技术领域
[0001] 本发明属于铁路岩土工程试验仪器技术领域，具体涉及一种高速铁路路基全过程动力学模拟试验装置及方法。
相关背景技术
[0002] 截至2021年底，我国高速铁路运营里程已超4万公里。高铁路基是轨道结构的基础，要求路基结构要为上部结构提供更加平顺而稳定的支撑，路基结构填筑压实质量与合理设计是决定其性能的根本。
[0003] 高速铁路路基结构填筑成型与运营服役过程均承受循环动荷载作用，动力作用贯穿于高速铁路路基结构的全寿命过程。目前路基结构设计分析中大多简化了建造与服役中的动力学问题，在荷载分布传递、动力响应方面与实际情况存在偏差，设计参数选取静动力混用。且高铁路基填料动力特性演化规律缺乏系统性研究，填料动力学参数体系不完善，填料选取标准单一，沿线填料未充分有效利用。虽可满足现阶段工程需要，但科学性和经济性有待提升。随着近年来列车运行速度进一步提升，对路基结构平顺性和动力稳定性提出了更高的要求。突破静力学范畴，揭示不同组别路基填料动力学性质，完善设计参数取值依据与标准，完善基于动力碾压过程的智能填筑技术，建立高铁路基结构动力学设计分析方法，扩充路基结构动力学理论技术储备，是我国高速铁路精细化设计发展的必然需求。
[0004] 面向高铁路基动力填筑过程、连续压实检测、荷载传递特性、动力响应规律与长期服役性能等方面开展系统测试的需求，目前尚无完备的试验设备与平台可同时实现路基结构填筑期连续碾压动载以及运营期列车长期循环作用动载模拟功能。因此，亟需建立高速铁路压实‑服役全过程动力学模拟试验设备，并建立针对性的基础理论、技术验证与性能评估方法，为更高就绪度等级的填筑施工‑运营模拟全过程的高铁路基结构动力学验证提供支撑。
[0005] 现有技术中，CN102109419A和CN102108656A分别公开了一种高速铁路列车运行荷载的模拟加载系统以及高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统，上述现有技术的荷载加载模式单一，仅能模拟列车运营期荷载波形特征，难以实现填筑期施工荷载的模拟，作动器加载方式无法满足振动碾压过程的移动加载需求。CN106501079A公开了一种路基动力加载模型试验系统，通过千斤顶和激振器分别模拟列车恒载和行进过程产生的冲击力，并采用电机驱动模型转向架在模型轨道上高速运动，实现仅用有限个模型转向架即可模拟出多节车厢相继经过该段路基的作用效果，同时考虑了行进产生的冲击力作用。但其主要面向测试重载列车下路基动力响应，往复运动的荷载移动方式也限制了列车运行模拟速度，难以适用于高速铁路应用场景，且同样面临无法模拟施工期荷载的需求。CN101465575A公开了一种高速铁路动荷载现场模拟试验系统，其采用现场激振形式，将电动机安装台车及振动架通过螺栓与铁路现场的路基、桥梁、隧道、桩基等结构物上的预埋件相连固定，由偏心块转动产生激振力实现动荷载加载试验。其主要问题是，采用偏心块作为驱动力，其实现精准动力荷载调控较为困难，无法模拟实际列车运行荷载波形，且存在安装调试和位置移动较为不便、反力提供不足等问题。CN111562077A公开了一种高速铁路路基综合实验系统和方法，但是其仅提出了一种基础方案，针对具体设备构造、模块功能并无详细方案，且针对施工压实阶段‑列车运营阶段的荷载模拟转换功能未进行说明。
[0006] 如何克服现有技术的不足，实现高效、便捷地高铁路基施工填筑过程振动压实荷载自动化控制与运营期列车长期动载的模拟测试，成为本领域亟待解决的问题。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。
[0036] 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0037] 如附图1所示，本发明的高速铁路路基全过程动力学模拟试验装置包括：填筑施工期荷载模拟子系统、运营期列车荷载模拟子系统、加载模式自动转换控制模块。
[0038] 所述填筑施工期荷载模拟子系统用于模拟填筑施工期压路机振动轮荷载动力作用下路基填料分层填筑过程，包括：振动轮升降控制上机架、行走驱动支撑架、振动轮激振模块。
[0039] 参见附图2、附图3所示，所述振动轮升降控制上机架包括：机架侧边板11、机架前后限位板12、长导柱限位块112、长导柱113、销轴114、机架侧面支撑板115、机架横梁116、方形座轴承117、钢丝绳抬升支架118、钢丝绳销轴119、钢丝绳120、螺栓13，14，15，16，17，18，19，110，111。
[0040] 所述振动轮升降控制上机架的作用为连接振动轮与升降振动轮的作用。所述振动轮连接于机架侧边板11，且机架侧边板11通过机架前后限位板12进行固定。所述长导柱113通过长导柱限位块112与销轴114固定于机架前后限位板12上。所述机架侧面支撑板115通过机架横梁116、方形座轴承117与螺栓与所述机架侧边板11连接，所述振动轮升降功能通过钢丝绳120通过齿轮带动的钢丝绳抬升支架118与钢丝绳销轴119利用电源进行振动轮与机架的整体升降。
[0041] 如附图4、附图5所示，所述行走驱动支撑架包括：蜗杆减速机NMRV21、蜗杆减速机电机22、DJM型键联结单型弹性膜片联轴器23、带方形座轴承24、输出轴25、平键26、垫片27、连接垫块29、支撑架上支撑板211、圆柱齿轮216、平键217、顶紧垫片218、圆柱齿轮220、带方形座轴承221、支撑架下连接板224、大齿轮轴225、大齿轮轴垫片226、定滑轮支架228、带方形座轴承229、定滑轮230、定滑轮支架轴235、定滑轮支架轴垫片236、框架梁1238、框架梁2239、支撑架下连接板240、支撑架两侧板241、LD型行车端梁242、直线轴承连接板243、直线运动球轴承244、连接部短梁245、第一连接板246、直线轴承连接板247、钢丝绳248、第二连接板49、空心连接方管250、水平主梁251、轨道252、框架梁3253、螺栓28、210、212、213、214、
215、219、222、223、227、231、232、233、234、237、254、LD型行车下端梁255。
[0042] 所述蜗杆减速机NMRV21、蜗杆减速机电机22与所述LD型行车端梁242为压实模拟装置动力源部分。DJM型键联结单型弹性膜片联轴器23、输出轴25、平键26、垫片27、螺栓28与连接垫块29从下往上依次连接支撑架上支撑板211与蜗杆减速机电机22。
[0043] 所述框架梁1238、框架梁2239与支撑架下连接板240、支撑架上支撑板211连接，使支撑架下连接板240、支撑架上支撑板211成为一个整体。
[0044] 所述支撑架上支撑板211与带方形座轴承221于大齿轮轴225连接，大齿轮轴垫片226与支撑架下连接板240，从而大齿轮轴225将固定于上下连接板之间。
[0045] 所述平键217、顶紧垫片218安装于圆柱齿轮216内部，由动力源带动大齿轮轴225平稳转动。
[0046] 所述定滑轮支架轴垫片236、带方形座轴承229、定滑轮支架轴235、定滑轮支架228、定滑轮230从上到下依次固定于支撑架上支撑板211。
[0047] 所述圆柱齿轮216、圆柱齿轮220安装于大齿轮轴225外侧分别与钢丝绳248连接，将钢丝绳248绕过定滑轮230改变钢丝绳的受力方向。
[0048] 所述水平主梁251连接轨道与支撑架两侧板241， LD型行车端梁242安装于轨道252上，并通过自身动力系统使系统实现平移功能。
[0049] 所述第一连接板246与直线轴承连接板243连接，第二连接板49与直线轴承连接板247连接，且分别固定于于连接部短梁245之上，直线运动球轴承244与空心连接方管250连接并通过第一连接板246与第二连接板247固定长导柱113实现升降功能。
[0050] 所述直线轴承连接板243、直线运动球轴承244与长导柱113使模拟系统振动轮311实现垂直升降功能。
[0051] 所述水平主梁251通过支撑架两侧板241与LD型行车下端梁255连接并放置于地面轨道之上，并通过LD型行车下端梁255中内置动力源系统实现行走驱动功能。第一连接板246通过支撑架下连接板240与轨道252连接实现振动轮的水平移动功能。
[0052] 如附图6所示，所述振动轮激振模块包括轴31、第一偏心块32、第一齿轮33、第二齿轮34、第三齿轮35、第四齿轮36、第五齿轮337、第二偏心块38、花键39、第三偏心块310、振动轮311。
[0053] 所述振动轮激振模块的激振力由单轴激振器产生,其安装于振动轮311内，振动轮 311与机架相连。轴31通过耦合与激振动力装置连接，激振动力装置旋转就会带动轴31做同步转动。偏心块32和偏心块310以及齿轮33通过键固定安装在轴31上，轴31旋转，则带动第一偏心块32、第三偏心块310和第一齿轮33随轴31做同步同向转动。遵循齿轮啮合传动规律，齿轮组中第二齿轮34、第三齿轮35、第四齿轮36使得第五齿轮37与第一齿轮33实现同步反向转动。第二偏心块38经第五齿轮37和花键39与第一偏心块32、第三偏心块310实现同步反向转动。第二偏心块38与两侧的第一偏心块32和第三偏心块310的偏心力矩相同，且进行同步反向旋转，激振合力始终在同一条直线上。当整个激振器旋转时，第一偏心块32、第二偏心块38和第三偏心块310三个偏心块的激振力合力方向能实现在垂直方向与水平方向之间变化，在任一方向上实现定向振动。
[0054] 通过改变振动轴的转动速度，振动频率设置为两档0‑31Hz与0‑65Hz，激振力0‑500kN与0‑700kN，振动轮的行走速度设置为两档0‑3km/h与0‑6km/h。
[0055] 如附图7、附图8、附图9所示，所述运营期列车荷载模拟子系统用于模拟运营期高速列车荷载移动通过路基断面时产生的车致动力作用，包括反力架立梁41、反力架上端梁42、反力架固定顶梁43、直线光轴44、直线轴承45、抬升底板46、反力架移动顶梁47、反力架斜支撑杆48、位移机构连接板49、前后位移底板410、伺服电机411、伺服电机减速器412、伺服电机连接板413、L型支架414、中间连接板415、T型连接槽416、水平位移滑槽417、联轴器
418、立式轴承座419、立式轴承座垫块420、丝杠421、梯形丝杠用螺母422、丝杠螺母垫块
423、作动器连接板424、30T垂向作动器425、丝杠426、方形座轴承427、大齿轮428、小齿轮
429、输出轴430、膜片联轴器431、蜗轮蜗杆减速器432、连接垫块433、垫块434、电机支撑板
435、大齿轮轴436、定滑轮支架437、定滑轮支架轴438、定滑轮439、方形轴承座440、钢丝绳抬升支架441、钢丝绳抬升架销轴442、电机支撑板支撑立柱443、牵引圈梁444、牵引水平主梁445、牵引行车端梁446、牵引支撑架两侧447、支撑架连接梁448。
[0056] 所述反力架立梁41、反力架上端梁42、反力架固定顶梁43、反力架移动顶梁47、反力架斜支撑杆48、位移机构连接板49与前后位移底板410均通过螺栓连接。
[0057] 反力架斜支撑杆48用于提供斜向支撑反力架移动顶梁47的支撑力，从而保持其稳定。
[0058] 所述直线光轴44、直线轴承45、抬升底板46用于连接并固定反力架移动顶梁47沿垂向移动的路线。大齿轮428固定于方形座轴承427上，小齿轮429用于连接大齿轮428，输出轴430与膜片联轴器431用于连接蜗轮蜗杆减速器432。蜗轮蜗杆减速器432通过连接垫块433与垫块434放置于电机支撑板435上，电机支撑板435由电机支撑板支撑立柱443固定，蜗轮蜗杆减速器432带动大齿轮轴436转动配合安装于定滑轮支架437、定滑轮支架轴438与方形轴承座440上的定滑轮439牵引钢丝绳抬升支架441与钢丝绳抬升架销轴442上的钢丝绳，从而实现反力架移动顶梁47的升降功能进而开展不同高度结构路基的室内动力学性能测试。
[0059] 所述位移机构连接板49固定于反力架移动顶梁47底部，并与下方的前后位移底板410相连，通过T型连接槽416、联轴器418、立式轴承座419、丝杠421，控制30T垂向作动器425加载点位垂直于反力架移动顶梁47方向的移动。
[0060] 所述中间连接板415与前后位移底板410相连，伺服电机411与伺服电机减速器412固定于伺服电机连接板413上，通过L型支架414、水平位移滑槽417、立式轴承座垫块420、丝杠426、梯形丝杠用螺母422以及丝杠螺母垫块423，实现30T垂向作动器425沿反力架移动顶梁47长度水平方向的移动。
[0061] 所述系统的荷载施加方式通过置于反力架移动顶梁47之下，在顶梁反力的作用下对路基施加反力。30T垂向作动器425通过作动器连接板424固定。牵引圈梁444与牵引水平主梁445相连，在作动器拆卸移动时与支撑架连接，起到支撑固定的作用。所述牵引行车端梁446放置于下方走行轨道上，用于实现支撑架整体沿走形轨道的移动。牵引支撑架两侧447、支撑架连接梁448用于固定支撑架框架稳定。
[0062] 如附图11所示，所述加载模式自动转换控制模块用于实现填筑施工阶段‑运营服役阶段加载模式的自动转换，所述填筑施工期荷载模拟子系统与运营期列车荷载模拟子系统共用相同的走行轨道结构51，可通过两子系统的行走驱动模块推动支撑架沿轨道平动，调整更改两个子系统的动力加载位置。填筑施工加载阶段完成后，将施工期荷载模拟子系统的支撑架52沿轨道移动至模型槽53外侧，并将运营期列车荷载模拟子系统的支撑架54移动至模型槽53内部，实现作动器便捷安装固定，动力源同步转换供给，加载阶段结束后则重新将运营期列车荷载模拟子系统的支撑架54移动至模型槽外侧，进而实现加载模式之间的自动快捷切换。
[0063] 如附图12所示，本发明的高速铁路路基全过程动力学模拟试验装置，其模拟试验方法包括下列步骤：
[0064] 模型箱安装预备；
[0065] 路基填料制备与摊铺，并同步布设测试系统；
[0066] 启动填筑施工期荷载模拟子系统，进行路基填筑分层压实；
[0067] 开展压实质量连续检测与压实过程动态调整控制；
[0068] 路基结构填筑施工完成；
[0069] 利用加载模式转换控制自动切换至运营期列车荷载模拟子系统；
[0070] 在成型路基上放置加载梁及传力杆，通过相变控制伺服作动器施加高速列车动荷载；
[0071] 开展路基结构服役性能动力学测试；
[0072] 完成测试后拆除结构，清理场地，准备下一次试验。
[0073] 本发明高速铁路路基压实‑服役全过程动力学模拟试验设备，可改变传统高铁路基结构室内试验加载模式，解决了施工压实阶段‑运营服役阶段两种动力荷载作用模式在同一结构上连续施加的适用性问题，为高铁路基动力学室内试验测试提供了新手段。
[0074] 本发明针对现有技术方案和设备尚无模拟连续检测指标与压实参数动态调整功能，本发明具备多振幅、宽频域、多振动模式调节功能，适应不同类压实机械模拟工况，支持压实质量连续检测指标，可有效支撑填筑期动力学测试和智能填筑施工检测试验需求。
[0075] 本发明试验系统可适配不同种类填料、不同分层填筑厚度、不同作业深度试验条件，有效提升室内填筑试验效率和控制精度，减少人工和时间成本。
[0076] 本发明可提供模拟列车荷载移动前进循环动力作用的多相位连续控制加载模拟功能，适应不同荷载与模型尺度下三维振动波场、动态响应场模拟测试以及长期循环动力响应测试，具有可增设加载模块与多相同步测试的预留接口，为后续大规模试验测试与应用奠定基础。
[0077] 本发明可实现碾压填筑成型‑列车运行服役过程加载模式自动转换和连续模拟，满足填料参数测试一致性，为统一路基结构设计‑施工‑服役全过程一致化指标参数，形成路基结构设计‑施工‑服役全过程动力学性能检测评估方法提供重要支撑。
[0078] 如上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
