CN113340709B - 移动载荷模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动载荷模拟试验装置及试验方法，通过三向可控加载子系统对多排多个激振子系统的位置设置，可以让本申请模拟出直线、曲线、多直线、多曲线等一系列加载；通过三向可控加载子系统可以设置各激振子系统的作用力大小以及方向，实现道面三向载荷的可控加载模拟，可以让本申请模拟出飞机、汽车、轨道交通等多种场景的应用，且可以模拟在各种场景下的加速、减速、过弯等使用情况；通过多个矩阵式结构化设计的激振子系统，可以形成高速重载重复特征载荷的加速等效模拟；为了消除界面模拟组件间不连续界面间隙带来的影响，提出离散加载微损伤叠加等效原理，通过多位置的互换叠加方式，对不连续界面间隙进行覆盖，消除了影响。

Description

移动载荷模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及路面与路基加速疲劳试验技术领域，尤其涉及一种移动载荷模拟试验装置及试验方法。

背景技术

路面与路基在交通载荷长期作用下的疲劳损伤(服役性能)一直是全世界交通设施设计、建设和使用部门十分关心的问题，全世界也开展了长期的研究。常见的路面与路基服役性能研究方法包括实际使用调查和实验室模拟两种，其中实验室模拟凭借其加速疲劳预测的优势备受推崇。世界上最早开展的加速加载实验是美国在1919～1930年开展的Arlington实验，在此之后，世界许多国家都开展了加速加载设备的研究，如南非、荷兰、英国、法国、新西兰、西班牙等，这些研究对全世界范围内的交通运输事业做出了巨大的贡献。

目前国际上比较主流的路面加速加载试验设备有ALF(Accelerated LoadFacility)，MLS(Mobile Load Simulator)、MMLS(Model Mobile Load Simulator)和HVS(Heavy vehicle Simulator)，这些设备的不足之处在于模拟车辆的最大载荷受限(不超过30吨)，行驶速度低(不超过30km/h),实验效率低(不超过7200次/h)，单位小时能耗高、使用成本高，机械结构复杂、维修维护成本高。具体如以下几个方面：

(1)高频高速重载耦合

现有直线式加速加载设施模拟速度较低(≤30km/h)，轴重较小(≤280kN)，无法模拟飞机起降和高速铁路的高速重载加载需要(最高运行速度400km/h，最大轴重500kN)，且现有技术手段主要采用电机或液压驱动轮胎进行模拟加载，重载和高速加载难以同时实现，且系统运行功耗较大。大型国际机场年起降架次近60万次，以沥青混凝土道面为例，20年使用年限内总起降次数高达1200万次，现有加速加载试验系统最高循环加载频率约为7200次/h，完整模拟跑道全寿命期疲劳加载测试约70天，加载效率较低，耗时耗力；现有技术手段采用多轮组循环加载以提高加载频率，但高频加载过程中轮胎磨耗较大，难以满足连续加载需求，亟需突破现有技术手段的限制，提出新的耦合加载原理与创新技术，以实现高频高速重载高效耦合施加。

(2)道面连续性损伤等效

列车荷载主要由钢轨下方扣件分担并传递到下方轨道结构，因此现有列车荷载多采用离散式激振系统施加；对于路面结构，轮胎与道面间的接触是连续的，要实现交变高速加载系统的“一机多能”，需采用小间距并联式激振系统，各个激振模块间不可避免的存在不连续界面，为了更加真实模拟路面结构疲劳损伤特性，需进行原理创新与技术突破，以实现离散激振下道面结构的连续性损伤等效。

(3)三向分离可控轮载

车辆和飞机通过轮胎将荷载传递给路面结构，在车辆和飞机自身(胎纹、胎压、悬挂阻尼等)与路面不平整等因素耦合作用下，轮胎-路面交互作用过程中移动荷载具有明显的三向非均布特性，且其幅值呈现出非线性变化特征。现有道面加速加载试验系统，仅考虑轮胎结构与上部轴重，忽略了悬挂结构等构件对轮胎-路面接触过程中的激振扰动影响，无法真实反映出路面结构的动力响应特性，需根据实际车辆轮胎力实测结果建立三向非均布移动荷载，提出新原理与新技术，实现三向非均布移动荷载的分离可控施加，以真实模拟复杂轮胎力下的路面动态响应。

我国针对高速铁路需求研制的高速铁路路基物理模型试验装置，可以模拟高铁列车的高速行程载荷(最高时速300km/h)，但试验加载装置位置固定，无法模拟车辆、飞机行驶对路面界面的连续性加载，以及行驶中轮胎对路面的三向载荷力效应。

因此需要研发出一种移动载荷模拟试验装置及试验方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种移动载荷模拟试验装置及试验方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

移动载荷模拟试验装置，包括：

多个用于特征载荷发生的激振子系统；多个激振子系统分为多排设置，每排至少包括一个激振子系统；

用于激振子系统作用力角度三向调整的三向可控加载子系统；三向可控加载子系统与激振子系统连接；

用于模拟轮胎的界面模拟组件；激振子系统的作用端与界面模拟组件连接；界面模拟组件的作用端作用于模拟路面。

具体地，三向可控加载子系统包括用于每排激振子系统的横向试验位置调整的多个横向调节装置，多个横向调节装置分别与多个激振子系统及对应的界面模拟组件连接。

具体地，横向调节装置包括法兰端Y向位置调节模块和杆端Y向位置调节模块，法兰端Y向位置调节模块的作动端与激振子系统连接，杆端Y向位置调节模块的作动端与界面模拟组件连接。

具体地，法兰端Y向位置调节模块包括第一电机、第一螺杆、第一转动安装块、第一移动板；第一电机与第一螺杆的第一端传动连接；第一螺杆横向设置；第一螺杆的第二端可转动安装在第一转动安装块内；第一移动板内设置有螺孔，第一移动板与第一螺杆螺纹配合；第一移动板与激振子系统连接；杆端Y向位置调节模块包括第三电机、第三螺杆、第三移动板、第三转动安装块；第三电机与第三螺杆的第一端传动连接；第三螺杆横向设置；第三螺杆的第二端可转动安装在第三转动安装块内；第三移动板内设置有螺孔，第三移动板与第三螺杆螺纹配合；第三移动板与界面模拟组件连接。

具体地，三向可控加载子系统包括激振器、法兰端X向位置调节模块；激振器的固定端与法兰端X向位置调节模块的作动端可转动连接；激振器的作动端与界面模拟组件可转动连接；法兰端X向位置调节模块的作动方向为纵向。

具体地，激振器的固定端与法兰端X向位置调节模块的作动端通过法兰端解耦装置连接；激振器的作动端与界面模拟组件通过杆端解耦装置连接。

具体地，法兰端X向位置调节模块包括第二电机、第二螺杆、第二转动安装块、第二移动板，第二电机与第二螺杆的第一端传动连接；第二螺杆纵向设置；第二螺杆的第二端可转动安装在第二转动安装块内；第二移动板内设置有螺孔，第二移动板与第二螺杆螺纹配合；激振器的固定端与第二移动板可转动连接。

具体地，三向可控加载子系统还包括用于界面模拟组件的纵向位置调整的杆端X向位置调节模块，杆端X向位置调节模块的作动端与界面模拟组件连接。

具体地，杆端X向位置调节模块包括两个子杆端X向位置调节模块，两个子杆端X向位置调节模块分别置于界面模拟组件的两侧，子杆端X向位置调节模块包括第四电机、第四螺杆、第四移动板、第四转动安装块，第四电机与四螺杆的第一端传动连接；第四螺杆纵向设置；第四螺杆的第二端可转动安装在第四转动安装块内；第四移动板内设置有螺孔，第四移动板与第四螺杆螺纹配合；界面模拟组件夹持安装在两个子杆端X向位置调节模块的两个第四移动板之间。

具体地，在第四移动板与界面模拟组件之间设置有加载头解耦装置。

具体地，激振器的作动端上安装有一用于测量激振器输出力的力传感器。

移动载荷模拟试验方法，包括以下步骤：

S1、通过调控三向可控加载子系统，将激振子系统的作动力输出方向进行三向调整，使激振子系统的作动力经界面模拟组件作用于模拟路面；

S2、多排激振子系统高频的依次、重复的经对应的界面模拟组件作用于模拟路面，实现模拟路面的移动载荷模拟。

具体地，在步骤S1中，通过法兰端X向位置调节模块对激振子系统的固定端纵向位置进行调整；通过杆端X向位置调节模块对激振子系统的作动端纵向位置进行调整；通过法兰端Y向位置调节模块对激振子系统的固定端横向位置进行调整；通过杆端Y向位置调节模块对激振子系统的作动端横向位置进行调整。

具体地，在步骤S2中，还包括：通过移动法兰端X向位置调节模块和杆端X向位置调节模块同步纵向移动激振子系统和界面模拟组件，每排界面模拟组件获得至少两个的纵向作用于模拟路面的位置，至少两个的纵向作用于模拟路面的位置全覆盖加载间隙，加载间隙为相邻两排界面模拟组件之间的纵向间隙。

进一步地，同一激振子系统通过界面模拟组件作用于每个位置处的次数相同；且在一个位置连续作用N1次后，再依次在其余位置连续作用N2次，并循环切换作用，N1等于N2。

具体地，在步骤S1之前还设置有步骤S0，包括直线加载模拟、曲线加载模拟，直线加载模拟包括通过法兰端Y向位置调节模块、杆端Y向位置调节模块将多排界面模拟组件作用于模拟路面的位置设置在同一直线方向上；曲线加载模拟包括通过法兰端Y向位置调节模块、杆端Y向位置调节模块将多排界面模拟组件作用于模拟路面的位置设置在一曲线上。

本发明的有益效果在于：

(1)通过三向可控加载子系统对多排多个激振子系统的位置设置，可以让本申请模拟出直线、曲线、多直线、多曲线等一系列加载；通过三向可控加载子系统可以设置各激振子系统的作用力大小以及方向，实现道面三向载荷的可控加载模拟，可以让本申请模拟出飞机、汽车、轨道交通等多种场景的应用，且可以模拟在各种场景下的加速、减速、过弯等使用情况；

(2)通过多个矩阵式结构化设计的激振子系统，并搭配频率相位时序精确控制，可以形成高速重载重复特征载荷的加速等效模拟；

(3)为了消除界面模拟组件间不连续界面间隙带来的影响，提出离散加载微损伤叠加等效原理，通过多位置的互换叠加方式，对不连续界面间隙进行覆盖，消除了影响。

附图说明

图1为本申请中移动载荷模拟试验装置的立体结构示意图；

图2为图1中的a部分结构示意图；

图3为本申请中移动载荷模拟试验装置的主视图；

图4为本申请中子激振系统的主视图；

图5为本申请中激振子系统的纵向力加载示意图；

图6为本申请中移动载荷模拟试验装置的左视图；

图7为本申请中激振子系统的左视图；

图8为本申请中移动载荷模拟试验装置的直线式加载示意图；

图9为本申请中移动载荷模拟试验装置的曲线式加载示意图；

图10为本申请中法兰端Y向位置调节模块的结构示意图；

图11为本申请中法兰端X向位置调节模块的结构示意图；

图12为本申请中第二安装板与激振器的连接结构示意图；

图13为本申请中激振器的结构示意图；

图14为本申请中激振器与力传感器的连接结构示意图；

图15为本申请中杆端Y向位置调节模块的结构示意图；

图16为本申请中杆端X向位置调节模块的结构示意图；

图17为本申请中连续损伤等效方法的示意图；其中a为多区域离散加载示意图，其中b为微损伤叠加示意图，其中c为等效连续加载示意图；

图18为本申请实施例中球铰的安装结构示意图；

图中：1-激振子系统；11-激振器；111-第一转动座；112-第二转动座；12-力传感器；13-杆端解耦装置；14-法兰端解耦装置；141-第一固定座；

2-法兰端水平双向位置调节装置；21-法兰端X向位置调节模块；211-第二电机；212-第二螺杆；213-第二转动安装块；214-第二移动板；22-法兰端Y向位置调节模块；221-第一电机；222-第一螺杆；223-第一转动安装块；23-第一安装板；24-第二安装板；25-连接杆；26-第一移动板；

3-杆端水平双向位置调节装置；31-杆端X向位置调节模块；311-第四电机；312-第四螺杆；313-第四移动板；314-第四转动安装块；32-杆端Y向位置调节模块；321-第三电机；322-第三螺杆；323-第三移动板；324-第三转动安装块；

4-加载头装置；41-加载头承载构件；42-界面模拟组件；43-加载头解耦装置；

5-反力支架；

6-安装基础及预埋件；

7-模拟路面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

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定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1-3所示，移动载荷模拟试验装置，包括：

多个用于特征载荷发生的激振子系统1；多个激振子系统1分为多排设置，每排至少包括一个激振子系统1；

用于激振子系统1作用力角度三向调整的三向可控加载子系统；三向可控加载子系统与激振子系统1连接；

用于模拟轮胎的界面模拟组件42；激振子系统1的作用端与界面模拟组件42连接；界面模拟组件42的作用端作用于模拟路面7。

如图2、6所示，三向可控加载子系统包括用于每排激振子系统1的横向试验位置调整的多个横向调节装置，多个横向调节装置分别与多个激振子系统1及对应的界面模拟组件42连接。

法兰端Y向位置调节模块22、法兰端X向位置调节模块21共同构成法兰端水平双向位置调节装置2；杆端Y向位置调节模块32、杆端X向位置调节模块31共同构成杆端水平双向位置调节装置3。加载头承载构件41、界面模拟组件42、加载头解耦装置43组合构成了加载头装置4；

如图2、6所示，横向调节装置包括法兰端Y向位置调节模块22和杆端Y向位置调节模块32，法兰端Y向位置调节模块22的作动端与激振子系统1连接，杆端Y向位置调节模块32的作动端与界面模拟组件42连接。

如图10、14、15所示，法兰端Y向位置调节模块22包括第一电机221、第一螺杆、第一转动安装块223、第一移动板26；第一电机221与第一螺杆的第一端传动连接；第一螺杆横向设置；第一螺杆的第二端可转动安装在第一转动安装块223内；第一移动板26内设置有螺孔，第一移动板26与第一螺杆螺纹配合；第一移动板26与激振子系统1连接；杆端Y向位置调节模块32包括第三电机321、第三螺杆322、第三移动板323、第三转动安装块324；第三电机321与第三螺杆322的第一端传动连接；第三螺杆322横向设置；第三螺杆322的第二端可转动安装在第三转动安装块324内；第三移动板323内设置有螺孔，第三移动板323与第三螺杆322螺纹配合；第三移动板323与界面模拟组件42连接。

法兰端Y向位置调节模块22工作时候，第一电机221工作带动第一螺杆往设定方向转动，因第一螺杆和第一转动安装块223是螺纹配合，且因第一螺杆为位置不变，所以第一转动安装块223沿第一螺杆进行横向位移；同理，法兰端X向位置调节模块21、杆端X向位置调节模块31、杆端Y向位置调节模块32的工作原理相同。

在本实施例中，因为第三移动板323较长，第三螺杆322设置为两根，两根第三螺杆322分别与第三移动板323的两个位置螺纹配合；第三转动安装块324为两个，两根第三螺杆322平行设置，两根第三螺杆322的一端分别与第三电机321传动连接。

如图4、5、11、12所示，三向可控加载子系统包括激振器11、法兰端X向位置调节模块21；激振器11的固定端与法兰端X向位置调节模块21的作动端可转动连接；激振器11的作动端与界面模拟组件42可转动连接；法兰端X向位置调节模块21的作动方向为纵向。

如图14所示，本申请中激振器11的固定端通过法兰端解耦装置14与第一移动板26可转动连接；激振器11的作动端上安装有一用于测量激振器11输出力的力传感器12；力传感器12通过加载头解耦装置43与一加载头承载构件41可转动连接；加载头承载构件41再作用于下方的界面模拟组件42，界面模拟组件42再作用于模拟路面7。

如图2所示，激振器11的固定端与法兰端X向位置调节模块21的作动端通过法兰端解耦装置14连接；激振器11的作动端与界面模拟组件42通过杆端解耦装置13连接。其中，解耦装置广义包括了球铰、虎克铰、万向铰、十字轴承等。

作为一种优选，如图18所示，激振器11的固定端与法兰端X向位置调节模块21的作动端通过第一球铰连接；激振器11的作动端与加载头承载构件41通过第二球铰连接。

如图11-14所示，在一些实施例中，激振器11的固定端与法兰端X向位置调节模块21的作动端通过第一虎克铰可转动连接；激振器11的作动端与加载头承载构件41通过第二虎克铰可转动连接；第一虎克铰、第二虎克铰的转动平面为纵向平面，第一虎克铰、第二虎克铰具备横向偏转的空间；激振器11的固定端连接的是第一转动座111，对应地，第一固定座141安装在第二移动板214底部；激振器11的作动端连接的是第二转动座112，对应地，第二固定座安装在加载头承载构件41上部；

如图11所示，法兰端X向位置调节模块21包括第二电机211、第二螺杆212、第二转动安装块213、第二移动板214，第二电机211与第二螺杆212的第一端传动连接；第二螺杆212纵向设置；第二螺杆212的第二端可转动安装在第二转动安装块213内；第二移动板214内设置有螺孔，第二移动板214与第二螺杆212螺纹配合；激振器11的固定端与第二移动板214可转动连接。

如图16所示，三向可控加载子系统还包括用于界面模拟组件42的纵向位置调整的杆端X向位置调节模块31，杆端X向位置调节模块31的作动端与界面模拟组件42连接。

如图16所示，杆端X向位置调节模块31包括两个子杆端X向位置调节模块31，两个子杆端X向位置调节模块31分别置于界面模拟组件42的两侧，子杆端X向位置调节模块31包括第四电机311、第四螺杆312、第四移动板313、第四转动安装块314，第四电机311与四螺杆的第一端传动连接；第四螺杆312纵向设置；第四螺杆312的第二端可转动安装在第四转动安装块314内；第四移动板313内设置有螺孔，第四移动板313与第四螺杆312螺纹配合；界面模拟组件42夹持安装在两个子杆端X向位置调节模块31的两个第四移动板313之间。每个子杆端X向位置调节模块31上的第四移动板313为两个，两个第四移动板313之间间隔一定距离设置；通过四个第四移动板313可以稳定的与界面模拟组件42连接作用；

如图16所示，在第四移动板313与界面模拟组件42之间设置有加载头解耦装置43。

如图6、10所示，本申请还包括有多个并排设置的反力支架5、设置在每个反力支架5顶部的第一安装板23，第一转动安装块223及第一电机221均固定安装在第一安装板23的两端上部，第一螺杆悬空置于第一安装板23上方，第一移动板26可滑动限位安装在第一安装板23上，第一移动板26的滑动方向为横向。安装基础及预埋件6设置在反力支架5下方。

如图10、11所示，本申请还包括有多个第二安装板24，第二安装板24置于第一安装板23的正下方，第二安装板24置于反力支架5的上架体底部，第二安装板24和第一安装板23之间通过多根连接杆25连接，多根连接杆25分别置于反力支架5的上架体两侧。

本申请中，第二转动安装块213及第二电机211均固定安装在第二安装板24的底部，第二螺杆212悬空置于第二安装板24上方，第二移动板214可滑动限位安装在第二安装板24上，第二移动板214的滑动方向为纵向；

如图7、14、16所示，在第三移动板323上开设有纵向的凹槽，加载头承载构件41穿过该凹槽设置，界面模拟组件42置于第三移动板323的下方，加载头承载构件41与界面模拟组件42的顶部连接。当杆端X向位置调节模块31工作时候，带动界面模拟组件42沿纵向发生位移；

移动载荷模拟试验方法，包括以下步骤：

S1、通过调控三向可控加载子系统，将激振子系统1的作动力输出方向进行三向调整，使激振子系统1的作动力经界面模拟组件42作用于模拟路面7；

S2、多排激振子系统1高频的依次、重复的经对应的界面模拟组件42作用于模拟路面7，实现模拟路面7的移动载荷模拟。

具体地，在步骤S1中，通过法兰端X向位置调节模块21对激振子系统1的固定端纵向位置进行调整；通过杆端X向位置调节模块31对激振子系统1的作动端纵向位置进行调整；通过法兰端Y向位置调节模块22对激振子系统1的固定端横向位置进行调整；通过杆端Y向位置调节模块32对激振子系统1的作动端横向位置进行调整。

具体地，在步骤S2中，还包括：通过移动法兰端X向位置调节模块21和杆端X向位置调节模块31同步纵向移动激振子系统1和界面模拟组件42，每排界面模拟组件42获得至少两个的纵向作用于模拟路面7的位置，至少两个的纵向作用于模拟路面7的位置全覆盖加载间隙，加载间隙为相邻两排界面模拟组件42之间的纵向间隙。

同一激振子系统1通过界面模拟组件42作用于每个位置处的次数相同；且在一个位置连续作用N1次后，再依次在其余位置连续作用N2次，并循环切换作用，N1等于N2。

如图17所示，在一些实施例中，界面模拟组件42作用的初始位置为0，各个界面模拟组件42所加载的区域为矩形，相邻加载区域之间存在“间隙”，使得在行进方向上存在加载不连续的问题。通过多个三向可控加载子系统对各排反力支架5上的激振器11和界面模拟组件42进行同步调整，沿纵向两侧同步移动，达到位置1和位置2，依次在初始位置0处加载n0次，位置1处加载n1次，位置2处加载n2次，并循环；n0＝n1＝n2；三个位置处的n0、n1、n2在时间和空间上进行加载叠加，基于微损伤叠加原理，合理分解有限位置的加载次数，可实现离散-连续损伤等效的模拟。本申请对激振系统载荷特征进行分析，基于损伤形成的线性修正理论，利用微损伤叠加技术，开展损伤离散化特征统计及多类型道面的离散-连续性等效模拟技术研究。通过激振器11和加载头组件的水平双向位置调节装置同步控制，结合损伤离散化特征统计支撑的损伤叠加加载时空策略，实现载荷加载的离散-连续特征关系转换。

在步骤S1之前还设置有步骤S0，包括直线加载模拟、曲线加载模拟，如图8-9所示，直线加载模拟包括通过法兰端Y向位置调节模块22、杆端Y向位置调节模块32将多排界面模拟组件42作用于模拟路面7的位置设置在同一直线方向上；曲线加载模拟包括通过法兰端Y向位置调节模块22、杆端Y向位置调节模块32将多排界面模拟组件42作用于模拟路面7的位置设置在一曲线上。

此外还有以下场景的应用；

飞机直线：飞机匀速时候每个激振器的力方向大小相同，频率相同；加速时候每个激振器的力方向相同，力的大小与速度成比例减小，频率与速度成比例增加；减速时候每个激振器的力方向相同，力的大小与速度成比例增加，频率与速度成比例降低；飞机曲线：左转，激振器左倾斜。

对本申请进行进一步的详细说明：

激振子系统；激振子系统研究包括载荷加载方式设计，负责生成高频、高速、重载特征载荷。需要对多类型道面使役过程中的损伤进行重构，从损伤的本质出发，由以往的轮胎连续性低频低速加载转变为离散-连续损伤等效的高频高速加载。其研究难点在于损伤等效的载荷加载实现方法研究，需同时完成多类型道面使役载荷的高频、高速和重载特征模拟。在载荷加载实现方法的研究过程中，根据有限空间高频、大推力的加载特点，采用液压伺服激振技术，利用激振器提供系统所需的大推力，可以实现高频、重载特征载荷加载。高速特征载荷的发生是通过开展激振系统矩阵式布局结构优化设计，通过理论计算，利用频率相位时序精确控制实现有限空间内的高速特征载荷加载。

技术路线：针对高速、重载复合特征载荷的模拟，拟采用重载载荷模拟技术，利用液压伺服激振系统的大推力特性，实现重载特征载荷模拟；针对高速特征载荷的模拟，基于降维加速原理，采用多个激振器组成矩阵式(n×1，可扩展)布局，通过多通道协同伺服控制，实现纵向方向激振系统的时序稳定控制，满足高速载荷(不小于400km/h)的模拟需求；针对激振子系统工作的稳定性和可靠性要求，拟通过整体结构拓扑优化设计，保障载荷的有效加载和传递，实现功能、性能与可靠性设计。

方案与设计：

(1)激振子系统

激振子系统采用n×1矩阵式布局，预留后期扩展接口，激振方式采用液压伺服激振，其中，激振器采用静压轴承技术，具有较强的抗侧向力能力，满足空间多位姿的复杂工况加载需求；力传感器准确监测受力信号，实时反馈至三向力加载综合伺服控制与复杂交变载荷复现控制系统，对系统传递函数进行实时修正和优化；解耦装置可实现纵向大角度转动与横向小角度转动，结合激振器的伸缩以及界面模拟组件的橡胶剪切轴承，实现激振系统过约束机构的空间解耦，防止系统干涉、力耦合冲突等情况发生；反力支架为大推力特征载荷的发生提供反力基础。采用n×1矩阵式布局，各个激振模块有序排列，通过频率相位时序精确控制，实现多类型道面、多工作场景的高速、重载交变载荷模拟。反力支架采用龙门构型，激振器倒装于反力支架的水平双向位置调节装置上，通过伺服阀将控制系统的控制指令(电信号)转换为阀开口(机械)指令，控制高压油液将液体压力能转换为激振器的单轴向往复运动机械能，实现力的可控加载。通过多通道综合伺服控制，实现多组激振模块的频率相位时序精确控制，使得n×1组激振模块按需求的频率、相位和时序进行可控力的加载，实现道面交变载荷的离散-连续加载，可同时满足交变载荷的高速和重载需求。

(2)三向可控加载子系统

三向可控加载子系统用于将激振器发生的单轴向载荷分解为可控的三向(垂向、纵向和横向)特征载荷。对多类型道面使役过程及损伤特征进行分析，发现道面在使役过程中受到空间三向力的协同加载作用，且不同方向上的力存在一定的关联。为了准确模拟道面使役过程中的载荷加载情况，更加准确地再现道面损伤效应，需要对特征载荷的方向特性进行研究和分析。

利用三角原理以及合力-分力原理，通过激振器和加载头的水平双向位置调节装置结构设计，结合空间位姿解算算法，调整激振子系统和界面模拟组件的空间位姿，实现激振器的单轴向合力映射为道面承受的三向特征载荷。通过激振器首尾两端运动解耦装置设计，结合加载头的橡胶剪切轴承设计，实现空间过约束机构的运动解耦。界面模拟组件采用模块化设计，针对不同的应用场景，可方便更换加载头与道面接触的“边界”。

技术路线：针对多类型道面使役过程中所受载荷的垂向、纵向、横向解耦及关联问题，开展包括激振子系统、三向可控加载子系统、连续性损伤等效子系统以及控制子系统在内的机电液控多学科建模与仿真优化设计，建立全系统关键部组件的空间位姿关系矩阵，完成基于空间位姿的特征载荷三向分离与重构解析，通过激振子系统、三向可控加载子系统，实现不同加载工况的单向轴力在多自由度空间的三向力精确分离。利用三角原理，通过三向可控加载子系统调整激振器沿行进方向(纵向)和横向运动、就位并锁定，使其在纵向及横向剖面形成所需夹角以实现激振器单向轴力的垂向、纵向、横向分解，基于内环伺服控制和外环交变载荷高精度复现控制来模拟实际道面所承受的重力与冲击力等垂向载荷，摩擦阻力等纵向载荷，以及转弯过程中的横向载荷。针对道面受到的另一类型横向载荷，在激振器单向轴力作用下，界面模拟组件压缩变形，产生横向分力，对不同胎纹、材料、构型、刚度、胎压模拟等因素进行损伤等效模拟探索研究，不断逼近，最终达到高效、可控的满足试验需求的损伤等效模拟装置。

分层正交布局的法兰端Y向位置调节模块、杆端Y向位置调节模块、法兰端X向位置调节模块、杆端X向位置调节模块在多个电机(优选伺服电机)的稳定控制与加载下，可实现激振器在空间范围内的快速位姿调整与就位，满足激振器、界面模拟组件在纵向和横向无级可调，极大地提升全系统的工作效率和安全性，液压锁紧器及滚珠丝杠组件带信号反馈，当前位姿与状态实时监测，并与控制子系统逻辑互锁，在完善的安全策略下，保证系统稳定可靠运行。

基于三角原理和合力-分力解析与重构原理，通过三向可控加载子系统中位置调整部分调整激振器的空间位置，使得激振器的轴线与初始垂直于地面的轴线产生夹角，使得激振器的单向可控轴力在纵向及横向剖面分解为垂向力、纵向力、横向力，可通过力传感器以及夹具对垂向力、纵向力、横向力进行解算，实现垂向力、纵向力、横向力的可控加载。

界面模拟组件作为激振子系统和加载对象(多类型道面)之间的载荷传递装置，对道面损伤等效的三向特征载荷的有效传递具有重要影响，是整个系统的关键所在。界面模拟组件通过解耦装置与激振器作用端的力传感器连接，同时界面模拟组件还通过加载头解耦装置(橡胶剪切轴承)与加载头水平双向位置调节装置连接，并提供位置调节装置在道面上沿纵向和横向运动与就位，当垂向力加载时，界面模拟组件底部的柔性边界材质会产生变形，进而产生横向力，这个过程中界面模拟组件会产生垂向及纵向的变形位移，加载头解耦装置的引入，解决了系统的过约束问题。加载头解耦装置主要由刚性安装板、层间橡胶、层间刚性板等组成，层间橡胶与层间刚性板通过优化设计后多层叠加，并使用特殊材质胶合，使得加载头解耦装置的压缩刚度远大于剪切刚度，进而可实现压缩方向的力传递，剪切方向上的运动解耦。

另一方面，横向力的加载可通过界面模拟组件底部的边界模拟材质受垂向力和纵向力产生压缩变形来实现，界面模拟组件①基于损伤等效设计(道面损伤响应真相之“相”)，主要由刚性构件+类轮胎多层胎纹模拟件组成，刚性构件有利于力的有效可控传递，通过间接模拟胎压(软件算法将荷载、胎压、接触面积进行解析，得到该加载头结构与材料特性下的三向特征载荷)的损伤等效方法来实现道面三向特征载荷的加载；界面模拟组件②基于加载等效设计(做到还原轮胎-胎压的“像”)，主要由类轮胎多层胎纹模拟件闭合组成扁平状的轮胎构型，可通过气压或液压的方式实现胎压的准确模拟，接近于实际轮胎的加载方式，但是引入了非线性因素，使得三向特征载荷的加载具有一定的非稳定和未知性。两类界面模拟组件与道面接触的边界部分均采用含胎纹的类轮胎多层模拟件，界面模拟组件采用模块化设计，可方便更换。

本申请的主要技术指标：本申请集路面、机场道面、高铁无砟轨道高速加载试验功能于一体，首次实现高速重载耦合加载、轮载三向分离可控加载以及离散-连续等效加载，可模拟车辆、飞机和高速列车等复杂交变荷载作用下层状结构、城市基础设施和跨海通道等工程基础设施服役性能演化过程，在高速重载、三向分离可控轮载、离散-连续等效加载和多自由度复杂交变载荷高精度再现等方面性能指标国际领先。指标数据如表2.1和表2.2所示。

表2.1总体技术性能指标

表2.2各子系统技术性能指标

本申请可用于模拟车辆、飞机和高速列车等复杂交变荷载作用下层状结构、城市基础设施和跨海通道等工程基础设施服役性能演化过程，针对上述应用背景该系统可解决如下四大核心技术难点：

(1)高速重载耦合

现有直线式加速加载设施模拟速度较低(≤30km/h)，轴重较小(≤280kN)，无法模拟飞机起降和高速铁路的高速重载加载需要(最高运行速度400km/h，最大轴重500kN)，且现有技术手段主要采用电机或液压驱动轮胎进行模拟加载，重载和高速加载难以同时实现，且系统运行功耗较大。大型国际机场年起降架次近60万次，以沥青混凝土道面为例，20年使用年限内总起降次数高达1200万次，现有加速加载试验系统最高循环加载频率约为7200次/h，完整模拟跑道全寿命期疲劳加载测试约70天，加载效率较低，耗时耗力；现有技术手段采用多轮组循环加载以提高加载频率，但高频加载过程中轮胎磨耗较大，难以满足连续加载需求，亟需突破现有技术手段的限制，提出新的耦合加载原理与创新技术，以实现高频高速重载高效耦合施加。

(2)道面连续性损伤等效

列车荷载主要由钢轨下方扣件分担并传递到下方轨道结构，因此现有列车荷载多采用离散式激振系统施加；对于路面结构，轮胎与道面间的接触是连续的，要实现交变高速加载系统的“一机多能”，需采用小间距并联式激振系统，各个激振模块间不可避免的存在不连续界面，为了更加真实模拟路面结构疲劳损伤特性，需进行原理创新与技术突破，以实现离散激振下道面结构的连续性损伤等效。

(3)三向分离可控轮载

车辆和飞机通过轮胎将荷载传递给路面结构，在车辆和飞机自身(胎纹、胎压、悬挂阻尼等)与路面不平整等因素耦合作用下，轮胎-路面交互作用过程中移动荷载具有明显的三向非均布特性，且其幅值呈现出非线性变化特征。现有道面加速加载试验系统，仅考虑轮胎结构与上部轴重，忽略了悬挂结构等构件对轮胎-路面接触过程中的激振扰动影响，无法真实反映出路面结构的动力响应特性，需根据实际车辆轮胎力实测结果建立三向非均布移动荷载，提出新原理与新技术，实现三向非均布移动荷载的分离可控施加，以真实模拟复杂轮胎力下的路面动态响应。

(4)高保真动态加载

车辆及飞机轮胎编组类型众多且相邻轮距较小，对路面结构产生的动力响应存在叠加效应，加之轮胎-路面交互系统产生的移动荷载随机性明显、波形复杂，为了更好再现复杂波形下路面结构的真实动力响应特征，需采用高可靠高性能的嵌入式实时控制器，提出复杂轮压载荷等效模拟算法、伺服力-位移混合控制算法、荷载波复现迭代控制算法等，以保证荷载模拟系统的真实稳定可靠的工作。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.移动载荷模拟试验装置，其特征在于，包括：

多个用于特征载荷发生的激振子系统；多个激振子系统分为多排设置，每排至少包括一个激振子系统；

用于激振子系统作用力角度三向调整的三向可控加载子系统；三向可控加载子系统与激振子系统连接；

用于模拟轮胎的界面模拟组件；激振子系统的作用端与界面模拟组件连接；界面模拟组件的作用端作用于模拟路面；

三向可控加载子系统包括用于每排激振子系统的横向试验位置调整的多个横向调节装置，多个横向调节装置分别与多个激振子系统及对应的界面模拟组件连接；

横向调节装置包括法兰端Y向位置调节模块和杆端Y向位置调节模块，法兰端Y向位置调节模块的作动端与激振子系统连接，杆端Y向位置调节模块的作动端与界面模拟组件连接；

法兰端Y向位置调节模块包括第一电机、第一螺杆、第一转动安装块、第一移动板；第一电机与第一螺杆的第一端传动连接；第一螺杆横向设置；第一螺杆的第二端可转动安装在第一转动安装块内；第一移动板内设置有螺孔，第一移动板与第一螺杆螺纹配合；第一移动板与激振子系统连接；杆端Y向位置调节模块包括第三电机、第三螺杆、第三移动板、第三转动安装块；第三电机与第三螺杆的第一端传动连接；第三螺杆横向设置；第三螺杆的第二端可转动安装在第三转动安装块内；第三移动板内设置有螺孔，第三移动板与第三螺杆螺纹配合；第三移动板与界面模拟组件连接。

2.根据权利要求1所述的移动载荷模拟试验装置，其特征在于，三向可控加载子系统包括激振器、法兰端X向位置调节模块；激振器的固定端与法兰端X向位置调节模块的作动端可转动连接；激振器的作动端与界面模拟组件可转动连接；法兰端X向位置调节模块的作动方向为纵向。

3.根据权利要求2所述的移动载荷模拟试验装置，其特征在于，激振器的固定端与法兰端X向位置调节模块的作动端通过法兰端解耦装置连接；激振器的作动端与界面模拟组件通过杆端解耦装置连接。

4.根据权利要求2所述的移动载荷模拟试验装置，其特征在于，法兰端X向位置调节模块包括第二电机、第二螺杆、第二转动安装块、第二移动板，第二电机与第二螺杆的第一端传动连接；第二螺杆纵向设置；第二螺杆的第二端可转动安装在第二转动安装块内；第二移动板内设置有螺孔，第二移动板与第二螺杆螺纹配合；激振器的固定端与第二移动板可转动连接。

5.根据权利要求2所述的移动载荷模拟试验装置，其特征在于，三向可控加载子系统还包括用于界面模拟组件的纵向位置调整的杆端X向位置调节模块，杆端X向位置调节模块的作动端与界面模拟组件连接。

6.根据权利要求5所述的移动载荷模拟试验装置，其特征在于，杆端X向位置调节模块包括两个子杆端X向位置调节模块，两个子杆端X向位置调节模块分别置于界面模拟组件的两侧，子杆端X向位置调节模块包括第四电机、第四螺杆、第四移动板、第四转动安装块，第四电机与四螺杆的第一端传动连接；第四螺杆纵向设置；第四螺杆的第二端可转动安装在第四转动安装块内；第四移动板内设置有螺孔，第四移动板与第四螺杆螺纹配合；界面模拟组件夹持安装在两个子杆端X向位置调节模块的两个第四移动板之间。

7.根据权利要求6所述的移动载荷模拟试验装置，其特征在于，在第四移动板与界面模拟组件之间设置有加载头解耦装置。

8.根据权利要求2所述的移动载荷模拟试验装置，其特征在于，激振器的作动端上安装有一用于测量激振器输出力的力传感器。

9.移动载荷模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S0、直线加载模拟、曲线加载模拟，直线加载模拟包括通过法兰端Y向位置调节模块、杆端Y向位置调节模块将多排界面模拟组件作用于模拟路面的位置设置在同一直线方向上；曲线加载模拟包括通过法兰端Y向位置调节模块、杆端Y向位置调节模块将多排界面模拟组件作用于模拟路面的位置设置在一曲线上；

S1、通过调控三向可控加载子系统，将激振子系统的作动力输出方向进行三向调整，使激振子系统的作动力经界面模拟组件作用于模拟路面；

S2、多排激振子系统高频的依次、重复的经对应的界面模拟组件作用于模拟路面，实现模拟路面的移动载荷模拟。

10.根据权利要求9所述的移动载荷模拟试验方法，其特征在于，在步骤S1中，通过法兰端X向位置调节模块对激振子系统的固定端纵向位置进行调整；通过杆端X向位置调节模块对激振子系统的作动端纵向位置进行调整；通过法兰端Y向位置调节模块对激振子系统的固定端横向位置进行调整；通过杆端Y向位置调节模块对激振子系统的作动端横向位置进行调整。

11.根据权利要求10所述的移动载荷模拟试验方法，其特征在于，在步骤S2中，还包括：通过移动法兰端X向位置调节模块和杆端X向位置调节模块同步纵向移动激振子系统和界面模拟组件，每排界面模拟组件获得至少两个的纵向作用于模拟路面的位置，至少两个的纵向作用于模拟路面的位置全覆盖加载间隙，加载间隙为相邻两排界面模拟组件之间的纵向间隙。

12.根据权利要求10所述的移动载荷模拟试验方法，其特征在于，同一激振子系统通过界面模拟组件作用于每个位置处的次数相同；且在一个位置连续作用N1次后，再依次在其余位置连续作用N2次，并循环切换作用，N1等于N2。

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