WO2014101407A1 - 轨道交通列车整车移动荷载模拟加载方法及装置 - Google Patents

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    • G01M17/08—Railway vehicles

Definitions

  • the invention relates to a load loading method and device, in particular to a method and a device for simulating loading of a moving load of a rail transit train.
  • the train load is transmitted to the underline structure through the interaction of the axle and the rail.
  • the effects of the axle and the rail have typical movement effects and speed effects.
  • the structural layers under the rail experience the same loading process along the direction of travel of the train.
  • This method of force different from the fixed point loading results in different dynamic performance of the track structure and the roadbed structure. Therefore, the effective simulation of the whole vehicle load movement process is essential for studying the real dynamic performance of the rail transit infrastructure. Summary of the invention
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for simulating loading of a moving load of a rail transit train in order to study the movement effect and speed effect generated by the train movement, so as to realize high-speed movement of the train load.
  • a method for simulating loading of a moving load of a rail transit train which comprises the following steps: Step 1) Perform a function fitting according to a train-orbit-subgrade theoretical model, and consider a train axle weight P to obtain a single car movement Simplified expression of the force load time history of a single fastener system under the action of a bogie:
  • Step 3) obtain the load-time curve of the load of the single fastener system.
  • the distance between the sleepers in the track direction is to connect the rail to the sleeper through the fastener system, and the two continuous rails are The pair of discrete independent segmented rails are cut directly above the sleeper position, and the connection characteristics between the rail and the sleeper remain unchanged;
  • Step 4) A distribution beam is arranged directly above each pair of segmented rails in step 3), an actuator is connected above the distribution beam span, and the force of the individual fastener system obtained in step 2) is loaded. Curve, as the load excitation curve for all actuators;
  • Step 5) The load excitation curves of all the actuators in step 4) are the same, each actuator starts to have excitation time interval, and the time interval ⁇ of excitation of adjacent actuators is determined by the spacing of the sleepers and the train speed V. :
  • Step 6 Each actuator is dynamically excited by the time interval ⁇ clothing according to the step 5) along the moving direction of the whole train, that is, the simulated loading of the whole vehicle moving load of different vehicles and different speeds is realized.
  • the simulated load loading of the train is simplified to the moving load simulation of the front and rear bogies of a single car.
  • Step 1) The fitting function is a Gauss function.
  • Step 2) The load-time curve of the single fastener is “M” waveform, which is in line with the train real load.
  • the plurality of actuators of the present invention are arranged above the position of each of the sleepers in the track direction of the high-speed railway, and the top of each actuator is connected at the cross of the reaction force beam, and the two ends of each reaction beam are fixed at two On the reaction stringer, the ends of each reaction stringer are connected to two support columns, and the bottom of each support column is fixed on the ground.
  • each actuator is connected with the high-strength bolts in the span of the distribution beam.
  • the bottoms of the two ends of the distribution beam are placed directly above the rails on both sides.
  • Two continuous rails are laid on the sleepers and cut into discrete independents directly above the sleeper position. Segmented rails, each pair of segmented rails and sleepers are connected by a fastener system, below the sleeper is a track bed, below the track bed is the foundation.
  • 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 vehicle-track-subgrade theoretical model for vehicle movement.
  • Figure 6 is a schematic diagram of the time history curve of the force load of a single fastener system.
  • Figure 7 is an actuator load excitation curve.
  • actuator 1, actuator, 2, distribution beam, 3, high-strength bolt, 4, fastener system, 5, rail, 6, sleeper, 7, track bed, 8, foundation, 9, reaction beam, 10, anti Force stringer, 11, support column.
  • the embodiment is carried out on the moving load simulation loading device of the rail transit train shown in FIG. 1 and FIG. 2, and the truss track structure is selected, the fastener system 4 selects the WJ-7 type, the rail 5 model selects the CHN60, and the sleeper 6 selects the III.
  • Type reinforced concrete sleepers the track bed 7 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 made of graded gravel.
  • the bottom layer of the track bed is made of A/B packing.
  • the rail sleepers 6, 8 actuators 1 are arranged above the position of each sleeper 7, the top of each actuator 1 is connected at the middle of the reaction force beam 9 , and the ends of each reaction force beam 9 are fixed at two opposite ends.
  • the two ends of each reaction force stringer 10 are connected to two support columns 11, and the bottom of each support column 11 is fixed on the ground.
  • the bottom of each actuator 1 is connected by a high-strength bolt 3 at the span of the distribution beam 2.
  • the bottom ends of the distribution beam 2 are placed directly above the rails 5 on both sides, and two continuous rails 5 are laid on the sleepers 6, respectively.
  • Fig. 5 The following vehicle-track-subgrade theoretical model is shown in Fig. 5 as a planar structure assumption, which in turn consists of a bogie, a rail 5, a fastener structure 4, a sleeper 6, a track bed 7, and a foundation 8, and the rail 5 adopts the Euler beam assumption.
  • the discretely distributed sleepers 6 are assumed to be masses
  • the fastener system 4 and the track bed 7 are all assumed to be viscoelastic springs, wherein the track bed 7 is distributed spring and damping, and the bogies during train operation and
  • the rails 5 interact and the resulting forces are carried by the fastener system 4 which is discretely supported below the rails 5.
  • the load time history curve is an "M" curve, which matches the real load of the train and is used as the load excitation curve for each actuator.

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Abstract

一种轨道交通列车整车移动荷载模拟加载方法及装置。多个作动器（1）在轨枕（6）沿轨道方向上方布置，每个作动器（1）顶部连接在反力横梁（9）跨中处，每根反力横梁（9）两端固定在两根反力纵梁（10）上，每根反力纵梁（10）的两端连接在两根支撑柱（11）上，每根支撑柱（11）底部固定在地面上。根据列车-轨道-路基理论模型计算拟合确定在不同车型和不同列车速度的单个扣件系统（4）的受力荷载时程曲线，作为作动器（1）的荷载激励曲线，将钢轨（5）在轨枕（6）正上方处分段为离散独立的分段钢轨，相邻作动器（1）沿列车移动方向以相同时间间隔连续激振，从而实现不同车型在不同速度下列车整车移动荷载的模拟加载。

Description

轨道交通列车整车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列车整车 移动荷载模拟加载方法及装置。
背景技术
我国现在正处于轨道交通快速发展的时期， 无论是高速铁路和城际普通铁 路， 还是轻轨和地铁， 都处于高速建设过程中。 但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。 路基在列车荷载作用下的动力稳 定性影响着列车的安全运行； 轮轨动力相互作用产生的轨道和路基振动， 对周 围环境和人类生活也产生了很大的影响； 尤其是随着高速铁路的运营， 列车速 度大幅度提高， 列车与轨道的动力相互作用进一步加剧， 当列车速度接近土体 的临界波速时， 将会产生马赫效应， 严重威胁列车运行的安全性。 列车荷载通 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， 随着列车的移动， 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， 实现列车整车荷载 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。 发明内容
本发明的目的在于为研究列车移动产生的移动效应和速度效应， 提供一种 轨道交通列车整车移动荷载模拟加载方法及装置， 实现列车荷载高速移动。
为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是：
一、 一种轨道交通列车整车移动荷载模拟加载方法， 它包括以下几个步骤: 步骤 1 ) 根据列车-轨道-路基理论模型进行函数拟合， 并考虑列车轴重 P得 到单节车厢移动下转向架作用下的单个扣件系统的受力荷载时程简化表达式：
(x-2.5)2
y = PA(e 20,2 + e 20,2 ) 其中 A = 34.30， w = 0.79均为拟合参数， x为钢轨下扣件系统观察点至列车轮 轴初始位置的距离， ； V为钢轨下扣件系统支撑力；
步骤 2 )考虑列车速度 V， 钢轨下扣件系统支撑力; y与距离的关系可转化为 扣件系统支撑力； y与时间 t的关系 X = w： y = PA(e 20,2 + e 2a? )；
步骤 3 ) 根据步骤 2)得到单个扣件系统的受力荷载时程曲线， 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，将 两条连续钢轨在轨枕位置正上方处切割为多对离散独立的分段钢轨， 钢轨与轨 枕之间的连接特性保持不变；
步骤 4) 在步骤 3 ) 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 2 )得到的单个扣件系统的受力荷载时程曲 线， 作为所有作动器的荷载激励曲线；
步骤 5 ) 步骤 4 ) 中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， 相邻作动器激振的时间间隔 Δ 由轨枕的间距 和列车速度 V 确定：
At =—；
V
步骤 6) 沿列车整车移动方向每个作动器通过按照步骤 5 )所述的时间间隔 Δ 衣次进行动态激振， 即实现不同车型、 不同速度下列车整车移动荷载的模拟 加载。
该列车整车移动荷载模拟加载简化为 Ν个单节车厢前后转向架移动荷载模 拟。
步骤 1 ) 所述的拟合函数为 Gauss函数。
步骤 2 )所述的单个扣件的受力荷载时程曲线为" M"波型曲线， 符合列车真 实荷载。
二、 一种轨道交通列车整车移动荷载模拟加载装置：
本发明的多个作动器在按照高速铁路每条轨枕沿轨道方向的位置处上方布 置， 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。
每个作动器底部用高强螺栓在分配梁跨中处连接， 分配梁两端底部安置在 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 成离散独立的分段钢轨， 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。
本发明具有的有益效果的是：
( 1 ) 基于列车 -轨道 -路基理论模型并用 Gauss函数拟合得到单节车厢移动 下转向架作用单个扣件系统的受力荷载时程曲线； （2 ) 该单个扣件系统的受力 荷载时程曲线为" M"波型曲线， 符合列车真实荷载，； （3 ) 加载装置将钢轨分段 后， 沿列车前进方向相邻作动器以时间间隔动态激振， 从而代替实体列车整车 模型实现不同速度下的列车整车荷载的移动加载； （4) 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是整车移动下列车-轨道-路基理论模型原理图。
图 6是整车移动单个扣件系统的受力荷载时程曲线示意图。
图 7是作动器荷载激励曲线。
图中： 1、 作动器， 2、 分配梁， 3、 高强螺栓， 4、 扣件系统， 5、 钢轨， 6、 轨枕， 7、 道床， 8、 地基， 9、 反力横梁， 10、 反力纵梁， 11、 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所示轨道交通列车整车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 4选用 WJ-7型， 钢轨 5型号选用 CHN60, 轨枕 6选用 III型钢筋混凝土轨枕， 道床 7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 6沿轨道方向的间距为 Δ^ = 0.630m , 共设置 8条轨枕 6， 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顶部连接在反力横梁 9跨中处， 每根反力横梁 9两端固定在两根 反力纵梁 10上， 每根反力纵梁 10的两端连接在两根支撑柱 11上， 每根支撑柱 11底部固定在地面上。每个作动器 1底部用高强螺栓 3在分配梁 2跨中处连接， 分配梁 2两端底部安置在两侧钢轨 5正上方， 两条连续的钢轨 5铺设在轨枕 6 上， 分别在轨枕 6位置正上方切断成离散独立的 0.3m长的分段钢轨 5， 每对分 段钢轨 5和轨枕 6用扣件系统 4连接，如图 3和图 4所示，轨枕 6下方为道床 7、 道床 7下方为地基 8。
图 5所示整车移动下列车 -轨道 -路基理论模型为平面结构假设，依次由转向 架、 钢轨 5、 扣件结构 4、 轨枕 6、 道床 7和地基 8组成， 钢轨 5采用欧拉梁假 设， 假设为简支梁， 离散分布的轨枕 6假设为质量块， 扣件系统 4、 道床 7均采 用粘弹性弹簧假设， 其中道床 7为分布弹簧和阻尼， 列车运行过程中转向架与 钢轨 5相互作用， 产生的作用力通过钢轨 5下方离散支撑的扣件系统 4承担。 选用列车车型为 CRH3 , 列车轴重尸 = 15 ， 移动速度v = 18 m / /^， 由于单个 轮轴作用在钢轨上时其荷载影响范围约为 5m， 而同一转向架的两个轮轴间距仅 为 2.5m， 而前后两车相邻转向架的间距为 7.5m， 因此按照轮轴荷载影响进行叠 加考虑， 一个转向架荷载更能真实地反映列车的实际荷载。 结合列车 -轨道 -路基 理论模型并用 Gauss函数拟合， 考虑列车轴重 P, 得到单节车厢移动下转向架作 用下的单个扣件系统的受力荷载时程简化表达式
(x-2.5)2
y = PA(e 20,2 + e 20,2 )
其中 A = 34.30， 《 = 0.79均为拟合参数， X为钢轨下扣件系统观察点至列车轮 轴初始位置的距离， ； V为钢轨下扣件系统支撑力。
假设列车轮轴初始位置在支撑柱位置， 结合列车速度 V， 钢轨下扣件系统 支撑力 y与距离的关系可转化为扣件系统支撑力 y与时间 t的关系 χ = w：
(vQ2
y = PA(e 2ω2 + e 2c°2 )
由于一个转向架两个轮轴之间存在荷载叠加现象， 得到如图 6所示列车整 车移动转向架荷载作用下， 列车移动速度为 v = 18 / /1时钢轨下单个扣件系统 的受力荷载时程曲线呈" M"型曲线， 符合列车真实荷载， 将其作为每个作动器的 荷载激励曲线图 7。
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 = 0.630m和列车速度 v = lMm / h 确定。
At =— = 0.126s ,
v
沿列车整车移动方向每个作动器按照时间间隔 Δ = 0.126 衣次进行动态激 振， 即实现不同车型、 不同速度下列车整车移动荷载的模拟加载。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种轨道交通列车整车移动荷载模拟加载方法， 其特征在于包括以下步 骤：
步骤 1 ) 根据列车-轨道-路基理论模型进行函数拟合， 并考虑列车轴重 P得 到单节车厢移动下转向架作用下的单个扣件系统的受力荷载时程简化表达式： y = PA(e 20,2 + e 2a? ) . 其中 A = 34.30， 《 = 0.79均为拟合参数， x为钢轨下扣件系统观察点至列车轮 轴初始位置的距离， ； V为钢轨下扣件系统支撑力；
步骤 2)考虑列车速度 V， 钢轨下扣件系统支撑力; y与距离的关系可转化为 扣件系统支撑力 y与时间 t的关系 X = w： y = PA(e 20,2 + e 20,2 )；
步骤 3 ) 根据步骤 2)得到单个扣件系统的受力荷载时程曲线， 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，将两条连续 钢轨在轨枕位置正上方处切割为多对离散独立的分段钢轨， 钢轨与轨枕之间的 连接特性保持不变；
步骤 4) 在步骤 3 ) 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 2)得到的单个扣件系统的受力荷载时程曲 线， 作为所有作动器的荷载激励曲线；
步骤 5 ) 步骤 4) 中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， 相邻作动器激振的时间间隔 Δ 由轨枕的间距 和列车速度 V 确定：
At =—；
V
步骤 6) 沿列车整车移动方向每个作动器通过按照步骤 5 )所述的时间间隔 Δ 衣次进行动态激振， 即实现不同车型、 不同速度下列车整车移动荷载的模拟 加载。
2、 根据权利要求 1所述的一种轨道交通整车移动荷载模拟加载方法， 其特 征在于： 该列车整车移动荷载模拟加载简化为 Ν个单节车厢前后转向架移动荷 载模拟。
3、 根据权利要求 1所述的一种轨道交通整车移动荷载模拟加载方法， 其特 征在于： 步骤 1 ) 所述的拟合函数为 Gauss函数。
4、 根据权利要求 1所述的一种轨道交通轮轴移动荷载模拟加载方法， 其特 征在于： 步骤 2)所述的单个扣件的受力荷载时程曲线为" M"波型曲线， 符合列 车真实荷载。
5、 根据权利要求 1所述的加载方法的一种轨道交通列车整车移动荷载模拟 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 （6) 沿轨 道方向的位置处上方布置， 每个作动器 （1 ) 顶部连接在反力横梁 （9) 跨中处， 每根反力横梁 （9) 两端固定在两根反力纵梁 （10) 上， 每根反力纵梁 （10) 的 两端连接在两根支撑柱 （11 ) 上， 每根支撑柱 （11 ) 底部固定在地面上。
6、 根据权利要求 1所述的加载方法的一种轨道交通列车整车移动荷载模拟 加载装置， 其特征在于： 每个作动器 （1 ) 底部用高强螺栓 （3 ) 在分配梁 （2) 跨中处连接， 分配梁 （2) 两端底部安置在两侧钢轨 （5 ) 正上方， 两条连续的 钢轨 （5 ) 铺设在轨枕 （6) 上， 分别在轨枕 （6) 位置正上方切断成离散独立的 分段钢轨（5 )， 每对分段钢轨（5 )和轨枕（6)用扣件系统（4)连接， 轨枕（6) 下方为道床 （7)、 道床 （7) 下方为地基 （8)。
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