CN114813174B - 用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统及方法，包括模型箱和分配梁；承载框架，固定安装在所述模型箱上，用于承载加载时的反作用力；加载装置，包括液压源和按照设定间距布置的多组加载单元，每个所述加载单元包括伺服阀、作动器和伺服阀块，所述伺服阀块固定在所述承载框架上，作动器安装在伺服阀块，所述液压源依次通过伺服阀块和伺服阀给作动器提供液压力；传感单元，包括力传感器和位移传感器，力传感器用于采集所述作动器的输出荷载，位移传感器用于采集作动器作动的行程；数据采集模块，用于接收力传感器和位移传感器采集的数据；控制器，用于接收所述数据和控制所述伺服阀工作，解决了深埋土体与结构模拟难题。

Description

用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统及方法

技术领域

本申请涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统及方法。

背景技术

我国轨道交通发展迅速，目前铁路网规模已超15万公里，地铁网规模已达7500公里。轨道交通建成后在长期列车荷载下基础会出现沉降问题，影响列车乘坐舒适性，过大的沉降还会危及列车运行安全。在我国东南沿海广泛存在深厚软弱土地基，因软弱土具有低强度、高压缩性、高含水和结构性特点，在列车的长期荷载作用下软土地基更易于发生沉降变形，而目前学术界和工业界对沉降发生和发展的机理认识还不充分，需要进一步结合有效的实验手段开展相关研究。

相比于现场测试，室内模型试验可以较好的重现轨道交通地质条件和加载工况而被广泛采用，且不会威胁到列车安全运行。目前国内外已有学者利用作动器组合搭建了缩尺模型试验装置和全比尺物理模型试验装置，均可以较好地模拟列车运行荷载下轨道结构及下部路堤的服役性能，但因装置尺寸的限制无法对深厚软土地基开展试验研究。土工离心机可以通过转臂旋转而产生超重力场，使得土体在有限的高度下还原深厚地基的高地应力条件。因在离心机内开展的轨道交通基础沉降研究需要数倍提高列车运行对应的加载频率，受到加载设备的影响，多数试验采用的是近似列车荷载，与实际的列车荷载仍有较大的差异。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统及方法，以解决现有技术不能等效还原轨道交通荷载下深厚软土地基土体受力问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统，包括：

模型箱和多组分配梁；

承载框架，固定安装在所述模型箱上，用于承载加载时的反作用力；

加载装置，包括液压源和按照设定间距布置的多组加载单元，所述加载单元与所述分配梁一一对应，每个所述加载单元包括伺服阀、作动器和伺服阀块，所述伺服阀块固定在所述承载框架上，所述作动器安装在所述伺服阀块，所述液压源依次通过所述伺服阀块和伺服阀给所述作动器提供液压力；

传感单元，包括与所述加载单元数量相同的力传感器和位移传感器，每个所述力传感器安装在一所述作动器和一所述分配梁之间，用于采集所述作动器的输出荷载，每个所述位移传感器用于采集一所述作动器作动的行程；

数据采集模块，用于接收所述力传感器和所述位移传感器采集的数据；

控制器，用于接收所述数据和控制所述伺服阀工作。

进一步地，所述液压源包括油源、蓄能器，所述油源、蓄能器和伺服阀块依次连通。

进一步地，还包括分油器，所述蓄能器具有多个，所述油源通过所述分油器与多个所述蓄能器相连。

进一步地，还包括配流阀和蓄能器底座，所述蓄能器通过所述蓄能器底座安装在所述配流阀上，所述配流阀通过管路与所述伺服阀块相连通。

进一步地，还包括：

导向装置，通过反力梁固定于所述伺服阀块上，用于约束各分配梁沿离心力加速度方向运动且相互之间不存在干涉。

进一步地，所述导向装置包括导向凹槽和导向轨，所述导向轨与所述分配梁刚性连接，所述导向轨可嵌入所述导向凹槽且沿凹槽方向自由滑动。

进一步地，还包括路基模型，所述路基模型设置在所述模型箱内，所述路基模型上具有轨道模型，所述分配梁设置在所述轨道模型上。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟方法，该方法在第一方面所述的用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统中实现，包括：

将模型箱放置在离心机转臂一侧；

逐渐调整作动器使作动器与分配梁接触，调整承载框架高度使得分配梁与轨道模型接触，并保持力传感器的数值在预定范围内；

启动离心机；

通过控制器独立设定每组加载单元的加载波形、加载频率、各组加载单元间的相位差、最大位移值和加载次数；

施加设定的列车移动荷载，数据采集模块获得力传感器数值后比对输入的列车移动荷载，不满足输入荷载波形、频率和幅值的条件下通过控制器自动调整，直至输出荷载与设定荷载一致；

控制器通过位移传感器获得的位移值监测路基变形的发展，当累积的位移值达到设定的最大位移值时停止列车移动荷载加载，试验完成，离心机停机。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请利用离心机产生的超重力场重现了深厚软土地基的地应力条件，通过多组加载单元设定合理的动力荷载和相位差，还原了轨道交通列车移动荷载，克服了实验室内无法真实还原深厚软土地基土体受力问题。通过多组加载单元的相位差控制可以实现列车移动轮轴对轨枕的加载，大大降低了轨枕数量少时边界条件的对土体受力的影响，最高可模拟324km/h的列车移动荷载，最大轴重可达40t，基本涵盖了我国乃至全世界轨道交通列车运行工况。该系统将为轨道交通深厚软弱土地基和深埋地下结构服役性能研究提供重要实验手段。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种用于超重力环境下的轨道交通列车运行荷载模拟系统的斜视图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种用于超重力环境下的轨道交通列车运行荷载模拟系统沿A-A方向的剖面示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种用于超重力环境下的轨道交通列车运行荷载模拟系统加载装置的侧视图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种用于超重力环境下的轨道交通列车运行荷载模拟系统加载装置中20组加载单元的分布示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的一种用于超重力环境下的轨道交通列车运行荷载模拟系统中油源与加载装置连接示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的一种用于超重力环境下的轨道交通列车运行荷载模拟系统中分配梁与导向装置连接示意图。

图中的附图标记有：

1、模型箱；2、承载框架；3、控制器；4、数据采集模块；5、蓄能器；6、路基模型；7、伺服阀块；8、管路；9、伺服阀；10、位移传感器；11、力传感器；12、分配梁；13、轨道模型；14、作动器；15、导向装置；16、反力梁；17、阀台底座；18、配流阀台；19、蓄能器底座；20、分油器；21、油源；22、油路管线；23、蓄能器接头；24、油源管线；25、导向凹槽；26、导向轨。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在......时”或“当......时”或“响应于确定”。

参考图1-图6，本发明实施例提供一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统，包括：模型箱1、多组分配梁12、承载框架2、加载装置、传感单元、数据采集模块4、控制器3；所述承载框架2固定安装在所述模型箱1上，用于承载加载时的反作用力；所述加载装置包括液压源和按照设定间距布置的多组加载单元，所述加载单元与所述分配梁12一一对应，每个所述加载单元包括伺服阀9、作动器14和伺服阀块7，所述伺服阀块7固定在所述承载框架2上，所述作动器14安装在所述伺服阀块7，所述液压源依次通过所述伺服阀块7和伺服阀9给所述作动器14提供液压力；所述传感单元包括与所述加载单元数量相同的力传感器11和位移传感器10，每个所述力传感器11安装在一所述作动器14和一所述分配梁12之间，用于采集所述作动器14的输出荷载，每个所述位移传感器10用于采集一所述作动器14作动的行程；所述数据采集模块4用于接收所述力传感器11和所述位移传感器10采集的数据；所述控制器3用于接收所述数据和控制所述伺服阀9工作。

由上述实施例可知，本申请利用离心机产生的超重力场重现了深厚软土地基的地应力条件，通过多组加载单元设定合理的动力荷载和相位差，还原了轨道交通列车移动荷载，克服了实验室内无法真实还原深厚软土地基土体受力问题。通过多组加载单元的相位差控制可以实现列车移动轮轴对轨枕的加载，大大降低了轨枕数量少时边界条件的对土体受力的影响，最高可模拟324km/h的列车移动荷载，最大轴重可达40t，基本涵盖了我国乃至全世界轨道交通列车运行工况。

本实施例中，所述加载装置包括液压源和按照设定间距布置的20组加载单元，通过设定合理的相位差可实现轨道交通列车荷载模拟，所述20组加载单元分别通过分配梁12连接在轨道模型13上，通过控制器3独立控制20个伺服阀9实现作用于轨道上的列车移动荷载模拟，结合超重力环境重现路基内土体真实受力特征。

本实施例中，所述液压源包括油源21、蓄能器5，所述油源21、蓄能器5和伺服阀块7依次连通，蓄能器5的利用可提高荷载输出能力。

本实施例中，还包括分油器20，所述蓄能器5具有多个，所述油源21通过油源管线24与所述分油器20的输入端相连，再通过分油器20分出多路，每路依次通过油路管线22和蓄能器接头23与对应的蓄能器5相连。

进一步地，还包括配流阀台18和蓄能器底座19，所述蓄能器5通过所述蓄能器底座19安装在所述配流阀台18上，所述配流阀台18通过管路8与所述伺服阀块7相连通。蓄能器5直接连接在配流阀台18和阀台底座17上，可在有限的管径条件下实现稳定的压力输出，保障了高频作动条件下油源21压力和容量。配流阀台18与伺服阀块7的刚性连接有效降低了油路距离，显著增加了油路压力的稳定性，通过但不限于3D打印技术制作的配流阀台18可保持各通道油路路径长度相同，保障了各通路油压及其损耗的一致性。

本实施例中，为了保障每个加载单元的独立性和荷载输出的稳定性，还可包括：导向装置15，所述导向装置15通过反力梁16固定于所述伺服阀块7上，用于约束分配梁12使其沿着离心力方向施加列车移动荷载且不与相邻分配梁12产生干涉。

具体地，参考图6，所述导向装置15包括：导向凹槽25和导向轨26，导向轨26与分配梁12刚性连接，导向轨26可嵌入导向凹槽25且凹槽方向自由滑动。

本实施例中，还包括路基模型6，所述路基模型6设置在所述模型箱1内，所述路基模型6上具有轨道模型13，所述分配梁12设置在所述轨道模型13上。

本实施例中，所述伺服阀9优选微型高频响伺服阀9，微型高频响伺服阀9在缩尺后较小的轨枕间距下仍能满足大幅值荷载输出，且符合缩时后加载频率成倍提高的要求。

本实施例中，所述数据采集模块4连接控制器3和传感器，实时反馈试验过程中传感器数据于控制器3，以调整和修正施加的列车运行荷载波形。

本实施例中，所述控制器3控制列车运行荷载的施加和停止，通过在控制器3内输入列车运行荷载的波形、频率和幅值以及各加载单元的相位差可实现不同车速、轴重的列车运行荷载模拟，当列车运行荷载与设定荷载不同时控制器3会修正加载波形和参数以达到设定荷载；控制器3可实时检验位移传感器10监测到的位移值，判断其是否达到设定的最大值，若达到最大位移值，控制器3控制加载系统停止施加列车运行荷载。

本发明实施例提供的一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统的安装过程如下：

(1)在上所述模型箱1内制备轨道交通路基模型6，并在该模型上安装轨道模型13；

具体地，在本实例中，如图2所示，在模型箱1内用工程现场取得的土体按照设定的含水条件逐层压实。同时，按照设定超重力加速度目标下的缩尺要求制备轨道模型13，并在轨道模型13放置于压实的路基模型6上。

(2)将模型箱1、路基和轨道模型13吊装在离心机转臂一侧吊篮内，离心机转机达到设定离心加速度ng完成路基模型6固结，g为重力加速度；

(3)离心机停机；

(4)将20组加载单元安装固定于承载框架2下侧；

具体地，在本实例中，如图3所示，将加载装置吊装至承载框架2下并固定，分别连接作动器14管路8于配流阀台18，确保连接后通油路不漏；安装反力架和导向装置15，确保与分配梁12刚性连接的导向轨26可在导向装置15的导向凹槽25内自由滑动。

(5)将承载框架2和加载单元吊装至模型箱1上，用螺丝安装固定；

(6)连接油源21和蓄能器5，连接控制器3、数据采集模块4和伺服阀9，调整作动器14为收缩状态；

具体地，在本实例中，如图5所示，将油源21和分油器20通过油源管线24连接，分油器20分出四路油路管线22连接于蓄能器5，适当通一定压力的高品质液压油，观测管线是否有渗油和漏油现象；连接控制器3、数据采集模块4和伺服阀9，通过控制器3发射指令调整作动器14的伸缩状态，将作动器14调整为最大收缩状态。

(7)连接力力传感器11和位移传感器10至数据采集模块4，逐渐调整作动器14使其与分配梁12接触；

具体地，分别连接力传感器11和位移传感器10至数据采集模块4，观察位移传感器10输出值是否达与当前收缩状态匹配，显示值是否稳定；逐渐增加作动器14的伸长长度，直至力传感器11的数值开始响应，保证作动器14与分配梁12有效接触。

本发明实施例提供的一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟方法，该方法在上述的用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统中实现，该方法包括：

S1：将模型箱1放置在离心机转臂一侧吊篮内；

S2：逐渐调整作动器14使作动器14与分配梁12接触，调整承载框架2高度使得分配梁12与轨道模型13接触，并保持力传感器11的数值在预定范围，本实例取该预定范围为0～20N以确保所有结构件接触良好，实际试验过程中该预定范围与结构件刚度有关，预定范围不限于本实施例的0～20N；

S3：启动离心机，离心机转机达到设定离心加速度ng；

S4：通过控制器3独立设定每组加载单元的加载波形、加载频率、各组加载单元间的相位差、最大位移值和加载次数；

S5：施加设定的列车移动荷载，数据采集模块4获得力传感器11数值后比对输入的列车移动荷载，不满足输入荷载波形、频率和幅值的条件下通过控制器3自动调整，直至输出荷载与设定荷载一致；

控制器3通过位移传感器10获得的位移值监测路基变形的发展，当累积的位移值达到设定的最大位移值时停止列车移动荷载加载，试验完成，离心机停机。

本发明实施例利用离心机产生的超重力场重现了深厚软土地基的地应力条件，通过20组加载单元设定合理的动力荷载和相位差，真实还原了轨道交通列车移动荷载，克服了实验室内无法真实还原深厚软土地基土体受力问题。

综上，该系统利用20个伺服阀9组合实现超重力环境下列车移动荷载模拟，真实再现了轨道交通路基及深埋基础的受力条件。该系统及方法适用于研究深厚软弱土地基及深埋结构物在列车荷载下的服役性能，利用超重力环境的缩时效应，也适用于研究长历时服役过程中深厚软弱土地基及深埋基础设施的沉降变形规律，为铁路基础设施设计和运维提供相关技术支持。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟方法，其特征在于，该方法在用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统中实现，所述用于超重力环境的轨道交通列车运行荷载模拟系统包括：

模型箱和多组分配梁；

承载框架，固定安装在所述模型箱上，用于承载加载时的反作用力；

加载装置，包括液压源和按照设定间距布置的多组加载单元，所述加载单元与所述分配梁一一对应，每个所述加载单元包括伺服阀、作动器和伺服阀块，所述伺服阀块固定在所述承载框架上，所述作动器安装在所述伺服阀块，所述液压源依次通过所述伺服阀块和伺服阀给所述作动器提供液压力；

传感单元，包括与所述加载单元数量相同的力传感器和位移传感器，每个所述力传感器安装在一所述作动器和一所述分配梁之间，用于采集所述作动器的输出荷载，每个所述位移传感器用于采集一所述作动器作动的行程；

数据采集模块，用于接收所述力传感器和所述位移传感器采集的数据；

控制器，用于接收所述数据和控制所述伺服阀工作；

路基模型，所述路基模型设置在所述模型箱内，所述路基模型上具有轨道模型，所述分配梁设置在所述轨道模型上；

该方法包括：

将模型箱放置在离心机转臂一侧；

逐渐调整作动器使作动器与分配梁接触，调整承载框架高度使得分配梁与轨道模型接触，并保持力传感器的数值在预定范围内；

启动离心机；

通过控制器独立设定每组加载单元的加载波形、加载频率、各组加载单元间的相位差、最大位移值和加载次数；

施加设定的列车移动荷载，数据采集模块获得力传感器数值后比对输入的列车移动荷载，不满足输入荷载波形、频率和幅值的条件下通过控制器自动调整，直至输出荷载与设定荷载一致；

控制器通过位移传感器获得的位移值监测路基变形的发展，当累积的位移值达到设定的最大位移值时停止列车移动荷载加载，试验完成，离心机停机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液压源包括油源、蓄能器，所述油源、蓄能器和伺服阀块依次连通。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括分油器，所述蓄能器具有多个，所述油源通过所述分油器与多个所述蓄能器相连。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括配流阀和蓄能器底座，所述蓄能器通过所述蓄能器底座安装在所述配流阀上，所述配流阀通过管路与所述伺服阀块相连通。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

导向装置，通过反力梁固定于所述伺服阀块上，用于约束各分配梁沿离心力加速度方向运动且相互之间不存在干涉。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述导向装置包括导向凹槽和导向轨，所述导向轨与所述分配梁刚性连接，所述导向轨可嵌入所述导向凹槽且沿凹槽方向自由滑动。

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