CN101441138A - 列车气动性能模拟试验装置的测试方法及*** - Google Patents

Abstract

列车气动性能模拟试验装置测试方法及***，用于模拟试验中高速行进的列车模型的各项性能参数测试，该测试方法包括：在列车模型内设置车载数据采集***，该车载数据采集***用于列车模型各检测点的动态压力测试和列车模型速度的测试；在轨道地面设置地面数据采集***，用于测试列车模型通过地面检测点时的地面动态压力和环境参数。本发明可以对列车气动性能模拟试验实时记录列车和地面空气压力的动态变化过程以及列车模型速度精确测试，它能够实现对该模拟试验所需各项试验参数如实时动态压力、速度等进行测试，得到实时准确的列车和地面动态压力变化数据等试验数据。

Description

列车气动性能模拟试验装置的测试方法及***

技术领域

本发明属于列车气动性能模拟试验技术领域，具体的涉及一种可以对模拟试验的列车气动性能模拟动模型试验装置进行各项参数进行测试的方法，以及该测试***。

背景技术

列车是在地面上高速运行的长大物体，复线上两相对运行列车交会及列车过隧道引发的空气压力骤变，对行车安全、旅客舒适性及周围环境将产生严重影响，诸如使车厢产生过大的变形，破坏车体结构，击碎车窗玻璃，损坏空调***进风装置，吸下被交会列车的物品，列车瞬态横摆过大(可能引起轮轨列车脱轨，或损坏磁浮列车导向磁铁)，使乘客耳鸣、呕吐等。随着列车速度的提高，因列车交会引起的空气动力学问题更为突出。日本在修建世界上第一条高速铁路时，由于未能认识到列车交会和过隧道的空气动力对行车安全及旅客舒适性的严重影响，导致复线间距和隧道断面积较小(可节约工程投资)，尽管随后的几十年日本对改善列车气动性能的外形进行了大量研究(流线型头部长度达15m)，但仍受到复线间距和隧道断面积的制约。

列车空气动力学研究的目的主要是减小气动阻力，改善操纵稳定性，提高安全舒适性及减小其对环境的影响。列车空气动力学的研究内容可以归纳如下几个方面。(1)研究作用在列车上的空气动力和力矩，及其对列车性能的影响。(2)研究列车运行时，自然风对列车性能的影响及列车风对人和建(构)筑物的影响。(3)研究列车通过隧道和列车会车时的压力波特性。(4)研究列车气动噪声和气候条件及其对车厢内人员舒适性的影响。

缩尺模型模拟试验是研究列车空气动力特性的一种主要手段。本案发明人发明了一种列车气动性能模拟试验装置，如图1和图2所示，图1绘示了该列车气动性能模拟试验装置的部分结构示意图；图2绘示了该列车气动性能模拟试验装置的整体示意图。该列车气动性能模拟动模型试验装置主要由试验台、动力***、控制***、测试***数据处理***及列车模型组成。试验台分上下两层，上层为列车模型运行试验线，下层为动滑轮车运行轨道。整个试验线分为三段：发射段I，试验段II和减速段III。列车模型12缩比为1:16～1:25，列车模型12的重量为15～30kg，列车模型12的最大瞬间释放速度为350～400km/h。上层轨道11上设置有列车模型12，列车模型12的一端连接拉动绳14，拉动绳由牵引电机15驱动牵引，使列车模型12向牵引方向移动。在钢丝绳的拉动末端首先连接一牵引小车13，牵引小车13与列车模型12均处于上层轨道11上，牵引小车13再连接列车模型12，并且牵引小车13与列车模型12间设置有包括电磁阀的脱钩装置，通过操控该电磁阀，可以使牵引小车13与列车模型12间脱离。轨道的试验段II与发射段I临界处设置一脱钩机构，列车模型运行至该脱钩机构时，该脱钩机构可使动滑轮车与列车模型间脱离连接。下层轨道16上设置有动滑轮车18，动滑轮车18上设置有动滑轮组，动滑轮组上绕有牵引绳19，该牵引绳19的一端连接列车模型12，另一端绕经动滑轮组后固定在下层轨道16的右端，如此，当牵引小车13拉动列车模型12向右运动时，牵引绳24也牵动动滑轮车23向右沿下层轨道21移动。弹力绳连接动力绳17，在列车模型被牵引电机牵引一定距离后动力绳传递弹力绳的回缩弹力使动滑轮车拉动列车模型进行瞬态加速，使列车模型以符合试验要求的速度驶入试验段，进行试验。

如图2所示，两组轨道21、23上分别设置相对的列车模型22、24，两列车模型经由各自的动滑轮增速机构与弹力牵引机构牵引连接，两列车模型在弹力牵引机构收缩力的带动下加速到测定速度并相对交会运动。能够模拟两交会列车之间、列车与地面之间、列车与周围环境之间的相对运动，对不同形状、不同运行速度列车，在不同线间距情况下通过可控制的试验，现实际列车在线路上运行情况，获得列车表面和周围空气流场的动态变化过程。列车模型21的轨道23上分别设置的发射段I，试验段II和减速段III与列车模型23的轨道24上设置的减速段III’，试验段II’和发射段I’平行相邻，如此可以实时的获得两车高速交会时的各种测量数据。

如何能够对两列车模型进入试验段及交会时的各项参数进行测定，是该动态模拟试验装置最终结果真实性的重要内容。

发明内容

本发明提供了一种可以对列车气动性能模拟试验实时记录列车和地面空气压力的动态变化过程以及列车模型速度精确测试的列车气动性能模拟试验装置的测试方法及***，它能够实现对该模拟试验所需各项试验参数如实时动态压力、速度等进行测试，得到实时准确的列车和地面动态压力变化数据等试验数据。

本发明所采用的技术方案如下：

列车气动性能模拟试验装置测试方法，用于模拟试验中高速行进的列车模型的各项性能参数测试，其特征在于该测试方法包括：

在列车模型内设置车载数据采集***，该车载数据采集***用于列车模型各检测点的动态压力测试和列车模型速度的测试；

在轨道地面设置地面数据采集***，用于测试列车模型通过地面检测点时的地面动态压力和环境参数。

具体的讲，在所述模拟试验包括设置两并行的轨道，该轨道沿列车模型运行方向依次分为发射段、试验段和减速段，两轨道的相对端分别设置卷扬机，卷扬机分别牵引连接列车模型使与列车模型间接连接的弹力绳伸长而产生收缩弹力，两列车模型相对释放后，两列车模型分别沿各自轨道运行并在轨道的试验段交会，列车模型上的车载数据采集***和轨道试验段设置的地面数据采集***在一同步控制信号的作用下，进行试验过程各参数的动态测量和数据采集。

在所述车载数据采集***对列车模型动态压力和列车模型速度的测试方法包括：

在列车模型上分布设置多个半导体扩散硅压力传感器，该传感器连接两级放大电路和二阶低通滤波电路后，以输出标准电压信号的形式至A/D转换器，由一单片机完成动态压力数据的采集；

在列车模型上设置反射式光纤光电传感器，该反射式光线传感器连接光电隔离电路、整形电路和分频电路后，连接另一单片机；在轨道的试验段的全程设置深浅颜色相间的测速条文，反射式光线传感器探测试验段全程设置的深浅相间的测速条纹产生序列脉冲信号，根据该序列脉冲信号的一信号持续时间和其对应的测速条纹长度计算出列车模型速度。

在所地面数据采集***对地面动态压力和列车模型速度的测试方法包括：

在轨道试验段分布设置压力传感器，用于各检测点的动态压力测试；

在轨道试验段设置两组相对于轨道两侧的发射光源和光电接收器，光电接受器连接设置脉冲整形电路和单片机；当列车模型经过时，光电接收器根据其与发射光源间导通和截断的状态发送脉冲信号至脉冲整形电路，单片机通过检测脉冲宽度，确定列车模型的速度。

一种列车气动性能模拟试验装置测试***，用于模拟试验中高速行进的列车模型的各项性能参数测试，其特征在于该测试***包括：

车载数据采集***，设置于列车模型上，包括动态压力测试装置和列车模型速度测试装置；

地面数据采集***，设置在于轨道的试验段，包括地面动态压力测试装置和列车模型速度地面测试装置。

所述车载数据采集***包括：

分布于列车模型各检测点的压力传感器，该压力传感器分别连接适配电路和滤波器后，经A/D转换均与一单片机连接控制连接，单片机通过通信模块与外部的计算机进行数据传输；所述压力传感器为半导体扩散硅压力传感器。

所述车载数据采集***为模块化设计，其电路为全焊接电路，各硬件与列车模型间固化设置，所述车载数据采集***还包括一车载电源模块。

所述轨道试验段的全程设置深浅相间的测速条纹；所述车载数据采集***还包括：

列车模型上设置的测速与同步光电传感器，该测速与同步光电传感器为一车载反射式光纤传感器，所述车载反射式光纤传感器与测速条纹相对设置，所述车载反射式光纤传感器与光电隔离电路、触发器整形电路、触发器分频电路连接后与一单片机控制连接。

所述列车模型速度地面测试装置包括：两组相对设置于轨道两侧的发射光源和光电接收器，所述光电接受器连接设置脉冲整形电路和单片机；当列车模型经过时，光电接收器根据其与两发射光源间导通和截断的状态发送脉冲信号至脉冲整形电路。

该列车气动性能模拟试验装置的测试方法及***通过对模拟再现高速列车在不同速度和各种运行状态(如列车交会、穿越隧道等)下引起的空气动力学现象进行测试，实时记录列车模型和地面空气压力的动态变化过程，从而为列车空气动力学研究和列车气动外形设计以及高速线路相关设施设计提供依据。

本发明能够对列车模型起动性能模拟试验进行实时采样，灵活可靠，数据真实性强，能够真实的反映该模拟试验中列车模型及相应地面的精确动态压力测试和列车于该动态压力下的速度测试，提高试验数据测试的真实性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

附图说明

图1是列车气动性能模拟试验装置的部分结构示意图；

图2是双端列车气动性能模拟试验装置的整体结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中车载动态压力测试装置的电路组成方框图；

图4是本发明具体实施方式中车载速度测试装置的组成及原理图；

图5是本发明具体实施方式中地面动态压力测试装置的组成方框图；

图6是本发明具体实施方式中列车模型速度地面测试装置的组成及原理图。

具体实施方式

该列车气动性能模拟试验装置的测试方法及***是采用图1和图2所示，列车气动性能模拟试验装置，牵引机构牵引列车模型从而带动与列车模型连接的弹力绳伸长，牵引机构释放列车模型后弹力绳收缩，将列车模型发射并沿轨道加速后行进。

在列车模型内设置车载数据采集***，该车载数据采集***用于列车模型各检测点的动态压力测试和列车模型速度的测试；

在轨道地面设置地面数据采集***，用于测试列车模型通过地面检测点时的地面动态压力和环境参数。

车载数据采集***和地面数据采集***的触发可以采用一同步控制信号启动，也可以通过手动按钮进行控制。

车载数据采集***在对列车模型动态压力和列车模型速度进测试时，可在列车模型上分布设置多个半导体扩散硅压力传感器，该传感器连接两级放大电路和二阶低通滤波电路后，以输出标准电压信号的形式至A/D转换器，由一单片机完成动态压力数据的采集。另通过在列车模型上设置反射式光纤光电传感器，该反射式光线传感器连接光电隔离电路、整形电路和分频电路后，连接另一单片机；在轨道的试验段的全程设置深浅颜色相间的测速条文，反射式光线传感器探测试验段全程设置的深浅相间的测速条纹产生序列脉冲信号，根据该序列脉冲信号的一信号持续时间和其对应的测速条纹长度计算出列车模型速度。

地面数据采集***在对地面动态压力和列车模型速度进行测试时，可在轨道试验段分布设置压力传感器，用于各检测点的动态压力测试；另在轨道试验段设置两组相对于轨道两侧的发射光源和光电接收器，光电接受器连接设置脉冲整形电路和单片机；当列车模型经过时，光电接收器根据其与发射光源间导通和截断的状态发送脉冲信号至脉冲整形电路，单片机通过检测脉冲宽度，确定列车模型的速度。

如图3所示，该列车气动性能模拟试验装置测试***中的车载动态压力测试装置包括：分布于列车模型各检测点的压力传感器，该压力传感器采用半导体扩散硅压力传感器。该压力传感器分别连接适配电路和滤波器后，经A/D转换均与一单片机连接控制连接，单片机通过通信模块与外部的计算机进行数据传输，该单片机可采用功耗低的INTEL的80C196KC单片机，其具有5个8位I/O口，便于进行存储器的扩展；其还具有外部事务服务器，可大大减少了中断开销；功耗低。整个车载数据采集***为模块化设计，其电路为全焊接电路，各硬件与列车模型间固化设置，整个车载数据采集***采用车载电源模块供电，其包括一电池充电模块和电池电源变换模块。该车载动态压力测试装置所采用的模拟信号通道的频带宽度fh＝1KHz，采样频率fs＝5fsmin＝10KHz。由于列车模型的动态压力变化较快，要求传感测量通道具有足够的响应速度。而半导体扩散硅压力传感器具有灵敏度高、体积小、频带宽等特点，每个压力信号通道采用独立的电路结构和A/D转换器，并以相同的时基信号控制同步采样，从而保证各通道数据快速采集以及在时间和空间上的一致性。

如图4所示，车载速度检测装置采用光电脉冲测速方法，实现试验段全程的连续速度检测。测速装置的核心部件是反射式光纤光电传感器，例如选用OMRON公司的E32X-NVG21(绿色光源)光电传感器与E2-CC200光纤探头41配套使用，具有体积小、安装方便、灵敏度高、抗干扰性能好等适合车载***工作要求的特点。当列车模型运行时，车载反射式光纤传感器与试验段全程设置的黑白相间测速条纹42相对运动，产生序列电脉冲信号，经隔离、整形后输入脉冲信号43，形成单片机高速输入器HIS.1和HIS.2端上的连续脉冲44，该脉冲高(低)电平的宽度Δt，与列车速度V成反比，与条纹(白+黑)长度S成正比。即有：

V＝S/Δt＝1/(10*Δt)       (m/s)

利用高速输入器，可方便检出速度脉冲高(低)电平(事件)持续时间Δt，从而用上式确定速度V。设测量Δt的定时器计数脉冲频率为f0，在Δt内计数脉冲数为N，则：

Δt＝N/f0

V＝1/(10*Δt)＝f0/(10*N)

地面数据采集***主要功能是采集列车模型试验时与地面相对静止的(如线路两侧模拟障碍物、隧道等)各检测点动态压力数据，以及通过非接触方法对列车模型运行速度进行定点检测。由于试验过程的瞬态性，该地面数据采集***在动态响应性能、稳定性、可靠性以及同步控制性能等方面均能满足试验装置工作的要求。

如图5所示，该地面动态压力测试装置中，压力信号通过半导体扩散硅压力传感器、前置应变放大器转变为±5V的标准电压信号，经Odyssey程控滤波器滤波后，由每个通道独立的16位A/D进行高速数据采样，实现动态压力的实时记录、在线波形显示等。利用Odyssey的同步触发逻辑控制，使地面动态压力测试装置在试验装置同步控制信号作用下与试验过程和装置各部分协调工作。

如图6所示，该列车模型速度地面测试装置采用对射式光电传感、单片机脉冲计数测速方法。两个发射光源63、65相距S，其分别对应两个光电接收管62、64，两发射光源的光束与轨道垂直，当列车模型61以速度V通过测量点时，车体先后阻断了光电接收管62和64所接收的光束，光电管接收管输出由导通(低电平)状态进入截止(高电平)状态，单片机通过外部中断输入端口，检测光电接收管62输出的脉冲信号67与光电接收管64输出的脉冲信号68，沿确定的测速脉冲66的宽度Δt，从而确定列车模型的速度：V＝S/Δt＝1/(5*Δt)(m/s)。

如此，本发明对列车模型试验的试验段的上述数据进行实时测试和采集，包括实时测量高速运行状态下各列车模型相关检测点的动态压力，实时测量高速运行状态下各列车模型的速度。实时测量列车模型高速通过时地面(线路两侧)相关检测点的动态压力以及环境参数。

Claims (9)

1.列车气动性能模拟试验装置测试方法，用于模拟试验中高速行进的列车模型的各项性能参数测试，其特征在于该测试方法包括：

在列车模型内设置车载数据采集***，该车载数据采集***用于列车模型各检测点的动态压力测试和列车模型速度的测试；

在轨道地面设置地面数据采集***，用于测试列车模型通过地面检测点时的地面动态压力和环境参数。

2.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟试验装置测试方法，其特征在于在所述模拟试验包括设置两并行的轨道，该轨道沿列车模型运行方向依次分为发射段、试验段和减速段，两轨道的相对端分别设置卷扬机，卷扬机分别牵引连接列车模型使与列车模型间接连接的弹力绳伸长而产生收缩弹力，两列车模型相对释放后，两列车模型分别沿各自轨道运行并在轨道的试验段交会，列车模型上的车载数据采集***和轨道试验段设置的地面数据采集***在一同步控制信号的作用下，进行试验过程各参数的动态测量和数据采集。

3.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟试验装置测试方法，其特征在于在所述车载数据采集***对列车模型动态压力和列车模型速度的测试方法包括：

在列车模型上分布设置多个半导体扩散硅压力传感器，该传感器连接两级放大电路和二阶低通滤波电路后，以输出标准电压信号的形式至A/D转换器，由一单片机完成动态压力数据的采集；

在列车模型上设置反射式光纤光电传感器，该反射式光线传感器连接光电隔离电路、整形电路和分频电路后，连接另一单片机；在轨道的试验段的全程设置深浅颜色相间的测速条文，反射式光线传感器探测试验段全程设置的深浅相间的测速条纹产生序列脉冲信号，根据该序列脉冲信号的一信号持续时间和其对应的测速条纹长度计算出列车模型速度。

4.根据权利要求1所述的列车气动性能模拟试验装置测试方法，其特征在于在所地面数据采集***对地面动态压力和列车模型速度的测试方法包括：

在轨道试验段分布设置压力传感器，用于各检测点的动态压力测试；

在轨道试验段设置两组相对于轨道两侧的发射光源和光电接收器，光电接受器连接设置脉冲整形电路和单片机；当列车模型经过时，光电接收器根据其与发射光源间导通和截断的状态发送脉冲信号至脉冲整形电路，单片机通过检测脉冲宽度，确定列车模型的速度。

5.一种列车气动性能模拟试验装置测试***，用于模拟试验中高速行进的列车模型的各项性能参数测试，其特征在于该测试***包括：

车载数据采集***，设置于列车模型上，包括动态压力测试装置和列车模型速度测试装置；

地面数据采集***，设置在于轨道的试验段，包括地面动态压力测试装置和列车模型速度地面测试装置。

6.根据权利要求5所述的列车气动性能模拟试验装置测试***，其特征在于所述车载数据采集***包括：

分布于列车模型各检测点的压力传感器，该压力传感器分别连接适配电路和滤波器后，经A/D转换均与一单片机连接控制连接，单片机通过通信模块与外部的计算机进行数据传输；所述压力传感器为半导体扩散硅压力传感器。

7.根据权利要求6所述的列车气动性能模拟试验装置测试***，其特征在于所述车载数据采集***为模块化设计，其电路为全焊接电路，各硬件与列车模型间固化设置，所述车载数据采集***还包括一车载电源模块。

8.根据权利要求5所述的列车气动性能模拟试验装置测试***，其特征在于所述轨道试验段的全程设置深浅相间的测速条纹；所述车载数据采集***还包括：

列车模型上设置的测速与同步光电传感器，该测速与同步光电传感器为一车载反射式光纤传感器，所述车载反射式光纤传感器与测速条纹相对设置，所述车载反射式光纤传感器与光电隔离电路、触发器整形电路、触发器分频电路连接后与一单片机控制连接。

9.根据权利要求5所述的列车气动性能模拟试验装置测试***，其特征在于所述列车模型速度地面测试装置包括：两组相对设置于轨道两侧的发射光源和光电接收器，所述光电接受器连接设置脉冲整形电路和单片机；当列车模型经过时，光电接收器根据其与两发射光源间导通和截断的状态发送脉冲信号至脉冲整形电路。

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