CN106501079B - 一种路基动力加载模型试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种路基动力加载模型试验系统，由试验箱、两套加固桩嵌固装置、加载装置、两套制动装置构成。通过千斤顶和激振器分别模拟列车恒载和行进过程产生的冲击力，通过电机驱动模型转向架在模型轨道上高速运动，通过合理设置各模型转向架之间的间距及模型轨道长度实现仅用有限个模型转向架即可模拟出多节车厢相继经过该段路基的作用效果。解决了单点激振与多作动器联动模拟列车荷载时不能实现荷载移动的问题，将列车行进产生的冲击力考虑进去，更符合实际。该试验系统可用于测试重载列车作用下路基动力响应以及检验斜向高压旋喷桩加固路基的加固效果。

Description

一种路基动力加载模型试验系统
技术领域
本发明主要涉及列车荷载作用下路基的动力响应，尤其是涉及一种路基动力加载模型试验系统。
背景技术
重载铁路输送能力大、社会经济效益显著，发展重载铁路运输已成为我国加速提高铁路运输能力的主要途径。另一方面，随着大批客运专线相继投入运营，既有线的运输能力得到一定程度的释放。对既有线路进行有计划加固改造后开行重载铁路能充分利用既有线路资源，节约资金。
近年来的工程实践表明，既有线经加固改造后开行重载铁路是可行的，但仍存在许多问题，例如，由于重载铁路的列车牵引质量大、行车密度高，导致路堤出现了不同程度的沉降。另外，列车轴重的增加导致路基的动力响应也大幅增加，路基振动易导致边坡滑塌、道砟沉陷、冒泥翻浆等病害，应引起足够重视。
采用斜向高压旋喷桩加固铁路路基相比其他加固技术具有不断交施工、施工质量容易控制的优点，故其被广泛地应用于既有线加固工程中，但其应用在既有线扩能改造工程中的加固效果还有待时间的检验。
无论是监测重载列车作用下路基的动力响应，还是评价斜向高压旋喷桩对既有铁路路基的加固效果，原位测试和模型试验都是最直接、最有效的手段。原位监测可以很好地研究路基动态响应，但需要耗费大量的人力、物力和时间，室内模型试验与原位监测相比，试验的可控性比较强，受外界环境干扰较小，可忽略次要因素而研究主要因素，利于发现规律。但对于列车作用下路基动力响应开展的模型试验十分有限，既有试验装置不能很好地模拟实际情况。
开展列车荷载作用下路基动力响应模型试验的最大的难点就是如何较好地模拟列车荷载，较早开展的模型试验一般采用单点激振模拟列车荷载，与现实情况有非常大的差距。为了克服这一问题，公开号为CN102109419A，公开日期为2011年06月29日的中国专利高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统提出了采用多作动器间隔一定相位联合作动的加载方法，各作动器直接作用于铁轨扣件上。该方法存在的问题是：①作动器输入的荷载时程曲线由数值模型得出，其准确性本身就有待检验，将其作为荷载时程曲线加载至路基模型测试得到的动力响应准确性难以保证；②由于列车对轨道的作用力通过扣件传递给轨枕再传递给路基，故其采用将作动器加载至扣件上，但这样就忽略了扣件本身沿路基纵向的宽度，给扣件施加了一个均匀的力，而实际中扣件受力是不均匀的；③所需电液伺服作动器数量多，不可能广泛开展试验；④列车荷载是沿线路运行的移动荷载，列车经过某点时，相当于施加了一个冲击荷载，而作动器采用连续的加载函数来模拟，不符合实际；⑤由于试验采用的伺服加载作动器对输入加载函数有一定要求，故需将有限元模型得到的时程曲线中的突兀与峰值进行处理，导致其不能考虑由轨道不平顺、轮轨接触面不均匀磨损等因素造成的冲击力，而将车轮荷载简化为匀速移动的恒力，产生与实际情况非常大的差距。
发明内容
本发明为解决现有试验设备不能精确模拟列车荷载作用的问题而提出，其目的是提供一种路基动力加载模型试验系统。
本发明的技术方案是：
一种路基动力加载模型试验系统，由试验箱、两套加固桩嵌固装置、加载装置、两套制动装置构成。
1)所述试验箱由至少四根钢管立柱、沿路基模型行车方向布置的两块主要侧板A和若干块辅助侧板A、垂直路基模型行车方向布置的两块主要侧板B和若干块辅助侧板B、两根横向连接两钢管立柱底端的连接槽钢、嵌挤于钢管立柱或连接槽钢与侧板B之间的胶垫构成。
2)所述加固桩嵌固装置由后支架、前支架、一根横梁、两根横向限位杆、若干根一级嵌固槽、若干根二级嵌固槽、若干个调角螺栓构成。
3)所述加载装置包括模型转向架、四根由工字钢制成的模型轨道、加载反力架、固定于加载反力架上的反力纵梁、固定在反力纵梁上的反力滑道。所述模型转向架包括动滑轮、滑轮固定板、千斤顶、激振器、荷重传感器、弹簧J、激振传力架、顶杆作用槽、千斤顶传力板、弹簧Q、伸缩限位筒、工型板、轴承、车轴、车轮、电机架、永磁直流电机、传动轮、传送带、电瓶、控制器、停止按钮、正转控制按钮、反转控制按钮。
4)所述制动装置包括制动轨道、制动端板、制动反力纵梁、制动滑道、滑动支架、固定支架、步进电机、步进电机控制器、步进电机驱动器、一级制动弹簧、伸缩导向杆、一级制动板、二级制动弹簧、二级制动板、脉冲信号发射按钮、曲柄连杆结构。
所述钢管立柱的两个侧面上带有用于固定侧板A和侧板B的卡槽、底部带有用于将试验箱锚固于地面上的锚固板，所述主要侧板A、辅助侧板A由木板制成，所述主要侧板B由钢化玻璃制成，所述辅助侧板B由钢化玻璃或木板制成。
所述后支架、前支架锚固于地面上，所述横梁和横向限位杆的两端分别焊接有螺母，可配合相应的螺栓分别将横梁和横向限位杆固定在后支架和前支架的竖向滑槽中，所述一级嵌固槽的后端铰接于横梁上，中间由两根横向限位杆夹紧以固定其竖向位置及角度，所述二级嵌固槽铰接于一级嵌固槽的前端，由调角螺栓调节二级嵌固槽相对一级嵌固槽的角度。所述一级嵌固槽由两片槽钢制成、所述二级嵌固槽由两片弧形钢板制成。
所述模型轨道下部带有由表面光滑的薄钢片制成的防落土板。
所述加载反力架至少两个，每个加载反力架由两根立柱、一根横梁以及两根斜撑构成，立柱、横梁、斜撑焊接或用螺栓组合在一起，立柱底部带有用于将反力架锚固于地面上的锚固板。
所述动滑轮与滑轮固定板之间通过U型板和转轴连接，U型板可绕固定于滑轮固定板上的转轴转动，所述滑轮固定板固定于千斤顶底端。
所述千斤顶顶杆端部安装有荷重传感器，安装有荷重传感器的千斤顶顶杆作用在千斤顶传力板上的顶杆作用槽内。所述千斤顶传力板中间开有方形通孔，下侧焊接有四个伸缩限位筒，伸缩限位筒外侧套有弹簧。所述伸缩限位筒的下端、弹簧的下端均焊接在工型板的上侧，所述工型板两端的下侧焊接在两个轴承上，所述轴承为滚动轴承，轴承的内圈与车轴焊接在一起、外圈与工型板焊接在一起。所述车轴的两端连接有车轮，所述车轮放置在所述模型轨道上。
所述激振器通过弹簧J和伸缩限位筒弹性地安装在激振传力架上，激振器顶杆与激振传力架的顶板接触，激振传力架穿过千斤顶传力板的方形通孔后与车轴上的工型板连接在一起。
所述电机架焊接在两个工型板之间，所述永磁直流电机固定在电机架上，所述永磁直流电机的控制器及为永磁直流电机提供电能的电瓶均放置在千斤顶传力板上。所述停止按钮有两个、正转控制按钮和反转控制按钮各有一个，其中，两个停止按钮分别通过按钮弹簧固定在千斤顶传力板的前后两个侧面上，其作用相同；正转控制按钮和反转控制按钮分别通过按钮弹簧固定在千斤顶传力板的前后两个侧面上，其分别控制永磁直流电机的正转、反转。所述用于连接停止按钮的按钮弹簧短于用于连接正转控制按钮或反转控制按钮的按钮弹簧。
所述传动轮分别位于车轴和永磁直流电机的动力输出轴上，永磁直流电机上的传动轮与车轴上的传动轮之间通过传送带连接。
所述制动轨道、制动反力纵梁、制动滑道的中心线均为竖曲线，制动反力纵梁、制动滑道、制动轨道、制动端板均固定在滑动支架上，滑动支架的前后端带有滑轮。
所述固定支架锚固于地面上，固定支架的顶部带有与滑动支架底部所带滑轮相匹配的滑槽。
所述步进电机放置在固定支架上，步进电机的动力输出轴通过曲柄连杆结构与滑动支架的底部横梁相连接。所述步进电机、步进电机驱动器、步进电机控制器、脉冲信号发射按钮分别通过导线连通。
所述制动端板的前端安装有一级制动弹簧和伸缩导向杆，一级制动弹簧及伸缩导向杆的前端安装有一级制动板，所述一级制动板的前端连接有二级制动弹簧，所述二级制动弹簧的前端安装有二级制动板，所述二级制动板上安装有脉冲信号发射按钮。
本发明的有益效果如下：
1本发明的试验箱侧板采用一个主要侧板加若干辅助侧板的拼装组合设计，可灵活适应不同高度路基模型的制作要求；为路基模型提供纵向约束的侧板B采用钢化玻璃制作，试验过程中可直观观察路基土体的位移和变形。通过在模型中布置各类传感器并配合相应的数据采集设备，可精确测试路基动力响应的数据。
2为了检验斜向高压旋喷桩加固路基的效果，采用模型桩模拟实际工程中的旋喷桩，由于模型尺寸的限制，只能在填筑路基模型的过程中将模型桩埋入。而本发明的加固桩嵌固装置可以保证埋入的模型桩不会因上方土体的填筑所引起的振动和挤压而移位，保证了模型的精度。
3采用千斤顶和激振器分别模拟列车的恒载和行进过程中的冲击力，采用电机驱动模型转向架在轨道上移动，解决了多作动器联合加载方法 不能考虑冲击效应的问题。通过合理设置各模型转向架的间距及模型轨道长度，仅用两个模型转向架就可以模拟出多节车厢连续经过某段路基的作用效果，若采用四个模型转向架，可以模拟双线铁路上下行线路列车交汇路段的列车荷载作用效果。通过在模型轨道端部设置制动装置，使模型转向架在双线轨道之间往复运动，可研究列车荷载反复作用下某段路基的疲劳特性。
附图说明
图1是路基模型填筑横截面图
图2是路基模型加载横截面图
图3是路基模型加载纵截面图
图4是本发明中试验箱的示意图
图5是本发明中加固桩嵌固装置的示意图
图6是本发明中加载装置的示意图
图7是本发明中制动装置的示意图
图8是使用本发明时模型转向架布置间距示意图
图9是模型转向架中永磁直流电机控制电路示意图
附图标记说明：
1.试验箱 1-1.钢管立柱 1-2-1.主要侧板A 1-2-2.辅助侧板A 1-3-1.主要侧板B1-3-2.辅助侧板B 1-4.连接槽钢 1-5.胶垫 2.加固桩嵌固装置 2-1.后支架 2-2.前支架2-3.横梁 2-4.横向限位杆 2-5.一级嵌固槽 2-6.二级嵌固槽 2-7.调角螺栓 3.加载装置3-1.模型转向架 3-2.模型轨道 3-3.加载反力架 3-4.反力纵梁 3-5.反力滑道 3-1-1.动滑轮3-1-2. 滑轮固定板3-1-3.千斤顶 3-1-4.激振器 3-1-5.荷重传感器 3-1-6.弹簧J3-1-7.激振传力架 3-1-8.顶杆作用槽 3-1-9.千斤顶传力板 3-1-10.弹簧Q 3-1-11.伸缩限位筒 3-1-12.工型板 3-1-13.轴承 3-1-14.车轴 3-1-15.车轮 3-1-16.电机架 3-1-17.永磁直流电机 3-1-18.传动轮 3-1-19.传送带 3-1-20.电瓶 3-1-21.控制器 3-1-22.停止按钮 3-1-23.正转控制按钮 3-1-24.反转控制按钮 4.制动装置 4-1.制动轨道 4-2.制动端板 4-3.制动反力纵梁 4-4.制动滑道 4-5滑动支架 4-6.固定支架 4-7.步进电机4-8.步进电机控制器 4-9.步进电机驱动器 4-10.一级制动弹簧 4-11. 伸缩导向杆 4-12.一级制动板 4-13.二级制动弹簧 4-14.二级制动板 4-15.脉冲信号发射按钮 4-16.曲柄连杆结构 5-1.路基模型 5-2.模型桩 6-1.加速度传感器 6-2.土压力计 6-3.应变片。
具体实施方式
以下参照附图和具体实施例对本发明作详细说明
一种路基动力加载模型试验系统，由试验箱1、两套加固桩嵌固装置2、加载装置3、两套制动装置4构成。
1)所述试验箱1由至少四根钢管立柱1-1、沿路基模型行车方向布置的两块主要侧板A1-2-1和若干块辅助侧板A1-2-2、垂直路基模型行车方向布置的两块主要侧板B1-3-1和若干块辅助侧板B1-3-2、两根横向连接两钢管立柱1-1底端的连接槽钢1-4、嵌挤于钢管立柱1-1或连接槽钢1-4与侧板B1-3之间的胶垫1-5构成。当路基模型5-1纵向较长时，为防止侧板A1-2产生过大变形，应增加钢管立柱1-1的根数以减小单块侧板A1-2的长度。采用主要侧板加辅助侧板的组合设计可以灵活适应不同路基模型5-1的高度。
2)所述加固桩嵌固装置2由后支架2-1、前支架2-2、一根横梁2-3、两根横向限位杆2-4、若干根一级嵌固槽2-5、若干根二级嵌固槽2-6、若干个调角螺栓2-7构成。
3)所述加载装置3包括模型转向架3-1、两组由工字钢制成的模型轨道3-2、加载反力架3-3、固定于加载反力架3-3上的反力纵梁3-4、固定在反力纵梁3-4上的两组反力滑道3-5。所述模型转向架3-1包括动滑轮3-1-1、滑轮固定板3-1-2、千斤顶3-1-3、激振器3-1-4、荷重传感器3-1-5、弹簧J3-1-6、激振传力架3-1-7、顶杆作用槽3-1-8、千斤顶传力板3-1-9、弹簧Q3-1-10、伸缩限位筒3-1-11、工型板3-1-12、轴承3-1-13、车轴3-1-14、车轮3-1-15、电机架3-1-16、永磁直流电机3-1-17、传动轮3-1-18、传送带3-1-19、电瓶3-1-20、控制器3-1-21、停止按钮3-1-22、正转控制按钮3-1-23、反转控制按钮3-1-24。
4)所述制动装置4包括制动轨道4-1、制动端板4-2、制动反力纵梁4-3、制动滑道4-4、滑动支架4-5、固定支架4-6、步进电机4-7、步进电机控制器4-8、步进电机驱动器4-9、一级制动弹簧4-10、伸缩导向杆4-11、一级制动板4-12、二级制动弹簧4-13、二级制动板4-14、脉冲信号发射按钮4-15、曲柄连杆结构4-16。
所述钢管立柱1-1的两个侧面上带有用于固定侧板A1-2和侧板B1-3的卡槽、底部带有用于将试验箱1锚固于地面上的锚固板，所述主要侧板A1-2-1、辅助侧板A1-2-2由木板制成，所述主要侧板B1-3-1由钢化玻璃制成，所述辅助侧板B1-3-2由钢化玻璃或木板制成。
为路基模型5-1提供纵向约束的侧板B1-3采用钢化玻璃制成便于透过侧板直观的观察试验过程中路基模型填料内部的位移和变形。侧板B1-3由一块主要侧板B1-3-1和若干块辅助侧板B1-3-2由下至上拼接而成，其中，最上端的辅助侧板B1-3-2带有四个与模型轨道3-2同宽的开槽，并且由于钢化玻璃不宜开槽所以该最上端的辅助侧板B1-3-2采用木板制成。
所述后支架2-1、前支架2-2锚固于地面上，所述横梁2-3和横向限位杆2-4的两端分别焊接有螺母，可配合相应的螺栓分别将横梁2-3和横向限位杆2-4固定在后支架2-1和前支架2-2的竖向滑槽中，所述一级嵌固槽2-5的后端铰接于横梁2-3上，中间由两根横向限位杆2-4夹紧以固定其竖向位置及角度，所述二级嵌固槽2-6铰接于一级嵌固槽2-5的前端，由调角螺栓2-7调节二级嵌固槽2-6相对一级嵌固槽2-5的角度。所述一级嵌固槽2-5由两片槽钢制成、所述二级嵌固槽2-6由两片弧形钢板制成。
加固桩嵌固装置2用于在路基模型5-1填土过程中为模型桩5-2提供约束，使模型桩5-2精准地按设计位置埋入路基模型5-1中，避免因填土过程中的振动或挤压而使模型桩5-2产生偏移或转动，保证测试结果的精度。
所述加固桩嵌固装置2可适应不同桩径、不同布设位置和角度的模型桩5-2的埋设。所述一级嵌固槽2-5由两片槽钢制成，可保证一级嵌固槽2-5的刚度；所述二级嵌固槽2-6由两片弧形钢板制成，有利于增大二级嵌固槽2-6与模型桩5-2的接触面积，使模型桩5-2受力均衡。
为保证加固桩嵌固装置2能适应不同桩径模型桩5-2的固定，采用两级嵌固槽设计，其原理是：两片槽钢后端铰接于横梁2-3上，后端间距固定，前端间距小于后端间距，两片槽钢呈前窄后宽的梯形状，为保证模型桩5-2被嵌挤的是一个圆柱面而非一个圆周，需增加分别铰接于两片槽钢上的两个弧形钢板。调角螺栓用于调节二级嵌固槽2-6与一级嵌固槽2-5之间的夹角。
所述模型轨道3-2下部带有由表面光滑的薄钢片制成的防落土板3-2-1。防落土板3-2-1作用有两个：第一，当模型轨道3-2底端与最上端辅助侧板A1-3-2的开槽间距较大时，可防止路基填料从辅助侧板A1-3-2的开槽中漏出；第二，防止模型轨道3-2纵向移动或因受力不平衡而发生一端翘起。
所述加载反力架3-3至少两个，每个加载反力架3-3由两根立柱、一根横梁以及两根斜撑构成，立柱、横梁、斜撑焊接或用螺栓组合在一起，立柱底部带有用于将加载反力架锚固于地面上的锚固板。加载反力架3-3的个数根据路基模型5-1纵向长度及反力纵梁3-5的刚度而定，至少两个。
所述动滑轮3-1-1与滑轮固定板3-1-2之间通过U型板和转轴连接，U型板可绕固定于滑轮固定板3-1-2上的转轴转动，所述滑轮固定板3-1-2固定于千斤顶3-1-3底端。
所述千斤顶3-1-3顶杆端部安装有荷重传感器3-1-5，安装有荷重传感器3-1-5的千斤顶3-1-3顶杆作用在千斤顶传力板3-1-9上的顶杆作用槽3-1-8内。所述千斤顶传力板3-1-9中间开有方形通孔，下侧焊接有四个伸缩限位筒3-1-11，伸缩限位筒3-1-11外侧套有弹簧Q3-1-10。所述伸缩限位筒3-1-11的下端、弹簧Q3-1-10的下端均焊接在工型板3-1-12的上侧，所述工型板3-1-12两端的下侧焊接在两个轴承3-1-13上，所述轴承3-1-13为滚动轴承，轴承3-1-13的内圈与车轴3-1-14焊接在一起、外圈与工型板3-1-12焊接在一起。所述车轴3-1-14的两端连接有车轮3-1-15，所述车轮3-1-15放置在所述模型轨道3-2上。
弹簧Q3-1-10的作用是：列车行驶过程中，由于轨道竖向不平顺、钢轨顶面及车轮踏面不均匀磨耗等原因导致轨道及轨下结构所承受的竖向作用力大于列车恒载，这个竖向作用力包括列车净重和列车行驶产生的冲击力，本发明采用千斤顶产生的大小不随时间变化的力来模拟列车净重，采用激振器产生的大小随时间变化的力来模拟冲击力。
根据列车实际质量、模型相似比确定模型试验中列车净重并根据轮轨接触面积换算出竖向恒力大小，并由千斤顶3-1-3施加于千斤顶传力板3-1-9后，必然会使车轮3-1-15下模型轨道3-2产生一定变形（假设反力架及反力纵梁刚度无限大），而产生变形后的模型轨道3-2与反力纵梁3-4对千斤顶3-1-3的挤压作用是维持千斤顶3-1-3中的力不减小或消失的必要条件，若由于其它外力（例如：激振器产生的冲击力）而使得模型轨道3-2产生进一步变形，则会导致模型轨道3-2与反力纵梁3-4对千斤顶3-1-3的挤压作用减小或消失，进而导致千斤顶3-1-3对模型轨道3-2施加的力减小或消失。若在千斤顶传力板3-1-9与工型板3-1-12之间加入弹簧Q3-1-10，则激振器3-1-4产生的力作用于车轴3-1-14并传递到车轮3-1-15进而使模型轨道3-2在已有变形的基础上进一步变形时，弹簧Q3-1-10会相应产生一定的回弹，几乎不会影响千斤顶3-1-3所受力的大小，进而保证不会由于激振力的作用而对千斤顶作用力产生“卸荷”作用。
千斤顶3-1-3与激振器3-1-4不采用一套传力系统而分别由千斤顶传力板3-1-9及弹簧Q3-1-10、激振传力架3-1-7作用于工型板3-1-12上也是为保证弹簧Q3-1-10能产生作用，避免产生“卸荷”效应。若将激振传力架3-1-7直接作用在千斤顶传力板3-1-9上，则弹簧Q3-1-10不能发挥作用。
伸缩限位筒3-1-11可以承受弯矩和剪力但不能承受轴力，可保证外套的弹簧Q3-1-10只承受正压力，避免模型转向架3-1行进过程中弹簧Q3-1-10发生弯曲。
所述激振器3-1-4通过弹簧J3-1-6和伸缩限位筒3-1-11弹性地安装在激振传力架3-1-7上，激振器3-1-4顶杆与与激振传力架3-1-7的顶板接触，激振传力架3-1-7穿过千斤顶传力板3-1-9的方形通孔后与车轴3-1-14上的工型板3-1-12连接在一起。
弹簧J3-1-6的作用是：将激振器3-1-4弹性地安装在激振传力架3-1-7上 ，既能保证激振力能充分作用在激振传力架3-1-7上，又能保证激振器3-1-4不受损坏。
所述电机架3-1-16焊接在两个工型板3-1-12之间，所述永磁直流电机3-1-17固定在电机架3-1-16上，所述永磁直流电机3-1-17的控制器3-1-21及为永磁直流电机提供电能的电瓶3-1-20均放置在千斤顶传力板3-1-9上。所述停止按钮3-1-22有两个、正转控制按钮3-1-23和反转控制按钮3-1-24各有一个，其中，两个停止按钮3-1-22分别通过按钮弹簧固定在千斤顶传力板3-1-9的前后两个侧面上，其作用相同；正转控制按钮3-1-23和反转控制按钮3-1-24分别通过按钮弹簧固定在千斤顶传力板3-1-9的前后两个侧面上，其分别控制永磁直流电机3-1-17的正转、反转。所述停止按钮3-1-22、正转控制按钮3-1-23、反转控制按钮3-1-24均为自复位按钮。所述用于连接停止按钮3-1-22的按钮弹簧短于用于连接正转控制按钮3-1-23或反转控制按钮3-1-24的按钮弹簧，使得模型转向架3-1运行到一端时正转控制按钮3-1-23或反转控制按钮3-1-24先于停止按钮3-1-22被摁下去。
当模型转向架3-1正向运动至制动装置4的制动轨道4-1上后，首先接触二级制动板4-14的是反转控制按钮3-1-24、但由于所设计的电机正反转控制电路为互锁电路，必须先摁停止按钮3-1-22使电机停转并复位停止按钮3-1-22后再摁反转控制按钮3-1-24才有效，故此时电动机依然保持正转状态。模型转向架3-1继续前进，随后停止按钮3-1-22被摁下去，控制电路断电，电机停止输出动能并一直保持此状态直到停止按钮3-1-22复位且反转控制按钮3-1-24被摁下去电机才会开始反转。当模型转向架3-1动能变为零后，在弹力及重力作用下开始反向运动，反向运动到与二级制动板4-14脱离时，停止按钮3-1-22复位，而此时反转控制按钮3-1-24还未复位，故反转电路接通，电机开始反转，驱动模型转向架3-1反向运动并驶离制动装置4，驶入线路下行线的模型轨道3-2上。
采用永磁直流电机3-1-17既便于调节转速又可以直接采用电瓶3-1-20供电。
所述传动轮3-1-18分别位于车轴3-1-14和永磁直流电机3-1-17的动力输出轴上，永磁直流电机3-1-17上的传动轮3-1-18与车轴3-1-14上的传动轮3-1-18之间通过传送带3-1-19连接。
所述制动轨道4-1、制动反力纵梁4-3、制动滑道4-4的中心线均为竖曲线，制动反力纵梁4-3、制动滑道4-4、制动轨道4-1、制动端板4-2均固定在滑动支架4-5上，滑动支架4-5的前后端带有滑轮；
所述固定支架4-6锚固于地面上，固定支架4-6的顶部带有与滑动支架4-6底部所带滑轮相匹配的滑槽。
所述步进电机4-7放置在固定支架4-6上，步进电机4-7的动力输出轴通过曲柄连杆结构4-16与滑动支架4-5的底部横梁相连接。所述脉冲信号发射按钮4-15、步进电机控制器4-8、步进电机驱动器4-9、步进电机4-7依次通过导线连通。
所述制动端板4-2的前端安装有一级制动弹簧4-10和伸缩导向杆4-11，一级制动弹簧4-10及伸缩导向杆4-11的前端安装有一级制动板4-12，所述一级制动板4-12的前端连接有二级制动弹簧4-13，所述二级制动弹簧4-13的前端安装有二级制动板4-14，所述二级制动板4-14上安装有脉冲信号发射按钮4-15。
所述制动装置的基本原理是：
步进电机4-7可以将脉冲信号转变为角位移，每接收到一个脉冲信号，步进电机4-7就转动一个角度，这一角度称为步距角。步进电机4-7的总转动角度由输入的脉冲数决定，而转速由脉冲信号的输入频率决定。当触发脉冲信号发射按钮4-15后，步进电机控制器4-8将向步进电机驱动器4-9发射一组脉冲信号（若脉冲信号发射按钮一直保持被触发的状态，则会在一组脉冲信号执行完毕后重复发射相同的脉冲信号），步进电机驱动器4-9将按该组脉冲信号的脉冲数和脉冲信号频率驱动步进电机4-7在设定的时间内转动设定的角度。
当模型转向架3-1行驶至制动装置4的制动轨道4-1上后，由于制动轨道4-1采用竖曲线，使得模型转向架3-1的一部分动能转化为自身的重力势能，而一级制动弹簧4-10和二级制动弹簧4-13联合作用使得模型转向架3-1的另一部分动能转化为弹性势能储存在弹簧内，当模型转向架3-1的动能降为零后，由于重力作用和弹簧的弹力作用，模型转向架3-1开始反向运动。在模型转向架3-1正向运动至与二级制动板4-14接触时，会触发脉冲信号发射按钮4-15，脉冲信号发射按钮4-15变为闭合状态，步进电机控制器4-8向步进电机驱动器4-9发射一组脉冲信号，步进电机驱动器4-9驱动步进电机4-7转动。步进电机4-7通过曲柄连杆结构4-16驱动滑动支架4-5左右移动，当步进电机4-7转动180 º时，滑动支架4-5运动至最右侧，此时，滑动支架4-5上的制动轨道4-1、制动滑道4-4恰好与线路下行线的模型轨道3-2、反力滑道3-5对齐，待模型转向架3-1反向运动并驶出制动装置4后，步进电机4-7再转动180 º，驱动滑动支架4-5运动至最左侧并停止，而此时滑动支架4-5上的制动轨道4-1、制动滑道4-4恰好与线路上行线的模型轨道3-2、反力滑道3-5对齐，等待下一个模型转向架3-1驶入制动装置4并触发脉冲信号发射按钮4-15。
假设该步进电机4-7步距角为1.5 º，则一组脉冲信号应当设置为：在时间h1内先发射120个脉冲信号，间隔时间h2后再在时间h3内发射120个脉冲信号。其中，时间h1、h2应当根据模型转向架3-1的运动速度确定，h3不大于h1。如果在执行完一组脉冲信号时脉冲信号发射装置4-15没有在触发状态，则步进电机4-7不会转动，只有在脉冲信号发射按钮4-15再次被触发时，步进电机4-7才会再次执行提前设定好的一组脉冲信号。
本发明的工作原理如下：
为测试列车作用下路基的动力响应及检验斜桩加固路基的加固效果，本发明采用模型转向架3-1模拟列车作用，若采用多个模型转向架3-1并设置好各模型转向架3-1之间的间距，则可以精确模拟出多节车厢相继经过某段路基时的作用效果。
该模型试验系统的缩尺比确定后，假设模型轨道3-2的长度为（单位：m），同一车厢前后模型转向架3-1间距为（单位：m），相邻两节车厢的相邻模型转向架3-1的间距为（单位：m），试验设定车速为（单位m/s），行驶至端部后在制动装置4上停留时间为(单位：s)，所需模型转向架3-1个数为，只能取大于等于2的偶数。各参数之间有如下关系：
即将模型转向架3-1在制动装置4上滞留的时间按照模型转向架3-1在模型轨道3-2上的行驶速度换算成距离，这样才能保证同一点处有模型转向架3-1经过的时间间隔总是为或。另外，在模型轨道3-2长度及模型转向架3-1个数已经确定的情况下，若提高模型转向架3-1在模型轨道3-2上的行驶速度，则必须相应缩短模型转向架3-1在制动装置4上滞留的时间，即模型转向架3-1必须以更短的时间完成减速-静止-反向加速的过程，相应地，制动装置4的滑动支架4-5也要相应减短往复滑动所需时间。
若采用2个模型转向架3-1，即=2，则模型轨道3-2长度应取为;
若采用4个模型转向架3-1，即=4，则模型轨道3-2长度应取为;当采用4个及以上模型转向架3-1时，可研究双线铁路列车交汇路段的列车荷载作用下路基动力响应问题（实际列车运行中，若假设列车总能保证正点运行，则两列列车交汇的路段总是固定的，该路段的路基总是承受双线铁路上两列列车的相向运动的荷载作用，故该段路基受力机理更为复杂）。
列车行驶过程中不仅会对轨道及轨下结构产生一个与自重大小相等的移动的竖向恒力，而且由于轨道竖向不平顺、轨顶和车轮踏面的不均匀磨损，还会产生一个移动的大小变化的冲击力。本发明通过千斤顶3-1-3来对轨道施加恒力以模拟列车自重，通过激振器3-1-4对轨道施加的激振力来模拟冲击力。
本发明通过控制永磁直流电机3-1-17的正反转来实现模型转向架3-1在模型轨道3-2上的往复运动，通过将控制电机正反转、停止的按钮安装在模型转向架3-1的前后端使得当模型转向架3-1驶入制动装置4后，先切断动力输出再制动；通过为正（反）转控制按钮与停止按钮设置不同的按钮弹簧长度，实现了正（反）转控制按钮的“早摁晚回”和停止按钮的“晚摁早回”。通过把制动轨道4-1、制动滑道4-4、制动反力纵梁4-3等设计成竖曲线并安装两级制动弹簧不仅有利于模型转向架3-1的快速制动，还通过动能与重力势能或弹性势能的转换使得模型转向架3-1转向后即可获得较大初速度。通过将弹簧分两级设置并且令二级制动弹簧4-13刚度远小于一级制动弹簧4-10刚度，可以保证在尽早切断模型转向架3-1动力输出的同时不会因模型转向架3-1高速撞击刚度较大物体而发生损坏及能量损失。制动装置4通过利用步进电机4-7可精确控制转动角度、可瞬间启动和急速停止的优越特性，实现了滑动支架4-5的快速、精确往复运动，为模型转向架3-1的换向、转轨提供了保证。通过将步进电机4-7的脉冲信号发射按钮4-15安装在二级制动板4-14上，并根据模型转向架3-1制动、换向所需时间精确调整脉冲信号的个数和频率，实现了步进电机4-7控制的精准化和自动化。
本发明的试验过程如下：
将试验箱1的立柱1-1通过底部锚固板固定在地面上，并根据路基模型5-1高度拼装好侧板。根据试验方案所选定的路基填料的材料及尺寸、模型桩5-2的材料、桩径、桩长、埋设高度、埋设角度等参数在试验箱1内制作路基模型5-1，制作过程中将模型桩5-2埋入路基模型5-1中，为保证模型桩5-2埋设位置和角度的精准，采用加固桩嵌固装置2的二级嵌固槽2-6嵌固模型桩5-2并待路基模型5-1分层填筑、分层压实完成后才将模型桩嵌固装置2撤去。为了精确监测动力加载过程中路基模型5-1内部土体的位移、加速度、土压力及模型桩的变形和加速度，在填筑路基模型的过程中按设计要求将加速度传感器6-1、土压力计6-2等埋入指定位置，并在桩身布设加速度传感器6-1、粘贴应变片6-3。在填筑好的路基模型上按照模型缩尺比选择石块或石子填筑道床，填筑完成后铺设按缩尺比预制好的混凝土轨枕，并将模型轨道3-2固定在混凝土轨枕上。
将加载反力架3-3通过底部的锚固板固定在地面上，将安装有反力滑道3-5的反力纵梁3-4固定在加载反力架3-3上，将两个制动装置4通过固定支架4-6底部的锚固梁分别锚固在试验箱1前后侧的地上。
根据试验方案设定的模型转向架3-1的行驶速度设定好制动装置4中步进电机控制器4-8的脉冲输入个数及频率（设定好后，每触发一次脉冲信号发射按钮，发射一组这样的脉冲信号）。将各模型转向架3-1按预定间距放在模型轨道3-2上并使千斤顶顶部滑轮3-1-1置于反力滑道3-5中，设定好千斤顶3-3加载作用力并开启激振器3-4（若采用电磁激振器则应开启激振器控制器并设定加载时程曲线）。
开启所埋设传感器的数据采集设备，摁下正转控制按钮3-1-23，模型转向架3-1开始运行。试验人员观察路基模型5-1的变化特征并通过数据采集设备监测并记录路基动力响应的试验数据。

Claims (11)

1.一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：由试验箱（1）、两套加固桩嵌固装置（2）、加载装置（3）、两套制动装置（4）构成，所述试验箱（1）由至少四根钢管立柱（1-1）、沿路基模型行车方向布置的两块主要侧板A（1-2-1）和若干块辅助侧板A（1-2-2）、垂直路基模型行车方向布置的两块主要侧板B（1-3-1）和若干块辅助侧板B（1-3-2）、两根横向连接两钢管立柱（1-1）底端的连接槽钢（1-4）、嵌挤于钢管立柱（1-1）或连接槽钢（1-4）与侧板B（1-3）之间的胶垫（1-5）构成；
所述加固桩嵌固装置（2）由后支架（2-1）、前支架（2-2）、一根横梁（2-3）、两根横向限位杆（2-4）、若干根一级嵌固槽（2-5）、若干根二级嵌固槽（2-6）、若干个调角螺栓（2-7）构成；
所述加载装置（3）包括模型转向架（3-1）、两组由工字钢制成的模型轨道（3-2）、加载反力架（3-3）、固定于加载反力架（3-3）上的反力纵梁（3-4）、固定在反力纵梁（3-4）上的两组反力滑道（3-5）；所述模型转向架（3-1）包括动滑轮（3-1-1）、滑轮固定板（3-1-2）、千斤顶（3-1-3）、激振器（3-1-4）、荷重传感器（3-1-5）、弹簧J（3-1-6）、激振传力架（3-1-7）、顶杆作用槽（3-1-8）、千斤顶传力板（3-1-9）、弹簧Q（3-1-10）、伸缩限位筒（3-1-11）、工型板（3-1-12）、轴承（3-1-13）、车轴（3-1-14）、车轮（3-1-15）、电机架（3-1-16）、永磁直流电机（3-1-17）、传动轮（3-1-18）、传送带（3-1-19）、电瓶（3-1-20）、控制器（3-1-21）、停止按钮（3-1-22）、正转控制按钮（3-1-23）、反转控制按钮（3-1-24）；
所述制动装置（4）包括制动轨道（4-1）、制动端板（4-2）、制动反力纵梁（4-3）、制动滑道（4-4）、滑动支架（4-5）、固定支架（4-6）、步进电机（4-7）、步进电机控制器（4-8）、步进电机驱动器（4-9）、一级制动弹簧（4-10）、伸缩导向杆（4-11）、一级制动板（4-12）、二级制动弹簧（4-13）、二级制动板（4-14）、脉冲信号发射按钮（4-15）、曲柄连杆结构（4-16），
所述后支架（2-1）、前支架（2-2）锚固于地面上，所述横梁（2-3）和横向限位杆（2-4）的两端分别焊接有螺母，可配合相应的螺栓分别将横梁（2-3）和横向限位杆（2-4）固定在后支架（2-1）和前支架（2-2）的竖向滑槽中，所述一级嵌固槽（2-5）的后端铰接于横梁（2-3）上，中间由两根横向限位杆（2-4）夹紧以固定其竖向位置及角度，所述二级嵌固槽（2-6）铰接于一级嵌固槽（2-5）的前端，由调角螺栓（2-7）调节二级嵌固槽（2-6）相对一级嵌固槽（2-5）的角度，所述一级嵌固槽（2-5）由两片槽钢制成、所述二级嵌固槽（2-6）由两片弧形钢板制成，
所述加载反力架（3-3）至少两个，每个加载反力架（3-3）由两根立柱、一根横梁以及两根斜撑构成，立柱、横梁、斜撑焊接或用螺栓组合在一起，立柱底部带有用于将加载反力架（3-3）锚固于地面上的锚固板，
所述制动轨道（4-1）、制动反力纵梁（4-3）、制动滑道（4-4）的中心线均为竖曲线，制动反力纵梁（4-3）、制动滑道（4-4）、制动轨道（4-1）、制动端板（4-2）均固定在滑动支架（4-5）上，滑动支架（4-5）的前后端带有滑轮。
2.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述钢管立柱（1-1）的两个侧面上带有用于固定侧板A（1-2）和侧板B（1-3）的卡槽、底部带有用于将试验箱（1）锚固于地面上的锚固板，所述固定侧板A（1-2）包括主要侧板A（1-2-1）、辅助侧板A（1-2-2），所述侧板B（1-3）包括主要侧板B（1-3-1）、辅助侧板B（1-3-2），所述主要侧板A（1-2-1）、辅助侧板A（1-2-2）由木板制成，所述主要侧板B（1-3-1）由钢化玻璃制成，所述辅助侧板B（1-3-2）由钢化玻璃或木板制成。
3.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述模型轨道（3-2）下部带有由表面光滑的薄钢片制成的防落土板（3-2-1）。
4.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述动滑轮（3-1-1）与滑轮固定板（3-1-2）之间通过U型板和转轴连接，U型板可绕固定于滑轮固定板（3-1-2）上的转轴转动，所述滑轮固定板（3-1-2）固定于千斤顶（3-1-3）底端。
5.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述千斤顶（3-1-3）顶杆端部安装有荷重传感器（3-1-5），安装有荷重传感器（3-1-5）的千斤顶（3-1-3）顶杆作用在千斤顶传力板（3-1-9）上的顶杆作用槽（3-1-8）内，所述千斤顶传力板（3-1-9）中间开有方形通孔，下侧焊接有四个伸缩限位筒（3-1-11），伸缩限位筒（3-1-11）外侧套有弹簧Q（3-1-10），所述伸缩限位筒（3-1-11）的下端、弹簧Q（3-1-10）的下端均焊接在工型板（3-1-12）的上侧，所述工型板（3-1-12）两端的下侧焊接在两个轴承（3-1-13）上，所述轴承（3-1-13）为滚动轴承，轴承（3-1-13）的内圈与车轴（3-1-14）焊接在一起、外圈与工型板（3-1-12）焊接在一起，所述车轴（3-1-14）的两端连接有车轮（3-1-15），所述车轮（3-1-15）放置在所述模型轨道（3-2）上。
6.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述激振器（3-1-4）通过弹簧J（3-1-6）和伸缩限位筒（3-1-11）弹性地安装在激振传力架（3-1-7）上，激振器（3-1-4）顶杆与激振传力架（3-1-7）的顶板接触，激振传力架（3-1-7）穿过千斤顶传力板（3-1-9）的方形通孔后与车轴（3-1-14）上的工型板（3-1-12）连接在一起。
7.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述电机架（3-1-16）焊接在两个工型板（3-1-12）之间，所述永磁直流电机（3-1-17）固定在电机架（3-1-16）上，所述永磁直流电机（3-1-17）的控制器（3-1-21）及为永磁直流电机提供电能的电瓶（3-1-20）均放置在千斤顶传力板（3-1-9）上，所述停止按钮（3-1-22）有两个、正转控制按钮（3-1-23）和反转控制按钮（3-1-24）各有一个，其中，两个停止按钮（3-1-22）分别通过按钮弹簧固定在千斤顶传力板（3-1-9）的前后两个侧面上，其作用相同；正转控制按钮（3-1-23）和反转控制按钮（3-1-24）分别通过按钮弹簧固定在千斤顶传力板（3-1-9）的前后两个侧面上，其分别控制永磁直流电机（3-1-17）的正转、反转，所述用于连接停止按钮（3-1-22）的按钮弹簧短于用于连接正转控制按钮（3-1-23）或反转控制按钮（3-1-24）的按钮弹簧。
8.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述传动轮（3-1-18）分别位于车轴（3-1-14）和永磁直流电机（3-1-17）的动力输出轴上，永磁直流电机（3-1-17）上的传动轮（3-1-18）与车轴（3-1-14）上的传动轮（3-1-18）之间通过传送带（3-1-19）连接。
9.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述固定支架（4-6）锚固于地面上，固定支架（4-6）的顶部带有与滑动支架（4-5）底部所带滑轮相匹配的滑槽。
10.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述步进电机（4-7）放置在固定支架（4-6）上，步进电机（4-7）的动力输出轴通过曲柄连杆结构（4-16）与滑动支架（4-5）的底部横梁相连接，所述步进电机（4-7）、步进电机驱动器（4-9）、步进电机控制器（4-8）、脉冲信号发射按钮（4-15）分别通过导线连通。
11.根据权利要求1所述的一种路基动力加载模型试验系统，其特征在于：所述制动端板（4-2）的前端安装有一级制动弹簧（4-10）和伸缩导向杆（4-11），一级制动弹簧（4-10）及伸缩导向杆（4-11）的前端安装有一级制动板（4-12），所述一级制动板（4-12）的前端连接有二级制动弹簧（4-13），所述二级制动弹簧（4-13）的前端安装有二级制动板（4-14），所述二级制动板（4-14）上安装有脉冲信号发射按钮（4-15）。
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