CN110284383A - 铁路轨道系统的模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁路轨道系统的模拟试验装置，包括：试验架体；轨道部分，设置在试验架体内；下部基础，设置在试验架体的底部和轨道部分之间；变形模拟层，设置在下部基础与试验架体的底部之间，变形模拟层抵接在下部基础的下方；检测组件，包括第一传感器部和第二传感器部，第一传感器部设置在轨道部分上，第二传感器部设置在下部基础和变形模拟层之间。本申请的技术方案有效解决了现有技术中下部基础不均匀沉降对轨道结构的影响分析缺乏试验验证的问题。

Description

铁路轨道系统的模拟试验装置

技术领域

本发明涉及铁道工程试验技术领域，具体而言，涉及一种铁路轨道系统的模拟试验装置。

背景技术

现有技术中，轨道结构是铁路系统直接承受车轮荷载的系统部件，直接承受车辆荷载并将其均匀分布至下部桥梁、隧道、路基内，其结构平顺性及稳定性将直接影响列车的运行。随着列车运行速度的不断提升，对轨道的平顺性要求也越来越高。轨道平顺性的影响因素主要分内、外两个方面，内部因素主要包含轨道结构自身保持其几何形位的能力，外部因素则为下部基础变形映射至轨道上的几何形位变化。

工程结构服役期内，其下部基础的沉降变形一直存在，不可避免。铁路轨道是一种超长带状结构，其下部基础型式及地质环境复杂多变，不同位置的沉降差异会带来轨道平顺性变化及轨道结构受力的改变。现有技术中下部基础不均匀沉降对轨道结构的影响分析主要停留在理论研究方面，缺乏试验验证。

发明内容

本发明旨在提供一种铁路轨道系统的模拟试验装置，以解决现有技术中下部基础不均匀沉降对轨道结构的影响分析缺乏试验验证的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种铁路轨道系统的模拟试验装置，包括：试验架体；轨道部分，设置在试验架体内；下部基础，设置在试验架体的底部和轨道部分之间；变形模拟层，设置在下部基础与试验架体的底部之间，变形模拟层抵接在下部基础的下方；检测组件，包括第一传感器部和第二传感器部，第一传感器部设置在轨道部分上，第二传感器部设置在下部基础和变形模拟层之间。

进一步地，变形模拟层包括金属板和能够调节金属板的高度的调节支撑件，金属板抵接在下部基础的下方。

进一步地，金属板包括间隔设置在下部基础的底部的多个金属板，调节支撑件为多个，每个金属板与至少两个调节支撑件连接。

进一步地，调节支撑件包括底座、设置在底座上的调节杆和设置在调节杆上的紧固件，底座固定在试验架体上，金属板套设在调节杆上，通过紧固件将金属板固定在调节杆上。

进一步地，试验架体包括底板和设置在底板上方的透明围板，调节支撑件设置在底板上，下部基础设置在透明围板内部。

进一步地，试验架体还包括设置在底板上方的立柱和挡墙，透明围板为多个，多个透明围板沿底板的长度方向设置在底板的两侧，立柱包括多个，每个立柱位于相邻的两个的透明围板之间，挡墙包括两个，一个挡墙位于底板的一端，另一个挡墙位于底板的另一端。

进一步地，检测组件还包括第三传感器部和第四传感器部，第三传感器部设置在下部基础上，第四传感器部设置在轨道部分上，检测组件还包括设置在变形模拟层上的千分表。

进一步地，试验架体的长度A由下部基础的变形波长S与比例尺相乘得到，比例尺根据量纲分析法得到，试验架体的宽度B为轨道部分的宽度的1.5倍以上。

进一步地，下部基础为路基，下部基础包括由上至下依次设置的基床表层、基床底层及地基；或者下部基础为桥梁，下部基础包括由上至下依次设置的桥梁、桥墩和地基；或者下部基础为隧道，下部基础包括由上至下依次的仰拱回填层、隧道衬砌和围岩。

进一步地，轨道部分为无砟轨道，轨道部分包括由上至下依次设置的钢轨、扣件、轨道板或者道床板、填充层和底座；或者轨道部分为有砟轨道，轨道部分包括由上至下依次设置的钢轨、扣件、轨枕和道砟。

应用本发明的技术方案，铁路轨道系统的模拟试验装置用于模拟下部基础的沉降变形。模拟试验装置包括试验架体、轨道部分、下部基础、变形模拟层和检测组件。轨道部分设置在试验架体内。下部基础设置在试验架体的底部和轨道部分之间。变形模拟层设置在下部基础与试验架体的底部之间。变形模拟层抵接在下部基础的下方。检测组件包括第一传感器部和第二传感器部。第一传感器部设置在轨道部分上，第二传感器部设置在下部基础和变形模拟层之间。在下部基础发生变形的情况下，相应地轨道部分也随下部基础的变形而发生变形，或者，轨道部分受力发生变形情况下，下部基础随轨道部分变化而发生变化。变形模拟层能够模拟下部基础的变形量，同时，根据第一传感器部检测轨道部分的变形情况和根据第二传感器部检测下部基础的变形情况，模拟试验装置能够模拟下部基础的不均匀变形，并测试不同程度变形所导致的轨道结构变形。这样，在模拟试验装置上能够得到下部基础的变形对轨道部分的变形的影响及受力情况。因此本申请的技术方案能够解决现有技术中下部基础不均匀沉降对轨道结构的影响分析缺乏试验验证的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的铁路轨道系统的模拟试验装置的实施例在长度方向上的剖视示意图；

图2示出了图1的模拟试验装置在宽度方向上的剖视示意图；

图3示出了图1的模拟试验装置的试验架体的立体结构示意图；

图4示出了图1的模拟试验装置的试验架体和变形模拟层的主视示意图；

图5示出了图1的模拟试验装置的模拟变形曲线的示意图；以及

图6示出了图5的模拟试验装置的A处放大示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、试验架体；11、底板；12、透明围板；13、立柱；14、挡墙；20、轨道部分；21、钢轨；22、扣件；23、道床板；30、下部基础；40、变形模拟层；41、金属板；42、调节支撑件；421、底座；422、调节杆；423、紧固件；50、检测组件；51、第一传感器部；52、第二传感器部；53、第三传感器部；54、千分表。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图3所示，本实施例的铁路轨道系统的模拟试验装置用于模拟下部基础的沉降变形。模拟试验装置包括试验架体10、轨道部分20、下部基础30、变形模拟层40和检测组件50。轨道部分20设置在试验架体10内。下部基础30设置在试验架体10的底部和轨道部分20之间。变形模拟层40设置在下部基础30与试验架体10的底部之间，变形模拟层40抵接在下部基础30的下方。检测组件50包括第一传感器部51和第二传感器部52，第一传感器部51设置在轨道部分20上，第二传感器部52设置在下部基础30和变形模拟层40之间。

应用本实施例的技术方案，在下部基础30发生变形的情况下，相应地轨道部分20也随下部基础30的变形而发生变形，或者，轨道部分20受力发生变形情况下，下部基础30随轨道部分20变化而发生变化。变形模拟层40能够模拟下部基础30的变形量，同时，根据第一传感器部51检测轨道部分20的变形信号和根据第二传感器部52检测下部基础30的变形信号，模拟试验装置能够模拟下部基础30的不均匀变形，并测试不同程度变形所导致的轨道部分变形，这样，在模拟试验装置上能够得到下部基础30的变形对轨道部分20的变形的影响及受力情况。因此本实施例的技术方案能够解决现有技术中下部基础不均匀沉降对轨道结构的影响分析缺乏试验验证的问题。

本实施例的第一传感器部51和第二传感器部52为连续布置的位移传感器。具体地，第一传感器部51设置在轨道部分20的需要被检测的断面上，第二传感器部52设置在下部基础30的需要被检测的断面上。被检测断面为沿试验架体10的纵向方向上的截面。第一传感器部51和第二传感器部52优选为位移传感器。在被检测断面上的连续的位移传感器的数量根据需求来进行设置。位移传感器数量可依据测试需求进行适当增加。连续的位移传感器与铁路轨道系统的数据采集仪进行连接，数据采集仪与电脑进行连接，以获取并存储下部基础变形过程中各层变形数据。

如图1和图2所示，变形模拟层40包括金属板41和能够调节金属板41的高度的调节支撑件42，金属板41抵接在下部基础30的下方。这样，金属板41具有足够的强度，能够支撑下部基础。同时，根据模拟的需要，通过调节支撑件42能够调节金属板41在纵向方向上的高度。

如图1和图4所示，金属板41包括间隔设置在下部基础30的底部的多个金属板41，调节支撑件42为多个，每个金属板41与四个调节支撑件42连接。这样，四个调节支撑件42能够调节每个金属板41的高度，便于每个金属板41模拟不同的变形波长S，进而多个的金属板41处于不同变形量的情况下，能够对下部基础的变形进行模拟。在其他图中未示出的实施例中，调节支撑件42数量不限于四个，可以为两个、三个、五个及以上。具体的数量可根据现场的情况来布置。本实施例的多个金属板41所模拟的不均匀沉降变形能够涵盖多个变形波长S及变形量。

如图4和图6所示，调节支撑件42包括底座421、设置在底座421上的调节杆422和设置在调节杆422上的紧固件423，底座421固定在试验架体10上，金属板41套设在调节杆422上，通过紧固件423将金属板41固定在调节杆422上。紧固件423包括依次套设在调节杆422上的第一螺母和第二螺母，先将第一螺母调整到调节杆422的试验位置，再将金属板41套在调节杆422上，再将第二螺母拧紧，这样，第一螺母和第二螺母将金属板41固定在调节杆422上。

如图3所示，试验架体10包括底板11和设置在底板11上方的透明围板12，调节支撑件42设置在底板11上，下部基础30设置在透明围板12内部。透明围板12优选为透明有机玻璃，便于从外侧观察下部基础30的变形状态。

如图2和图3所示，试验架体10还包括设置在底板11上方的立柱13和挡墙14，透明围板12为多个，多个透明围板12沿底板11的长度方向设置在底板11的两侧。立柱13能够支撑透明围板12，进而使得透明围板12能够挡住下部基础30。立柱13包括多个，每个立柱13位于相邻的两个的透明围板12之间。挡墙14包括两个，一个挡墙14位于底板11的一端，另一个挡墙14位于底板11的另一端。检测组件50还包括设置在立柱13的第一压力传感器，第一压力传感器能够检测到下部基础30对立柱产生的挤压力，同时，工作人员能够从透明围板12的外侧向内观察下部基础30的变形过程。本实施例的底板11、立柱13和挡墙14优选为混凝土结构。

如图5和图6所示，检测组件50还包括第三传感器部53和第四传感器部，第三传感器部53设置在下部基础30上，第四传感器部设置在轨道部分20上，检测组件50还包括设置在变形模拟层40上的千分表54。第三传感器部53为压力检测传感器。压力检测传感器与铁路轨道系统的数据采集仪进行连接，数据采集仪与电脑进行连接，以获取并存储下部基础变形过程中各层压力分布数据。第四传感器部为应变检测传感器。应变检测传感器能够检测下部基础30变形过程中轨道部分20受力情况。此外，本实施例的千分表54能够检测下部基础30的不同变形量值，同时模拟试验装置能够实现下部基础下沉变形曲线的模拟。本实施例的轨道部分20上还设置有第二压力传感器，已检测轨道部分20的压力。如图6所示，在水平面上，x轴表示变形波长S的长度，y轴表示变形波长S受载荷后的变形量。

如图5所示，试验架体10的长度A由下部基础30的变形波长S与比例尺相乘得到，比例尺根据量纲分析法得到，试验架体10的宽度B为轨道部分20的宽度的1.5倍以上。本实施例的试验架体10的长度A和试验架体10的宽度B根据试验需求来设置。试验架体10的长度A能够完全包含需要模拟的变形波长S。试验架体10的宽度B的优选为轨道部分20的宽度的1.5倍。

需要说明的是，量纲分析法是用量纲方程来表示物理方程，根据量纲方程等号两边量纲齐次性，解出物理方程式中各物理量的未知幂指数。

模拟试验装置的设计不仅仅是确定模拟试验装置的相似比，而应综合考虑各种因素，如模拟试验装置的类型、材料、制作条件以及试验条件，确定出适当的物理量的相似常数。所包含的物理量有：

(1)模拟试验装置的结构几何尺寸l；

(2)模拟试验装置的结构上荷载，包括自重(用容重γ表示)和位移荷载y；

(3)模拟试验装置的结构反应，包括挠度δ、应力σ和应变ε；

(4)模拟试验装置的材料性能，包括弹性模量E和泊松比ν，扣件刚度k。

结构静力状态用一般的函数形式表示为：

f(l，γ，E，k，y，δ，σ，ε，v)＝0

采用量纲分析法，则π函数的一般形式为：

π＝l^aγ^bE^ck^dy^eδ^fε^gν^hσⁱ

式中，a，b，c，d，e，f，g，h，i为根据各个量纲的编号定义的待定变量。

根据各个量的量纲写出量纲矩阵

式中，[L]，[F]分别为长度l和力f的量纲。

物理量个数n＝9，基本量纲个数＝2，按π定理列出π矩阵：

所以得到相似准则为

相似的现象在彼此对应的时刻且空间被此对应点上.其相似准则数值相同，即保证原型与模拟试验装置之间的所有独立相似准则相同，则原型与模拟试验装置相似。对于该静力学相似现象，在模拟试验装置设计中若能满足如下相似条件：

其中m表示模拟试验装置，p表示原型，写成相似指标的形式为其中表示相似比，则必然有如下试验结果相似条件成立：

根据比例模拟试验装置设计原则：

当结构几何尺寸l中的试验架体10的长度A为10m，试验架体10的宽度B为1.5m，下部基础30的高度为1.5m，比例尺为1:4时，且轨道部分20为无砟轨道，材料弹性模量不变，加载位移比例为1:4，重度γ比例为4:1时，满足相似定律，此时结构变形比例为1:4，应力比例为1:1。

当结构几何尺寸l中的试验架体10的长度A为10m，试验架体10的宽度B为1.5m，下部基础30的高度为1.5m，比例尺为1:4时，且轨道部分20为无砟轨道，材料弹性模量比例1:4，加载位移比例为1:4，重度γ比例为1:1时，满足相似定律，此时结构变形比例为1:4，应力比例为1:1。

如图2所示，下部基础30为路基，下部基础30包括由上至下依次设置的基床表层、基床底层及地基。在其他未示出的实施方式中，下部基础为桥梁，下部基础包括由上至下依次设置的桥梁、桥墩和地基。或者下部基础为隧道，下部基础包括由上至下依次的仰拱回填层、隧道衬砌和围岩。本实施例的模拟试验装置能够实现不同变形波长、同时实现下部基础上拱变形曲线。

如图2所示，轨道部分20为无砟轨道，轨道部分20包括由上至下依次设置的钢轨21、扣件22、轨道板或者道床板23、填充层和底座。在其他图中未示出的实施方式中，轨道部分为有砟轨道，轨道部分包括由上至下依次设置的钢轨、扣件、轨枕和道砟。

具体地，如图1至图6所示，本实施例的操作步骤如下：

第一步，根据试验需求，选取模拟试验装置试验装置比例尺度，根据量纲分析法，设计各部件材料弹性模量及弹性，选取模拟试验装置所需材料。

第二步，根据试验需求及比例尺度，确定试验架体的长度A和宽度B，确定轨道部分和下部基础的结构尺寸。

第三步，设计和搭建模拟试验装置的试验架体的立柱和底板。

第四步，设计和架设侧边的透明围板。

第五步，搭建下部基础的变形模拟层，并通过调节支撑件调整至固定位置。

第六步，搭建下部基础，下部基础为路基则需要进行压实，压实后测量地基压缩模量。在搭建下部基础过程中根据试验需求在相应位置处布置连续位移传感器和压力传感器等。

第七步，搭建轨道部分。搭建轨道部分过程中根据试验需求在相应位置处布置连续位移传感器和压力传感器等。

第八步，将连续位移传感器及压力传感器与配套数据采集设备进行连接，然后将数据采集设备与电脑相连接。本实施例的电脑优选为笔记本电脑。

第九步，基础变形加载。加载前在各个加载点位置处布置千分表以控制加载点变形量，使各个加载点在纵向上模拟出指定的加载曲线。加载过程中对下部基础、轨道部分内的连续位移及应力、压力进行监测，实现测试目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，包括：

试验架体(10)；

轨道部分(20)，设置在所述试验架体(10)内；

下部基础(30)，设置在所述试验架体(10)的底部和所述轨道部分(20)之间；

变形模拟层(40)，设置在所述下部基础(30)与所述试验架体(10)的底部之间，所述变形模拟层(40)抵接在所述下部基础(30)的下方；

检测组件(50)，包括第一传感器部(51)和第二传感器部(52)，所述第一传感器部(51)设置在所述轨道部分(20)上，所述第二传感器部(52)设置在所述下部基础(30)和所述变形模拟层(40)之间。

2.根据权利要求1所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，所述变形模拟层(40)包括金属板(41)和能够调节所述金属板(41)的高度的调节支撑件(42)，所述金属板(41)抵接在所述下部基础(30)的下方。

3.根据权利要求2所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，所述金属板(41)包括间隔设置在所述下部基础(30)的底部的多个金属板(41)，所述调节支撑件(42)为多个，每个所述金属板(41)与至少两个所述调节支撑件(42)连接。

4.根据权利要求2所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，所述调节支撑件(42)包括底座(421)、设置在所述底座(421)上的调节杆(422)和设置在所述调节杆(422)上的紧固件(423)，所述底座(421)固定在所述试验架体(10)上，所述金属板(41)套设在所述调节杆(422)上，通过所述紧固件(423)将所述金属板(41)固定在所述调节杆(422)上。

5.根据权利要求3所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，所述试验架体(10)包括底板(11)和设置在所述底板(11)上方的透明围板(12)，所述调节支撑件(42)设置在所述底板(11)上，所述下部基础(30)设置在所述透明围板(12)内部。

6.根据权利要求5所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，所述试验架体(10)还包括设置在所述底板(11)上方的立柱(13)和挡墙(14)，所述透明围板(12)为多个，多个所述透明围板(12)沿所述底板(11)的长度方向设置在所述底板(11)的两侧，所述立柱(13)包括多个，每个所述立柱(13)位于相邻的两个的所述透明围板(12)之间，所述挡墙(14)包括两个，一个所述挡墙(14)位于所述底板(11)的一端，另一个所述挡墙(14)位于所述底板(11)的另一端。

7.根据权利要求1所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，所述检测组件(50)还包括第三传感器部(53)和第四传感器部，所述第三传感器部(53)设置在所述下部基础(30)上，所述第四传感器部设置在所述轨道部分(20)上，所述检测组件(50)还包括设置在所述变形模拟层(40)上的千分表(54)。

8.根据权利要求1所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，所述试验架体(10)的长度A由所述下部基础(30)的变形波长S与比例尺相乘得到，所述比例尺根据量纲分析法得到，所述试验架体(10)的宽度B为所述轨道部分(20)的宽度的1.5倍以上。

9.根据权利要求1所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，

所述下部基础(30)为路基，所述下部基础(30)包括由上至下依次设置的基床表层、基床底层及地基；或者

所述下部基础(30)为桥梁，所述下部基础(30)包括由上至下依次设置的桥梁、桥墩和地基；或者

所述下部基础(30)为隧道，所述下部基础(30)包括由上至下依次的仰拱回填层、隧道衬砌和围岩。

10.权利要求1所述的铁路轨道系统的模拟试验装置，其特征在于，

所述轨道部分(20)为无砟轨道，所述轨道部分(20)包括由上至下依次设置的钢轨(21)、扣件(22)、轨道板或者道床板(23)、填充层和底座；或者

所述轨道部分(20)为有砟轨道，所述轨道部分(20)包括由上至下依次设置的钢轨、扣件、轨枕和道砟。