本發(fā)明涉及一種列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

研究列車碰撞中造成破壞的原因及破壞模式和驗(yàn)證列車耐沖擊性能是減少列車碰撞事故的重要方式。由于采用全尺寸列車實(shí)物碰撞試驗(yàn)代價(jià)過于昂貴，列車縮比模型碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)和模擬方法是列車耐撞性研究中新的有效手段和方法。目前，縮比模型試驗(yàn)技術(shù)在各個(gè)工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，包括航空航天、汽車、車橋耦合、橋隧、建筑、彈藥、地殼運(yùn)動(dòng)、部件材料性能等。對于列車縮比模型研究，Gipson G.S等人從理論上說明了只要各個(gè)物理參數(shù)進(jìn)行合理縮小，則通過縮比模型的方法來研究鐵道車輛的脫軌、塑性大變形、斷裂失效、碰撞、爆炸、火災(zāi)等是可行的。同部分學(xué)者基于列車和相關(guān)結(jié)構(gòu)建筑的幾何外形相似模型，采用縮比列車模型，對列車的氣動(dòng)性能及隧道的氣動(dòng)性能開展了研究；Ejiri Kenji、Parczewski K、You Wonhee.等人利用簡化的車輛動(dòng)力學(xué)縮比模型，對車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、車輛側(cè)翻、蛇形運(yùn)動(dòng)、曲線通過能力等車輛動(dòng)力學(xué)開展了大量研究。Allotta B、Min-Soo Kim和曾飛等人采用縮比模型試驗(yàn)對列車輪軌接觸開展了研究。張水文和胡金柱等人基于縮比模型試驗(yàn)，對列車的牽引動(dòng)力及制動(dòng)性能開展了研究。Iwata Yusuke、Popprath S.等人基于鋁合金車體小模型，對鐵道車輛車體振動(dòng)及其結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行了研究分析。Nishimura K.基于滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和1/10車輛小模型，對地震情況下的車輛脫軌開展了研究。鮮有學(xué)者對列車縮比模型碰撞試驗(yàn)和模擬方法進(jìn)行研究。Lowe和Al-Hassani在1972年對10種1:25的雙層客車縮比模型碰撞行為開展了研究，進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和落錘動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，并指出不同比例模型試驗(yàn)結(jié)果與全尺寸模型的相關(guān)性。

然而，列車等效縮模碰撞試驗(yàn)?zāi)M未見研究，本發(fā)明提供的列車的縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置和方法能夠揭示列車碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和演化規(guī)律，是一種低難度、低成本、可重復(fù)性強(qiáng)的研究手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種列車的縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置和方法用于精確確定影響爬車、跳車、之字形脫軌等成因，降低試驗(yàn)難度，節(jié)約試驗(yàn)成本。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置，包括控制系統(tǒng)、測力墻；其特征在于：

所述列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置還包括列車等效縮比模型、驅(qū)動(dòng)車、驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)、跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)、軌道、測速與觸發(fā)裝置、驅(qū)動(dòng)車剎車裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

所述驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)與所述測力墻之間的地基上設(shè)有軌道，軌道上擺放驅(qū)動(dòng)車、列車等效縮比模型；

所述驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)用于對所述驅(qū)動(dòng)車進(jìn)行加速；

所述控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)車剎車裝置連接，用于通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)車剎車裝置的工作；

所述驅(qū)動(dòng)車剎車裝置位于所述驅(qū)動(dòng)車加速前所述驅(qū)動(dòng)車面向所述測力墻的一端與所述測力墻之間的軌道上，使得驅(qū)動(dòng)車制動(dòng)后，列車等效縮比模型能夠無動(dòng)力自由滑行再與測力墻相撞；

所述列車等效縮比模型放置在所述驅(qū)動(dòng)車面向所述測力墻的一端，在驅(qū)動(dòng)車制動(dòng)前所述列車等效縮比模型與所述驅(qū)動(dòng)車面向所述測力墻的一端相接觸；

所述測速與觸發(fā)裝置位于測力墻與所述驅(qū)動(dòng)車剎車裝置之間的軌道兩側(cè)，用于測量自由滑行階段的列車等效縮比模型的速度；所述測速與觸發(fā)裝置包括紅外線發(fā)射裝置和接收裝置；

所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)安裝在測力墻上方或側(cè)面，用于采集運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型發(fā)生撞擊的圖像；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與所述測速與觸發(fā)裝置、所述測力墻以及所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)連接，當(dāng)列車等效縮比模型經(jīng)過所述測速與觸發(fā)裝置時(shí)，所述測速與觸發(fā)裝置進(jìn)行測速，同時(shí)所述測速與觸發(fā)裝置觸發(fā)所述測力墻和所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對所述測速與觸發(fā)裝置、所述測力墻以及所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)分別測得的速度、力以及圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

所述碰撞試驗(yàn)裝置還包括靜止列車等效縮比模型，所述靜止列車等效縮比模型位于所述測速與觸發(fā)裝置與所述測力墻之間的軌道上，并且使得所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型與所述靜止列車等效縮比模型在撞擊后能將所述靜止列車等效縮比模型撞擊至測力墻上。

所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型與所述靜止列車等效縮比模型都采用不同的等效吸能材料模擬列車車鉤吸能裝置、車端吸能裝置以及列車車體。

所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型的列車車鉤吸能裝置、車端吸能裝置以及列車車體分別采用橡膠、蜂窩材料、鈦合金材料來等效模擬。

一種列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)方法，采用列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，使運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型撞擊測力墻，具體步驟為：

1）通過控制系統(tǒng)打開驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)車剎車裝置，并打開測速與觸發(fā)系統(tǒng)、跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)、測力墻以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源；

2）通過控制系統(tǒng)發(fā)出信號，驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出面向所述測力墻的一端與所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型相接觸的驅(qū)動(dòng)車；

3）驅(qū)動(dòng)車經(jīng)過驅(qū)動(dòng)車剎車裝置時(shí)，驅(qū)動(dòng)車剎車裝置強(qiáng)制停止驅(qū)動(dòng)車，所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型開始沿軌道自由滑行；

4）運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型經(jīng)過所述測速與觸發(fā)裝置，所述測速與觸發(fā)裝置進(jìn)行測速，同時(shí)所述測速與觸發(fā)裝置觸發(fā)所述測力墻和所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)；

5）所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型與測力墻發(fā)生碰撞，所述測力墻與所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)測得力以及圖像數(shù)據(jù)并傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)束。

一種列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)方法，采用包含靜止等效縮比模型的列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置，使運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型撞擊靜止列車等效縮比模型，具體步驟為：

（a）通過控制系統(tǒng)打開驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)車剎車裝置，并打開測速與觸發(fā)系統(tǒng)、跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)、測力墻以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源；

（b）通過控制系統(tǒng)發(fā)出信號，驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出面向所述測力墻的一端與所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型相接觸的驅(qū)動(dòng)車；

（c）驅(qū)動(dòng)車經(jīng)過驅(qū)動(dòng)車剎車裝置時(shí)，驅(qū)動(dòng)車剎車裝置強(qiáng)制停止驅(qū)動(dòng)車，所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型開始沿軌道自由滑行；

（d）運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型經(jīng)過所述測速與觸發(fā)裝置，所述測速與觸發(fā)裝置進(jìn)行測速，同時(shí)所述測速與觸發(fā)裝置觸發(fā)所述測力墻和所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)；

（e）所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型與所述靜止列車等效縮比模型發(fā)生碰撞，所述測力墻與所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)測得力以及圖像數(shù)據(jù)并傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明創(chuàng)造研建了國內(nèi)外唯一的彈塑變分區(qū)、力流/能量流等效列車縮模碰撞裝置，可模擬列車互撞、爬車、跳車等場景，得到了車輛間耦合互撞導(dǎo)致的穿透破壞、爬車、之字形脫軌等事故成因及演化規(guī)律，極大降低了列車碰撞過程模擬的難度和成本，提高了該過程模擬的可操作性和可重復(fù)性。

附圖說明

圖1為列車等效縮模碰撞裝置示意圖；

圖2為包含靜止列車等效縮比模型的列車等效縮模碰撞裝置示意圖；

圖3為列車等效縮比模型示意圖；

圖中：1-控制系統(tǒng)，2-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，3-跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)，4-驅(qū)動(dòng)車，5-運(yùn)動(dòng)列車等效縮模模型，6-驅(qū)動(dòng)車剎車裝置，7-測速與觸發(fā)裝置，8-驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)，9-軌道，10-測力墻，11-靜止列車等效縮模模型，12-頭車車鉤吸能裝置，13-頭車車端吸能裝置，14-頭車車體，15-中間車車鉤吸能裝置，16-中間車車端吸能裝置，17-中間車車體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

一種列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置，包括控制系統(tǒng)1、測力墻10；其特征在于：

所述碰撞試驗(yàn)裝置還包括運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5、驅(qū)動(dòng)車4、驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)8、跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)3、軌道9、測速與觸發(fā)裝置7、驅(qū)動(dòng)車剎車裝置6、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2；

驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)8與測力墻10之間的地基上設(shè)有軌道9，軌道9上擺放驅(qū)動(dòng)車4、運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5；

驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)8用于對驅(qū)動(dòng)車4進(jìn)行加速；

控制系統(tǒng)1與驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)8以及驅(qū)動(dòng)車剎車裝置6連接，用于通過控制系統(tǒng)1發(fā)出指令控制驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)8以及驅(qū)動(dòng)車剎車裝置6的工作；

驅(qū)動(dòng)車剎車裝置6位于驅(qū)動(dòng)車4加速前驅(qū)動(dòng)車4面向測力墻10的一端與測力墻10之間的軌道上，使得驅(qū)動(dòng)車4制動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5能夠無動(dòng)力自由滑行再與測力墻相撞；

運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5放置在驅(qū)動(dòng)車4面向測力墻10的一端，在驅(qū)動(dòng)車4制動(dòng)前運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5與驅(qū)動(dòng)車4面向測力墻10的一端相接觸；

測速與觸發(fā)裝置7位于測力墻10與驅(qū)動(dòng)車剎車裝置6之間的軌道9兩側(cè)，用于測量自由滑行階段的運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5的速度；測速與觸發(fā)裝置7包括紅外線發(fā)射裝置和接收裝置；當(dāng)運(yùn)動(dòng)列車縮比模型5經(jīng)過測速與觸發(fā)裝置7時(shí)，會(huì)阻斷紅外射線，此時(shí)測速與觸發(fā)裝置7發(fā)出信號，控制跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)3和測力墻10開始采集數(shù)據(jù)

跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)3安裝在測力墻10上方或側(cè)面，用于采集運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5發(fā)生撞擊的圖像；

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2與測速與觸發(fā)裝置7、測力墻10以及跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)3連接，當(dāng)運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5經(jīng)過測速與觸發(fā)裝置7時(shí)，測速與觸發(fā)裝置7進(jìn)行測速，同時(shí)測速與觸發(fā)裝置7觸發(fā)測力墻10和跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)3開始采集數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2對測速與觸發(fā)裝置7、測力墻10以及跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)3分別測得的速度、力以及圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

碰撞試驗(yàn)裝置還包括靜止列車等效縮比模型11，靜止列車等效縮比模型11位于測速與觸發(fā)裝置7與測力墻10之間的軌道9上，并且使得運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5與靜止列車等效縮比模型11在撞擊后能將靜止列車等效縮比模型11撞擊至測力墻10上。

運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5與靜止列車等效縮比模型11都采用不同的等效吸能材料模擬列車車鉤吸能裝置、車端吸能裝置以及列車車體。

車鉤吸能裝置包括頭車車鉤吸能裝置12和中間車車鉤吸能裝置15，車端吸能裝置包括頭車車端吸能裝置13和中間車車端吸能裝置16，車體包括頭車車體14和中間車車體17。

列車等效縮比模型的列車車鉤吸能裝置、車端吸能裝置以及列車車體分別采用橡膠、蜂窩材料、鈦合金材料來等效模擬。

驅(qū)動(dòng)車發(fā)射裝置8采用現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備和產(chǎn)品；

運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型5和靜止列車等效縮比模型11均是基于大量不同尺度的車輛撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對車輛載人區(qū)中部彈變結(jié)構(gòu)，采用相似理論，所建立得與全尺寸車輛力流路徑和能量耗散規(guī)律一致的小尺度模型；針對車輛端部及連接裝置的塑性大變形結(jié)構(gòu)區(qū)，采用力學(xué)行為等效方法，建立等效縮模。

跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)3采用帶有自適應(yīng)變速度跟蹤拍攝的拍攝系統(tǒng)進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)了長達(dá)60 米列車運(yùn)動(dòng)區(qū)域的連續(xù)拍攝及圖像分析技術(shù)為實(shí)現(xiàn)列車等效縮模碰撞試驗(yàn)的全時(shí)域、無盲區(qū)拍攝。

軌道9和地基為常用公知技術(shù)設(shè)計(jì)制作。

一種列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)方法，采用列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，使運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型撞擊測力墻，具體步驟為：

1）通過控制系統(tǒng)打開驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)車剎車裝置，并打開測速與觸發(fā)系統(tǒng)、跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)、測力墻以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源；

2）通過控制系統(tǒng)發(fā)出信號，驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出面向所述測力墻的一端與所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型相接觸的驅(qū)動(dòng)車；

3）驅(qū)動(dòng)車經(jīng)過驅(qū)動(dòng)車剎車裝置時(shí)，驅(qū)動(dòng)車剎車裝置強(qiáng)制停止驅(qū)動(dòng)車，所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型開始沿軌道自由滑行；

4）運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型經(jīng)過所述測速與觸發(fā)裝置，所述測速與觸發(fā)裝置進(jìn)行測速，同時(shí)所述測速與觸發(fā)裝置觸發(fā)所述測力墻和所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)；

5）所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型與測力墻發(fā)生碰撞，所述測力墻與所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)測得力以及圖像數(shù)據(jù)并傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)束。

一種列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)方法，采用包含靜止等效縮比模型的列車等效縮比模型碰撞試驗(yàn)裝置，使運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型撞擊靜止列車等效縮比模型，具體步驟為：

（a）通過控制系統(tǒng)打開驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)車剎車裝置，并打開測速與觸發(fā)系統(tǒng)、跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)、測力墻以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源；

（b）通過控制系統(tǒng)發(fā)出信號，驅(qū)動(dòng)車發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出面向所述測力墻的一端與所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型相接觸的驅(qū)動(dòng)車；

（c）驅(qū)動(dòng)車經(jīng)過驅(qū)動(dòng)車剎車裝置時(shí)，驅(qū)動(dòng)車剎車裝置強(qiáng)制停止驅(qū)動(dòng)車，所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型開始沿軌道自由滑行；

（d）運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型經(jīng)過所述測速與觸發(fā)裝置，所述測速與觸發(fā)裝置進(jìn)行測速，同時(shí)所述測速與觸發(fā)裝置觸發(fā)所述測力墻和所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)；

（e）所述運(yùn)動(dòng)列車等效縮比模型與所述靜止列車等效縮比模型發(fā)生碰撞，所述測力墻與所述跟蹤光源與圖像采集系統(tǒng)測得力以及圖像數(shù)據(jù)并傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)束。