專利名稱：基于壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的高速列車模型加速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用壓縮氣體(空氣、氮?dú)饣蚱渌麩o毒的不可燃?xì)怏w)將質(zhì)量較大、尺寸較大的高速列車模型在短距離內(nèi)加速到和高速列車運(yùn)行速度相當(dāng)或更高速度的加速裝置。
背景技術(shù)：
隨著高速列車(時(shí)速270千米以上)在世界范圍內(nèi)的運(yùn)行，研究高速列車運(yùn)行的關(guān)鍵裝置之一是高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置。這種裝置的主要結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分高速列車模型的加速部分、列車模型的測試部分和列車模型的減速回收部分。高速列車模型的加速部分是采用某種方法將列車模型在一定的距離內(nèi)加速到實(shí)驗(yàn)所要求的速度；然后列車模型高速進(jìn)入測試區(qū)域，在其運(yùn)行過程中完成相關(guān)的各種測試；最后列車模型進(jìn)入回收減速部分逐步減速直至完全停止運(yùn)動(dòng)。高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵是列車模型的加速技術(shù)。不同加速方法不僅決定著被加速的列車模型的大小、結(jié)構(gòu)和輕重，同時(shí)也對列車模型的減速和回收有著各種具體的限制和要求。采用合理的有效的加速方法是實(shí)現(xiàn)列車模型可以具有不同空氣動(dòng)力學(xué)外形、可以具有較大的質(zhì)量和縮比尺寸、可以實(shí)現(xiàn)安全無損回收的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置分別是采用兩類加速技術(shù)將列車模型加速到所要求的速度。一種是使用彈力索來加速帶有動(dòng)滑輪組的列車模型，這里利用動(dòng)滑輪組可以使列車模型速度達(dá)到彈力索末端運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)倍。這種加速技術(shù)適用于質(zhì)量較大和外形尺寸較大列車模型的加速。這樣，被加速的列車模型的外型尺寸可以真實(shí)模擬列車的空氣動(dòng)力學(xué)外型。這種列車模型的加速方式由于牽引列車模型的牽引索要進(jìn)入動(dòng)滑輪組內(nèi)帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并使整個(gè)動(dòng)滑輪組隨之移動(dòng)。這樣隨著運(yùn)動(dòng)速度的上升，滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)能量隨之加大(例如如果實(shí)現(xiàn)時(shí)速360公里的速度，直徑為0. 1米的滑輪每分鐘的轉(zhuǎn)速高達(dá)19108轉(zhuǎn)/分鐘)，各種摩擦力和機(jī)械能的損耗迅速增加，另一方面，由于隨著速度的提高，要求彈射部分積累更大的能量，對應(yīng)的彈射材料要求有更大的質(zhì)量，因此這種加速方法僅限于低速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置中的模型車加速，一般速度不超過300公里/小時(shí)。另一類列車模型的加速技術(shù)是利用壓縮氣體將安放在加速管內(nèi)的列車模型發(fā)射出來。盡管這種技術(shù)可以把列車模型加速到300公里/小時(shí)以上的速度，但是下面的各種缺點(diǎn)使得這種加速技術(shù)不能應(yīng)用于具有較大外形尺寸的列車模型加速裝置。第一，由于列車模型從加速管內(nèi)發(fā)射，列車的外型尺寸和結(jié)構(gòu)形式嚴(yán)格被限制。當(dāng)列車模型的尺寸增大時(shí)，發(fā)射管的口徑隨之增加，實(shí)驗(yàn)裝置的建造成本大大增加。第二，由于列車模型在通過試驗(yàn)段后，需要減速回收，這種結(jié)構(gòu)形式的列車模型由于結(jié)構(gòu)形式的限制不能在回收減速段進(jìn)行有效的減速和回收。第三，當(dāng)列車模型要有一定形式的空氣動(dòng)力學(xué)外型時(shí)，加速管中的壓縮氣體和列車模型的隔離與封閉變成一個(gè)兩難的問題如果利用列車模型的末端進(jìn)行封閉，對應(yīng)的列車模型空氣動(dòng)力學(xué)外型被破壞；如果利用活塞進(jìn)行封閉，列車模型發(fā)射后，活塞在加速段的減速是一個(gè)棘手的問題。第四，來自加速管的壓縮氣體會(huì)嚴(yán)重干擾列車模型在實(shí)驗(yàn)段的實(shí)驗(yàn)測試，盡管可以用大型凹腔來消除這種高壓氣流對實(shí)驗(yàn)段的干擾，但是凹腔的使用限制了雙向?qū)﹂_的列車模型實(shí)驗(yàn)工作的展開。第五，在這種列車加速裝置中，不能在列車模型的頂端安裝受電弓模型。這樣，這種加速技術(shù)僅限于列車模型具有相當(dāng)小的外形和質(zhì)量，且僅限于單向的列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置。隨著我國高速列車工業(yè)的迅速發(fā)展，在建立高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置中需要確實(shí)可行的、有效的、可以把具有較大外形尺寸和較大質(zhì)量的高速列車模型加速到300公里/小時(shí)以上的加速技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的高速列車模型加速裝置，能夠把具有較大外形尺寸和較大質(zhì)量的高速列車模型加速到300公里 /小時(shí)以上的速度并且可以使列車模型具有不同的外形結(jié)構(gòu)和可以懸掛受電弓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明的一種基于壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的高速列車模型加速裝置包括實(shí)驗(yàn)軌道和與所述實(shí)驗(yàn)軌道間隔適當(dāng)間距平行設(shè)置的拖車軌道，實(shí)驗(yàn)軌道用于運(yùn)行列車模型，拖車軌道用于運(yùn)行可推著所述列車模型運(yùn)行的拖車，所述拖車通過一活塞機(jī)構(gòu)牽引加速。優(yōu)選地，所述活塞機(jī)構(gòu)包括管道和設(shè)置在管道內(nèi)的活塞，所述活塞通過一牽引索與所述拖車相連；所述管道包括加速管段和減速管段，在所述加速管段上開設(shè)有壓縮氣體進(jìn)入的入口，在所述減速管段的始端設(shè)置有一個(gè)以上的氣體泄漏孔。優(yōu)選地，所述實(shí)驗(yàn)軌道包括加速段、實(shí)驗(yàn)段和減速段，所述拖車軌道與所述試驗(yàn)段對應(yīng)的位置設(shè)置有拖車減速裝置，所述實(shí)驗(yàn)軌道與所述減速段對應(yīng)的位置設(shè)置有列車模型減速裝置。本發(fā)明的加速裝置相比于其他加速裝置的優(yōu)點(diǎn)有①在整個(gè)加速結(jié)構(gòu)中，運(yùn)動(dòng)部分由于沒有使用轉(zhuǎn)動(dòng)元件而只有直線運(yùn)動(dòng)元件，使得列車模型的運(yùn)動(dòng)速度可以大大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明活塞的運(yùn)動(dòng)速度可以高達(dá)600公里/小時(shí)；②無論是在加速階段還是在實(shí)驗(yàn)階段， 由于列車模型在實(shí)驗(yàn)軌道上獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)不受任何限制，因此可以具有各種不同的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并可以懸掛受電弓；③由于列車模型和加速部分相互分離，提高壓縮氣體的初始壓力即可提高系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，因此，這種加速方法可以把質(zhì)量較大的列車模型加速到較高的速度，例如采用合適尺寸的加速管道和數(shù)十米的加速距離，可以把質(zhì)量為100公斤的列車模型加速到500公里/小時(shí)以上。總之，與目前已有的列車模型加速方法相比較，本發(fā)明采用的列車模型加速裝置， 適用于將重達(dá)數(shù)十公斤的列車模型加速到300公里/小時(shí)以上的速度，且其列車外形不受任何限制。這種加速裝置為高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)工作的展開提供了技術(shù)基礎(chǔ)。


圖1是高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖；圖2是高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置正視圖。
具體實(shí)施例方式下面參考附圖，具體描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1和圖2所示的為本發(fā)明的高速列車動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置的俯視圖和正視圖。如圖1、2所示，本發(fā)明包括實(shí)驗(yàn)軌道1和與實(shí)驗(yàn)軌道1間隔適當(dāng)間距平行設(shè)置的拖車軌道2，在本發(fā)明實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)軌道1位于拖車軌道2 的上部，當(dāng)然，可以是實(shí)驗(yàn)軌道1設(shè)置與拖車軌道2的下部或是二者水平平行設(shè)置。實(shí)驗(yàn)軌道1用于運(yùn)行列車模型3，拖車軌道2用于運(yùn)行可推著列車模型3運(yùn)行的拖車4，拖車4通過一活塞機(jī)構(gòu)5牽引加速。如圖1所示，活塞機(jī)構(gòu)5具體包括管道51和設(shè)置在管道51內(nèi)的活塞52，活塞52 通過一牽引索53與拖車4相連；管道51包括加速管段511和減速管段512，在加速管段 511上開設(shè)有壓縮氣體進(jìn)入的入口 54，在減速管段512的始端設(shè)置有一個(gè)以上的氣體泄漏孔55。在本發(fā)明實(shí)施例總，實(shí)驗(yàn)軌道1包括加速段11、實(shí)驗(yàn)段12和減速段13，拖車軌道 2與試驗(yàn)段12對應(yīng)的位置設(shè)置有拖車減速裝置6，用于當(dāng)拖車4將列車模型3加速到預(yù)定速度并進(jìn)入到試驗(yàn)段12之后使拖車4減速，以使拖車4和列車模型相分離，從而使列車3 已預(yù)定的速度進(jìn)入到試驗(yàn)段12。實(shí)驗(yàn)軌道1與減速段13對應(yīng)的位置設(shè)置有列車模型減速裝置7，用于當(dāng)列車模型3完成實(shí)驗(yàn)段12的行走運(yùn)行后，將列車模型3減速下來。來自空氣炮或其它裝置的壓縮氣體突然從入口 M進(jìn)入圖1所示的活塞52將加速管段511封閉的空間，在本發(fā)明實(shí)施例中，牽引索53穿越的小孔直徑要比活塞52的直徑小大約10倍，也可以利用其它的封閉技術(shù)，進(jìn)一步減小這一小孔的漏氣特性。由于壓縮氣體的壓力大于大氣壓力，活塞52兩端的壓力差迫使活塞52向前做加速運(yùn)動(dòng)。在活塞52加速過程中，活塞52通過牽引索53牽引拖車4 一起向前運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，拖車4又通過拖或拉帶動(dòng)列車模型3 —起向前運(yùn)用。牽引索53要具有盡量小的彈性，且活塞52和加速管段511的密封性也要盡量好。當(dāng)活塞52運(yùn)動(dòng)經(jīng)過泄氣孔55后，活塞52后的壓縮氣體通過泄氣孔55泄掉，活塞52盡量不再得到壓縮氣體的推力，加速過程結(jié)束。隨之拖車4進(jìn)入拖車減速裝置6。反過來，在拖車4的減速過程中，拖車4通過牽弓I索53將活塞52逐步減速。 在拖車4開始做減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，列車模型3在實(shí)驗(yàn)軌道1上由于慣性繼續(xù)向前做近似的勻速運(yùn)動(dòng)(這里列車模型3和實(shí)驗(yàn)軌道1的摩擦力相對于列車的慣性動(dòng)量非常小)。這樣，拖車 4和列車模型3自動(dòng)脫離，列車模型3進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段12，可以進(jìn)行各種相關(guān)的測試。最后，列車模型3通過實(shí)驗(yàn)段12后，進(jìn)入減速段13，速度逐步減小，直至靜止。根據(jù)上述工作過程，本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)和參數(shù)如下A)整個(gè)裝置中，有上下分布且平行雙層軌道下部為拖車軌道2，上部為實(shí)驗(yàn)軌道 1，其中拖車軌道2的長度大于或等于是加速管段511和減速管段512長度之和，這樣保證拖車4在加速和減速過程中，活塞52始終在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 B)整個(gè)裝置中，拖車4的加速距離和拖車減速裝置6的距離之和、加速管段511和減速管段512的長度之和及其牽引索53的長度要基本相等。因?yàn)檫@個(gè)長度決定了加減速距離的長短。C)整個(gè)裝置中，拖車4加速距離的長度等于加速管段511的長度，減速管段512的長度等于拖車減速裝置6的長度。這樣保證當(dāng)拖車4的加速過程結(jié)束時(shí)，活塞52經(jīng)過泄氣孔55，并且拖車4進(jìn)入拖車減速裝置6。D)列車模型3得到的動(dòng)能依賴于以下多個(gè)因素列車模型3的質(zhì)量、列車模型3和實(shí)驗(yàn)軌道1間的摩擦、加速距離的長度、壓縮氣體的初始壓力、加速管段511的直徑、拖車4的質(zhì)量、拖車4和拖車軌道2間的摩擦、壓縮氣體的壓力隨時(shí)間的變化、牽引索53的質(zhì)量、 活塞52的質(zhì)量、活塞52和加速管段511之間的密封特性，壓縮氣體進(jìn)入加速管段511的角度等有關(guān)。優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)部件的品質(zhì)可以利用較低初始壓力的壓縮氣體使得列車模型3得到較大的動(dòng)能。本實(shí)施例中，加、減速管段的直徑為110mm，加速管段511的長度為40米，減速管段512的長度亦為40米，對應(yīng)的拖車4加速距離和減速距離的長度亦為40米。加速管段 511的、供牽引索53穿越的小孔的直徑為10mm，牽引索53的直徑亦為10mm?；钊?2的重量為^g，牽引索53的質(zhì)量為2. ^ig,拖車4的重量為^g，列車模型3的質(zhì)量為10kg。拖車4為列車模型3提供動(dòng)力的方式為拖車4上部的突出物推動(dòng)列車模型3中部的突出物， 這樣保證拖車進(jìn)入減速后，列車模型3繼續(xù)勻速前進(jìn)使兩者自然分離。壓縮氣體來自于一個(gè)容積大約0. 28m3的空氣炮，壓縮氣體的釋放采用電磁閥迅速降低空氣炮大活塞氣室的壓力來實(shí)現(xiàn)的。空氣炮的最大充氣壓力可以高達(dá)50個(gè)以上的大氣壓。在進(jìn)入拖車4完成加速后、進(jìn)入拖車減速裝置6之前，利用光線遮擋方法測量拖車 4和列車模型3的速度。在只有拖車4、沒有拖掛列車模型3的情況下和拖車4拖掛列車模型3的兩種狀態(tài)下，得到的實(shí)施結(jié)果如表1所示表1實(shí)施結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種基于壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的高速列車模型加速裝置，其特征在于，包括實(shí)驗(yàn)軌道和與所述實(shí)驗(yàn)軌道間隔適當(dāng)間距平行設(shè)置的拖車軌道，實(shí)驗(yàn)軌道用于運(yùn)行列車模型，拖車軌道用于運(yùn)行可推著所述列車模型運(yùn)行的拖車，所述拖車通過一活塞機(jī)構(gòu)牽引加速。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述活塞機(jī)構(gòu)包括管道和設(shè)置在管道內(nèi)的活塞，所述活塞通過一牽引索與所述拖車相連；所述管道包括加速管段和減速管段，在所述加速管段上開設(shè)有壓縮氣體進(jìn)入的入口，在所述減速管段的始端設(shè)置有一個(gè)以上的氣體泄漏孔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)軌道包括加速段、實(shí)驗(yàn)段和減速段，所述拖車軌道與所述試驗(yàn)段對應(yīng)的位置設(shè)置有拖車減速裝置，所述實(shí)驗(yàn)軌道與所述減速段對應(yīng)的位置設(shè)置有列車模型減速裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的高速列車模型加速裝置，包括實(shí)驗(yàn)軌道和與所述實(shí)驗(yàn)軌道間隔適當(dāng)間距平行設(shè)置的拖車軌道，實(shí)驗(yàn)軌道用于運(yùn)行列車模型，拖車軌道用于運(yùn)行可推著所述列車模型運(yùn)行的拖車，所述拖車通過一活塞機(jī)構(gòu)牽引加速。本發(fā)明與目前已有的列車模型加速方法相比較，本發(fā)明采用的列車模型加速裝置，適用于將重達(dá)數(shù)十公斤的列車模型加速到300公里/小時(shí)以上的速度，且其列車外形不受任何限制。
文檔編號(hào)G01M17/08GK102494904SQ201110398808
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者楊乾鎖, 楊國偉 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所