列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法及測試系統的製作方法

2023-12-11 17:13:57 2

專利名稱：：列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法及測試系統的製作方法
技術領域：
：本發明屬於高速列車的空氣動力學領域，具體的涉及一種用於確定列車風作用下側向人員安全退避距離的方法以及測試系統。
背景技術：
：列車是高速運行的長大物體，有其獨特的空氣動力問題需要研究解決。由於空氣的粘性作用，列車在地面高速運行時將帶動列車周圍空氣隨之運動，形成-種特殊的非定常流動，通常稱為列車風。列車風以空氣流動和壓力變化的形式表現出列車對周圍環境及道旁人員安全的影響。列車風的作用隨著離開列車側面距離的增加而減少，為保障站臺上旅客和路邊作業人員安全，必須保證人體與列車側壁之間有一定距離，這一距離即為人體安全退避距離。列車安全退避距離主要有兩方面研究內容，一是列車風作用下人體受力情況及列車風速度及壓力分布；二是制定判別人體安全性的標準。從現有技術來看，各國對列車風的研究所採用的研究方法、研究手段不盡相同，大致可分為三種一是採用實車試驗研究方法，測量全尺寸人體模型受到的氣動力，同時測量軌側列車風風速和風壓的分布規律；二是採用水洞等模擬試驗方法，測量列車通過時軌側園柱體(模擬人體)的壓力分布；三是用勢流理論計算方法，求解列車周圍速度場和壓力場以及軌側圓柱體在列車通過時的壓力係數變化規律。H本在高速鐵路研究初期對列車風進行過一些理論計算和風洞試驗，但主要是依賴於實車試驗的測量結果。他們採用人體模型和二維超聲風速儀測試列車以170km/h速度通過時，人體模型的受力情況以及站臺上不同距離的列車風風速。同樣法國和前蘇聯也採用全尺寸人體模型，測量處於列車風中的人體的受力情況。英國通過實車試驗方法測量了高速列車通過時，線路側向不同距離4列車風風速及風向，還將殘疾人輪椅置於距站臺邊緣不同距離位置，觀測輪椅的受力及運動情況。德國除進行實車試驗外，還通過水槽模擬試驗，當拖動列車模型運動時，測量列車側向圓柱體(模擬人體)的受力情況，同時採用基於勢流理論的數值模擬計算方法，計算了列車側向圓柱體的氣動力。列車安全退避距離研究另一項內容是制定判別人體安全性的標準，根據所採用的物理量不同，有風速標準和氣動力標準兩種。在制定人體安全退避距離時，各國採用的標準不盡相同。日本以平均風速9m/s作為確定站臺安全距離的危險標準；英國也採用風速判據，以l秒鐘平均風速llm/s確定站臺安全距離、以17m/s確定作業安全距離(有扶手等類似設施條件下)。法國和德國採用氣動力判據，規定人體允許承受的氣動力為100N。我國在"八五"期間就開展了列車安全退避距離的研究，以下簡要介紹這方面的研究工作情況。一是實車試驗，釆用全尺寸人體模型分別在鐵科院環行線(列車最高運行速度180km/h，人體模型放置在線路旁)、廣深線(列車最高運行速度170km/h，人體模型置於路堤及路塹上)及滬寧線(列車最高運行速度160km/h，人體模型置於站臺上)測量人體在列車風中受到的氣動力，試驗列車為DF11牽引的準高速列車，並採用三維超聲風速儀測量列車風風速。二是模擬試驗，在北京大學力學系的拖槽中分別對流線型和傳統鈍型列車進行列車繞流特性模擬試驗。三是數值計算，採用勢流理論(即將空氣作為無粘、無旋流體處理)計算了列車頭部列車風速度及壓力分布，並採用集總參數法(將非定常、不均勻流場中圓柱體受力問題轉化成定常、均勻問題處理)計算了短圓柱體在列車風中的受力情況。在上述研究工作基礎上，參考國外標準採用類比法提出了我國人體允許承受的氣動力值和風速值(建議值)對站臺而言，人體允許承受的最大氣動力值為100N;對線路作業而言，人體允許承受的最大氣動力值為130N;站臺旅客和線路作業人員允許承受的列車風風速為14m/s。根據上述研究結果，"九五"期間制訂的"時速200公裡新建鐵路線橋隧站設計暫行規定"中提出了200km新建線路有列車通過的站臺人體安全退避距離為距站臺邊緣2m，線路作業人員安全距離為距軌側3m。雖然自"八五"以來我國研究工作者對列車安全退避距離的研究開展了大量工作，研究成果為高速鐵路的建設提供了依據。但受研究條件的限制，研究結果未經高速列車運行試驗的考核，無法用於正確的評價列車側向人員安全退避距離。
發明內容本發明提供了一種能夠正確地評價列車側向人員安全退避距離的列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法及測試系統，其通過人體模型和實測試驗，系統且科學的測定了列車風對站臺上及道旁人員空氣動力作用的影響，為高速列車運行的安全評估提供精確的數字依據，能夠合理的運用時間結果評估工作人員及旅客安全退避的距離。本發明所採用的技術方案如下一種列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法，其特徵在於所述確定方法包括於實車實驗中採用全尺寸人體模型，測量列車風作用下位於測試點的人體模型承受的氣動力，監測列車風中的點速度及壓力隨時間變化情況，並獲得人體模型主要部位在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。具體的講，所述人體模型為l:l比例的蹲位、站立人體模型，所述人體模型採用面迎氣流方式設置在列車側向位置。一實施方式中，所述確定方法進一步包括將人體模型固定於一測力天平上並處於懸空狀態；當列車通過時，人體模型受到的氣動載荷作用在測力天平上，得到人體模型在列車風作用下的氣動力；利用熱線風速儀和動態壓力傳感器測定列車風中的點速度及壓力隨時間變化情況；在人體模型胸部和耳部安裝動態壓力傳感器，測量人體模型主要部位在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。另一實施方式中，所述確定方法進一步包括將站立的人體模型和蹲立的人體模型分別置於不同測試點，進行不同測試點的各人員位置情況模擬；所述不同的測試點包括於列車側距不同的測試點，和站臺、橋頭、線路不同列車側環境的測試點。再一實施方式中，所述確定方法進一步包括根據測定的人體模型氣動力值和瞬態壓力衝擊值，與允許的人體氣動力值和瞬態壓力衝擊值進行比較，確定相應環境下側向人員的安全退避距離。一種列車風作用下側向人員安全退避距離的測試系統，其特徵在於所述測試系統包括人體模型，懸空設置於測力天平上，測力天平置於列車線路側向的測試點上；測速裝置和風速測試儀，設置於測試點處，測定列車通過測試點的速度和測試點的列車風壓力；動態壓力傳感器，設置於人體模型的胸部和耳部，測定人體模型主要部位在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。具體而言，所述人體模型包括1:1的全尺寸站立人體模型和1:1的全尺寸蹲立人體模型，所述人體模型採用面迎氣流方式設置在列車側向位置；所述測試點位於列車線路側向的不同測距處，所述測試點包括位於站臺、橋頭、線路不同列車側環境位置的測試點。一實施方式中，所述測試系統進一步包括數據採集系統，所述數據採集系統通過信號放大器連接測力天平和動態壓力傳感器，所述數據採集系統還連接設置測速裝置和風速測試儀，所述測速裝置為紅外觸發測速儀，風速測試儀為熱線風速儀；一微機數據處理系統連接所述數據採集系統並進行採集數據處理。另一實施後方式中，所述測試系統進一步包括風速及動態壓力測量座，與人體模型沿面迎氣流方向錯開設置，該風速及動態壓力測量座的於人體重心高度位置設置兩測量支架，兩測量支架上分布設置熱線風速儀探頭和一動態壓力傳感器。所述測力天平為六分量測力天平；所述壓力傳感器為壓阻式動態壓力傳感器。列車風作用下側向人員安全退避距離的確定方法通過釆用全尺寸人體模型，於實車實驗條件下，通過人體模型氣動力測量、熱線風速儀風速測量、動態壓力測量以及列車運行速度測量，實時獲得較為準確的不同環境測試點的列車風作用下人體模型承受的氣動力、列車風的速度及壓力變化，以及人體模型在列車風中受到的瞬態壓力衝擊數據，可以客觀和真實的評價列車側向人員於不同環境下的安全退避距離，其測試結果與數值計算結果有較好的一致性，能從定量上分析得到了人體模型受到的氣動力及列車風風速和風壓與列車運行速度及距列車側向距離的變化規律，為正確評價安全退避距離提供精確實驗依據。本發明的有益效果在於，該列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法及測試系統能夠正確地評價列車側向人員安全退避距離，其通過人體模型和實測試驗，系統且科學的測定了列車風對站臺上及道旁人員空氣動力作用的影響，為高速列車運行的安全評估提供精確的數字依據，能夠合理的運用時間結果評估工作人員及旅客安全退避的距離。該測試系統結構設計合理，能夠有效消除各種因素的幹擾，得到合理且精確的測試結果。下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的闡述。圖1是本發明具體實施方式中測試系統的設置示意圖2是本發明具體實時方式中測試系統的測量裝置組成框架圖。具體實施例方式該列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法系採用人體模型研究列車風對站臺上及道旁人員空氣動力作用的影響，評估工作人員及旅客安全退避距離的合理性；其還可測定高速列車與其它列車交會時，相互作用的壓力衝擊波幅值，為高速列車的安全評估提供依據；其能夠測定列車風作用下人體模型承受的氣動力；監測列車風的速度及壓力變化；以及人體模型在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。因人體受到的氣動力與人體特徵尺寸有關，正常體形下，人體越高、受力越大。因此，該列車風作用下側向人員安全退避距離的測試系統採用1:1的全尺寸人體模型，人體模型的著裝和擺放角度均應從所受氣動力最大來考慮，本實施方式採用站立人體模型均採用面迎氣流方式。因此根據GB1000—88《中國成年人人體尺寸》，確定選用的人體模型尺寸為身高1.77m、肩寬0.47m。人體蹲立模型的尺寸為高1.2m、肩寬0.47m，以測量人體下蹲情況下所受的氣動力。如圖1所示，測力天平23安裝於一支架上，人體模型固定在測力天平上，既不與支架接觸，也不與地面接觸，處於懸空狀態。測量時，將人體模型置於線路10側，當列車通過時，人體模型受到的氣動載荷作用在測力天平上，即可通過數據採集系統和微機數據處理系統得到人體模型在列車風作用下的氣動力。風速及動態壓力測量座22與人體模型沿面迎氣流方向錯開設置，該風速及動態壓力測量座的於人體重心高度位置設置兩測量支架，兩測量支架上分布設置熱線風速儀探頭和一動態壓力傳感器，以測定列車風中某些點速度及壓力隨時間變化情況。列車風是一種瞬態流動，當列車高速通過時，處於列車風影響範圍內的人員會感受到突然的壓力衝擊，因此，測定列車風對人體造成的這種壓力衝擊也是制定人體安全退避距離所要考慮的因素之一。該測試系統在人體模型的的胸部(前胸和後背處)、耳部分別安裝動態壓力傳感器，以測量出人體模型主要部位在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。列車風實車試驗是在地面進行，只要有列車通過就可測量，因此，對列車風的測量可與其它試驗同時開展，互不幹擾，這樣就要求地面測試系統必須能實時測定列車運行速度，同時為有效捕捉列車風信息和準確測量人體模型在列車風中受到的氣動力與列車相對位置之間的關係，整個測試系統採用帶負延時的自動觸發裝置。如圖2所示，測試系統包括人體模型氣動力測量、熱線風速儀風速測量、動態壓力測量以及列車運行速度測量。數據採集系統分別通過信號放大器連接測力天平和動態壓力傳感器，數據採集系統還連接設置紅外觸發測速儀和熱線風速儀；一微機數據處理系統連接數據採集系統並進行採集數據處理。9紅外觸發測速儀由兩套紅外光電開關、採集裝置及微機組成。用於測量列車運行速度，併兼作測試系統的觸發裝置。紅外光電開關由紅外探頭和信號放大器組成。紅外探頭髮射並接受反射回來的紅外線，反射紅外線的強弱與紅外探頭距其正前方物體的距離有關。通過調節紅外光電開關發射紅外線的強度和接受靈敏度，可使其探測到一定距離範圍內的物體，產生一開關輸出信號。當列車通過時，列車頭部分別在不同時刻經過兩個水平安裝的紅外光電開關，數據採集儀記錄下通過各光電開關的時間，由於兩紅外光電開關水平距離已知，這樣便可計算出列車運行速度。如圖1所示，為測試站臺環境下人員在列車風中的受力情況，本實驗在試驗鐵路線側面搭建了一個模擬站臺20，該模擬站臺邊緣距軌道中心為2.5m。以列車運行方向離模擬站臺前緣3.0米、5.5米分別安置兩個站立人體模型，此兩位置儘管受站臺繞流影響風速稍偏高，但風速較為穩定。熱線風速儀探頭支架安放在兩人體模型中伺，在大部分試驗工況下熱線風速儀探頭支架和兩人體模型三者互相交錯排列，以避免模型之間流場相互幹擾。紅外觸發測速儀21位於站臺內側的角落位置本次試驗測點布置是按人體距標準站臺邊緣的距離進行布點。沿列車側向距標準站臺邊緣1.5m、2m、2.5m位置分別布置3組測點；在一橋頭上距軌側2.0m、2.5m布置了兩組測點；線路邊距軌側2.5m、3m位置分別布置了2組測點。將蹲位人體模型30置於線路旁，以檢驗線路維修人員在應急狀態(如列車駛近時)的安全特性，距軌側分別為2.5m和3.0m位置布置了兩組測點。將風速及動態壓力測量座固定在相應工況測量位置，分別測量該位置列車風風速及壓力的變化情況。為避免人體模型對測量的幹擾，試驗時風速與動態壓力測量座與人體模型交錯排列。本次試驗使用的測力天平為六分量測力天平，能夠測量人體模型受到縱向力Z、側向力X、升力Y、側傾力矩Mz、傾覆力矩Mx和扭轉力矩My。動態壓力傳感器可測量壓力隨時間的變化。本次試驗使用的壓力傳感器為壓阻式動態壓力傳感器，其靈敏度高，穩定性好，本試驗數據將以目前我國提出的判別標準及"暫規"中制定的站臺及線路旁人體安全距離作為依據，評判列車側向安全退避距離的合理性。首先，本試驗就某一列車運行速度為162km/h時，同一測試點的測力天平的試驗結果進行多次測量，測量結果如表l。表1測力天平重複性測量結果測試點縱向力(N)側向力(N)升力(N)傾覆力矩(N.m)側傾力矩(N.m)扭轉力矩(N.m)第一次測量26.818.514.912.37.24.2第二次測量27.120.615.710.18.22.2第三次測量27.622.316.29.79.33.2從表1可以看出同種試驗工況下，同一測力天平試驗結果相差較小，說明該測試系統具有較好的重複性，試驗結果可靠。運用該測試系統和確定方法，對人體模型在列車通過時的各項數據進行測定，得到列車通過區主要試驗測試點的測力天平和熱線風速儀及動態壓力傳感器的測試結果，即表2和表3，所取結果為列車頭波中幅值較大的數值。表4列出了本次試驗列車尾流影響區主要試驗測試點的測力天平的測試結果。由於安全退避距離評判標準只有氣動力和風速標準因此，各表中只列出了六分量天平三個氣動力測量結果。車速(km/h)測點位置(m)縱向力(N)側向力(N)升力.(N)合力(N)160站臺A1.529.223.720.142.6站臺B1.527.120.615.737.5180站臺A2.016.411.416.025.6站臺B2.023.515.612.430.8200站臺A2.035.519.833.652.7站臺B1.547.626.538.366.6210線路A蹲2.529.615.37.934.2線路B2.537.824.429.053.5220線路A蹲3.017.611.69.423.1線路B3.033.814.519.341.5230橋上B2.044.033.514.957.3240橋上B2.531.931.515.347.4250站臺A1.582.258.953.9128.5站臺BL579.966.741.0m.9表2列車通過區主要測試點的測力天平測試結果"A蹲2.5"表示人體模型為蹲立位，測力天平距基準2.5米;"線路B2.5"表中模型位於距外軌2.5m的線路旁；"橋上B2.0"表中模型位於距外軌2.0m的橋上；表中模型姿態未註明時均為站立姿態。①②③④:仏12表3列車通過區主要測試點的熱線風速儀及壓力傳感器測試結果tableseeoriginaldocumentpage13表4列車尾流影響區主要測試點的測力天平測試結果tableseeoriginaldocumentpage14根據上表和目前我國提出的判別標準及"暫規"中制定的站臺及線路旁人體安全距離作為依據，可以科學的評價列車側向人員的安全退避距離。權利要求1.一種列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法，其特徵在於所述確定方法包括於實車實驗中採用全尺寸人體模型，測量列車風作用下位於測試點的人體模型承受的氣動力，監測列車風中的點速度及壓力隨時間變化情況，並獲得人體模型主要部位在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。2.根據權利要求1所述的列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法，其特徵在於所述人體模型為1:1比例的蹲位、站立人體模型，所述人體模型採用面迎氣流方式設置在列車側向位置。3.根據權利要求1所述的列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法，其特徵在於所述確定方法進一步包括將人體模型固定於一測力天平上並處於懸空狀態；當列車通過時，人體模型受到的氣動載荷作用在測力天平上，得到人體模型在列車風作用下的氣動力；利用熱線風速儀和動態壓力傳感器測定列車風中的點速度及壓力隨時間變化情況；在人體模型胸部和耳部安裝動態壓力傳感器，測量人體模型主要部位在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。4.根據權利要求1所述的列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法，其特徵在於所述確定方法進一歩包括將站立的人體模型和蹲立的人體模型分別置於不同測試點，進行不同測試點的各人員位置情況模擬；所述不同的測試點包括於列車側距不同的測試點，和站臺、橋頭、線路不同列車側環境的測試點。5.根據權利要求1所述的列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法，其特徵在於所述確定方法進一步包括根據測定的人體模型氣動力值和瞬態壓力衝擊值，與允許的人體氣動力值和瞬態壓力衝擊值進行比較，確定相應環境下側向人員的安全退避距離。6.—種列車風作用下側向人員安全退避距離的測試系統，其特徵在於所述測試系統包括人體模型，懸空設置於測力天平上，測力天平置於列車線路側向的測試點上；測速裝置和風速測試儀，設置於測試點處，測定列車通過測試點的速度和測試點的列車風壓力；動態壓力傳感器，設置於人體模型的胸部和耳部，測定人體模型主要部位在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。7.根據權利要求6所述的列車風作用下側向人員安全退避距離的測試系統，其特徵在於所述人體模型包括1:1的全尺寸站立人體模型和1:1的全尺寸蹲立人體模型，所述人體模型採用面迎氣流方式設置在列車側向位置；所述測試點位於列車線路側向的不同測距處，所述測試點包括位於站臺、橋頭、線路不同列車側環境位置的測試點。8.根據權利要求6所述的列車風作用下側向人員安全退避距離的測試系統，其特徵在於所述測試系統進一步包括數據採集系統，所述數據採集系統通過信號放大器連接測力天平和動態壓力傳感器，所述數據採集系統還連接設置測速裝置和風速測試儀，所述測速裝置為紅外觸發測速儀，風速測試儀為熱線風速儀；一微機數據處理系統連接所述數據採集系統並進行採集數據處理。9.根據權利要求6所述的列車風作用下側向人員安全退避距離的測試系統，其特徵在於所述測試系統進一步包括風速及動態壓力測量座，與人體模型沿面迎氣流方向錯開設置，該風速及動態壓力測量座的於人體重心高度位置設置兩測量支架，兩測量支架上分布設置熱線風速儀探頭和一動態壓力傳感器。10.根據權利要求6所述的列車風作用下側向人員安全退避距離的測試系統，其特徵在於所述測力天平為六分量測力天平；所述壓力傳感器為壓阻式動態壓力傳感器。全文摘要列車風作用下側向人員安全退避距離確定方法及測試系統，所述確定方法包括於實車實驗中採用全尺寸人體模型，測量列車風作用下位於測試點的人體模型承受的氣動力，監測列車風中的點速度及壓力隨時間變化情況，並獲得人體模型主要部位在列車風中受到的瞬態壓力衝擊。本發明能夠正確地評價列車側向人員安全退避距離，其通過人體模型和實測試驗，系統且科學的測定了列車風對站臺上及道旁人員空氣動力作用的影響，為高速列車運行的安全評估提供精確的數字依據，能夠合理的運用實驗結果評估工作人員及旅客安全退避的距離。該測試系統結構設計合理，能夠有效消除各種因素的幹擾，得到合理且精確的測試結果。文檔編號G01M9/00GK101650255SQ20091016998公開日2010年2月17日申請日期2009年9月14日優先權日2009年9月14日發明者輝劉,劉堂紅,熊小慧,田紅旗,平許,魯寨軍申請人:中南大學