一種模塊化縱向排煙地鐵隧道運動體火災實驗系統的制作方法

本發明涉及長大地鐵隧道多運動體火災縮尺寸實驗系統，特別涉及一種模塊化縱向排煙地鐵隧道運動體火災實驗系統。

背景技術：

近年來，隨著我國高鐵地鐵等技術的日漸成熟，在建及新投入使用的隧道規模也逐年增加，據統計，隧道火災頻率約為2次/108·車·千米，長大隧道一旦發生火災造成的影響及對人員隧道結構安全的威脅是巨大的。隨著地鐵隧道的長大化，火災發生后列車往往會被迫減速直至停車，最后滯留在隧道內進行緊急疏散，這是由于以下三種情況造成的：1)火災發生時通常會切斷行車系統供電使列車失去動力；2)驅動電機故障也會使列車失去動力；3)乘客啟動緊急制動系統或人為破壞致使列車迫停。列車發生火災時往往處于高速行駛狀態，從高速行駛到逐漸減速停車的動態過程，隧道內的活塞風會隨著列車運動狀態的變化而變化。而活塞風會驅使隧道內煙氣的流向。在列車停車前，隧道內的煙氣一直處于列車的后方，當列車制動停車后，車尾的煙氣在活塞風的驅使下，會繼續運動，蔓延整列列車。

長度小于2km的地鐵或鐵路隧道通常采用由射流風機組織的縱向排煙模式，而長度在2km～4km的地鐵或鐵路隧道，通常在隧道中間設置排煙豎井，采用排煙豎井與射流風機相結合的縱向排煙方案。縱向排煙方案是否適用于隧道運動體火災是一個亟待解決的問題。因此有必要研究縱向排煙模式下，列車發生火災后，減速停車整個動態過程的塞風規律、火災燃燒特性、煙氣蔓延特性、臨界抑制風速、熱釋放速率等相關機理。

現有的隧道火災縮尺寸實驗系統大都只適用于研究地鐵或鐵路隧道列車停止狀態的火災特性研究，不能反映列車從發生火災到減速停車的動態過程。此外，現有的縮尺寸實驗大都采用在隧道模型端部設置大型軸流風機，并利用送風均流格柵在隧道模型內組織均勻的縱向風速。這種實驗裝置一般包括縮尺寸隧道模型，列車模型，燃燒器，通風系統，均流格柵，測溫系統，風速測試系統及數據采集系統等幾部分。

可見，目前的隧道火災模擬實驗系統只能進行火源靜止火源火災模擬實驗，不能模擬火源運動狀態下的火災特性。迫切需要建立能夠用于運動體火災燃燒特性和煙氣擴散特性的實驗系統。此外，這種實驗系統也不能真實反映實際地鐵隧道縱向通風排煙系統的排煙能力。這是因為，真實的隧道內，射流風機的截面積只占隧道斷面的3％～5％，隧道斷面的實際縱向風速分布是不均勻的，而實驗系統通過送風均流格柵，在模型隧道斷面內組織了均勻的縱向風速。而且如何將實驗系統設計模塊化，從而在一個實驗系統上模擬研究不同長度的地鐵隧道火災情形也是一個亟待解決的問題。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種模塊化縱向排煙地鐵隧道運動體火災實驗系統，克服現有技術中不能在一個實驗系統上模擬研究不同長度的地鐵隧道火災情形的問題。

本發明采用的技術方案是：一種模塊式地鐵隧道運動體火災縮尺寸實驗系統，包括隧道主體，設置于隧道主體上的壓力測試系統、溫度測試系統、煙氣分析系統和活塞風速測試系統，列車模型以及設置于列車模型中的燃燒器，所述隧道主體和列車模型由多段縮尺寸模型實驗標準段拼裝組成，列車模型車頭和車尾與分別與列車模型運動主動系統和列車模型運動從動系統通過鏈條連接，隧道主體標準段外部頂上設有射流風機風閥、縮尺寸射流風機、排煙豎井軸流風機和排煙豎井風閥。

所述隧道主體包括耐高溫隧道主體標準段、耐高溫火焰觀察窗、傳動鏈條托輥支架、傳動鏈條托輥，所述標準段之間采用法蘭連接，連接好的隧道主體放置在隧道主體支架上。

所述射流風機風閥、縮尺寸射流風機，通過縮尺寸彎頭將模型隧道內的空氣抽吸進設置在模型隧道外的風機內，風機的尺寸不受縮尺寸相似比的限制，再通過縮尺寸彎頭輸送到模型隧道內，縮尺寸射流風機模塊的風量通過調節射流風機風閥的開度來控制。

所述列車模型前后分別設置有車頭前的鏈條拉緊器和車尾鏈條拉緊器，鏈條的端頭利用鋼圈與鏈條拉緊器連接。

列車模型頂部設置有燃燒器槽位和燃燒器蓋板，位于列車模型的車頭，車尾和車中位置。

所述燃燒器包括燃燒盤，燃燒盤的尺寸與列車模型的燃燒器槽位的尺寸對應，燃燒盤內分隔成多個小格。

列車模型采用具有輪緣的車輪結構，車輪位于工字型軌道上，將車輪輪緣卡在工字軌道內側，軌道與隧道主體直接采用螺絲固定。

所述列車模型運動主動系統包括速度控制電機、齒輪盤、與隧道主體連接的法蘭盤，速度控制電機與齒輪盤利用聯軸器連接，速度控制電機通過聯軸器將動力傳遞給齒輪盤，齒輪盤轉動再帶動鏈條運動，鏈條牽引模型列車按照指定運動規律進行運動。

所述列車模型運動從動系統包括齒輪盤和與隧道主體連接的法蘭盤，從動系統、主動系統、鏈條、列車模型一起形成一個閉環連接。

所述隧道耐高溫火焰觀察窗外，設置有兩至多臺高清數碼攝像機。

本發明的有益效果是：本發明提出一種新的可拼接式的采用射流風機與排煙豎井相結合的縱向排煙方案的地鐵或鐵路隧道運動體火災縮尺寸實驗系統。該系統通過調整隧道主體標準段的數量來調節模型隧道的長度，通過調整射流風機模塊與豎井軸流風機模塊的開啟組合方式，來研究縱向排煙方案的地鐵或鐵路隧道的運動體火災特性、煙氣擴散特性及活塞風規律。實驗研究的縱向通風方案包括三種：只開啟射流風機模塊、只開啟豎井軸流風機模塊、同時開啟射流風機模塊和豎井軸流風機模塊。本發明為運動體隧道火災的實驗研究提供平臺支撐，同時也為地鐵或鐵路隧道防災減災提供解決方案。。實驗系統包括模型列車驅動系統，燃燒器，測溫系統，測風壓系統，通風排煙系統及風速測量系統等幾部分。本專利可直接應用于采用縱向通風排煙方案的地鐵或鐵路隧道運動體火災實驗研究，具有良好的社會效益。

附圖說明

圖1地鐵隧道運動體火災實驗系統圖；

圖2隧道主體拼裝示意圖；圖2(a)是隧道主體拼裝示意圖，圖2(b)是隧道截面連接法蘭處斷面圖；

圖3射流風機縮尺寸模擬模塊圖；

圖4列車模型圖；

圖5鏈條拉緊器與鏈條連接示意圖；

圖6模型隧道斷面及模型列車軌道斷面圖；圖6(a)是隧道主體截面圖；圖6(b)是列車模型截面圖；圖6(c)是列車車輪與軌道相對位置關系圖；

圖7燃燒盤側視圖及俯視圖；圖7(a)是燃燒盤側視圖，圖7(b)是燃燒盤俯視圖；

圖8列車運動主動系統側視圖；圖8(a)是列車運動主動系統沿隧道方向的側視圖，圖8(b)是列車運動主動系統垂直于隧道方向的側視圖；

圖9列車運動從動系統側視圖；圖9(a)是列車運動從動系統沿隧道方向的側視圖，圖9(b)是列車運動從動系統垂直于隧道方向的側視圖；

圖10高速攝像機布置位置圖；

其中：1.隧道主體；2.壓力測試系統；3.溫度測試系統；4.煙氣分析系統；5.活塞風速測試系統；6.列車模型運動主動系統；7.列車模型運動從動系統；8.鏈條；9.列車模型；10.傳動鏈條拉緊器；11.排煙豎井風閥；12.鏈條托輥；13.燃燒器；14.速度控制電機；15.縮尺寸射流風機；16.行程開關；17.隧道主體支架；18.排煙豎井軸流排煙風機；19.軌道；20.高清數碼攝像機。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，地鐵隧道運動體火災實驗系統包括隧道主體1、壓力測試系統2、溫度測試系統3、煙氣分析系統4、活塞風速測試系統5、列車模型運動主動系統6、列車模型運動從動系統7、鏈條傳動系統8、列車模型9、傳動鏈條拉緊器10、排煙豎井風閥11、鏈條托輥12、燃燒器13、速度控制電機14、縮尺寸射流風機15、行程開關16、隧道主體支架17，排煙豎井軸流排煙風機18。

如圖2所示，隧道主體有多段縮尺寸模型實驗標準段拼裝組成，包括耐高溫隧道主體標準段1-1、耐高溫火焰觀察窗1-2、傳動鏈條托輥支架12-1、傳動鏈條托輥12-2。標準段之間采用法蘭連接，連接好的隧道主體放置在隧道主體支架17上。隧道主體標準段設有射流風機風閥15-1、縮尺寸射流風機15-2、排煙豎井軸流風機18和排煙豎井風閥11。通過調整帶排煙模塊的標準段所處的位置，調整縮尺寸射流風機15-2和排煙豎井軸流風機18在整個隧道模型的位置。

圖3展示了射流風機的縮尺寸模擬模塊設計，包括射流風機風閥15-1、縮尺寸射流風機15-2。由于實際隧道內的射流風機尺寸如果按照相似比進行縮尺寸設計，則縮尺寸模型會非常小，此時很難找到尺寸合適且風量合適的小型風機。本發明提出了射流風機縮尺寸設計的解決方案。通過縮尺寸彎頭15-3將模型隧道內的空氣抽吸進設置在模型隧道外的風機15-2內，風機15-2的尺寸不受縮尺寸相似比的限制。再通過縮尺寸彎頭15-3輸送到模型隧道內。縮尺寸射流風機模塊的風量通過調節射流風機風閥15-1的開度來控制。

如圖4所示，實驗列車模型也采用標準段拼接組合的方式連接。有利于研究列車長度對活塞風的影響，及其對煙氣擴散、火災特性等的影響。列車模型包括車頭前的鏈條拉緊器10-1和車尾鏈條拉緊器10-2。鏈條8的端頭利用鋼圈與鏈條拉緊器10-1、10-2連接，通過旋轉拉緊器，逐漸使鏈條呈緊繃狀態，如圖5所示。列車頂部設置有燃燒器槽位13-1和燃燒器蓋板13-2。燃燒器可以放置在模型列車的車頭，車尾和車中位置，適用于研究列車不同位置發生火災時的煙氣擴散特性。

圖6分別展示了隧道模型斷面圖和列車模型斷面圖，其中，列車模型9采用具有輪緣的車輪結構，車輪位于工字型軌道19上，將車輪輪緣卡在工字軌道19內側，起到限定列車運動的作用，保證列車高速直線運動狀態下不傾倒。軌道19與隧道主體1直接采用螺絲固定。模型列車的燃燒系統包括燃燒器槽位13-1和燃燒器蓋板13-2。

圖7分別展示了燃燒盤側視圖和俯視圖。燃燒盤的尺寸與列車模型的燃燒器槽位13-1的尺寸對應。實驗時，將燃燒盤放置于燃燒器槽位13-1中。同時，燃燒盤內分隔成多個小格。適用于研究不同強度的火災的運動體火災特性及煙氣擴散特性。

圖8展示了列車運動主動系統的側視圖。主動系統包括速度控制電機14、齒輪盤6-1、與隧道主體1連接的法蘭盤6-2、速度控制電機14與齒輪盤6-1利用聯軸器6-3連接。速度控制電機14通過聯軸器6-3將動力傳遞給齒輪盤6-1，齒輪盤6-1轉動再帶動鏈條8運動，鏈條8牽引模型列車9按照指定運動規律進行運動。得益于模型列車9的前后都與鏈條8連接，形成一個閉環連接。所以鏈條8既可以控制模型列車9加速運動，又可以控制模型列車9減速制動。

圖9展示了列車運動從動系統的側視圖，從動系統包括齒輪盤7-1和與隧道主體1連接的法蘭盤7-2。從動系統7、主動系統6、鏈條8、列車模型9一起形成一個閉環連接，整個運動系統可實現對模型列車的加速、減速、勻速控制。

圖10展示了實驗圖像采集系統與隧道主體1的相對位置關系，從圖10可以看出，隧道主體1之間都是利用法蘭連接。攝像系統20采用分段采集的辦法，每臺攝像機負責一個模型隧道標準段的圖像采集工作，相鄰的兩臺攝像機的圖像采集會有小范圍的重疊。圖中虛線表示的是每臺攝像機的圖像采集范圍。圖像采集結束后，利用專業軟件將各臺攝像機20-1、20-2、20-3的圖像拼接成一個圖像整體。

數據采集系統包括壓力測試系統2、溫度測試系統3、煙氣分析系統4、活塞風速測試系統5。可以實時測量并記錄隧道內的壓力、溫度、風速及煙氣成分、濃度等參數。此外，圖像采集系統20布置在隧道耐高溫火焰觀察窗1-2外，包括多臺高清數碼攝像機20-1、20-2、20-3，負責采集運動體火災特性的相關圖像資料。

模型列車的驅動系統主要包括主動系統6及從動系統7兩部分。通過鏈條控制列車的加速、勻速及制動。列車模型的采用帶輪緣的車輪，車輪被置于軌道19上，保證列車模型高速直線行駛狀態下不傾倒。此外，行程開關16被用來控制列車運動的區間，防止模型列車超出預定的運動區域，從而保證模型實驗的安全性。

本發明的工作過程如下：

1)將高速攝像機(2～3臺)置于耐高溫火焰觀察窗1-2外側，攝像機距離觀察窗約1.5m，攝像機的位置在整個實驗中固定不動，然后在實驗開始前統一各攝像機的系統時間(誤差在±1s內)，并調整其處于拍攝狀態，拍攝過程由實驗人員操作。

2)檢查各測試系統(2～5)的工作狀態。啟動數據采集系統，并檢查各通道數據采集是否正常。經確認無問題后，開始各數據采集儀記錄功能。

3)按照熱煙實驗規范中指定的燃料重量，為燃料稱重，并注入到列車模型的燃燒盤中。

4)啟動縮尺寸射流風機15和豎井排煙風機18，并根據速度測試系統5的測試數據，調整縮尺寸射流風機15和豎井排煙風機18的轉速，使隧道內的機械通風風速達到實驗設定的風速。在無風工況下，縮尺寸射流風機15及豎井排煙風機18應關閉。

5)使用長柄火把點燃列車模型中的燃燒盤。

6)啟動驅動系統的主動系統6中的控制電機14，通過鏈條8帶動列車模型9以設定的速度在隧道內運行。

7)重復實驗及調整參數實驗。上述過程為實驗的完整過程，列車運行完行程后，利用燃燒盤蓋板13-2熄滅燃燒盤，并稱重。待實驗系統冷卻至初始狀態后，準備下輪實驗，重復過程1～7。

盡管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發明的保護之內。