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车体气密性、侧墙刚度与车内外压力变化关系及

  车体气密性、侧墙刚度与车内外压力变化关系及旅客舒适性评价研究-载运工具运用工程专业毕业论文.pdf

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  摘 要 车外空气压力变化传入车厢内将严重影响旅客乘坐舒适性,国 内外研究者将这一问题归咎为车辆气密性,国外高速列车发达国家 对高速列车车厢气密性做出了非常严格的要求,致使车辆制造成本 大幅度提高,尽管如此,这一问题并没有得到有效缓解。此外,车 外压力变化环境下车厢内的压力变化还与车体侧墙刚度有较大关 系,如果一味追求车厢气密性,而忽视车体刚度的影响,将达不到 预期效果。为满足旅客乘坐舒适性要求,需要研究车内空气压力变 化的影响因素及其相互关系。 研建了一套交变压力模拟实验装置;制作了一批不同气密性、 不同刚度的车体模型;通过模型试验与数值模拟计算相结合的方法 得到以下结论: (1)外界气压变化环境下,车内压力变化率与车体 气密性(泄压时间)、车外压力变化幅值之间的定量关系; (2)外 界气压变化环境下,车内压力变化率与车体侧墙刚度、车外压力变 化幅值之间的定量关系;(3)外界气压变化环境下,车体气密性(泄 压时间)、车体侧墙刚度、车内压力变化率及车外压力变化幅值四 者之间的定量关系。通过实车试验,初步验证了2006年我国提出的 铁路客车人体舒适度准则建议值较合理。 以上这些结论的得出,为提出一种符合我国国情的全新的提速、 高速及磁浮列车车体气密性检验标准提供了科学依据。 关键词:车体气密性,车体刚度,空气压力,舒适性 ABSTRACT Thecomfortablenessof isaffected whentheair passengers seriously outsidethevehicleentersintothe pressurechanges carriage.The domesticand researchersconsiderthatthe iscaused foreign question by theair ofthevehicle.Inthe train havebeen tightness highspeedcarriage hadcausedthecostofvehicles torise made,which production oftheair hadnotbeen remarkably.However,theproblem tightness the alleviated ofair inside changepressure effectively.Furthermore,the vehiclehas relationswiththevehicle in of larger rigidity,ifonlypursuit theair ofthevehiclewhile theinfluenceofthevehicle tightness ignores factors effectwillnotbeachieved.Theinfluence rigidity,theanticipated andtheircorrelationofthe insidethevehiclewillbe pressurechange studiedinorderto the ofthe satisfyamenitypassengers. air an devicefor altemate Designed simulating pressure experiment air and the andsomevehiclemodelswithdifferent tightnessrigidity;by ofmodel thenumericalsimulation method and calculation, experiment obtainstheconclusionsasfollow:(1)Thequantitativerelationship the of air rateof and amongtightness、thepressurechange amplitude whentheoutside pressurechange pressurechanges;(2)Thequantitative sidewall、therateof the of change relationshipamongrigidity pressure the of whentheoutside andamplitude pressurechanges; pressurechange sidewall、air betweenthe of (3)Thequantitative rigidity relationship rateof andthe of pressure tightness、thepressurechange amplitude n the whenoutside realtrain change pressurechanges.By testing,the valueof that forwardour rule suggest passengeramenity put by country in2006is tobe provedappropriate. Theseconclusionswill thescientificbasisforthevehicle provide standardconformedtoournmionalconditionofthe testing speed—up trainandthe train,high speed maglev. KEYWORDS:airofthecar ofthevehicle tightness body,therigidity body,airpressure,amenity III 原创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证 书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 作者签名: 丛塾!窆 日期:丛业月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论 文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文;学校可根据国家或湖南省有关部门规定 送交学位论文。 作者签名l鱼垒!塾丛导师签名: 亟±堂丝途塞 蓥二童绫迨 第一章 绪论 1.1选题背景及意义 安全、快捷、舒适是现代轨道交通追求的三大目标。当列车(包括磁浮列车) 通过隧道和在隧道内交会时,将产生较大的空气压力变化,此压力变化传入车 厢内会引起旅客耳鸣、恶心、呕吐等现象,给旅客乘坐舒适性带来严重影响, 国内外研究者将这一问题归咎为车辆的气密性。因此,国外高速列车发达国家 对高速列车车厢气密性做出了非常严格的要求,致使车辆制造成本大幅度提高, 尽管如此,这一问题并没有得到有效解决【卜4】。经实地考察【51,法国的TGV高速 列车在通过地下隧道进入巴黎车站过程中,车厢内的气压变化非常明显,由12 人组成的考察团成员均有不同程度的耳鸣和恶心感觉,有两人出现了轻度呕吐。 日本新干线年在我国西南地区列车提速试验中, 尽管列车最高运行速度不高(如南昆线km/h),且试验列车由气密性较 好的提速客车组成,但大部分参试人员在列车过隧道过程中均感到由气压变化 造成的明显不适【12-13】。 除车体气密性之外,车内压力变化还与哪些因素有关?为研究这一问题,在 2002年11月进行的“中华之星”高速列车空气动力学实车试验中,对列车交 会引起的车外压力变化传入车厢内的压力变化幅值进行了测量。在“中华之星 车厢内用六个动态传感器布置成如图1.1所示的六面体形状,并将其置于车窗 附近(如图1.2),以测定测点位置上、下、前、后、左、右的压力变化,表1.1 列出了不同速度下列车交会引起的车内压力变化情况。 图1.1中华之星车内传感器布置方式示意图 图1.2中华之星车内传感器布置位置 亟±堂僮途塞 箜二童绪途 表1.1车厢内部压力变化 中华之星号列车车厢内压力(Pa) 序 交会车型及 号 速度(krn/h) 正对 背对 朝上 朝下 朝前 朝后 玻璃 玻璃 1 中222/准16019 24 56 10 24 1l 2 中260/准16013 24 43 16 19 9 3 中271/先17915 23 50 15 18 10 4 22 28 69 24 25 ll 中280/先200 从表1.1可以看出,车厢内压力变化与动态压力传感器的放置方位有关, 在置于“中华之星车内的六个动态压力传感器中,正对交会侧车窗玻璃方向 的传感器感受的压力最大,其幅值是其他方向的2--4倍。这--N试结果说明列 车车厢内压力变化不但与车厢气密性有关,还与车内、外压差引起的车体变形 有关【14】。 2003年7月进行的上海磁浮列车空气动力学性能试验【15.161,也证实了上述 结论。当两列磁浮列车以430km/h速度交会时,车厢内连续产生两声空气爆鸣 声,经现场测试,由于交会空气压力波的作用,磁浮列车车体侧墙产生了高达 9mm的单向变形。由此证明车外压力变化时,车厢内的压力变化与车体侧墙刚 度有较大关系,如果一味追求车厢气密性,而忽视车体刚度的影响,将达不到 预期效果。 对车体刚度而言,目前国内外车体检验标准中只对涉及承载后车辆运行安 全性的车体垂向弯曲刚度和扭转刚度进行试验,而对车体侧墙刚度没做出任何 明确规定。 1.2国内外研究现状 1.2.1压力波对旅客舒适性影响研究 随着列车运行速度提高,列车过隧道引起的空气压力变化传人车厢内给乘 客造成的不舒适程度增加。为了解气压变化对人体舒适性的影响,英国、日本、 德国等高速列车发达国家对此开展了大量研究【18‘261。目前气压变化环境下人体 舒适度评价有两种方法,一种是从压力变化幅值和压力变化率两个指标来进行 评估;另一种是考核某一时间段内的压力变化幅值,这一时间段是根据人耳对 2 亟±堂位途塞 筮=重缝途 外界气压变化完成自我调整所需时间来确定的。世界各国根据自己的试验研究 结果、线路条件等,制定了不同的人体舒适度评价标准。 日本 日本于1964年研制第1条高速铁路线时,不仅考虑了流线型的列车头部 及外形,而且已开始注意到列车进入隧道的压力变化及其对旅客的舒适度影响 问题。为此,1966年,日本在日立制作笠原工厂建立了气密实验室。该实验室 既可进行交变压力作用下的耐压疲劳强度试验,又可进行多种车辆的气密性试 验。通过大量压力变动与耳鸣关系的试验结果,得出了耳感舒适度临界曲线),并提出了JNR新干线人体舒适度评价标准:最大压力变化幅值为 1000Pa,最大压力变化率为300Pa/s[27-29】。 O O O l_1.蚕\■譬缸奈篷 O 压力,H,{I 图1-3耳感舒适度曲线年代初期,英国为满足新一代列车在新电气化的西海岸干线高速运行的 需要,提出了气密性的要求。英国在Derby的铁道研究所建造了一个瞬变压力 实验室,用于研究人对瞬变压力的反应。在实验室内,不仅可以测试人耳对某 一个压力变化量或压力变化率的感觉,而且可以模拟乘客在整个旅行过程中入 耳感受到的空气压力变化的舒适性感觉。该试验室已进行了多种试验,为了解 压力变化对人耳舒适感觉的影响提供了最全面、可靠的资料。并在此基础上, 广泛地进行了国际间的共同研究,制定了自己的标准:4s内最大压力幅值为4000 Pa。该标准适用于所有英国铁路,4s大致相当于完成耳膜压力调整所需的时间, 因此,像英国这样规定一段时间内压力变化最大值似乎更有生理学的基础。 德国 80年代初期,原联邦德国决定建设新的高速铁路网(NBS)。根据在英国 Derby实验室进行的模拟不密封客车在NBS线上运行的压力舒适性试验结果, 亟±堂熊迨塞 筮二重绪途 原联邦德国决定在新的高速线上采用气密性客车,另外,又考虑到NBS线与日 本新干线类似,线路中隧道所占比例较大,故决定采用日本的人体舒适度评价 标准:最大压力变化幅值为1000Pa,最大压力变化率为200Pa/s,并允许将200 300Pa/s--一400Pa/s[29。o】。 Pa/s的限带0放宽至0 美国 美国运输部UMTA建议的人体舒适度评价标准为1.7s内最大压力变化幅 值为700Pa,最大压力变化率为410Pa/s。 在此期间,意大利、荷兰、前苏联、法国等都积极开展了一系列试验,对 车辆气密性的技术要求和指标进行了研究。 在我国,自广深线准高速列车开行以来所带来的气密性问题,给了我们一 些感性的认识。许多专家学者已开始研究高速列车的气密性问题,试图通过试 验研究来确定高速列车必要的人体舒适度评价标准,但实质性的进展不多。2005 年5月,我国第一次进行了200km/h等级遂渝线隧道空气动力学试验。在该试验 基础上,参考国外标准于2006年对列车过隧道时车厢内气压变化提出了初步考 核意见:单线车体气密性研究 为了减少压力波的影响,保证旅客的舒适度,国外高速列车发达国家对高 速列车车厢气密性做出了非常严格的要求,制定了气密性试验标准用于指导客 车的制造。测定车辆气密性的方法有2种:一种是恒压法,一种是减压法。恒 压法即车体内部加压,在充入的计量空气与车体漏气量之间可以建立起所需要 的压力平衡,计量空气的流量就是车体的漏气量,充气量越小,气密性就越好; 减压法即车体内部加压,一直到建立其预定的压力为止,然后关闭进气阀,内 部即衰减,测定从预定的高压压力值降到低压压力值所需要的时间,时间越长, 气密性就越好。目前普遍采用的方法是减压法,即向封堵后的车厢内充气至一 定压力,然后自然泄压,以泄压前后的时间差(简称泄压时间)来衡量车辆的 气密性。国外高速列车发达国家对泄压时间的规定差异很大,采用的研究方法 为类比法,如德国在制定高速列车车厢气密性技术条件时,首先选定若干经实 际运营考核的车辆,这些车辆在一般的车外压力变化情况下,基本满足车内乘 客的舒适性要求,然后采用人工加压法,测量车辆的泄压时间,以平均泄压时 间乘上一个修正系数作为制定车体气密性技术条件的依据【32刁引。 各国制定泄压时间的基准不一致,相互间无法比较,故引入“气密性常数。 假如在车厢内造成一种正压力或负压力后,车内压力会以近似指数函数变化使 4 亟±堂僮途塞 箍二童绪途 车内外压力趋于平衡,见图1-4.气密性常数定义如下【37】: f:旦 dpldt 式中卸一内外压力差;dpldt一内部压力变化梯度. 一辆车的静态值f可相对简单地用下式计算: f:——jl_ (1.1) h11(ap,/Ap2) 式中,一时间;ap,一开始时的压力差;锄一结束时的压力差。 而fiIf。。气密性常数越大,车体的气密性越好。 时阃tls 图1-4压力变化与变化时间的关系曲线 日本、德国制定的气密性试验标准如下: 日本 t≥50s,相当与f≥36s。 时间不少于40s,即泄压时间t≥40s,相当与f≥29s 德国 t≥50s,相当与f≥36s。 t≥36s,相当与f≥29s 由于类比法研究结果主要是针对被试车辆得出的,对不同车辆而言,其通 用性较差,再加之修正系数纯属经验值,因此德国提出的ICE车体气密性标准 中,特别注明其检验指标有待验证。 我国对高速轨道交通的研究起步较晚,铁路行业中实行的相关标准均参考 亟±堂僮途塞 筮=童缝途 以上速度级列车密封设计及试验鉴定暂行规定》中要求:整车落成后的密封性 该标准小于日本新造车的标准)。此规定值是否符合我国国情(指我国机车车辆 生产及现有车辆状况、铁路线路包括隧道状况以及我国人口对气压变化的敏感 程度等)亟待研究。 1.2.3存在的问题 国内外对影响旅客乘坐舒适性的车内压力变化问题的研究,存在两大问题: 一是当车外压力变化时,只考虑了气密性对车内压力变化的影响,忽视了车体 侧墙刚度的影响;二是仅采用类比法研究气密性对车内压力变化的影响,研究 结果存在两方面不足,一方面类比法很难得到车体气密性与车内压力变化幅值 之间的定量关系;另一方面由于研究过程中没有考虑车辆侧墙刚度的影响,类 比法研究结果很难得到推广。 随着我国旅客列车进一步提速和新型、快速轨道交通的发展以及人们对乘 坐舒适性要求的提高,由此引发的矛盾将进一步加剧。本课题就是在这样的背 景下提出的。课题研究得到了国家自然科学基金委的资助,项目编号为: 301102603。 1.3本文研究目的、研究方法和研究内容 1.3.1研究目的 结合前面的选题背景和研究意义,本论文研究目的为: (1)得到车体气密性(泄压时间)、车体侧墙刚度与车内、外压力变化幅值及 变化率之间的定量关系; (2)为提出一种符合我国国情、全新的提速、高速及磁浮列车车体检验标准提 供科学依据。 1.3.2研究方法 本项目拟采用实验研究与数值模拟计算,实车试验相结合的方法进行。 6 亟±堂僮途塞 筮二童缝途 1.3.3研究内容 本文研究内容有: (1)车体气密性(泄压时间)与车内、外压力变化幅值及变化率之间关系的研 究; (2)车体侧墙刚度与车内、外压力变化幅值及变化率之间关系的研究; (3)车体气密性(泄压时间)、车体侧墙刚度与车内、外压力变化幅值及变化 率之间关系的研究。 (4)旅客乘坐舒适性评价研究。 本论文分六章对上述内容进行了细致的研究: 第1章绪论 介绍本论文的选题背景及意义、国内外研究概况、研究目的、研究方法和 研究内容。 第2章交变压力模拟实验装置研建 介绍了交变压力模拟实验装置的工作原理,以及对装置的检验。 第3章模型车体设计 介绍了大刚度非密封模型,小刚度密封模型,小刚度非密封模型车体的设 计过程。 第4章车体气密性、侧墙刚度与车内、外压力变化关系研究 介绍了车体气密性与车内、外压力变化之间的关系:侧墙刚度与车内、外 压力变化的关系;车体气密性、侧墙刚度与车内、外压力变化四者之间的关系。 第5章旅客舒适性实车试验研究 介绍了通过实车试验得到了适合我国的人体舒适性标准。 第6章结论 总结了本文的主要研究结果,及个人体会。 7 亟±堂僮途塞 筮三童銮变压左搓型塞墅装量婴建 第二章交变压力模拟实验装置研建 本项目主要采用模拟实验方法来研究车体气密性(泄压时间)、车体侧墙 刚度与车内、外压力变化幅值及变化率之间的关系,因此在研究前期需要研建 一套交变压力模拟实验装置,该模拟装置可以模拟列车过隧道以及交会时的外 界空气压力状况,即能够实现连续、快速、高幅值的空气压力变化,对空间压 力进行快速、准确的测量,同时能够对测量数据进行采集、回放、剪辑和简单 时域分析。 2.1交变压力模拟实验台设计 2.1.1交变压力模拟实验台原理 交变压力模拟实验台原理:如图2.1所示,将被试车辆缩比模型固定在密 闭室2中。密闭室一端为密封门,另一端是可调节截面积的活塞。活塞一端与 密闭室相连,另一端连接在曲柄连杆机构上。电动机6通过调速装置5(见图 2.3)带动曲柄连杆机构运动,曲柄连杆机构则带动收缩节左右往复运动,使得 密闭室的容积反复发生变化。由气体状态方程可知,密闭室内空气压力将反复 发生变化。调节曲柄连杆机构转速可控制压力变化频率,调节偏心轮的偏心距 密闭室调压装置6的开度可控制压力变化的幅度(见图2.4)。这样就可以模拟 车辆外部空气压力的变化情况。 I l一制制喃哟,。一荔孤 —f 糙孜 _扫、\颦一7/ ∥ 上∥ll* 、 卿\ 乙 \ l ——————1产1I 博已 粥一匹艮圈二 .兰必 盯≮ 骂 T 一, r¨●41,I_ 图2.1交变压力模拟台示意图 1.基座2.密闭室3.活塞4.曲柄连杆5.调速装置6.电动机 8 亟±堂僮途塞 箜三童童变匮杰撞型塞堕苤量婴建 图2-2交变压力模拟台实物图 图2-3电机调速装置 图2.4可调节偏心距的偏心轮 2.1.2交变压力模拟实验台主要参数 交变压力模拟实验台的主要设计参数见表2.1。实验台的密闭室是一个长方 体结构,尺寸如图2.5所示。容积为81L,可变化的最大容积为13.5L。电动 机采用电磁调速电动机,总功率为5kW。试验台的压力变化范围的设计值为± 7000Pa,变化频率为1~50Hz。 图2—5密闭室尺寸图 9 表2.1交变压力模拟实验台的参数 序号 参数名称 参数 序号 参数名称 参数 1 总容积 81升 2 可变化的容积 13.5升 3 4 压力变化范围 ±7000帕 压力变化速率 1~50次/秒 5 总功率 5千瓦 l 2.2实时测量采集装置 2.2.1实时测量采集装置原理图 在进行车体气密性,车体侧墙刚度与车内,外空气压力变化关系研究的实 验过程中,需要设计一套实时测量采集装置,用来实现对交变压力模拟台内的 压力变化进行实时测量及采集。该装置的原理图如图2.5所示:实验台内的空 气压力变化通过传感器转化为电压信号然后传入放大器进行信号放大,再从放 大器传出经A/D转换器传入计算机,通过计算机上的一套数据采集分析软件进 行数据的采集存储并分析。 计算机 叮茎』 业 业 屡 数据分析系统 图2.5压力测量采集系统原理图 2.2.2传感器的标定 本次试验使用的压力传感器为动态压力传感器量程有5kPa和25kPa两种, 采用美国库利特公司高性能压阻式压力传感器机芯,其灵敏度高,稳定性好。 传感器的外形轮廓如图2-6所示,具体参数见表2—2。该种传感器体积小,对测 点周围流场的干扰极小,能得到高精度测试结果。 lO 亟圭堂焦途塞 箍三重窒变压力夔赵塞殓薹重班蕉 (a)5kPa (b)25kPa 图2-6压阻式传感器外形轮廓图 表2-2传感器参数 序号 项目名称 指标 序号 项目名称 指标 1 量程 25kPa 5 精度 0.5%FSO 2 6 灵敏度 lO~15mVⅣ 补偿范围 .18℃~93℃ 3 桥压 lOV 7 温漂 2.5%FSO 4 满量程输出 200mV 8 热灵敏度变化 3% 为确保传感器状态良好,在使用前必须进行静态特性标定和动态特性标定。 (1)传感器静态特性标定 传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间 所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间的关 系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横 坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。传感器的静态 特性标定比较容易实现,其标定装置如图2.7。通过调节微压计输入一组压力值, 然后通过数据采集系统得到一组相应的电压值,通过这两组数据绘制电压.压力 曲线,然后用最小二乘法拟合得到直线方程: Y=mx+n (2—1) 式子中m就是传感器标定系数。 压 力 传 感 器 图2.7传感器标定框图 图2-8就是10003号传感器在标定时,通过最d--乘法拟合得到的电压.压力曲 线 一 1500 e 1000 S 坩 500 0 0 l 2 3 ‘ 5 电压(v) 图2.8传感器标定的最小二乘法拟合曲线图 通过上述方法对所有传感器进行标定,标定结果见表2.3 表2-3传感器标定结果 标定系数 标定系数 序号 传感器号 序号 传感器号 (Pa/mv) (Pa/mv) 1 10003 510 10 2 10004 522 1l 5020274 2569 3 10006 531 12 4 10007 524 13 5020276 2575 5 10009 542 14 6 100ll 494 15 7 10013 539 16 5020279 254l 8 10014 527 17 9 10015 499 18 12 亟±堂僮论塞 筮三童銮变压左撞型塞坠装量受建 (2)传感器动态特性标定 所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。在实际工作 中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传 感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响 应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定 后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态 特性也常用阶跃响应和频率响应来表示【3s..40]。目前市场上大多数传感器为二阶 传感器,其频率函数及幅频、相频特性如下: 频率函数: (2.2) 幅频特性为: 彳(缈)=1日(jf缈)l_ (2.3) 2((60)2 相频特性为: 纵功一嗍高 (2.4) q 式中 q——系统无阻尼时的固有振动角频率; f——相对阻尼系数。 动态校验的主要目的是检验传感器的动态响应特性,有些厂家在传感器出 厂时并未标明其动态特性,为此,我们研制了一台频率和幅值可调的动态压力 发生器,动态校验框图见图2-9。 多 通 路 接 头 亟±堂焦途塞 筮三童窒变压左搓塑塞坠蕉星珏蕉 通过上述装置,就可得出传感器动态性能对试验结果的影响。 2.2.3数据采集分析软件 MAc6111数据采集系统是一套自主开发的基于工控机的多卡多通道海量 ll 中速数据采集系统。采集卡为Ac61PCI数据采集卡,该采集卡配备了一套新 2.O。该驱动使用了中断及虚拟软件采集方式,采样任务 的驱动和开发包一SDK 的优先级高于其他用户层(rin93)I-_运_行的应用软件,用户的应用层操作将不能 O)的任务,保证了采集程序不间断的运行;在内核中提供了了 影响内核层(ring 约2M 缓冲时间,用户的应用程序只要在5秒内能够及时读取内核缓冲数据,就可以 保证采样的连续性;在采样的同时用户仍可进行其他IO操作,如DA、IO、计 数器等。 内核与应用层数据流向的原理框图如下: 图2-10软硬件结构框图 AD采样数据流程如图2.10所示。当启动采样后,Ac6111采集卡即按用户 设定的采样方式、速率等参数进行采样,数据按时间和通道顺序进入板载FIFO 中;当板载FIFO半满时,产生中断;驱动程序响应中断,将2048个采样点写 入缓冲池。用户应用程序方面随时可以查询采样状态,查看缓冲池中的数据情 况,按需要读取缓冲池中的数据。由于在内核中使用了中断方式,其优先级别 高于其他操作,因此可保证采集卡的采样数据完整的进入rin90层的数据缓冲; 14 亟士学焦论文 第二章交变压左搓型塞验装置研建 开发包,使得该采集卡与以往的Ac6111板卡相比有了较大的改进,用户在进行 采样的同时能够灵活进行其他任务,如显示、数据存盘等,而且对用户编程的 要求也大大降低了。 11 基于Ac61 PCI数据采集卡开发的MAc6111数据采集系统采样通道最多 续采集,能满足多种数据采集场合的需要。该系统包含有数据采集存储软件 mAc61 11和配套的数据分析软件DataAnalysis。 卡可单独设置采样频率,起始通道,输入范围等参数。程序主界面如图2.11所 11数据采集系统配套的数据回放、分析程序,可 示。DataAnalysis是为mAc61 完成数据的采集、回放、剪辑、简单时域分析等功能。程序主界面如图2.12所 示。 1 mAc611 图2.1 1数据采集程序主界面图 图2.12 DataAnalysis程序主界面 2.3.模拟实验装置的检验 在完成模拟实验装置的研制后,需要对实验装置进行检验,来确定该装置 是否达到预期的设计效果。在密闭室的侧壁上钻孔,将传感器安装在上面用来 检测密闭室内的压力变化。传感器安装位置见图2.13。 图2-13传感器安装位王 低通滤波器,为了消除工频干扰,低端截止频率定为50Hz。 在实验台运作过程中采集到的密闭室内的空气压力变化波形图如图2.14所 示。由图2.14可以看出,密闭室内的空气压力变化波形是连续的正弦波,通过 调节电动机的转速可以实现不同的空气压力变化周期,调节偏心轮的偏心距来 调整活塞行程可实现不同的压力变化幅值。 图2.14密闭室内压力变化波形图 具体数据见表2-4。由表2_4可以看出,该装置的最大空气压力变化幅值为 12.6 kPa,比设计值14kPa要小一些,主要原因是密闭室在活塞往复运动过程 中达不到完全密封的效果,存在些许漏气现象。根据以往资料记载,高速列车 在隧道交会过程中产生的最大压力变化幅值为5kPa。因此该实验装置的压力幅 值完全能够满足模拟实验要求。 暖 表2-4不同的压力波形周期以及相应的压力幅值 波形周期Cs) 0.25 0.19 0.15 O.12 O.09 幅值(kPa)3.34 4.89 6.6l 9.07 12.6 为进一步检验该模拟实验装置的性能,以及数据采集结果的可信度,在正 式实验前进行一致性和重复性试验。 (1)一致性试验 在密闭室的顶部,两侧均钻孔装上传感器来检测三个传感器测得的数据是 否一致,测试结果见图2.15。 l I :A ^’ ^ 々 ^ :,、 ,、 ,、: ^, , } j ●¨ ,/卜f r一{ , i ?:、 v 卜: l j嬲- f j . J } j f …: f } l ’I { j一』:l f 卜;一/ f_: / l }.1 ‘’ f } l “’卜 f ·: f 一0}? 。f. }. j卜:.i:一』 f ‘+f }. 。f l 7 ”r I f ’一事;f:㈠’.t、i t }u F ! /.‘,W I f”0;薯曩“-灌洋一一限 BM_IlIIO  /:i V V. V. € ? €  ┃曩 雪 ┃ ┃ ┛ 图2.15一致 几化变力压的内室闭密的到测器感传的向方个三,出看以可61.2图由 力交该过通了证验也时同,的等相是力压的向方个各内室密明说,致一乎 。一的好较有据数的得测置装验实拟模 (2)重复 列数力压的向方个三得测,验试次三了行进nimlr006为速转机电取选 表:表2-5重复性试 ┃传 ┃传 ┃传 ┃ l( ┃ l ┃ ┃第一 ┃ 12. ┃ 12. ┃ 12. ┃第二 ┃ 12. ┃ 12. ┃ 12. ┃第三 ┃12. ┃ 12. ┃ 12.。 ┛ 亟±堂僮诠塞 筮三童銮奎匿左搓塑塞殓苤量婴建 由表2-5可知,三次测量得到的数据基本一致,因此该模拟装置所测得数 据重复性较好。 综上,本项目研制的交变压力模拟实验装置具有如下特征: ①能够实现连续、快速、高幅值的空气压力变化。 ②能够对空间压力进行快速、准确的测量,同时能够对测量数据进行采集、 回放、剪辑、简单时域分析。 18 亟±堂垡途塞 一 筮三童蕉型兰签递进 第三章模型车体设计 3.1模型车体泄压孑L半径与泄压时间关系的数值计算 在车体气密性研究过程中,需要设计一批不同气密性(泄压时间)的车体 模型,不同的泄压时间主要是通过在密闭的模型车上开不同孔径的细微孔来实 现。设计的关键在于确定孔径的尺寸。现通过数值计算来确定泄压时间与孔径 的关系,从而为不同气密性的模型车体的设计提供参考。在进行数值计算时, “ 选用的软件是目前国际上最流行的商业计算流体力学软件FLUENT。 3.1.1基本控制方程 连续性方程[41-45】: 望+塑+望+cOpw:0 (3.1) Ot 0x 0z oy 即: 式中,P表示流体的密度; “、v、w分别表示流体在x、Y、z方向上 的速度; V为速度矢量;,表示时间 运动方程: 三个坐标轴方向具体的运动方程为: X向动量方程 等协(历一∥谚删班一警+咖。谚§ (3.4) Y向动量方程 等+咖(p西一∥谚删V)=一鲁+挑(∥谚雾)(3-5) Z向动量方程 警+咖(p风一∥∥删w)=一鲁+咖。够等)(3-6) 能量方程: 在计算时考虑气体的可压缩性,导热模式采用总能模式,能量方程为: 19 亟±堂焦途塞 复三童撞型奎馇遮盐 状态方程: 本次计算应用的状态方程为: P01-3(型: =—————二- )J 式中,%为参考压力,此处取标准大气压。 R称为气体常数,可由下式得出 。y:上 印一R (3.11) 对空气而言,7:1.4,cp为定压比,定义同上。 湍流模型: 湍流动能k方程: tdCP 掣+访1,(户庇一(∥+鸬Iork)gradk)一Gf1.1、 (3.12, 湍流动能耗散率占方程: 譬+讲Ⅸp废一∽+/z,/a,)grade)={(ClG—C2纠 优 庀 (3.13) 式中G为湍流动能生成项: G=。/Jt(晏+挈)挈 办/ 徼I斑』 (3.14) 上述方程中Cl、C2、6k、6。为经验常数,这四个常数的取值一般为: Cl=1.44, k=1.0,6E=1.3。 C2=1.92,6 采用双方程标准K.e湍流模型时,式中湍流粘性系数由下式确定: 鸬=qpk2居7 (3·15) 式中Cp为湍流常数,本次计算取C一.09。 3.1.2计算模型及边界条件 (1)计算模型 X x 60mm70mm。在模 车体计算模型如图3.1(a)所示,模型尺寸为250mm 型表面开一个圆孔作为泄压孔。面离散时网格采用四边形单元和三角形单元, 三角形单元主要用于离散泄压孔截面,如图3.1(b)所示。体离散时网格采用 亟!:堂位途塞 筮三童燕型生佳这让 结构网格和非结构网格进行混合离散。离散单元总数为3万左右。 (a)车体模型网格示意图 (b)局部放大网格图 图3.1车体模型网格离散图 (2)边界条件 车体泄压的数值模拟计算属于内流场计算,因此计算区域和车体模型尺寸 一致,边界条件的种类也只有壁面边界条件和压力出口条件脚。531。 车体表面均按光滑壁面处理,给定无滑移边界条件,即: (越,%叻坩,,=(O,0,o) 在泄压孔的截面上给定压力出口边界条件,设置出口截面静压相对于参考 大气压为3600Pa,即: P,w=3600Pa 3.1.3模型车体泄压孔半径与泄压时间关系 善 2220 2 图3.2车体模型三个方向截面的应力云图 21 图3—2为车体模型三个方向截面的应力云图。由图3.2可以看出三个截面 上的压力均匀且大小一致,说明模型车体内的压力是均布的,计算时可以选取 车体内任意一点作为车内的压力监控点。 表3.1列出了不同泄压孔截面半径的模型车体车内压力从3600Pa降到 1350Pa所需要的泄压时间的数值计算结果。 表3-1泄压时间的数值计算结果 泄压孔截面半径(mm) O.1 O.2 0.3 0.5 1 泄压时间(s) 41.8 8.3 2.2 1.0 O.16 图3-3-图3.7为不同孔半径时的车体模型泄压时间曲线 2400 ^墨一R咀 R嗵 2000 2000 1600 1500 1200 1200 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.20.40.6 0.8 1 1.21.4 时闭(s) 时闭(s) 图3.3孔半径lmm的模型泄压时间曲线mm斟J模型泄压时间曲线 R蛆 ^3尺蛆 2400 2000 2000 1600 1600 1200 1200 0 0.4 0.0 1.2 1.6 2 2.4 0 l 2 3 4 5 6 T 0 , 时闸(s) 晌(1) 图3.5孔半径0.3mm的模型泄压时间曲线mm的模型泄压时间曲线 诣们踮∞筠柏坫m 1600 0 O 1200 O.5 I 0 5 1015202530a5404S50 泄压孔半径佃-) 时向(1) 图3-7孔半径0.1mm的模型泄压时间曲线泄压孔半径与泄压时间的关系曲线 根据数值计算结果建立泄压时间与泄压孔半径的关系曲线所示。 通过数据拟合,得到泄压时间和泄压孔半径的关系式: Y=0.1583x吨阚 (3.16) 3.2大刚度、非密封模型车体设计 厚为5mm,如图3-9所示。将密封的模型装上传感器,然后放入交变压力模拟 实验台中,检验模型的刚度是否满足大刚度(在实验气压范围内可不考虑车体 刚度的影响)要求。模型车体在模拟台内的具体安装位置以及固定方式见图 3.10。 图3-9不同气密性的大刚度车体模型 图3.10车体模型在模拟台内的安装位置及固定 密封模型车体的内、外压力变化如图3。11所示。 图3-11密封模型丰体内,外压力波形图 由图3-1l可以看出,模型车体内的压力没受到车外压力的影响,始终是一 个定值。说明在实验气压范围内可不考虑车体刚度的影响,即满足大刚度要求, 同时也说明了模型车体的密封性能良好。 制作了五种不同气密性的大刚度车体模型。在车体模型上开细微孔,为测 量其气密性,通过压缩机向车辆模型内冲压,测量车辆模型内压力由3600Pa降 至1350Pa所需时间,微孔孔径参考前面数值计算得出的孔径与泄压时间的关系 式3一16来确定。由于泄压孔孔径比较小,加工时利用激光进行打孔。表3-2为 不同气密性的大刚度车体模型的实际泄压时间和理论泄压时间 表3-2不同气密性的大刚度车体模型的泄压时间 模型序号 1.1 1.2 1.3 I-4 1.5 模型孔径(mm) 0.34 0.28 0.2 0.17 0.12 实际泄压时间(s) 2.1 3.3 7.8 11.6 24.3 理论泄压时间(s) 2.1 3.4 7.6 11.3 26.0 偏差(%) 0.0 -2.9 2.6 2.7 击.0 由表3-2可得,不同孔径的模型的实际泄压时间和理论泄压时间相差较小, 说明通过数值计算拟合的泄压时间和泄压孔半径的关系式比较合理。 图3.12~图3.16为不同气密性大刚度模型车体的泄压时间曲线。 《麓纠 ,、 , 、 +^ 一一, t:慕z.。 Ⅳ }, l I i i 蔗誊警i_i,;i童誊爹 b : …\ ‘々’—‘‘芝、。 踊 ‘ 。 黜 亟±堂僮途塞 墓三童搓型生鲑邀主上 墙、顶部和底面的厚度均为5mm,材料都采用Q235。不同之处在于模型两面 侧墙选用的厚度或材料不同。具体的方案见表3.3。将上述车辆模型分别置于 交变压力模拟实验台中,在不同压力变化情况下进行实验,得到车体侧墙刚度 与车内、外压力变化之间的关

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