[发明专利]一种模拟地铁列车杂散电流泄漏及腐蚀的实验平台

权利要求书

1.一种模拟地铁列车杂散电流泄漏及腐蚀的实验平台，其特征在于：包括带座轴承、塑料杆、滑块、丝杆、步进电机、第一导线、PLC控制器、电机驱动器、可编程直流电源、第二导线、第一石墨电极、第二石墨电极、钢管试件、玻璃容器、模拟土壤溶液，其中由座轴承、塑料杆、滑块、丝杆、步进电机、第一导线、PLC控制器、电机驱动器组成模拟列车运动单元，丝杆连接在带座轴承和步进电机之间，滑块安装在丝杆上，且滑块的下方固定有塑料杆，第一导线分别将电机驱动器与步进电机、PLC控制器连接起来，由PLC控制器控制电机驱动器工作，再通过电机驱动器控制步进电机转动，步进电机带动丝杆转动，进而带动滑块在丝杆上移动，且塑料杆随着滑块移动，即通过丝杆传动方式带动滑块移动，模拟地铁列车在轨道上行驶；由可编程直流电源、第二导线、第一石墨电极、第二石墨电极组成杂散电流回路单元，采用第二导线将可编程直流电源分别与第一石墨电极、第二石墨电极连接起来，其中第一石墨电极接可编程直流电源的负极，第二石墨电极接可编程直流电源的正极，且第二石墨电极与塑料杆连接在一起，随着塑料杆移动，第二石墨电极也跟着移动，第一石墨电极与第二石墨电极之间构成了回路，该回路即为模拟地铁列车运行时在地面产生的杂散电流的回路；由钢管试件、玻璃容器、模拟土壤溶液组成模拟埋地管道腐蚀环境单元，模拟土壤溶液放置在玻璃容器中，钢管试件浸入模拟土壤溶液中，其中钢管试件模拟埋地金属，模拟土壤溶液模拟地铁列车的地面土壤，第一石墨电极与第二石墨电极插入模拟土壤溶液中，向模拟土壤溶液放电，钢管试件在模拟土壤溶液中被电解，使得钢管试件被腐蚀，由模拟列车运动单元、杂散电流回路单元、模拟埋地管道腐蚀环境单元构成模拟列车运行工况条件下的杂散电流泄漏和腐蚀实验平台，在PC机上采用有限元分析软件建立与模拟列车运行工况条件下的杂散电流泄漏和腐蚀实验平台相同的仿真模型，并在有限元分析软件上添加相应的边界条件，并采用有限元数值法对埋地金属腐蚀进行计算和预测。

2.根据权利要求1所述的模拟地铁列车杂散电流泄漏及腐蚀的实验平台，其特征在于：所述杂散电流回路单元模拟的是典型的地铁双边回流线路，其中第二石墨电极模拟地铁列车杂散电流的泄漏点，两个相同的第一石墨电极模拟地铁列车杂散电流的两个回流点，在可编程直流电源中设置一组随时间变化的泄漏电流数据后施加到第二石墨电极上，即可模拟地铁列车杂散电流回路。

3.根据权利要求1所述的模拟地铁列车杂散电流泄漏及腐蚀的实验平台，其特征在于：所述钢管试件水平固定在玻璃容器中，可编程直流电源施加到第二石墨电极上的模拟地铁列车泄漏电流流到模拟土壤溶液中后再流至第一石墨电极的过程中，部分电流会流过钢管试件，对钢管试件产生电解腐蚀，以此模拟地铁列车泄漏电流对埋地管道的腐蚀。

4.根据权利要求1所述的模拟地铁列车杂散电流泄漏及腐蚀的实验平台，其特征在于：所述在有限元分析软件上添加相应的边界条件包括电源输入终端、两个相同的接地终端、绝缘边界、土壤环境、反应电极，其中电源输入终端上设置的电流大小与可编程直流电源施加到第二石墨电极上的电流相同，接地终端反映的是第一石墨电极，绝缘边界相当于玻璃容器，反应电极相与钢管试件的性能参数一致，土壤环境的参数为模拟土壤溶液中的添加物。

5.根据权利要求4所述的模拟地铁列车杂散电流泄漏及腐蚀的实验平台，其特征在于：所述两个相同的接地终端之间的电势V为0，电源输入终端上的电流用I0表示，绝缘边界参数设置中n·J=0，其中n表示单位法向量，J表示土壤环境的电流密度，土壤环境的电导率用字母σ表示，由于电源输入终端不断向土壤环境流入电流，在土壤环境中出现了电势场，电势分布由拉普拉斯方程控制，土壤环境中的电场强度E分布由公式得出，其中土壤环境中的电流密度遵守欧姆定律公式，由、、三个公式便可求得模拟土壤环境中各处的电流密度和电势分布;本发明的反应电极由于电流的流进和流出，对应分为阴极和阳极，阳极区域金属电解反应失电子而被腐蚀，反应电极上无电流通过时，处于平衡状态，平衡电势用字母表示，反应电极通过电流时，反应电极电势偏离平衡电势的现象称为极化，电极过电位由式（1）表示：

（1）

其中，表示电极电势，表示溶液电势；

根据线性电极动力学方程：

（2）

可解得反应电极的局部电流密度，表示反应电极的交换电流密度；和分别表示反应电极的阳极电荷转移系数和阳极电荷转移系数；R表示一般气体常数，F为法拉第常数;通过法拉第定律可以得到管道试件阳极金属的腐蚀速率：

（3）

表示铁的平均摩尔质量，n表示铁反应失去的电子个数；

根据公式（1）、（2）、（3）形成的约束方程和边界条件，通过三维有限元模型便可定量计算埋地管道试件的腐蚀。