CN201901828U - 一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统。作动器按照高速铁路扣件系统的间距布置，每个作动器分别通过螺栓连接在各自的反力横梁上，每根反力横梁的两端分别通过螺栓、两端的拉紧梁与各自的反力纵梁相连接，两端的反力纵梁利用螺栓、两端的另一拉紧梁与基础梁连接，组成反力系统，每个作动器的底部分别通过分配梁将荷载传递至轨道板上，每个作动器分别与动力系统液压油源和多通道控制系统相连接。本实用新型能够代替实体列车模型，实现列车在不同速度下的运行荷载，可以短时间内模拟列车荷载的长期循环作用，为开展高速铁路路基动力学模型试验研究，尤其是为线路结构的长期动力特性研究提供了可靠便捷的加载平台。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是一种用于模拟列车移动荷载的分布式加载系统，尤其是涉及一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统。
背景技术
我国正处于高速铁路快速建设的阶段，列车的高速运行对轨道结构和路基土体的动力性能提出了很高的要求。列车速度的提高，导致轨道结构的振动加剧，尤其当列车速度接近土体的临界波速时，土体的动力响应急剧增加。列车速度的提高，导致路基内部动应力的影响范围变大，使得路基的不均匀沉降变大，进而引起轨道的不平顺，加剧了车轨的动力相互作用。列车荷载的移动性使得路基土体的受力经历着一个特殊的应力路径：列车从无穷远行驶而来的加载过程，和列车行驶至无穷远处的卸载过程，这种特殊的加卸载循环路径使得土体产生不同于单点循环加载的应力应变关系，最终体现在线路的沉降上。因而，开展高速列车动荷载下，尤其是移动荷载下的轨道和路基结构动力学试验显得十分重要。目前，高速铁路动力学试验的研究手段主要有室内模型试验和现场原位测试两种。室内模型试验受到场地尺寸和列车速度的限制，不易实现真车的高速移动加载；现场原位测试虽然可以采用真实的列车高速运行，但所处的环境比较复杂不易控制，且对监测设备的要求很高。现有的列车动荷载模拟装置，如可调频调幅SBZ30动态激振器和一种高速铁路动荷载现场模拟试验系统，均是采用偏心块的快速转动产生竖向激振力，可以实现固定位置的高频激振，不足之处是：无法实现列车荷载的移动性，无法模拟路基土体的应力路径。北京东郊环形道无砟轨道试验段采用真车进行现场模拟试验，可以实现不同列车速度下的动力学试验，不足之处是：现场的地质条件和环境条件不可控，轨道和路基模型无法实现重复制作性。
发明内容
为了克服现有室内模型试验和现场原位测试的不足，本实用新型的目的在于提供一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统，不仅可以实现室内模型试验的模型环境可控性，还可以实现现场原位测试的列车荷载移动性，从而在室内模型试验中实现“假车真路”的动力学模拟试验。
本实用新型采用的技术方案是：
多个作动器按照高速铁路扣件系统沿轨道方向的间距布置，每一对扣件系统对应一个作动器，每个作动器分别通过螺栓连接在各自的反力横梁的跨中，每根反力横梁的两端分别通过高强螺栓、两端的拉紧梁与各自的反力纵梁相连接，两端的反力纵梁利用高强螺栓、两端的另一拉紧梁与基础梁连接，组成反力系统，每个作动器的底部分别通过分配梁将荷载传递至轨道板上，每个作动器分别通过管道与动力系统液压油源相连接，每个作动器分别通过线路与多通道控制系统相连接。
所述的动力系统液压油源通过分油器将液压油分配到每个作动器。
所述的每个分油器分别通过管道与3个作动器相连。
所述的分配梁的两端分别安置在扣件系统的中心，分配梁与扣件系统的接触尺寸应与实际钢轨和扣件系统的接触尺寸保持一致。
所述的作动器的中部均安装有轴力传感器和位移传感器。
本实用新型与背景技术相比具有的有益效果是：
能够代替实体列车模型，实现列车在不同速度下的运行荷载，可以短时间内模拟列车荷载的长期循环作用，为开展高速铁路路基动力学模型试验研究，尤其是为线路结构的长期动力特性研究提供了可靠便捷的加载平台，解决了困扰列车高速条件下移动循环荷载模拟困难的问题。
附图说明
图1是分布式加载系统示意图；
图2是反力系统布置示意图；
图3是伺服加载装置的示意图；
图4是加载系统模拟输入荷载时程曲线；
图5是分布式加载系统模拟效果。
图中：1、作动器，2、螺栓，3、反力横梁，4、高强螺栓，5、反力纵梁，6、高强螺栓，7、基础梁，8、分配梁，9、扣件系统，10、轨道板，11、管道，12、动力系统液压油源，13、多通道控制系统，14、拉紧梁，15、拉紧梁，16、线路，17、轴力传感器，18、位移传感器，19、分油器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，作动器1通过螺栓2连接在反力横梁3的中部，每个作动器1对应一个反力横梁3，每个反力横梁3的端部分别通过高强螺栓4、拉紧梁14与反力纵梁5相连接，反力纵梁5的两端分别利用高强螺栓6、拉紧梁15与基础梁7连接，组成反力系统。如图2所示，作动器1按照高速铁路扣件系统9的间距L分布式布置，每一对扣件系统9对应一个作动器1，扣件系统9为钢轨在轨道板10上的支撑点，作动器1沿着轨道方向的间距即为该支撑点的间距。作动器1的底部通过分配梁8将荷载传递至轨道板10上，分配梁8的两端直接安置在轨道板10上面的扣件系统9上，轨道板10上面并没有钢轨存在，分配梁8与扣件系统9的接触尺寸应与实际钢轨和扣件系统9的接触尺寸保持一致。
如图3所示，作动器1通过管道11与动力系统液压油源12相连接，为了保证作动器1供油的稳定性，每3个作动器1配置有1个分油器19，分油器19再与液压油源12相连接。作动器1的中部均安装有轴力传感器17和位移传感器18。
作动器1通过线路16与多通道控制系统13相连接，每个作动器1对应多通道控制系统13中的一个通道。多通道控制系统13由PC机和多通道加载控制软件组成，多通道控制系统13的操作步骤为：
(1)打开PC机，点击进入多通道加载控制软件的操作界面；
(2)点击菜单栏中的“试验”，设定试验保护参数；
(3)点击油源低压，选择静态模式；
(4)在“信号发生器”中选择“位移控制模式”，设定作动器的位移目标值和位移变化速率，使得作动器与分配梁建立接触；
(5)转入“力控制模式”，设定作动器加载试验力初值和试验力加载速率；
(6)选择加载波形，设置加载频率、幅值和循环次数，点击“应用”；
(7)分别设置各个作动器的相位；
(8)转入“油源高压”，点击进入动态模式，实现动力加载；
(9)点击菜单栏中的“控制”，实时监测系统反馈的加载幅值和相位误差；
(10)若系统反馈的加载幅值和相位误差超过5%，点击“调整”，可实现自动纠偏；
(11)试验结束后，点击菜单栏中的“试验停止”，并进入“转静态”控制；
(12)转入“位移控制模式”，设定作动器的位移初值和位移变化速率，使得作动器与分配梁脱离；
(13)点击“数据保存”，将数据保存至目标文件夹；
(14)点击“退出”，安全退出多通道加载控制软件。
通过多通道控制系统13的设置，可协同控制作动器1的加载频率和相位，模拟列车的运行速度。通过控制作动器1激振力的大小，可以模拟列车的不同轴重。通过控制作动器1的加载波形，可以模拟轨道不平顺时的轮轨作用力。通过控制作动器1的连续循环加载，可以在短时间内模拟列车荷载的长期循环作用。
本实用新型的工作原理如下：
(1)确定作动器模拟加载波形
由于模型试验尺寸的限制，采用真实的列车在路基模型上运行难度很大，而采用固定的加载装置来代替真实列车将很有实际意义。列车轮轴与钢轨相互接触，通过扣件系统9将轮轨作用力传递至路基，轨道结构中按一定间距分布式布置的扣件系统9即为列车荷载对轨道结构的作用点。列车从无穷远行驶而来的加载过程，和列车行驶至无穷远处的卸载过程，使得每一个扣件系统9经历了一次循环加卸载过程。将扣件系统9经历的荷载时程作为加载系统的输入荷载，便模拟列车轮轴沿着钢轨的连续运行过程。以一个转向架荷载为例，通过理论计算或是实测资料，可以得到列车运行时扣件系统9的荷载时程曲线，如图4中的小方块所示。对该荷载时程曲线进行简化，即可作为模型试验中加载系统的输入荷载时程曲线，如图4中的实线所示。
将图4中的实线所代表的荷载时程曲线作为作动器1的激励波形，利用分布式加载系统来模拟列车的实际运行，模拟效果如图5所示。其中，图5中的小方块表示列车荷载连续作用下轨道结构的内力，实线表示采用分布式加载系统所得到的轨道结构内力，由此可见，分布式加载系统可以代替真实列车来模拟列车的运行过程。
(2)根据列车的运行速度，确定作动器1的加载频率和相位
分布式的加载系统通过改变加载频率和不同作动器1之间的相位差可以模拟列车的不同运行速度。假设扣件系统9沿线路方向的间距为L，列车时速v，作动器1的加载频率f，相邻作动器1的加载时间间隔δ，列车一个转向架荷载由n个扣件分担，则
分布式加载系统对列车时速的模拟控制如表4所示。
表4 列车速度、激振频率、相邻作动器的相位间隔
(3)启动多通道控制系统13，打开动力系统液压油源12，采用油源低压静态控制，首先进入位移控制状态，设定试验参数保护值，然后控制各个作动器1的位移目标值和位移变化速率，通过作动器1上的位移传感器18可以获得作动器1的位移变化量，从而使作动器1与分配梁8建立接触；然后转至力控制状态，设定作动器1的初始静态力目标值和加载速度，通过作动器1上的轴力传感器17可以获得作动器1的荷载变化量。
(4)转至油源高压动态力控制，根据列车模拟速度和荷载的要求，定义作动器1的加载波形，设置作动器1的加载幅值、频率，设定循环加载次数，然后分别定义各个作动器1的相位值，进行动态加载，通过作动器1上的轴力传感器17可以获得加载系统实际反馈到的荷载时程曲线，并与设定荷载进行实时比较，以保证加载系统动态激励的准确性。
(5)当达到设定的循环加载次数后，停止作动器1的加载，由油源高压动态力控制转至油源低压静态位移控制，设定作动器1的位移初值和位移速率，使作动器1与分配梁8脱离。
(6)关闭多通道控制系统13，最后关闭动力系统液压油源12。
Claims (4)
1.一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统，其特征在于：多个作动器(1)按照高速铁路扣件系统(9)沿轨道方向的间距布置，每一对扣件系统(9)对应一个作动器(1)，每个作动器(1)分别通过螺栓(2)连接在各自的反力横梁(3)的跨中，每根反力横梁(3)的两端分别通过高强螺栓(4)、两端的拉紧梁(14)与各自的反力纵梁(5)相连接，两端的反力纵梁(5)利用高强螺栓(6)、两端的另一拉紧梁(15)与基础梁(7)连接，组成反力系统，每个作动器(1)的底部分别通过分配梁(8)将荷载传递至轨道板上(10)，每个作动器(1)分别通过管道与动力系统液压油源(12)相连接，每个作动器(1)分别通过线路(16)与多通道控制系统(13)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统，其特征在于：所述的动力系统液压油源(12)通过分油器(19)将液压油分配到每个作动器(1)；所述的每个分油器(19)分别通过管道与3个作动器(1)相连。
3.根据权利要求1所述的一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统，其特征在于：所述的分配梁(8)的两端分别安置在扣件系统(9)的中心，分配梁(8)与扣件系统(9)的接触尺寸应与实际钢轨和扣件系统(9)的接触尺寸保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统，其特征在于：所述的作动器(1)的中部均安装有轴力传感器(17)和位移传感器(18)。
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