CN103149048A - 基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台，包括轨道振动模拟发生器、浮置板模拟平面、磁流变隔振器、道床模拟平面、位移传感器、加速度传感器、力传感器、控制器、模拟轨道及磁流变隔振器驱动电源，该平台通过调整多个浮置板连接方式和改变隔振器支承数量及位置来模拟浮置板轨道多自由度振动***，用轨道模拟振动发生器带动浮置板模拟平面振动，模拟浮置板轨道振动的多向、多主频和多振幅运行工况，并通过各类传感器、隔振器、测控与评价器的组合，采集各种振动数据后，由控制器计算和控制，调节磁流变隔振器的阻尼，减小轨道平台整体***的振动，并针对不同隔振方式提出了浮置板轨道被动隔振和磁流变半主动隔振效果的评价技术。

Description

基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台

技术领域

本发明涉及一种轨道隔振试验平台，具体涉及一种基于磁流变技术的列车轨道隔振多功能试验平台。

背景技术

地铁这一交通工具的使用已成为解决日益严重的城市交通拥堵问题的有效手段，但是地铁列车运行所产生的低频振动和噪声也对人们的工作和生活造成了严重的影响。目前，浮置板轨道结构隔振是降低地铁轨道振动和噪声的最为有效的方法，它将混凝土道床板浮置在多个隔振器上，利用浮置板的大质量惯性来平衡列车运行引起的动荷载，采用的隔振器一般分为橡胶和钢弹簧两类，从结构上来说都属于被动隔振器，即相关参数值在生产后就不可调。但在现实中，地铁不同路段所需隔振器的最佳参数值是不尽相同的，在同一位置不同激振条件下隔振器所需的最佳参数值也不相同，且被动隔振器类浮置板对频率低于15Hz左右的振动却表现得无能为力。因此，采用被动隔振器的浮置板难以在较宽的低频范围内实现轨道振动的隔振降噪。

目前，与地铁轮轨振动及隔振研究相关的试验方法主要有：在真实的浮置板上，用电动机带动一个偏心装置来产生激振力以驱动浮置板振动，用钢弹簧做隔（减）振器，但这种试验装置一次性安装，振动源的安装位置不能改变，隔（减）振器也不能更换，功能单一，主要用于测试轨道振动给环境造成的影响；或采用一比一列车轨道，通过轨道下面的激振设备来模拟轮轨运行产生的振动，主要是用于对车辆性能进行测试；也有采用减振器测试平台，主要用于测试单个隔/减振器的各种性能，不能对浮置板整个***进行测试。

目前，磁流变智能材料已广泛应用于车辆、建筑、振动控制等领域。磁流变液和磁流变脂可由磁场控制其流变性，从而改变其器件阻尼值；磁流变弹性体可由磁场改变其弹性特性，从而改变其刚度值。利用磁流变材料作为轨道隔振器，可以根据地铁运行情况和环境隔振要求，实时调整隔振隔振器的阻尼（力）和刚度，克服了被动隔振器参数在宽频范围不可实时调整的缺点。目前，基于磁流变隔振器的浮置板轨道平台还存在许多问题，如隔振器布置方式、参数优化和控制策略设计等，如果用实际的地铁轨道来研究这些问题不仅耗费庞大，而且试验操作十分困难；而现有的测试平台都只是针对某些特定方面，不能同时把浮置板和隔振器作为一个整体进行测试、控制和评价。

发明内容

本发明的目的是提供一个基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台及测控评价技术，该平台主要由浮置板轨道振动多功能模拟平台和浮置板轨道隔离多功能测试控制与评价平台组成。通过这个平台，可以方便地进行相应的试验来研究参数优化方案、最佳控制策略和方式、隔振器布置、磁流变阻尼调节范围及最优值等问题，为磁流变隔振***在轨道结构振动控制工程应用领域奠定基础。

为实现上述目的本发明采用的技术方案如下：基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台，包括轨道振动模拟发生器、浮置板模拟平面、磁流变隔振器、道床模拟平面、位移传感器、加速度传感器、力传感器、控制器、模拟轨道及磁流变隔振器驱动电源，其中所述模拟轨道固定在浮置板模拟平面上方，在模拟轨道上安装若干个轨道振动模拟发生器，用来模拟轨道振动引起的浮置板振动；所述浮置板模拟平面下方安装若干个磁流变隔振器，用来隔减浮置板的振动，在每个磁流变隔振器下端与道床模拟平面之间设置力传感器，用来测试振动力；在浮置板模拟平面上方或下方安装若干个位移传感器和加速度传感器；所述控制器分别与位移传感器、加速度传感器、力传感器和轨道振动模拟发生器连接，控制器还通过磁流变隔振器驱动电源与磁流变隔振器连接；控制器对所述试验平台模拟的若干种工况下的浮置板模拟平面的振动进行测试和控制。

所述控制器对所述试验平台模拟的若干种工况下的浮置板模拟平面的振动进行测试和控制的步骤包括：控制器输出激振力信号控制轨道振动模拟发生器产生振动，并带动整个浮置板模拟平面振动；位移传感器、加速度传感器和力传感器分别检测振动位移、测振动加速度和浮置板模拟平面传递到道床模拟平面上的力，并将检测到的各个信号传递到控制器；控制器对各个信号进行计算得到反馈信号，将该反馈信号输入磁流变隔振器驱动电源后，再输出励磁电流给磁流变隔振器，磁流变隔振器通过调节阻尼来减小浮置板模拟平面的振动。

本发明基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台可分为浮置板振动多功能模拟平台以及浮置板轨道振动隔离多功能测控和评价平台。

浮置板轨道振动多功能模拟平台的主要功能部件如下：

轨道振动模拟发生器是由一个或多个变频振动电机模拟列车轮轨引起的振动，以给浮置板模拟平面提供一个或多个的多向、多主频、多振幅的复杂振动激励源。

浮置板模拟平面通过调整浮置板长度、磁流变隔振器安装位置及数量来模拟长型和短型浮置板，并通过改变浮置板模拟平面的个数、改变模拟轨道的安装位置（居中安装模拟直道、靠边安装模拟弯道）和改变轨道振动模拟发生器的安装位置（在模拟轨道上居中安装模拟直道，两端安装模拟坡道），来模拟列车行驶在弯道、直道和上下坡等情况下所产生的浮置板模拟平面多自由度复杂振动情况；还可以在多浮置板情况下，通过把轨道振动模拟发生器安放在不同位置，改变轨道振源的激励作用点及激励次序（即在控制器输出激振力信号时，控制各个轨道振动模拟发生器的振动次序），模拟列车移动载荷通过浮置板模拟平面的振动情况。

将所述试验平台上安装的磁流变隔振器更换为被动隔振器或半主动隔振器，通过试验平台的试验得出被动隔振器或半主动隔振器的隔振性能，也便于对比各种被动、半主动隔振器的隔振性能。

在浮置板轨道振动隔离多功能测控和评价平台中，组合运用了（位移、加速度、力）传感器、隔振器、控制器与评价器。其中，控制器中采用多种参数优化和控制策略方案，根据多自由度***振动理论及隔振技术将各个传感器传递来的信号经过相应的计算和处理后，可以得到轨道多磁流变隔振器***在复杂轮轨激振下各隔振器的最佳参数范围和控制值；磁流变隔振器驱动电源，通过控制器计算出的各支承点对应的控制参数信号来计算出磁流变隔振器驱动电流，再输入给各个磁流变隔振器产生磁流变效应后以获得对应的输出阻尼（力）值。

浮置板轨道振动隔离评价平台能根据采用不同隔振器后测试的轨道平台数据（位移、加速度、力、时间等），采用振动评价理论，对不同优化算法和控制策略的半主动隔振器的隔振耗能效果作出评价，对比计算分析出各种被动隔振器、半主动隔振器的隔振效果以及整个浮置板轨道***在复杂激振下的最佳隔振效率。

本发明的技术方案产生的有益技术效果有：在平台中，浮置板长度、隔振器类型及位置、激振源位置及作用次序等均可根据需要进行调整，能够模拟列车行驶在弯道、直道和上下坡等情况下所产生的多向、多主频、多振幅的复杂振动激励及浮置板轨道多自由度复杂振动***；通过各类传感器、隔振器、测控器与评价器的组合运用，可以得到轨道多隔振器***在复杂轮轨激振下最佳的参数优化算法和控制策略，还可对各种隔振器***的隔振性能作出对比评价。因此，本平台集轨道被动隔振、半主动隔振与轨道测控与评价于一体，具有功能多、兼容性和可拓展性强、设计合理等优点，能够有效完成基于磁流变技术的轨道振动隔离多功能试验，可为提高地铁轨道先进隔振平台技术提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台的结构示意图；

图2为振动源模拟示意图；

图3为列车移动载荷模拟示意图；

图4为本发明基于磁流变技术的轨道隔振测控与评价***结构框图。

具体实施方式

如图1所示，基于磁流变技术轨道隔振多功能试验平台主要包括轨道振动模拟发生器3、模拟轨道10、浮置板模拟平面2、磁流变隔振器8、道床模拟平面1、位移传感器5、加速度传感器4、力传感器9、控制器6及磁流变隔振器驱动电源7。轨道振动模拟发生器3安装在模拟轨道10上，模拟轨道10、位移传感器5和加速度传感器4安装在浮置板模拟平面2上。运行时，轨道振动模拟发生器3带动整个浮置板模拟平面2、加速度传感器4和位移传感器5一起振动，用来模拟地铁浮置板轨道在各种工况下的振动，加速度传感器4和位移传感器5用来检测浮置板模拟平面2的振动位移和振动加速度。磁流变隔振器8上端安装到浮置板模拟平面2下面，下端和力传感器9连接，力传感器9再固定安装在道床模拟平面1上。运行时磁流变隔振器8通过变化阻尼（力）来减小浮置板模拟平面2的振动，力传感器9则用来检测浮置板模拟平面2传递到道床模拟平面1上的力。

磁流变隔振器8可以在浮置板模拟平面2下方多个位置安装，如图1中虚线所示；即通过调整隔振器数量、位置和浮置板长度来分别模拟长型或者短型浮置板。

磁流变隔振器8在未施加驱动电流时，隔振器内部的阻尼（力）不变，当施加一个一定范围内电流后，隔振器内部通过磁流变效应产生相应的阻尼（力）。在一定范围内，励磁电流越大产生的阻尼（力）就越大，通过控制励磁电流的大小就能控制磁流变隔振器8的阻尼（力）的大小。此外，磁流变隔振器8可以用其它隔振器替换，能进行多种被动隔振器、半主动隔振器的隔振性能的对比试验。

如图2所示，轨道振动模拟发生器3通过安装螺孔后与模拟轨道10相连，模拟轨道10再通过底面的螺孔与道床模拟平面1相连。道床模拟平面上1上有若干个可供不同需要安装模拟轨道10的螺孔，如图中虚线所示，轨道振动模拟发生器3可以在浮置板模拟平面2上有若干个安装位置，且可以安装多台。根据轨道模拟振动发生器3安装位置和台数的变化能提供单频、双频、多频和多振幅激励力和多自由度的振动，能模拟轨道在不同工况下的复杂振动情况。

如图3所示，浮置板模拟平面2可以按直线排列形式来模拟一定长度的浮置板轨道，通过改变第一个到第N个浮置板模拟平面上的轨道振动模拟发生器激励次序，可模拟地铁列车通过浮置板的情况，用以研究移动载荷下磁流变浮置板隔振。

如图4所示，在浮置板轨道振动隔离多功能测控和评价平台中，通过界面11中输入相应的一个或者多个激振力（频率、相位、振幅可调），控制器6就控制轨道振动模拟发生器3产生振动激励信号，振动传递到浮置板模拟平面2后整个浮置板模拟平面2就振动起来，位移传感器5、加速度传感器4和力传感器9将检测到的相应信号传递给控制器6，控制器6通过内部存储的不同参数优化算法和控制策略计算得到相应的反馈信号，该信号输入磁流变隔振器驱动电源8后就输出相应的励磁电流传递给磁流变隔振器7，磁流变隔振器7通过调节阻尼来减小浮置板模拟平面2的振动。位移传感器5、加速度传感器4和力传感器9将检测到的隔振后的信号传递给控制器6，控制器6将得到的一系列参数经过分析和处理，在界面11上显示出相应的关系曲线和隔振前后数据图表对比，并作出相应的评价等。

控制器6是多功能的控制器，有多种参数优化算法和控制策略程序可以选择，运用的算法包括：数学规范、模糊计算、遗传算法、粒子群优化算法和蚁群算法等。在不同的激振工况环境下，通过选择不同参数优化算法来获得不同的隔振效果，以此来寻求工况下最优的参数优化方案；并可在不同的激振工况环境下对比不同控制策略的隔振效率，寻求最佳的控制方法；同时通过分析和处理得到的一系列关系曲线和数据图表，通过关系曲线和数据图表来评价各种隔振器参数优化算法和平台隔振控制方法的效果。

在浮置板轨道振动隔离多功能测控和评价平台上，用复杂的振动激励情况下，以力、加速度和位移作为输入，以浮置板传递到地面的力最小为目标，采用智能算法进行在线的参数优化和匹配，得到磁流变隔振器的最佳阻尼范围，并可在特定的激励情况下得到各个磁流变隔振器的最佳控制阻尼值。

在浮置板轨道振动隔离多功能测控和评价平台上，使用相同振源作用，对使用被动隔振器和半主动隔振器的隔振效果作出评价；在相同振源情况下，对不同优化算法和控制策略的半主动隔振器的隔振效果作出评价。

在浮置板轨道振动隔离多功能测控和评价平台上，使用相同振源作用，对基于不同结构和不同磁流变材料隔振器的平台振动响应时间和隔振性能（力传递率）作出评价。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (6)

1.基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台，其特征在于：包括轨道振动模拟发生器（3）、浮置板模拟平面（2）、磁流变隔振器（8）、道床模拟平面（1）、位移传感器（5）、加速度传感器（4）、力传感器（9）、控制器（6）、模拟轨道（10）及磁流变隔振器驱动电源（7），其中所述模拟轨道（10）固定在浮置板模拟平面（2）上方，在模拟轨道（10）上安装若干个轨道振动模拟发生器（3）；所述浮置板模拟平面（2）下方安装若干个磁流变隔振器（8），在每个磁流变隔振器（8）下端与道床模拟平面（1）之间设置力传感器（9）；在浮置板模拟平面（2）上方或下方安装若干个位移传感器（5）和加速度传感器（4）；

所述控制器（6）分别与位移传感器（5）、加速度传感器（4）、力传感器（9）和轨道振动模拟发生器（3）连接，控制器（6）还通过磁流变隔振器驱动电源（7）与磁流变隔振器（8）连接；控制器（6）对所述试验平台模拟的若干种工况下的浮置板模拟平面（2）的振动进行测试和控制。

2.根据权利要求1所述基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台，其特征在于：所述控制器（6）对所述试验平台模拟的若干种工况下的浮置板模拟平面（2）的振动进行测试和控制的步骤包括：控制器（6）输出激振力信号控制轨道振动模拟发生器（3）产生振动，并带动整个浮置板模拟平面（2）振动；位移传感器（5）、加速度传感器（4）和力传感器（9）分别检测振动位移、测振动加速度和浮置板模拟平面（2）传递到道床模拟平面（1）上的力，并将检测到的各个信号传递到控制器（6）；控制器（6）对各个信号进行计算得到反馈信号，将该反馈信号输入磁流变隔振器驱动电源（7）后，再输出励磁电流给磁流变隔振器（8），磁流变隔振器（8）通过调节阻尼来减小浮置板模拟平面（2）的振动。

3.根据权利要求1或2所述基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台，其特征在于：所述试验平台模拟的若干种工况包括列车行驶在弯道、直道和上下坡情况下的浮置板模拟平面（2）的振动。

4.根据权利要求3所述基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台，其特征在于：所述若干种工况是通过改变浮置板模拟平面（2）的个数、排列方式以及磁流变隔振器（8）安装的数量和位置来实现的。

5.根据权利要求2所述基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台，其特征在于：所述控制器（6）输出激振力信号时，控制各个轨道振动模拟发生器（3）的振动次序，模拟出列车移动载荷通过浮置板模拟平面（2）的振动情况。

6.根据权利要1或2所述基于磁流变技术的轨道隔振多功能试验平台，其特征在于：将所述试验平台上安装的磁流变隔振器（8）更换为被动隔振器或半主动隔振器，通过试验平台的试验得出被动隔振器或半主动隔振器的隔振性能。

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