轨道车辆碰撞试验台CO2相变驱动过程仿真研究_H.docxVIP

第44卷，第6期202

第44卷，第6期2023年11月

Vol.44No.6November，2023

CHINARAILWAYSCIENCE

文章编号2023引用格式：王甲强，鲁寨军，刘东润，等.轨道车辆碰撞试验台CO2相变驱动过程仿真研究［J］.中国铁道科学，2023，44（6）：113124.

Citation：WANGJiaqiang，LUZhaijun，LIUDongrun，etal.SimulationStudyonDrivingProcessPoweredbyCO2PhaseTransitionofRailVehicleCollisionTestbed［J］.ChinaRailwayScience，2023，44（6）：113124.

轨道车辆碰撞试验台CO2相变驱动过程仿真研究

王甲强1,2,3，鲁寨军1,2,3，刘东润1,2,3，张梓轩1,2,3，李田1,2,3，姚术健1,2,3

（1.中南大学交通运输工程学院，湖南长沙410075；

2.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075；

3.中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室，湖南长沙410075）

摘要：由于现有设备条件下空气炮驱动的轨道列车碰撞试验台无法满足更高试验速度的要求，提出使用CO2相变动力驱动试验车辆加速。基于质量守恒定律、能量守恒定律和CO2真实气体模型，建立驱动系统做功过程数值模型；对模型求解后，通过试验验证模型计算精度；通过数值模型，对比研究空气与CO2的做功性能，并分析储液缸初始压力、初始温度和驱动缸初始容积对CO2做功特性的影响规律。结果表明：模型能够有效模拟CO2液气相变驱动试验车做功过程；在结构条件相同且驱动工质的质量为170kg、初始压力为20MPa时，以CO2作为驱动工质时驱动时间较空气缩短10.5%，试验车获得的末速度较空气增大21.2%；储液缸初始压力由8MPa增至20MPa时，试验车末速度增大58.3%，加速时间减少32.2%；初始温度对驱动缸内CO2相态影响较大，温度越低时，其相态越容易接近气液饱和线；驱动缸初始容积对加速时间、试验车过载和活塞所受冲击影响较大，初始容积为0.20m3时较0.01m3时最大过载减小23.07%，但所用时间增加20.9%。

关键词：轨道车辆；列车碰撞试验台；CO2相变；空气；气动弹射；数值模拟

中图分类号：U270.1文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.2023.06.12

全尺寸碰撞试验是轨道车辆被动安全研究的重要手段［1］，而碰撞试验系统的核心技术之一便是如何在有限空间内驱动试验车辆达到设计的试验速度。目前，国际上已建成的碰撞试验系统采用的驱动方式有机车驱动、电机驱动、液压马达驱动、摩擦驱动、橡皮绳驱动以及气动弹射驱动等。而对于如高校实验室等空间受限的室内碰撞试验系统，优选的驱动方式为气动弹射，因此中南大学轨道交通安全实验室研建了轨道车辆撞击试验台气动弹射装置，用于驱动轨道车辆加速，进行全尺寸高速碰撞试验研究［2］。随着列车运行速度的不断提高［3-4］，气动弹射装置驱动试验车辆达到的末速度难以满足

越来越高的试验速度需求。因此，寻求具有更大做功能力的替代工质和蓄能方式具有重要意义。根据热力学第一定律，膨胀功来自工质本身热力学能的减少，在相同条件下比热力学能较大的工质理论上可以释放更多的膨胀功［5-6］。工程中常用的工质有氮气、空气、氢气和二氧化碳（CO2）等，CO2在相同条件下的比热力学能更大［6-7］，因此探究使用CO2替代空气，利用CO2液气相变动力驱动试验车辆加速。

对于CO2相变做功的研究，以往主要集中于CO2致裂器用于煤炭开采、矿山破岩以及超临界CO2射流用于油田钻井、驱油等［8-10］方面，近年

收稿日期修订日期基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFB4300304）；湖