气助推弹射装置还包括助推弹射车30、空气罐40和空气管道50。其中，助推弹射车30滑设在轨道10上，并且紧挨在模型列车20的一端；空气罐40用于驱动模型列车20和助推弹射车30沿轨道10滑动；空气管道50的一端与空气罐40的排气端连通，轨道10、模型列车20和助推弹射车30均设置在空气管道50内，助推弹射车30设置在模型列车20和空气罐40之间，空气管道50远离空气罐40的一端安装有用于使助推弹射车30与模型列车20相分离，并使助推弹射车30减速的制动机构60。

上述的列车动模型试验空气助推弹射装置采用空气罐40作为动力源，通过在模型列车20靠近空气罐40的一端紧挨设置助推弹射车30，在空气管道50的初段，空气罐40喷出的高压空气推动助推弹射车30和模型列车20一起沿轨道10加速运动到目标速度，在空气管道50的后段，通过制动机构60使助推弹射车30与模型列车20相分离，模型列车20继续沿轨道10运动。该列车动模型试验装置试验时，高压空气作用在助推弹射车30上，通过助推弹射车30平缓地将推力过渡到模型列车20上，使得模型列车20可以承受较高的加速度，试验时可以用高压空气推动模型列车20在短时间内达到600km/h以上的目标速度。相比于现有的采用弹力绳拉伸弹射方式的动模型试验装置，本发明可以达到的运行速度更高，相比于现有的采用电磁加速方式的动模型试验装置，本发明的建设成本更低。

在本实施例中，空气管道50包括整体加速段51和助推弹射车制动段52。其中，整体加速段51的一端与空气罐40的排气端连通，整体加速段51与空气罐40的排气端之间设有一控制阀70，整体加速段51的侧壁为密封结构；助推弹射车制动段52与整体加速段51远离空气罐40的一端连通，制动机构60安装在助推弹射车制动段52的内侧。空气管道50为金属结构，分为整体加速段51和助推弹射车制动段52，在整体加速段51范围内，空气管道50将轨道10、助推弹射车30和模型列车20包裹在内，并且整体加速段51的侧壁采用密封结构，使得空气罐40释放的高压空气不能直接扩散到外界，只能沿着空气管道50方向膨胀。这样，有利于将助推弹射车30和模型列车20在极短的时间内加速到目标速度。模型列车20加速到目标速度后，运行至整体加速段51和助推弹射车制动段52交界处时，制动机构60使助推弹射车30和模型列车20相分离，助推弹射车30减速并停止，模型列车20沿轨道10继续高速运行。

在具体试验时，整体加速段51的长度可根据空气罐40的输出空气压力、助推弹射车30和模型列车20的重量、需要达到的目标速度、试验场地宽度等情况进行相应调整。作为优选，整体加速段51的长度一般设置为大于20m。

同样地，空气罐40的输出压力也需要根据整体加速段51的长度、助推弹射车30和模型列车20的重量、需要达到的目标速度等多方面情况进行相应调整。作为优选，空气罐40的输出压力优选控制在60-70mpa之间。空气罐40的输出压力过大有可能导致模型列车20受损。

在本实施例中，优选将模型列车20的重量控制在70-120kg，助推弹射车30的重量控制在60-80kg，模型列车20和助推弹射车30的总重量控制在130-200kg，模型列车20的缩比为1:16-1:30。在整体加速段51的长度大于20m、空气罐40的输出压力在60-70mpa的情况下，可将上述的助推弹射车30和模型列车20在0.25s内从静止加速到700km/h。很好地解决了弹力绳拉伸弹射仅能使模型列车20加速到500km/h的问题，同时相较于电磁加速方式极大地降低了平台建设成本。除此之外，本实施例中所用的模型列车20的重量(70-120kg)大于助推弹射车30的重量(60-80kg)，这样设置，一方面可以确保模型列车20在整体加速段51内加速时模型列车20的稳定性；另一方面，确保模型列车20具有足够的刚度，使模型列车20在整体加速段51内加速时能够承受极大的加速度；并且，使模型列车20和助推弹射车30的总体重量不至于太重。

在本实施例中，模型列车20由多节列车连接形成。各节列车之间可拆卸连接，可根据实际试验需要具体选择模型列车20的节数。

经过整体加速段51加速以后，膨胀后的空气需要排出，由于膨胀后的空气仍然具有一定的压力，若直接排出，气流可能会对模型列车20的运行稳定性造成影响，在本实施例中，助推弹射车制动段52的上方开设多个排气孔(图中未示出)，用于排出膨胀后的空气，进一步优选，将多个排气孔沿助推弹射车制动段52的长度方向设置在助推弹射车制动段52的上方。通过在助推弹射车制动段52的上方设置多个排气孔，可以将膨胀后的空气有序地逐步排出，避免气流对高速运行的模型列车20的稳定性造成不利影响；另外，将排气孔设置在助推弹射车制动段52的上方，相比于设置在助推弹射车制动段52的两侧或底部，更有利于保持模型列车20的稳定性。

在本实施例中，制动机构60包括摩擦片61以及驱动摩擦片61向助推弹射车30伸出的摩擦驱动装置62，该制动机构60安装在助推弹射车制动段52的内壁两侧。并且，制动机构60的数量为多个，多个制动机构60沿模型列车20的运行方向设置。

在本实施例中，为了进一步降低高压空气对模型列车20造成的冲击，并使模型列车20沿轨道10更加稳定的运行，在轨道10上滑设一个车架80，模型列车20固定设置在该车架80上，助推弹射车30紧挨在车架80的一端。

该列车动模型试验空气助推弹射装置的试验方法，包括以下步骤：

通过控制阀70打开空气罐40的排气端，释放高压空气，高压空气推动助推弹射车30和模型列车20一起在整体加速段51内沿轨道10加速运动至目标速度；

当助推弹射车30和模型列车20运动到整体加速段51和助推弹射车制动段52的交界处时，制动机构60动作使助推弹射车30与模型列车20相分离，并使助推弹射车30逐渐减速至停止，模型列车20与助推弹射车30分离后在无动力状态下继续沿轨道10高速运行，进行相应的列车试验；膨胀后的空气经助推弹射车制动段52上方的排气孔逐步排出。

经过试验验证，上述的列车动模型试验空气助推弹射装置，在空气罐40的输出压力为60-70mpa，模型列车20的重量为70-120kg，助推弹射车30的重量为60-80kg，模型列车20和助推弹射车30的总重量为130-200kg，模型列车20的缩比为1:16-1:30，整体加速段51的长度大于20m的情况下，可以在0.25s内将模型列车20从静止平稳地加速到700km/h以上。相比于现有的弹力绳拉伸弹射可以达到的运行速度更高，相比于现有的电磁加速方式建设成本显著降低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。