一种模拟列车通过隧道的模型试验系统的制作方法

1.本实用新型涉及隧道气动效应试验设备领域，更具体地说是涉及一种模拟列车通过隧道的模型试验系统。


背景技术：

2.高速列车经过隧道时，会引发一系列空气动力学问题，如：车辆密封性能一定时，气动荷载变化剧烈可能会引起车内外压差过大，降低乘客乘坐舒适度；气动荷载可能会导致隧道内附属设施疲劳破坏，加剧隧道主体结构病害化发展；微气压波向周围传播时，形成的噪声会对周围的环境造成影响，随着地下交通在城市内迅速发展，噪声公害将成为有轨交通发展的巨大障碍；隧道洞口微气压波含有大量低于10hz的次声波，次声波会影响人的中枢神经系统，有损身体健康。解决上述问题需要对隧道气动效应进行深入分析，而模型试验是隧道空气动力学的一种重要研究方法。国内外专家学者提出了多种试验方法，主要有浅水槽法、风洞试验法、动模型试验法等。
3.浅水槽法不能处理三维问题，并需要通过不同介质的换算方能得到结果。风洞试验只能进行稳态流的试验，不能模拟列车的交会和过隧道试验，而且存在边界效应且较难消除风洞入口到试验模型之间的地面气流附面层的影响。动模型试验系统主要包括列车缩尺模型、隧道缩尺模型、列车发射装置、列车接收装置、轨道装置以及数据测试系统等，目前被广泛采用。但动模型试验系统制作周期长、费用高、占地面积大、试验所需人员多，模型列车速度控制精度依然有待进一步提高。此外，模型车在制动段的减速度和冲击力很大，容易造成模型损坏。
4.因此，如何提供一种模拟列车通过隧道的模型试验系统，使其能够克服上述问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供了一种模拟列车通过隧道的模型试验系统。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.一种模拟列车通过隧道的模型试验系统，包括：
8.支撑组件，所述支撑组件包括第一环轨段、第二环轨段、支座、隧道模型、直轨段以及道岔，所述第一环轨段与所述第二环轨段各自通过一个所述支座竖直固定在水平地面上，所述隧道模型固定在水平地面上且其内底部水平穿设有所述直轨段，所述直轨段限位在所述第一环轨段和所述第二环轨段之间且其长度大于所述隧道模型的长度，所述直轨段的两端与所述第一环轨段和所述第二环轨段各自通过一个所述道岔相接；
9.行车组件，所述行车组件包括列车模型和驱动装置，所述列车模型能够分别滑动限位在所述第一环轨段和所述第二环轨段以及所述直轨段上，所述驱动装置包括电机、摇臂、减速机、限位框以及挂钩，每个所述支座上均固定有一个所述电机，两个所述电机的输出轴各自与所述第一环轨段和所述第二环轨段共轴心布置，每个所述电机的输出轴上均垂
直固定有所述摇臂，在所述摇臂远离所述电机的一端固定有所述减速机，所述减速机的输出轴上固定有一个所述限位框，所述限位框的框面与所述减速机的输出轴的轴心平行，所述限位框的转动轴心与所述电机的输出轴的轴心平行，所述列车模型的顶部固定有所述挂钩，所述挂钩能够钩住所述限位框，所述挂钩的弯钩方向与所述列车模型的运行方向相反；
10.采集组件，所述采集组件包括压力传感器、风速仪、烟雾发生器、摄像仪、麦克风以及控制台，所述隧道模型内壁固定有所述压力传感器和所述风速仪以及所述烟雾发生器，所述摄像仪和所述麦克风均设置有两个，所述摄像仪、所述麦克风以及所述控制台均固定在所述直轨段的同一侧，两个所述摄像仪各自靠近所述隧道模型的两端布置，两个所述麦克风各自靠近所述隧道模型的两端布置，所述电机、所述减速机、所述压力传感器、所述风速仪、所述烟雾发生器、所述摄像仪以及所述麦克风均与所述控制台电性连接。
11.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种模拟列车通过隧道的模型试验系统，本实用新型能够比较精准地模拟设定列车模型的运行环境，在既定条件下能够进行大量的测试工作；列车模型具有很好的启动以及加速性能，列车模型在达到预设速度后能够可靠地与限位框脱钩；列车模型在穿过直轨段后能够顺利地通过圆周运动完成减速，整个试验系统占地面积小，并且能够有效避免因加速度产生的惯性荷载过大而造成模型列车的损坏；并且能够精准地测量出列车模型在穿越隧道模型时的压力、风速、气流扰动变化以及噪音的试验参数。
12.优选的，所述道岔包括滑轨、滑座、驱动机、环轨连接段以及直轨连接段，所述滑轨固定在水平地面上，所述滑座布置在所述滑轨上方且其与所述滑轨滑动连接，所述滑座的滑动方向与所述直轨段的轨长方向垂直，所述驱动机与所述滑轨固定且其与所述滑座传动连接，所述驱动机能够驱动所述滑座沿所述滑轨的轨长方向往复滑动，所述驱动机与所述控制台电性连接，每个所述滑座上方均固定有一个所述环轨连接段和一个所述直轨连接段，两个所述环轨连接段能够各自串接在所述第一环轨段和所述第二环轨段上，所述直轨段能够通过两个所述直轨连接段分别与所述第一环轨段和所述第二环轨段相接。该设置保证直轨段能够与第一环轨段和第二环轨段可靠的相接，列车模型能够从第一环轨段顺利地滑动至第二环轨段。
13.优选的，所述第一环轨段、所述第二环轨段、所述直轨段、所述环轨连接段以及所述直轨连接段均由多条互相平行的轨道组成，所述第一环轨段、所述第二环轨段、所述直轨段、所述环轨连接段以及所述直轨连接段的所述轨道个数相同，所述第一环轨段、所述第二环轨段、所述直轨段、所述环轨连接段以及所述直轨连接段的所述轨道间距相同。该设置保证第一环轨段、第二环轨段、直轨段能够安装多个并列的列车模型，保证该试验系统能够模拟不同工况下的气动载荷。
14.优选的，所述第一环轨段、所述第二环轨段、所述直轨段、所述环轨连接段以及所述直轨连接段均由两条互相平行的所述轨道组成。该设置保证该试验系统能够模拟不同运行方向的列车模型在隧道模型内交会时产生的气动载荷。
15.优选的，所述轨道包括钢轨一、钢轨二、支撑管以及轨枕，所述钢轨一和所述钢轨二以及所述支撑管互相平行且三者通过所述轨枕固定，所述钢轨一、所述钢轨二以及所述支撑管的截面均呈圆形，所述支撑管布置在所述钢轨一和所述钢轨二之间，所述轨枕设置有多个且沿所述支撑管的管长方向等距布置，所述第一环轨段上的所述支撑管和所述第二
环轨段上的所述支撑管各自与两个所述支座固定，所述直轨段上的所述支撑管与水平地面固定。该设置轨道具有较高的稳定性。
16.优选的，所述列车模型包括底盘、列车罩、承载轮、限位轮一以及限位轮二，所述底盘上端固定有所述列车罩，所述列车罩顶端固定有所述挂钩，所述底盘下端转动连接有所述承载轮、所述限位轮一以及所述限位轮二，所述承载轮设置有两个且二者的轴心线共线，两个所述承载轮的侧壁各自与所述钢轨一和所述钢轨二的外侧壁抵接；所述限位轮一设置有两个且二者的轴心线互相平行，两个所述限位轮一的侧壁各自与所述钢轨一和所述钢轨二的外侧壁抵接，所述钢轨一和所述钢轨二布置在两个所述限位轮一之间，所述限位轮一的轴心线与所述承载轮的轴心线垂直；所述限位轮二设置有两个且二者的轴心线均与所述承载轮的轴心线平行，两个所述限位轮二的侧壁各自与所述钢轨一和所述钢轨二的外侧壁抵接，所述钢轨一和所述钢轨二均布置在两个所述承载轮和两个所述限位轮二之间。该设置保证列车模型能够可靠的滑动限位在轨道上。
17.优选的，所述烟雾发生器居中布置在所述隧道模型的内顶壁。该设置保证列车模型在分别从隧道模型的两端穿过时，通过烟雾发生器发出的浓烟雾能够直观地观察到列车模型进出隧道时产生的气流扰动。
18.优选的，所述压力传感器固定在所述隧道模型的内壁上且其沿所述隧道模型的长度方向均匀布置有多个。该设置能够准确地测量出列车模型在隧道模型内穿过时隧道内壁受到的气动载荷。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1是一种模拟列车通过隧道的模型试验系统的轴测示意图；
21.图2是一种模拟列车通过隧道的模型试验系统的局部轴测示意图一；
22.图3是一种模拟列车通过隧道的模型试验系统的局部轴测示意图二；
23.图4是一种模拟列车通过隧道的模型试验系统的局部轴测示意图三；
24.图5是一种模拟列车通过隧道的模型试验系统中列车模型的局部主视图；
25.图6是一种模拟列车通过隧道的模型试验系统中隧道模型的侧视图；
26.图7是图6a-a方向上的剖视图。
27.在图中：
28.1为第一环轨段、2为第二环轨段、3为支座、4为隧道模型、5为直轨段、6为滑轨、7为滑座、8为驱动机、9为环轨连接段、10为直轨连接段、11为底盘、12为列车罩、13为承载轮、14为限位轮一、15为限位轮二、16为电机、17为摇臂、18为减速机、19为限位框、20为挂钩、21为压力传感器、22为风速仪、23为烟雾发生器、24为摄像仪、25为麦克风、26为控制台、27为钢轨一、28为钢轨二、29为支撑管、30为轨枕。
具体实施方式
29.下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.本实用新型公开了一种模拟列车通过隧道的模型试验系统，本实用新型通过在直轨段5两端设置能够与其接通的第一环轨段1和第二环轨段2，直轨段5布置在隧道模型4内，该设置能够比较精准地模拟设定列车模型的运行环境，在既定条件下能够进行大量的测试工作；第一环轨段1和第二环轨段2通过支座3进行可靠的支撑，支座3上固定有电机16，电机16的输出轴上固定有摇臂17，摇臂17的端部安装有限位框19，列车模型能够在第一环轨段1和第二环轨段2以及直轨段5上滑动，并且列车模型顶部安装有能够钩住限位框19的挂钩20，通过上述设置，列车模型具有很好的启动以及加速性能，能够实现不同工况下的加速控制，列车模型在达到预设速度后能够可靠地与限位框19脱钩；列车模型在穿过直轨段5后能够顺利地通过圆周运动完成减速，整个试验系统占地面积小，并且能够有效避免因加速度产生的惯性荷载过大而造成模型列车的损坏；通过设置压力传感器21、风速仪22、烟雾发生器23、摄像仪24以及麦克风25，该设置能够精准地测量出列车模型在穿越隧道模型4时的压力、风速、气流扰动变化以及噪音的试验参数。
31.实施例
32.参见附图1-7为本实用新型的一种实施方式的整体和部分结构示意图，本实用新型具体公开了一种模拟列车通过隧道的模型试验系统，包括：
33.支撑组件，支撑组件包括第一环轨段1、第二环轨段2、支座3、隧道模型4、直轨段5以及道岔，结构完全相同且均呈圆环状的第一环轨段1与第二环轨段2各自通过一个支座3竖直固定在水平地面上，即二者的轴心线平行且均水平布置，隧道模型4固定在水平地面上且其内底部水平穿设有40米长的直轨段5，直轨段5的轨长方向分别与第一环轨段1和第二环轨段2的轴心线垂直，直轨段5限位在第一环轨段1和第二环轨段2之间且其长度大于隧道模型4的长度，直轨段5的两端与第一环轨段1和第二环轨段2各自通过一个道岔相接。本实施例中的隧道模型4采用透明的聚乙烯材料制成；
34.行车组件，行车组件包括列车模型和驱动装置，列车模型能够分别滑动限位在第一环轨段1和第二环轨段2以及直轨段5上，驱动装置包括电机16、摇臂17、减速机18、限位框19以及挂钩20，每个支座3上均固定有一个电机16，本实施例中的电机16为变频调速电机，两个电机16的输出轴各自与第一环轨段1和第二环轨段2共轴心布置，每个电机16的输出轴上均垂直固定有摇臂17，在摇臂17远离电机16的一端固定有多个减速机18，每个减速机18的输出轴上均固定有一个矩形的限位框19，限位框19的框面与减速机18的输出轴的轴心平行，限位框19的转动轴心与电机16的输出轴的轴心平行，列车模型的顶部固定有挂钩20，挂钩20能够钩住限位框19，挂钩20的弯钩方向与列车模型的运行方向相反；
35.采集组件，采集组件包括压力传感器21、风速仪22、烟雾发生器23、摄像仪24、麦克风25以及控制台26，隧道模型4内壁固定有压力传感器21和风速仪22以及烟雾发生器23，摄像仪24和麦克风25均设置有两个，摄像仪24、麦克风25以及控制台26均固定在直轨段5的同一侧，两个摄像仪24各自靠近隧道模型4的两端布置，两个麦克风25各自靠近隧道模型4的
两端布置，电机16、减速机18、压力传感器21、风速仪22、烟雾发生器23、摄像仪24以及麦克风25均与控制台26电性连接。两个摄像仪24的摄像方向与隧道的长度方向各自成45
°
夹角，摄像仪24为高速摄像仪24。
36.进一步具体的，道岔包括滑轨6、滑座7、驱动机8、环轨连接段9以及直轨连接段10，滑轨6固定在水平地面上，滑座7布置在滑轨6上方且其与滑轨6滑动连接，滑座7的滑动方向与直轨段5的轨长方向垂直，驱动机8与滑轨6固定且其与滑座7传动连接，驱动机8能够驱动滑座7沿滑轨6的轨长方向往复滑动，至于驱动机8驱动滑座7滑动的具体实施方式属于非常成熟的现有技术，故本实施例中不再对其进行具体的展开说明，驱动机8与控制台26电性连接，每个滑座7上方均固定有一个环轨连接段9和一个直轨连接段10，两个环轨连接段9能够各自串接在第一环轨段1和第二环轨段2上，直轨段5能够通过两个直轨连接段10分别与第一环轨段1和第二环轨段2相接。
37.进一步具体的，第一环轨段1、第二环轨段2、直轨段5、环轨连接段9以及直轨连接段10均由多条互相平行的轨道组成，第一环轨段1、第二环轨段2、直轨段5、环轨连接段9以及直轨连接段10的轨道个数相同，第一环轨段1、第二环轨段2、直轨段5、环轨连接段9以及直轨连接段10的轨道间距相同。
38.进一步具体的，第一环轨段1、第二环轨段2、直轨段5、环轨连接段9以及直轨连接段10均由两条互相平行的轨道组成。
39.进一步具体的，轨道包括钢轨一27、钢轨二28、支撑管29以及轨枕30，钢轨一27和钢轨二28以及支撑管29互相平行且三者通过轨枕30固定，钢轨一27、钢轨二28以及支撑管29的截面均呈圆形，支撑管29布置在钢轨一27和钢轨二28之间，轨枕30设置有多个且沿支撑管29的管长方向等距布置，第一环轨段1上的支撑管29和第二环轨段2上的支撑管29各自与两个支座3固定，直轨段5上的支撑管29与水平地面固定。
40.进一步具体的，列车模型包括底盘11、列车罩12、承载轮13、限位轮一14以及限位轮二15，底盘11上端固定有列车罩12，列车罩12顶端固定有挂钩20，底盘11下端转动连接有承载轮13、限位轮一14以及限位轮二15，承载轮13设置有两个且二者的轴心线共线，两个承载轮13的侧壁各自与钢轨一27和钢轨二28的外侧壁抵接；限位轮一14设置有两个且二者的轴心线互相平行，两个限位轮一14的侧壁各自与钢轨一27和钢轨二28的外侧壁抵接，钢轨一27和钢轨二28布置在两个限位轮一14之间，限位轮一14的轴心线与承载轮13的轴心线垂直；限位轮二15设置有两个且二者的轴心线均与承载轮13的轴心线平行，两个限位轮二15的侧壁各自与钢轨一27和钢轨二28的外侧壁抵接，钢轨一27和钢轨二28均布置在两个承载轮13和两个限位轮二15之间。
41.进一步具体的，烟雾发生器23居中布置在隧道模型4的内顶壁，在实验时，烟雾发生器23会发出高浓度的有色烟雾。
42.进一步具体的，压力传感器21固定在隧道模型4的内壁上且其沿隧道模型4的长度方向均匀布置有多个。
43.该模拟列车通过隧道的模型试验系统的使用方法及流程：
44.①
准备工作：试验开始前在第一环轨段1和第二环轨段2上均安装一个列车模型，减速机18为伺服电机，控制台26驱动减速机18转动，减速机18驱动限位框19转动，直至列车模型上的挂钩20钩住限位框19，此时限位框19停止转动且位置不变，两个列车模型限位在
不同的轨道上，两个列车模型的运行方向相对且均指向直轨段5，控制台26控制烟雾发生器23工作，烟雾发生器23开始产生烟流。
45.②
循环加速段：控制台26控制电机16转动，列车模型随着摇臂17的转动进行加速圆周运动，两个列车模型在第一环轨段1和第二环轨段2各自运行至试验速度后，控制台26控制减速机18转动且其转动方向与步骤
①
中的转动方向相反，并且摇臂17停止转动，此时挂钩20与限位框19脱钩，列车模型与摇臂17脱离，与此同时，控制台26驱动道岔工作，两个直轨连接段10接入，使得第一环轨段1与第二环轨段2通过两个直轨连接段10接通，两个列车模型能够同时进入直轨段5，此时两个列车模型在无动力驱动的情况下高速穿过隧道模型4，并且两个列车模型在隧道模型4内能够实现会车。
46.③
无动力惯性运动段
47.列车模型在直轨段5进行无动力惯性运动，安装在隧道模型4内的压力传感器21和风速仪22准确记录列车模型进出隧道模型4时的压力和风速并将上述信号传递给控制台26，两个摄像仪24拍摄到烟雾发生器23发出的烟流的流动状态并传递给控制台26,两个麦克风25对隧道模型4两端的微气压波产生噪音进行采集并传递给控制台26，控制台26收集列车模型进出隧道模型4时的压力、风速、噪声以及烟流影像信息。通过分析就可以了解列车模型在进出隧道模型4时的一系列空气动力特征参数(配套软件分析系统包括数据采集、图像分析以及对列车模型进入隧道模型4全过程进行模拟的大型流体模拟分析可采用商用软件fluent19.0)。
48.④
循环减速阶段
49.两个列车模型通过直轨段5后各自进入至第一环轨段1和第二环轨段2，与此同时控制台26驱动道岔工作，两个直轨连接段10各自与第一环轨段1和第二环轨段2脱离，两个环轨连接段9接入，两个列车模型各自在第一环轨段1和第二环轨段2内进行数次减速圆周运动，在滑动阻力以及重力的作用下，两个列车模型实现制动减速。
50.上述操作是模拟两个列车模型同时穿过隧道模型4以及在隧道内会车时的运行状态，本实施例还可以模拟单个列车模型在通过隧道模型4时引起的一系列空气动力学效应，具体的实施方式与上述步骤相同，唯一的区别是用使用一个列车模型进行试验。
51.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
52.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。