WO2014101405A1 - 轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置 - Google Patents

轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置 Download PDF

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陈云敏
边学成
蒋红光
程翀
陈仁朋
蒋建群
徐翔
金皖锋
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浙江大学
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    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes
    • E01B35/12—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes for measuring movement of the track or of the components thereof under rolling loads, e.g. depression of sleepers, increase of gauge

Definitions

  • the invention relates to a load loading method and device, in particular to a rail load axle moving load simulation loading method and device.
  • the test methods for axle load simulation mainly include indoor model test and on-site test in situ.
  • the indoor model test is limited by the size of the site and the speed of the driving. It is not easy to achieve high-speed mobile loading of the real car.
  • the on-site in-situ test can adopt the real axle moving process, the environment is more complicated and difficult to control, and the repeatability is poor.
  • the existing axle load dynamics simulation device such as the adjustable frequency amplitude modulation SBZ30 dynamic vibration exciter, uses the rapid rotation of the eccentric mass to generate the vertical excitation force, and can realize the high frequency excitation at a fixed position. The disadvantage is that the axle cannot be realized.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for simulating loading of the axle load moving load of the rail transit, and realizing the high speed movement of the axle load.
  • a method for simulating loading of a rail vehicle axle load load comprising the following steps:
  • Step 1) Calculate the time-history curve of the force load of a single fastener system that determines the moving speed of the wheel under different moving speeds by the train-track-subgrade theoretical model;
  • Step 2 According to the design specification of the high-speed railway, the distance between the sleepers in the track direction is to connect the rail to the sleeper through the fastener system.
  • the two continuous rails are respectively cut at the position directly above the sleeper position into a plurality of pairs of independent segmented rails, rails.
  • the connection characteristics with the sleeper remain unchanged;
  • Step 3 A distribution beam is arranged directly above each pair of segmented rails in step 2), an actuator is connected above the distribution beam span, and the load of the single fastener system obtained in step 1) is loaded. Curve, as the load excitation curve for each actuator;
  • Step 4) In step 3), the load excitation curves of each actuator are the same, each actuator starts to have excitation time interval, and the interval between adjacent actuator excitation is determined by the spacing of the sleepers and the moving speed V. :
  • Step 5 The adjacent actuators in the moving direction of the axle are dynamically excited by the time interval ⁇ according to step 4), that is, the simulated loading of the moving load of the V-axle at different moving speeds is realized.
  • a plurality of actuators are arranged directly above each track of the high-speed railway along the track direction, and each actuator bottom is connected with a high-strength bolt at the distribution beam span, and the bottom ends of the distribution beam are fixedly mounted directly above the rails on both sides.
  • Two continuous rails are laid on the sleepers, and are respectively cut into independent segment rails directly above the sleeper position.
  • Each pair of segment rails and sleepers are connected by a fastener system. Below the sleeper is a track bed, and the bottom of the track bed is a foundation.
  • each of the actuators is connected at a cross section of the reaction force beam, and each of the reaction beam ends is fixed on two reaction force longitudinal beams, and the two ends of each reaction force beam are connected to the two support columns. Above, the bottom of each support column is fixed on the ground.
  • the means for fixedly mounting the bottom ends of the distribution beams directly above each pair of segmented rails is a detachment prevention sleeve which effects the application of the vertical pressure of the actuator and also the application of the pulling force of the actuator.
  • the adjacent actuators use the load-time curve of the single-clamp system as the load excitation curve, and dynamically excite in the same time in the direction of the axle movement, thus replacing the solid train axle.
  • the model achieves a dynamic loading of the axle load at different speeds;
  • the anti-drop kit enables the application of the vertical pressure of the actuator and also the application of the pull-up force of the actuator.
  • Figure 1 is a schematic transverse view of the apparatus of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic longitudinal view of the apparatus of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic transverse view of a section of rail connection.
  • Figure 4 is a longitudinal schematic view of a section of rail connection.
  • Figure 5 is a schematic diagram of the following car-track-subgrade theoretical model of the axle movement.
  • Figure 6 is an actuator load excitation curve.
  • actuator 1, actuator, 2, distribution beam, 3, anti-offset kit, 4, high-strength bolt, 5, fastener structure, 6, rail, 7, sleeper, 8, track bed, 9, foundation, 10, anti Force beam, 11, reaction beam, 12, support column.
  • the truss track structure is selected, the fastener system 5 is selected as WJ-7 type, the rail 6 model is selected as CHN60, and the sleeper 7 is selected as ⁇ type steel bar.
  • the track bed 8 is divided into the surface layer of the track bed and the bottom layer of the track bed.
  • the surface layer of the track bed is graded with gravel.
  • the bottom layer of the track bed is made of A/B packing.
  • the spacing of each track 7 along the track direction is 0.625m. A total of 8 sleepers 7 are provided.
  • Eight actuators 1 are arranged above each of the sleepers 7, and the bottom of each actuator 1 is connected by a high-strength bolt 4 at the span of the distribution beam 2, and the bottom ends of the distribution beam 2 are fixedly mounted on each pair of segmented rails.
  • the device directly above 6 is a detachment prevention kit 3 which effects the application of the vertical pressure of the actuator 1 and also the application of the pulling force on the actuator 1.
  • Two continuous rails 6 are laid on the sleepers 7, which are cut into mutually independent 0.3 m long segmented rails 6 directly above the sleeper 7 position, and each pair of segmented rails 6 and sleepers 7 are connected by a fastener system 5, such as As shown in FIG. 3 and FIG.
  • each actuator 1 is connected at the middle of the reaction force beam 10, and each of the reaction force beams 10 is fixed at two ends.
  • the two ends of each reaction strut 11 are connected to two support columns 12, and the bottom of each support column 12 is fixed on the ground.
  • the axle shown in Figure 5 moves the following car-track-subgrade theoretical model as a planar structure hypothesis, consisting of the axle, rail 6, fastener structure 5, sleeper 7, track bed 8, and foundation 9, which are assumed by the Euler beam hypothesis.
  • the discretely distributed sleepers 7 are assumed to be masses.
  • the fastener system 5 and the track bed 8 all adopt the viscoelastic spring hypothesis, wherein the track bed 8 is distributed spring and damping, and the axle and the rail 6 interact during the running of the train, and the generated force is assumed by the fastener system 5 discretely supported under the rail 6. .
  • the basic governing equation used is the partial differential equations, using the modal decomposition
  • the method, the balance equation of the train subsystem, the balance equation of the rail and the balance equation of the sleeper are transformed into the ordinary differential equations, and solved according to the NEWMARK method, and the single fastener system is obtained when the axle moving speed V is 13.5km/h.
  • the force load time history curve is shown in Figure 6, which is used as the load excitation curve for each actuator.

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置。多个作动器在沿轨道方向的轨枕正上方布置，每个作动器底部在分配梁跨中处连接，分配梁两端底部安装在两侧钢轨正上方，两条连续的钢轨铺设在轨枕上，分别在轨枕位置正上方切断成相互独立的分段钢轨，每对分段钢轨和轨枕用扣件系统连接。防脱套件实现作动器竖向压力、上拔力的施加。根据列车-轨道-路基理论模型确定在不同移动速度下轮轴移动作用的单个扣件系统的受力荷载时程曲线，作为每个作动器的荷载激励曲线，相邻作动器沿轮轴移动方向以相同时间间隔依次进行动态激振，实现不同速度下轮轴移动荷载的模拟加载。本发明为开展轨道交通动力学模型试验研究提供了可靠便捷的加载平台。

Description

轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置
技术领域
本发明涉及一种荷载加载方法及装置， 尤其是涉及一种轨道交通轮轴移动 荷载模拟加载方法及装置。
背景技术
我国正处于轨道交通快速发展的阶段， 无论是城际普通铁路和高速铁路， 还是城市地铁和轻轨， 都处于快速建设过程中。 伴随着轨道交通设施的建设和 投入运营， 越来越多的工程问题凸显出来。 在列车高速通过时荷载通过轮轴与 钢轨的相互作用传递至线下结构， 与传统的定点循环加载相比， 轮轴与钢轨的 作用具有典型的移动效应和速度效应， 随着轮轴的移动， 轨下各结构层沿着列 车行进方向经历相同的加载过程。 这种不同于固定点加载的受力方式， 导致了 轨道结构和路基结构呈现出不同的动力性能。 因此， 实现列车轮轴荷载移动过 程的有效模拟， 对研究轨道交通基础设施真实的动力性能至关重要。 目前， 轮 轴荷载模拟的试验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 验受到场地尺寸和行车速度的限制， 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轮轴移动过程， 但所处的环境比较复杂不易控制， 可 重复性较差。 现有的轮轴动荷载模拟装置， 如可调频调幅 SBZ30动态激振器， 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： 无法实现轮轴荷载的移动性； 模拟高速交通移动荷载作用的试验系统， 采用由离心旋转电机控制的正反向移动加载器， 带动竖向激振器实现轮轴荷载 的移动加载， 但由于尺寸限制， 无法实现轮轴荷载的以较高的速度匀速移动。 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， 本发明的目的在于提 供一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法及装置， 实现轮轴荷载高速移动。
为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是：
一、 一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法， 包括以下步骤：
步骤 1 ) 通过列车-轨道-路基理论模型计算确定不同移动速度 V下轮轴移动 荷载作用的单个扣件系统的受力荷载时程曲线；
步骤 2)按高速铁路设计规范轨枕沿轨道方向的间距为 通过扣件系统将 钢轨与轨枕进行连接， 两条连续的钢轨分别在轨枕位置正上方处切断为多对相 互独立的分段钢轨， 钢轨与轨枕之间的连接特性保持不变； 步骤 3 ) 在步骤 2) 中的每一对分段钢轨正上方均布置一条分配梁， 分配梁 跨中处上方连接一个作动器， 将步骤 1 )得到的单个扣件系统的受力荷载时程曲 线， 作为每个作动器的荷载激励曲线；
步骤 4) 步骤 3 ) 中每个作动器的荷载激励曲线均相同， 每个作动器开始激 振存在时间间隔， 相邻作动器激振的时间间隔 由轨枕的间距 和移动速度 V 确定：
At =—；
V
步骤 5 )沿轮轴移动方向相邻作动器通过按照步骤 4)所述的时间间隔 Δ 衣 次进行动态激振， 即实现不同移动速度 V轮轴移动荷载的模拟加载。
二、 一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置：
多个作动器在按照高速铁路每条轨枕沿轨道方向的正上方布置， 每个作动 器底部用高强螺栓在分配梁跨中处连接， 分配梁两端底部固定安装在两侧钢轨 正上方， 两条连续的钢轨铺设在轨枕上， 分别在轨枕位置正上方切断成相互独 立的分段钢轨， 每对分段钢轨和轨枕用扣件系统连接， 轨枕下方为道床、 道床 下方为地基。
所述的每个作动器顶部连接在反力横梁跨中处， 每根反力横梁两端固定在 两根反力纵梁上， 每根反力纵梁的两端连接在两根支撑柱上， 每根支撑柱底部 固定在地面上。
所述的分配梁两端底部固定安装在每对分段钢轨正上方的装置是防脱套 件， 其实现作动器竖向压力的施加， 也实现作动器上拔力的施加。
本发明具有的有益效果是：
( 1 ) 两条钢轨分段后， 相邻作动器以单个扣件系统的受力荷载时程曲线为 荷载激励曲线， 并沿轮轴移动方向以相同时间依次动态激振， 从而代替实体列 车轮轴模型实现不同速度下的轮轴荷载的移动加载； （2) 防脱套件实现作动器 竖向压力的施加， 也实现作动器上拔力的施加。 （3 ) 避免了行车速度提高所需 要的长距离加速路段， 大大缩小了室内试验模型的尺寸， 为开展轨道交通动力 学模型试验研究提供了可靠便捷的加载平台。
附图说明
图 1是本发明装置横向示意图。
图 2是本发明装置纵向示意图。
图 3是一段钢轨连接横向示意图。
图 4是一段钢轨连接纵向示意图。 图 5是轮轴移动下列车-轨道-路基理论模型原理图。
图 6是作动器荷载激励曲线。
图中： 1、 作动器， 2、 分配梁， 3、 防脱套件， 4、 高强螺栓， 5、 扣件结构， 6、 钢轨， 7、 轨枕， 8、 道床， 9、 地基， 10、 反力横梁， 11、 反力纵梁， 12、 支撑柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本实施例在图 1和图 2所示轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置上进行， 选用有砟轨道结构， 扣件系统 5选用 WJ-7型， 钢轨 6型号选用 CHN60 , 轨枕 7 选用 ΠΙ型钢筋混凝土轨枕， 道床 8分为道床表层和道床底层， 道床表层选用级 配碎石， 道床底层选用 A/B填料， 每条轨枕 7沿轨道方向的间距为 = 0.625m， 共设置 8条轨枕 7， 8个作动器 1在每条轨枕 7位置处上方布置， 每个作动器 1 底部用高强螺栓 4在分配梁 2跨中处连接， 分配梁 2两端底部固定安装在每对 分段钢轨 6正上方的装置是防脱套件 3， 其实现作动器 1竖向压力的施加， 也实 现作动器 1上拔力的施加。 两条连续的钢轨 6铺设在轨枕 7上， 分别在轨枕 7 位置正上方切断成相互独立的 0.3m长的分段钢轨 6， 每对分段钢轨 6和轨枕 7 用扣件系统 5连接， 如图 3和图 4所示， 轨枕 7下方为道床 8、 道床 8下方为地 基 9， 每个作动器 1顶部连接在反力横梁 10跨中处， 每根反力横梁 10两端固定 在两根反力纵梁 11上， 每根反力纵梁 11的两端连接在两根支撑柱 12上， 每根 支撑柱 12底部固定在地面上。
图 5所示轮轴移动下列车 -轨道 -路基理论模型为平面结构假设，依次由轮轴、 钢轨 6、 扣件结构 5、 轨枕 7、 道床 8和地基 9组成， 钢轨 6采用欧拉梁假设， 假设为简支梁， 离散分布的轨枕 7假设为质量块。 扣件系统 5、 道床 8均采用粘 弹性弹簧假设， 其中道床 8为分布弹簧和阻尼， 列车运行过程中轮轴与钢轨 6 相互作用， 产生的作用力通过钢轨 6下方离散支撑的扣件系统 5承担。
取轮轴移动速度 v = 13.5^ / /z， 由于该模型为研究结构移动质量系的问题， 不同于一般的定点加载的动力问题， 采用的基本控制方程为偏微分方程组， 使 用模态分解的方法， 将列车子系统的平衡方程、 钢轨的平衡方程和轨枕的平衡 方程转化为常微分方程组， 根据 NEWMARK方法进行求解， 得到在轮轴移动速 度 V为 13.5km/h时单个扣件系统的受力荷载时程曲线如图 6所示， 将其作为每 个作动器的荷载激励曲线。
所有作动器的荷载激励曲线均相同， 每个作动器开始激振存在时间间隔， 相邻作动器的激振时间间隔 Δ 由轨枕的间距 ts = 0.625m和列车速度 v = 13.5 m〃z确定，
A c
Δί =— = 0.1667s。
v
沿轮轴移动方向相邻作动器按照时间间隔 Δ = 0.16676.依次进行动态激振，即 实现不同速度下轮轴移动荷载的模拟加载。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法， 其特征在于包括以下步骤： 步骤 1 ) 通过列车-轨道-路基理论模型计算确定不同移动速度 V下轮轴移动 荷载作用的单个扣件系统的受力荷载时程曲线；
步骤 2)按高速铁路轨枕沿轨道方向的间距为 通过扣件系统将钢轨与轨 枕进行连接， 两条连续的钢轨分别在轨枕位置正上方处切断为多对相互独立的 分段钢轨， 钢轨与轨枕之间的连接特性保持不变；
步骤 3 ) 在步骤 2) 中的每一对分段钢轨正上方均布置一条分配梁， 分配梁 跨中处上方连接一个作动器， 将步骤 1 )得到的单个扣件系统的受力荷载时程曲 线， 作为每个作动器的荷载激励曲线；
步骤 4) 步骤 3 ) 中每个作动器的荷载激励曲线均相同， 每个作动器开始激 振存在时间间隔， 相邻作动器激振的时间间隔 Δ 由轨枕的间距 和移动速度 V 确定：
At =—；
V
步骤 5 )沿轮轴移动方向相邻作动器通过按照步骤 4)所述的时间间隔 Δ 衣 次进行动态激振， 即实现不同移动速度 V轮轴移动荷载的模拟加载。
2、 根据权利要求 1所述的加载方法的一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载 装置， 其特征在于： 多个作动器 （1 ) 在按照高速铁路每条轨枕 （7 ) 沿轨道方 向的正上方布置， 每个作动器 （1 ) 底部用高强螺栓 （4) 在分配梁 （2) 跨中处 连接， 分配梁 （2) 两端底部固定安装在两侧钢轨 （6) 正上方， 两条连续的钢 轨 （6) 铺设在轨枕 （7) 上， 分别在轨枕 （7) 位置正上方切断成相互独立的分 段钢轨 （6)， 每对分段钢轨 （6) 和轨枕 （7) 用扣件系统 （5 ) 连接， 轨枕 （7 ) 下方为道床 （8)、 道床 （8) 下方为地基 （9)。
3、 根据权利要求 2所述的一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置， 其特 征在于： 所述的每个作动器 （1 ) 顶部连接在反力横梁 （10) 跨中处， 每根反力 横梁 （10) 两端固定在两根反力纵梁 （11 ) 上， 每根反力纵梁 （11 ) 的两端连 接在两根支撑柱 （12) 上， 每根支撑柱 （12) 底部固定在地面上。
4、 根据权利要求 2所述的一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载装置， 其特 征在于： 所述的分配梁 （2) 两端底部固定安装在每对分段钢轨 （6) 正上方的 装置是防脱套件 （3 )， 其实现作动器 （1 ) 竖向压力的施加， 也实现作动器 （1 ) 上拔力的施加。
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