CN114441285B - 一种模拟列车荷载的动力试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种模拟列车荷载的动力试验装置及方法，涉及路基工程技术领域。本发明提供的装置包括动力模块、配重模块、限位模块、数据采集模块和路基，所述动力模块包括激振器和变频器，所述激振器设置于所述配重模块上，所述变频器通过第一导线与所述激振器连接，所述限位模块和所述数据采集模块分别与所述配重模块连接，所述限位模块固定于所述路基上；本发明提供的装置其组成为模块化结构，使得装置拆卸、组装方便，更换容易，能够提高试验效率，降低试验成本。本发明还提供一种模拟列车荷载的动力试验方法，其能避免在低频条件下激振器的双轴转动不同步的现象，也提高了激振力输出的准确性。

Description

一种模拟列车荷载的动力试验装置及方法

技术领域

本发明涉及路基工程技术领域，具体而言，涉及一种模拟列车荷载的动力试验装置及方法。

背景技术

铁路路基是经填筑或开挖而形成的直接承载轨道***的重要基础结构，它既承受轨道上部结构的重量，即静载，又承受列车运行通过轨道传递的动荷载。列车行驶时产生的动力作用经过轨道结构传递给路基，引起路基动力响应，导致路基发生弹塑性变形。路基的较大变形对轨道结构的几何形位具有重要影响，并进一步降低列车的运行品质。运用模拟列车动力作用的装置，开展路基动力响应试验测试，获得路基的相关动力响应参数，可评价路基的动力性能，保证铁路的安全运行。

模拟路基承受列车荷载动力作用的装置，一般采用双轴惯性激振器为动力的激振装置，在双轴激振器作用下，激振装置产生竖向正弦函数变化的激振力。然而，该类装置拆卸和组装均不方便，在更换的时候十分麻烦，使得试验效率低下，从而浪费了试验成本；另外，惯性式激振器的激振力多根据激振力与振动频率、偏心块质量的理论关系计算获得，但通过标定试验发现，激振力随振动频率的变化与理论规律存在不同程度的偏差，振动频率较低时，激振器的双轴转动存在不同步现象，振动频率较高时，激振力的峰、谷值距静平衡位置存在较大偏移，使得激振力输出的准确性有所降低。为此，本发明提供一种模拟列车荷载的动力试验装置及方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟列车荷载的动力试验装置，其组成为模块化结构，使得装置拆卸、组装方便，更换容易，能够提高试验效率，降低试验成本。

本发明的另一目的在于提供一种模拟列车荷载的动力试验方法，其能够避免在低频条件下激振器的双轴转动存在的不同步现象，也可避免高频条件下激振力输出的较大波动，提高了激振力输出的准确性。

本发明的技术方案为：

第一方面，本申请提供一种模拟列车荷载的动力试验装置，其包括动力模块、配重模块、限位模块、数据采集模块和路基，上述动力模块包括激振器和变频器，上述激振器设置于上述配重模块上，上述变频器通过第一导线与上述激振器连接，上述限位模块和上述数据采集模块分别与上述配重模块连接，上述限位模块固定于上述路基上。

进一步地，上述激振器包括转轴，上述转轴上设置有叠片式的偏心块。

进一步地，上述配重模块包括内框架、设置于上述内框架中的配重块和设置于上述内框架的底板上的刚性加载板，上述激振器设置于上述内框架的顶板上。

进一步地，上述限位模块包括外框架和固定于上述外框架上的限位滑轮，上述限位滑轮与上述内框架抵接，上述外框架通过地锚固定于上述路基上。

进一步地，上述数据采集模块包括数据采集装置和振动位移计，上述数据采集装置包括数据采集仪和计算机，上述数据采集仪与上述计算机连接，上述数据采集仪与上述振动位移计通过第二导线连接，上述振动位移计固定于上述内框架的底板的上表面的中心位置。

第二方面，本申请提供一种模拟列车荷载的动力试验方法，包括以下步骤：

S1、以上述模拟列车荷载动力试验的装置作为试验模型，设置水平的测试路基面，并将激振装置安装于路基上；

S2、设定激振装置的各参数，并安装偏心块和配重块；

S3、启动激振装置使其作用于测试路基面，产生模拟的列车荷载，并根据各参数确定场地测试位置的路基动刚度；

S4、根据路基动刚度分析试验结果。

进一步地，上述步骤S2包括：

S21、标定模拟试验的振动压力和谷值压力的数值，并选定激振器的偏心块组数并安装于激振器上；

S22、根据振动压力确定激振装置的输出频率；

S23、根据输出频率和谷值压力确定静平衡压力；

S24、利用静平衡压力安装配重块。

进一步地，上述步骤S3包括：

S31、启动激振装置，根据输出频率调节变频器，使其作用于测试路基面，使得激振装置产生正弦函数变化的列车荷载；

S32、进行多次循环加载，获取振动位移稳定后多次循环加载的动变形值，并计算其平均值；

S33、根据平均值确定场地测试位置的路基动刚度。

相对于现有技术，本发明的至少具有如下优点或有益效果：

1、本发明提供了一种模拟列车荷载的动力试验装置，该装置组成为模块化结构，使得装置拆卸、组装方便，更换容易，提高了试验效率，降低了试验成本；

2、本发明提供的激振装置的振动压力、谷值压力随输出频率和偏心质量的变化回归方程，修正了理论方法确定的峰值压力和谷值压力对称分布于静平衡压力两侧的***偏差，提高了激振力输出的准确性。

3、本发明提出的一种模拟列车荷载的动力试验方法，明确了合理的工作频率范围，能较好的避免在低频条件下激振器的双轴转动存在的不同步现象，也可避免过高频条件下激振力输出的较大波动，提高了激振力输出的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验装置的俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验方法的步骤图；

图4为本发明实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验装置的模拟动力作用时程曲线示意图。

图标：1、动力模块；101、激振器；101a、转轴；101b、偏心块；102、变频器；103、第一导线；2、配重模块；201、内框架；201a、顶板；201b、底板；202、配重块；203、刚性加载板；3、限位模块；301、外框架；302、限位滑轮；303、地锚；4、数据采集模块；401、数据采集装置；401a、数据采集仪；401b、计算机；402、振动位移计；403、第二导线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

实施例

请参阅图1、图2，图1所示为本申请实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验装置的结构示意图；图2所示为本发明实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验装置的俯视图。

本申请提供一种模拟列车荷载的动力试验装置，其包括动力模块1、配重模块2、限位模块3、数据采集模块4和路基。

动力模块1包括激振器101和变频器102，激振器101设置于配重模块2上，变频器102通过第一导线103与激振器101连接，限位模块3和数据采集模块4分别与配重模块2连接，限位模块3固定于路基上。

其中，通过调节变频器102可改变激振器101的输出频率。

作为一种优选的实施方式，激振器101包括转轴101a，转轴101a上设置有叠片式的偏心块101b。

其中，通过增减偏心块101b的组数可以调整激振装置的激振力和振动频率之间的关系；一般地，每组偏心块101b由4个叠片组成，在本实施例中优先使用每组偏心块101b的质量为3.556kg、偏心距为0.046m。

作为一种优选的实施方式，配重模块2包括内框架201、设置于内框架201中的配重块202和设置于内框架201的底板201b上的刚性加载板203，激振器101设置于内框架201的顶板201a上。

其中，通过增减配重块202的质量可改变激振装置的振动质量，振动质量由动力模块1中激振器101和配重模块2的质量组成；刚性加载板203在本实施例中优选使用直径300mm、厚25mm的加载板。

作为一种优选的实施方式，限位模块3包括外框架301和固定于外框架301上的限位滑轮302，限位滑轮302与内框架201抵接，外框架301通过地锚303固定于路基上。

作为一种优选的实施方式，数据采集模块4包括数据采集装置401和振动位移计402，数据采集装置401包括数据采集仪401a和计算机401b，数据采集仪401a与计算机401b连接，数据采集仪401a与振动位移计402通过第二导线403连接，振动位移计402固定于底板201b的上表面的中心位置。

请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验方法的步骤图。

本申请提供一种模拟列车荷载的动力试验方法，包括以下步骤：

S1、以模拟列车荷载动力试验的装置作为试验模型，设置水平的测试路基面，并将激振装置安装于路基上；

S2、设定激振装置的各参数，并安装偏心块101b和配重块202；

S3、启动激振装置使其作用于测试路基面，产生模拟的列车荷载，并根据各参数确定场地测试位置的路基动刚度；

S4、根据路基动刚度分析试验结果。

其中，激振装置包括动力模块1、配重模块2和限位模块3。

作为一种优选的实施方式，步骤S2包括：

S21、标定模拟试验的振动压力σ_pv和谷值压力σ_v的数值，并选定激振器101的偏心块101b组数i并安装于激振器101上；

S22、根据振动压力σ_pv确定激振装置的输出频率f；

S23、根据输出频率f和谷值压力σ_v确定静平衡压力σ₀；

S24、利用静平衡压力σ₀、刚性加载板203的面积A，在内框架201中均匀安装配重块202，使激振装置振动质量m_z＝σ₀A/g；其中，g为重力加速度。

其中，在偏心块101b组数i＝1时，标定模拟试验的振动压力σ_pv＝0.016f^3.066，谷值压力σ_v＝σ₀-0.068f^2.181；在偏心块101b组数i＝2时，标定模拟试验的振动压力σ_pv＝0.070f^2.804，谷值压力σ_v＝σ₀-0.086f^2.412。

需要说明的是，激振器101为双轴激振器101，选定偏心块101b组数i后将偏心块101b安装于双轴激振器101两端的转轴上。

请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验装置的模拟动力作用时程曲线示意图。

作为一种优选的实施方式，步骤S3包括：

S31、启动激振装置，根据输出频率f调节变频器102，使其作用于测试路基面，使得激振装置产生正弦函数变化的列车荷载；

S32、进行多次循环加载，获取振动位移稳定后多次循环加载的动变形值，并计算其平均值；

S33、根据平均值确定场地测试位置的路基动刚度。

其中，步骤S31中，根据输出频率f调节变频器102，使其作用于测试路基面，使得激振装置产生正弦函数，变化的列车荷载，其变化图如图4所示，形成模拟动力作用时程曲线，振动压力σ_pv随时间的增大上下波动。

步骤S32中，进行多次循环加载的次数在本实施例中为1000次，然后利用数据采集装置401可获取路基动变形时程曲线，取振动位移稳定后100次循环加载的动变形值s_i，计算得到平均值s，其计算公式如下：

另外，步骤S33中，根据平均值确定场地测试位置的路基动刚度的计算公式为K_d＝σ_pv/s，s为步骤S32中振动位移稳定后100次循环加载的动变形值s_i的平均值。

工作原理：

对场地的测试路基面进行平整，除去浮土，保证测试路基面水平；将配重模块2中的刚性加载板203连接于内框架201的底板201b，将连接好的内框架201和刚性加载板203放置于测试路基面上，保证加载板203与测试路基面完全接触，在内框架201和刚性加载板203外侧安装限位模块3，限位模块3的外框架301通过地锚303固定在路基上，调节限位滑轮302与内框架201抵接，激振器101固定于内框201的顶板201a上，激振器101与变频器102通过第一导线103连接，振动位移计402固定于内框架201的底板201b的上表面中心，振动位移计402通过第二导线403与数据采集仪401a连接；

试验(1)：确定模拟的振动压力σ_pv＝100kPa、谷值压力σ_v＝18kPa。

选定偏心块101b组数i＝1，将4个叠片安装在双轴激振器两端的转轴上，根据振动压力σ_pv＝100kPa代入由标定试验获得的公式σ_pv＝0.016f^3.066，确定输出频率f＝17.3Hz，根据输出频率f＝17.3Hz、谷值压力σ_v＝18kPa，由标定试验获得的公式σ_v＝σ₀-0.068f^2.181得静平衡压力σ₀＝52.1kPa，由公式σ₀＝m_zg/A确定振动质量m_z＝375.6kg，在内框架201中均匀安装配重块202，使激振装置振动质量m_z＝375.6kg，调节变频器使振输出频率f＝17.3Hz，得到振动压力σ_pv＝100kPa、谷值压力σ_v＝18kPa的正弦函数变化的动力作用，对测试路基进行1000次循环加载，利用数据采集装置401获取路基动变形时程曲线，取振动位移稳定后100次循环加载的动变形平均值s₁mm，由此得到场地测试位置的路基动刚度K_d＝σ_pv/s₁＝100/s₁kPa/mm。

试验(2)：根据试验需求确定拟模拟的振动压力σ_pv＝100kPa、谷值压力σ_v＝18kPa；

选定偏心块101b组数i＝2，将2×4个叠片安装在双轴激振器两端的转轴上，根据振动压力σ_pv＝100kPa代入由标定试验获得的公式σ_pv＝0.070f^2.804，确定输出频率f＝13.3Hz。根据输出频率f＝13.3Hz、谷值压力σ_v＝18kPa，由标定试验获得的公式σ_v＝σ₀-0.086f^2.412得静平衡应力σ₀＝62.2kPa，由公式σ₀＝m_zg/A确定振动质量m_z＝448.3kg，在内框架201中均匀安装配重块202，使激振装置振动质量m_z＝448.3kg，调节变频器使振输出频率f＝13.3Hz，得到振动压力σ_pv＝100kPa、谷值压力σ_v＝18kPa的正弦函数变化的动力作用，对测试路基进行1000次循环加载，利用数据采集装置401获取路基动变形时程曲线，取振动位移稳定后100次循环加载的动变形平均值s₂mm，即可得到场地测试位置的路基动刚度K_d＝σ_pv/s₂＝100/s₂kPa/mm。

需要说明的是，标定即为确定试验中的某些数值以进行相关计算。

根据上述试验数据进行处理分析，得到试验结果。

可以理解，图中所示的结构仅为示意，一种模拟列车荷载的动力试验装置及方法还可包括比图中所示更多或者更少的组件，或者具有与图中所示不同的配置。图中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置或方法，也可以通过其它的方式实现。

以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图或框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上所述，本申请的实施例提供的一种模拟列车荷载的动力试验装置及方法，装置包括动力模块1、配重模块2、限位模块3、数据采集模块4，动力模块1包括一台基于直线源振动电机的双轴惯性激振器101和变频器102，激振器101设置在配重模块2的内框架201顶部，激振器101与变频器102通过导线连接；配重模块2包括内框架201、放置于内框架201中的配重块202和设置在内框架201底部的刚性加载板203；限位模块3包括外框架301、固定在外框架301上的限位滑轮302，限位滑轮302与内框架201抵接，外框架301通过地锚303固定在路基上；数据采集模块4包括数据采集装置401、振动位移计402，数据采集装置401包括数据采集仪401a和计算机401b，数据采集仪401a与振动位移计402通过导线连接。根据不同偏心质量下振动压力、谷值压力随振动频率变化规律，安装设备、确定参数、调试装置，获得以正弦函数模拟列车荷载下路基承受的动力作用随时间的变化，进而测试路基动刚度，该装置模拟路基承受列车荷载的准确性较高，安装简单方便、试验效果好、稳定性好。另外本发明的方法以的模拟列车荷载动力试验的装置作为试验模型，设置水平的测试路基面，并将激振装置安装于路基上，设定激振装置的各参数，并安装偏心块101b和配重块202，启动激振装置使其作用于测试路基面，产生模拟的列车荷载，并根据各参数确定场地测试位置的路基动刚度，通过根据路基动刚度即可分析并得到试验结果；本方法明确了合理的工作频率范围，能较好的避免在低频条件下激振器101的双轴转动存在的不同步现象，也可避免高频条件下激振力输出的较大波动，提高了激振力输出的准确性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种模拟列车荷载的动力试验方法，所述方法基于一种模拟列车荷载的动力试验装置实现，所述模拟列车荷载的动力试验装置包括动力模块(1)、配重模块(2)、限位模块(3)、数据采集模块(4)和路基，所述动力模块(1)包括激振器(101)和变频器(102)，所述激振器(101)设置于所述配重模块(2)上，所述变频器(102)通过第一导线(103)与所述激振器(101)连接，所述限位模块(3)和所述数据采集模块(4)分别与所述配重模块(2)连接，所述限位模块(3)固定于所述路基上；所述激振器(101)包括转轴(101a)，所述转轴(101a)上设置有叠片式的偏心块(101b)；所述配重模块(2)包括内框架(201)、设置于所述内框架(201)中的配重块(202)和设置于所述内框架(201)的底板(201b)上的刚性加载板(203)，所述激振器(101)设置于所述内框架(201)的顶板(201a)上；所述限位模块(3)包括外框架(301)和固定于所述外框架(301)上的限位滑轮(302)，所述限位滑轮(302)与所述内框架(201)抵接，所述外框架(301)通过地锚(303)固定于所述路基上；所述数据采集模块(4)包括数据采集装置(401)和振动位移计(402)，所述数据采集装置(401)包括数据采集仪(401a)和计算机(401b)，所述数据采集仪(401a)与所述计算机(401b)连接，所述数据采集仪(401a)与所述振动位移计(402)通过第二导线(403)连接，所述振动位移计(402)固定于所述内框架(201)的底板(201b)的上表面的中心位置；

其特征在于，包括以下步骤：

S1、以所述模拟列车荷载的动力试验装置作为试验模型，设置水平的测试路基面，并将激振装置安装于路基上；

S2、设定激振装置的各参数，并安装偏心块和配重块；

具体地，所述步骤S2包括：

S21、标定模拟试验的振动压力和谷值压力的数值，并选定激振器的偏心块组数并安装于激振器上；

S22、根据振动压力确定激振装置的输出频率；

S23、根据输出频率和谷值压力确定静平衡压力；

S24、利用静平衡压力安装配重块；

S3、启动激振装置使其作用于测试路基面，产生模拟的列车荷载，并根据各参数确定场地测试位置的路基动刚度；

S4、根据路基动刚度分析试验结果。

2.如权利要求1所述的一种模拟列车荷载的动力试验方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、启动激振装置，根据输出频率调节变频器，使其作用于测试路基面，使得激振装置产生正弦函数变化的列车荷载；

S32、进行多次循环加载，获取振动位移稳定后多次循环加载的动变形值，并计算其平均值；

S33、根据平均值确定场地测试位置的路基动刚度。

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