CN111912593A - 一种用于模拟列车荷载的移动式激振器及其加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟列车荷载的移动式激振器及其加载方法，包括轨道机构、牵引装置及振动装置；牵引装置及振动装置均移动设置在轨道机构上，牵引装置的后端与振动装置的前端铰接连接，牵引装置用于带动振动装置在轨道机构上移动，振动装置用于对轨道机构产生变频激振力；本发明通过在轨道机构上设置牵引装置及振动装置，通过牵引装置带动振动装置在轨道机构上移动，利用振动装置在移动过程对轨道机构产生变频激振力，其加载过程能够有效模拟真实的列车荷载，并分析其对路基的影响，根据路基的动力响应结果反馈可对工程建设提供指导，能够较好的模拟列车荷载，难度较小，模拟真实度较高，更加接近实际情况。

Description

一种用于模拟列车荷载的移动式激振器及其加载方法

技术领域

本发明属于高速铁路工程技术领域，特别涉及一种用于模拟列车荷载的移动式激振器及其加载方法。

背景技术

高速铁路相较于传统的公路、水路和航空运输，具有大运量、高速度、低能耗和安全性等方面的突出优势，高速铁路的大力发展标志着传统的铁路交通运输进入到一个新时期。截止目前，中国高速铁路的运营总里程数突破3.5万公里，占世界总里程数的十分之七，稳居世界第一。在可预见的未来，我国高速铁路建设仍将继续保持高速发展，未来几十年将是高速铁路建设的黄金时期。

安全性是高速铁路建设中需要重点关注的问题，研究高铁路基动力特性对评价行车安全舒适有着重要的意义；动力特性是反映轨道路基振动强弱的重要指标，目前的研究主要涉及三个方面：数值模拟、现场测试及模型试验；其中，数值模拟局限性较大，不能完全反映列车通过时的真实情况，只是一种理想状态下的推算；现场试验一般需要测量轨道和路基的振动，但难度较大且成本较高，亦可能影响线路的正常运营；物理模型试验具有较大的灵活性，科学有效，也是目前采用较多的分析方法；但现有的模型试验中，难以较为真实的模拟列车荷载，且现有的激振装置对其模拟输出的激振力无法进行变频调节；因此，如何在试验中模拟出较为真实的列车荷载是急需解决的一大难题。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于模拟列车荷载的移动式激振器及其加载方法，以解决现有模拟列车荷载难度较大，真实度较低的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，包括轨道机构、牵引装置及振动装置；牵引装置及振动装置均移动设置在轨道机构上，牵引装置的后端与振动装置的前端铰接连接；牵引装置用于带动振动装置在轨道机构上移动，振动装置用于对轨道机构产生变频激振力。

进一步的，振动装置包括变频振动电机、振动车板及振动偏心块；振动车板水平滑动设置在轨道机构的上方，振动车板的前端与牵引装置的后端铰接；变频振动电机固定设置在振动车板上，变频振动电机的输出轴水平设置，振动偏心块固定套设在变频振动电机的输出轴上。

进一步的，振动偏心块的质量与对轨道机构产生的激振力相匹配。

进一步的，振动装置还包括振动车轮轴及振动车轮，振动车轮轴水平设置在振动车板的下方，振动车轮轴与轨道机构的轴线方向垂直；振动车轮轴的两端设置有振动车轮，振动车轮滑动设置在轨道机构中。

进一步的，轨道机构包括两个导轨、若干轨枕、水平齿条及传动齿轮；两个导轨水平平行设置，若干轨枕均匀设置在导轨的下方，通过轨枕将导轨固定设置在路基上；水平齿条平行设置在导轨的一侧，传动齿轮固定安装在牵引装置的输出端，传动齿轮与水平齿条相互啮合。

进一步的，轨道机构还包括限位器，限位器固定设置在两个导轨之间，且置于导轨的两侧端部。

进一步的，牵引装置包括传动电机、牵引车板、牵引车轮轴及牵引车轮；牵引车板水平设置在导轨的上方，牵引车板的后端与振动装置的前端铰接；传动电机固定设置在牵引车板的上方；牵引车轮轴水平设置在牵引车板的下方，牵引车轮轴与导轨垂直；牵引车轮轴的两端设置有牵引车轮，牵引车轮配合安装在导轨上；传动电机的输出轴水平设置，传动齿轮固定安装在传动电机的输出轴上。

进一步的，牵引装置与振动装置之间通过铰链连接块连接；铰链连接块包括关节轴承和连接板，关节轴承的一端与连接板转动连接，另一端与振动装置固定连接，连接板固定设置在牵引装置上。

进一步的，路基中设置有压力盒及加速度传感器，压力盒及加速度传感器的输出端通过数据线与外部采集装置连接。

本发明还提供了一种用于模拟列车荷载的加载方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据待模拟的高铁列车原型，确定所述移动式激振器的结构尺寸；

步骤2、根据待模拟的高铁列车原型的车速，确定振动装置产生的激振力大小；

步骤3、启动所述移动式激振器，使其在轨道机构上移动运行，产生模拟的列车荷载；并在所述移动式激振器运行过程，检测路基的动力特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，通过在轨道机构上设置牵引装置及振动装置，通过牵引装置带动振动装置在轨道机构上移动，利用振动装置在移动过程对轨道机构产生变频激振力，能够较好的模拟列车荷载，难度较小，模拟真实度较高，更加接近实际情况。

进一步的，通过变频振动电机带动振动偏心块转动产生激振力，通过控制变频振动电机的频率，实现对激振力的变频调节，实现对行进中列车激振力的模拟输出，模拟结果接近或符合真实的列车荷载。

进一步的，将振动偏心块的质量与对轨道机构产生的激振力相匹配设置，采用不同质量的偏心块能够得到不同大小的激振力；通过控制调节偏心块的质量，模拟不同高铁列车运行时作用于轨道机构上的激振力；激振力可通过控制偏心块的质量进行大小上的调整，对应不同的列车荷载，可扩展性强，在工程研究领域中有广泛的应用前景。

进一步的，通过在振动车板的下方设置振动车轮轴及振动车轮，将振动偏心块产生的激振力通过振动车轮轴及振动车轮传递至轨道机构上，再由轨道机构传递至路基，实现列车荷载对路基影响的真实模拟。

进一步的，齿轮设置于牵引装置的传动电机上，与水平齿条连接进行传动，实现对激振器的牵引，激振器通过车轮在轨道上移动，模拟实际列车在铁轨上的移动，使结果更加真实。

进一步的，通过在导轨的两侧端部设置限位器，防止激振器车速过快时冲出轨道，对其进行保护。

进一步的，传动电机工作可使牵引车轮及轮轴发生转动，通过牵引车板带动振动装置一起移动，实现移动过程中的激振力输出。

进一步的，牵引装置与振动装置之间通过铰链连接块连接，可以达到连结、牵引及缓冲的目的，保证装置运行的同步性，并防止牵引装置及振动装置两部分之间的碰撞。

本发明还提供了一种用于模拟列车荷载的加载方法，通过牵引装置带动振动装置在轨道机构上移动，利用振动装置在移动过程对轨道机构产生变频激振力，能够有效模拟真实的列车荷载，并分析其对路基的影响，根据路基的动力响应结果反馈可对工程建设提供指导；操作过程简单，模拟结果真实度较高。

附图说明

图1为本发明所述的移动式激振器整体结构示意图；

图2为本发明所述的移动式激振器中的轨道机构结构示意图；

图3为本发明所述的移动式激振器中的移动荷载加载装置结构示意图；

图4为本发明所述的移动式激振器中的牵引装置结构示意图；

图5为本发明所述的移动式激振器中的振动装置结构示意图；

图6为本发明所述的移动式激振器中的车轮轴结构示意图；

图7为本发明所述的移动式激振器中的铰链连接块结构示意图。

其中，1轨道机构，2牵引装置，3振动装置，4铰链连接块；11导轨，12轨枕，13水平齿条，14固定型钢，15限位器，16传动齿轮；21传动电机，22牵引车板，23牵引车轮轴，24牵引车轮；31变频振动电机，32振动车板，33振动偏心块，34振动车轮轴，35振动车轮；41关节轴承，42连接板。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如附图1-7所示，本发明提供了一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，包括轨道机构1及移动荷载加载装置，轨道机构1水平固定在路基上；移动荷载加载装置设置在轨道机构1上；移动荷载加载装置包括牵引装置2、振动装置3及铰链连接块4，牵引装置2及振动装置3均移动设置在轨道机构1上，牵引装置2的后端通过铰链连接块4与振动装置3的前端铰接连接；牵引装置2用于带动振动装置3在轨道机构1上移动，振动装置3用于对轨道机构1产生变频激振力。

轨道机构1包括两个导轨11、若干轨枕12、水平齿条13、固定型钢14、限位器15及传动齿轮16，两个导轨11水平平行设置；若干轨枕12均匀设置在导轨11的下方，轨枕12的上端与导轨11固定连接，轨枕12的下端与路基固定连接，通过轨枕12将导轨11固定设置在路基上；水平齿条13平行设置在导轨11的一侧，水平齿条13的轴线与导轨11的轴线平行；固定型钢14设置在水平齿条13的下方，固定型钢14的上端与水平齿条13固定连接，下端与路基固定连接；传动齿轮16固定安装在牵引装置2的输出端，传动齿轮16与水平齿条13相互啮合，通过牵引装置2带动传动齿轮16转动时，利用传动齿轮16与水平齿条的啮合，带动牵引装置2在导轨11上水平移动，进而实现带动振动装置3在导轨11上的移动；限位器15固定设置在两个导轨11之间，且置于导轨11的两侧端部，通过在导轨的端部设置限位器，防止激振器车速过快时冲出轨道，对其进行保护。

牵引装置2包括传动电机21、牵引车板22、牵引车轮轴23及牵引车轮24，牵引车板22水平设置在导轨11的上方，传动电机21固定设置在牵引车板22的上方；牵引车轮轴23水平设置在牵引车板22的下方，牵引车轮轴23通过轴承支座固定安装在牵引车板22的下方；牵引车轮轴23与导轨11垂直设置，牵引车轮轴23的两端设置有牵引车轮24，牵引车轮24配合安装在导轨11上；传动电机21的输出轴水平设置，传动齿轮16通过电机轴套与传动电机21的输出轴连接；传动电机21工作转动时，带动传动齿轮16转动，通过传动齿轮16与水平齿条13的相互啮合作用，使牵引装置2在导轨11上发生移动，进而带动振动装置3在导轨11上发生移动；将传动齿轮16设置于牵引装置的传动电机21上，与水平齿条13连接进行传动，实现激振器的移动，激振器通过车轮在轨道上移动，模拟实际列车在铁轨上的移动，使结果更加真实。

振动装置3包括变频振动电机31、振动车板32、振动偏心块33、振动车轮轴34及振动车轮35，振动车板32水平设置在导轨11的上方，变频振动电机31固定设置在振动车板32的上方；振动车轮轴34水平设置在振动车板32的下方，振动车轮轴34通过轴承支座固定安装在振动车板32的下方；振动车轮轴34与导轨11垂直，振动车轮轴34的两端设置有振动车轮35，振动车轮35配合安装在导轨11上；通过在振动车板的下方设置振动车轮轴及振动车轮，将振动偏心块产生的激振力通过振动车轮轴及振动车轮传递至轨道机构上，再由轨道机构传递至路基，实现列车荷载对路基影响的真实模拟；变频振动电机31的输出轴水平设置，振动偏心块33固定设置在变频振动电机31的输出轴上；振动车板32的前端通过铰链连接块4与牵引车板22的后端连接；牵引装置2工作运行时，通过铰链连接块4带动振动装置3在导轨11上移动；具体的，通过带动振动车轮35在导轨11上转动，实现振动装置3的移动；振动装置3移动过程，变频振动电机31工作运转，带动振动偏心块33转动，振动偏心块33每转动一周，对应产生一次激励荷载；振动偏心块33的质量与对轨道机构1产生的激振力相匹配，将振动偏心块的质量与对轨道机构产生的激振力相匹配设置，采用不同质量的偏心块能够得到不同大小的激振力；通过控制调节偏心块的质量，模拟不同高铁列车运行时作用于轨道机构上的激振力；激振力可通过控制偏心块的质量进行大小上的调整，对应不同的列车荷载，可扩展性强，在工程研究领域中有广泛的应用前景。

铰链连接块4包括关节轴承41和连接板42，关节轴承41的一端与连接板42转动连接，另一端与振动车板32固定连接，连接板42固定设置在牵引车板22上。

路基中设置有压力盒及加速度传感器，压力盒及加速度传感器的输出端通过引出的数据显于外部采集装置连接，实现对路基动力特性的实时采集。

变频振动电机31包括电机、涡轮蜗杆箱、点位继电器、变频机轴套及变频机轴，涡轮蜗杆减速箱带有法兰盘，可直接套在电机上，并用螺栓连接变频机轴套及变频机轴，电机带有点位继电器，提供开关位置指示并对其进行保护。

本发明还提供了一种用于模拟列车荷载的加载方法，包括以下步骤：

步骤1、根据待模拟的高铁列车原型，确定所述移动式激振器的结构尺寸；

步骤2、根据待模拟的高铁列车原型的车速，确定振动装置产生的激振力大小；

步骤3、启动所述移动式激振器，使其在轨道机构上移动运行，产生模拟的列车荷载；并在所述移动式激振器运行过程，检测路基的动力特性。

实施例

本实施例提供了一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，包括轨道机构及移动荷载加载装置，移动荷载加载装置包括牵引装置、振动装置及铰链连接块，牵引装置和振动装置通过铰链连接块连接在一起，牵引装置对振动装置起到牵引作用，达到联动的效果。

轨道机构包括两个导轨、若干轨枕、水平齿条、槽钢、限位器及传动齿轮，两个导轨水平平行设置，若干轨枕均匀设置在导轨的下方，通过轨枕将导轨固定设置在路基上；所述路基中预埋有压力盒及加速度传感器，其中，压力盒埋设于路基下部的土体中，深度约为1m，沿路基中线纵向布置，测点数量规划可根据实际进行，用于检测列车荷载移动时路基中的动土压力；加速度传感器的埋设同压力盒一致，沿路基纵向布置，用于分析路基中的加速度响应，传感器接线引出与外部的采集电脑相连。

水平齿条平行设置在导轨的一侧，水平齿条通过槽钢固定安装在路基上，槽钢的腹板竖向设置，其中一个翼缘板与路基固定连接，另一个翼缘板与水平齿条固定连接；传动齿轮固定安装在牵引装置的输出端，传动齿轮与水平齿条相互啮合；限位器固定设置在两个导轨之间，且置于导轨的两端端部。

牵引装置包括传动电机、牵引车板、两个牵引车轮轴及四个牵引车轮，四个牵引车轮分别设置在两个牵引车轮轴的两端，两个牵引车轮轴通过轴承支座固定设置在牵引车板的下方，两个牵引车轮轴及四个牵引车轮组合形成牵引装置的移动机构。

牵引车板水平设置在导轨的上方，传动电机作为驱动机构通过四个螺栓固定设置在牵引车板的上方；两个牵引车轮轴水平平行设置在牵引车板的下方，牵引车轮轴与导轨垂直设置；四个牵引车轮两两配合安装在导轨上；传动电机的输出轴水平设置，传动齿轮通过电机轴套与传动电机的输出轴连接。

振动装置包括变频振动电机、振动车板、振动偏心块、四个振动车轮轴及八个振动车轮，八个振动车轮分别设置在四个振动车轮轴的两端，四个振动车轮轴通过轴承支座固定设置在牵引车板的下方，四个振动车轮轴及八个振动车轮组合形成振动装置的移动机构。

振动车板水平设置在导轨的上方，变频振动电机通过四个螺栓固定设置在振动车板的上方；四个振动车轮轴水平平行均匀设置在振动车板的下方，振动车轮轴与导轨垂直，八个振动车轮分别配合安装在导轨上；变频振动电机的输出轴水平设置，振动偏心块固定设置在变频振动电机的输出轴上；振动车板的前端通过铰链连接块与牵引车板的后端连接；

变频振动电机包括电机、涡轮蜗杆箱、点位继电器、变频机轴套及变频机轴，涡轮蜗杆减速箱带有法兰盘，可直接套在电机上，并用螺栓连接变频机轴套及变频机轴，电机带有点位继电器，提供开关位置指示并对其进行保护。

本实施例通过控制振动偏心块的质量，利用其转动的不平衡质量产生周期性振动来获得一定大小的振动量，模拟列车对导轨产生的激振力；通过控制传动电机的频率来控制模拟列车的移动速度，频率越高则车速越快。

本实施例还提供了一种用于模拟列车荷载的加载方法，包括以下步骤：

步骤1、选择需要研究的高铁列车原型，确定高铁列车原型的基本参数；所述基本参数包括列车质量、车速、轨道间距及车轮静载；根据待研究高铁列车的基本参数，确定所述移动式激振器的结构尺寸；

步骤2、根据高铁列车原型的列车车速与所述移动式激振器加载频率之间的关系，确定所述移动式激振器的输出频率，设定振动偏心块的转速；

其中，高铁列车原型的列车车速与所述移动式激振器加载频率之间的关系，如下式所述：

f_i＝v_i/l_i (1)

其中，f_i为荷载振动频率，Hz；v_i为行车速度，m/s；l_i为加载单元间距，即列车转向架之间的间距，m；。

步骤3、根据高铁列车原型的列车车速与所述移动式激振器输出的激振力大小之间的对应关系，确定需要待研究的列车激振力大小，并确定偏心轮的质量；

所述移动式激振器工作时，采用激振器输出激振力模拟列车运行时作用于导轨的激振力；列车车速与本激振器输出的激振力Pd之间的关系为：

Pd＝Ps(1+αv) (2)

其中，Ps为车轮静载，kN；α为速度放大系数，一般取0.004；v为列车速度，km/h。

所述移动式激振器工作时，输出的激振力大小与振动偏心块质量和振动频率之间的关系：

F＝mr(2πf)²+mg (3)

其中，F为激振力，N；m为振动偏心块质量，kg；r为振动偏心块半径，m；f为振动频率，Hz；g为重力加速度，m/s²。

步骤4、对轨道机构和列车移动荷载加载系统进行组装调试；

步骤5、接通电源并启动所述移动式激振器，按照预先设定的频率特征运行，产生模拟的列车荷载；

步骤6、在激振器运行过程中，利用分布于路基内的压力盒和加速度传感器来研究路基的动力特性。

本发明所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器及其加载方法，列车荷载对路基面产生的动应力的一次加卸载过程由一个转向架的两个轴载共同作用完成，列车前、后车厢的相邻转向架存在明显叠加效应，故本发明所述的激振器将原型列车前、后车厢相邻的转向架轮轴荷载视为一个加载单元；偏心轮转动产生激励荷载，该荷载可通过车轮和导轨传递于路基基底；其中，偏心轮每转动一次，激振器则敲击钢轨一次，亦即激振器振动一次，对应产生一个激励荷载；通过调整激振器的输出频率来改变模拟列车的运行速度，通过控制激振器偏心块的质量可模拟列车运行时作用于导轨上的激振力。在进行模型试验研究列车荷载作用下路基的动力特性时，采用本装置可较好模拟列车荷载，并以此研究路基的动力特性。本发明操作方便，实用性强，可扩展性强，在工程研究领域中有广泛的应用前景。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，包括轨道机构(1)、牵引装置(2)及振动装置(3)；牵引装置(2)及振动装置(3)均移动设置在轨道机构(1)上，牵引装置(2)的后端与振动装置(3)的前端铰接连接；牵引装置(2)用于带动振动装置(3)在轨道机构(1)上移动，振动装置(3)用于对轨道机构(1)产生变频激振力。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，振动装置(3)包括变频振动电机(31)、振动车板(32)及振动偏心块(33)；振动车板(32)水平滑动设置在轨道机构(1)的上方，振动车板(32)的前端与牵引装置(2)的后端铰接；变频振动电机(31)固定设置在振动车板(32)上，变频振动电机(31)的输出轴水平设置，振动偏心块(33)固定套设在变频振动电机(31)的输出轴上。

3.根据权利要求2所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，振动偏心块(33)的质量与对轨道机构(1)产生的激振力相匹配。

4.根据权利要求2所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，振动装置(3)还包括振动车轮轴(34)及振动车轮(35)，振动车轮轴(34)水平设置在振动车板(32)的下方，振动车轮轴(34)与轨道机构(1)的轴线方向垂直；振动车轮轴(34)的两端设置有振动车轮(35)，振动车轮(35)滑动设置在轨道机构(1)中。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，轨道机构(1)包括两个导轨(11)、若干轨枕(12)、水平齿条(13)及传动齿轮(16)；两个导轨(11)水平平行设置，若干轨枕(12)均匀设置在导轨(11)的下方，通过轨枕(12)将导轨(11)固定设置在路基上；水平齿条(13)平行设置在导轨(11)的一侧，传动齿轮(16)固定安装在牵引装置(21)的输出端，传动齿轮(16)与水平齿条(13)相互啮合。

6.根据权利要求5所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，轨道机构(1)还包括限位器(15)，限位器(15)固定设置在两个导轨(11)之间，且置于导轨(11)的两侧端部。

7.根据权利要求5所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，牵引装置(2)包括传动电机(21)、牵引车板(22)、牵引车轮轴(23)及牵引车轮(24)；牵引车板(22)水平设置在导轨(11)的上方，牵引车板(22)的后端与振动装置(3)的前端铰接；传动电机(21)固定设置在牵引车板(22)的上方；牵引车轮轴(23)水平设置在牵引车板(22)的下方，牵引车轮轴(23)与导轨(11)垂直；牵引车轮轴(23)的两端设置有牵引车轮(24)，牵引车轮(24)配合安装在导轨(11)上；传动电机(21)的输出轴水平设置，传动齿轮(16)固定安装在传动电机(21)的输出轴上。

8.根据权利要求1所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，牵引装置(2)与振动装置(3)之间通过铰链连接块(4)连接；铰链连接块(4)包括关节轴承(41)和连接板(42)，关节轴承(41)的一端与连接板(42)转动连接，另一端与振动装置(3)固定连接，连接板(42)固定设置在牵引装置(2)上。

9.根据权利要求1所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器，其特征在于，路基中设置有压力盒及加速度传感器，压力盒及加速度传感器的输出端通过数据线与外部采集装置连接。

10.一种用于模拟列车荷载的加载方法，其特征在于，利用权利要求1-9任意一项所述的一种用于模拟列车荷载的移动式激振器；具体包括以下步骤：

步骤1、根据待模拟的高铁列车原型，确定所述移动式激振器的结构尺寸；

步骤2、根据待模拟的高铁列车原型的车速，确定振动装置产生的激振力大小；

步骤3、启动所述移动式激振器，使其在轨道机构上移动运行，产生模拟的列车荷载；并在所述移动式激振器运行过程，检测路基的动力特性。

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