高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置的制作方法

本发明涉及高速铁路模拟试验技术领域，特别地，涉及一种高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置。

背景技术：

我国铁路建设正呈跨越式发展之势，多条客运专线和高速铁路正在建设之中。随着列车运行速度的提高，工程结构的动力学问题日益突出，而目前高速铁路动力学设计尚未形成系统的理论体系，现有设计方法已难以满足高速铁路快速发展的需要。针对高速铁路工程结构动力学关键问题，对高速列车-轨道-路基系统动力学开展模型试验，提出高速铁路轨道-路基动力性能室内模型试验和现场测试标准，对形成具有自主知识产权的我国高速铁路建造技术体系具有重大的实际意义，为我国高速铁路建设和可持续发展提供重要技术支撑。

目前，高速铁路动力荷载模拟装置仅能满足垂向动力加载，而高速列车在运行时由于蛇形运动会给钢轨施加横向力作用，其亦会对轨道-结构以及列车运行的安全性造成不可忽视的影响，现有模拟装置忽略了轨道结构在实际运营过程中承受的其他方向的作用力影响，不能完整研究轨道动态特性，通过此实际尺寸模型所模拟反映的轨道-路基的经时性行为有其局限性。

技术实现要素：

本发明提供了一种高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置，以解决现有高速铁路动力荷载模拟装置，忽略了轨道结构在实际运营过程中承受的其他方向的作用力影响，不能完整研究轨道动态特性，通过此实际尺寸模型所模拟反映的轨道-路基的经时性行为有其局限性的技术问题。

本发明提供一种高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置，包括反力架以及处于反力架底部的高速铁路轨道模拟结构，反力架与高速铁路轨道模拟结构之间设有用于模拟高铁列车实际运行时作用于轨道结构的垂向力的轨道垂直施力机构以及用于模拟高铁列车实际运行时作用于轨道结构的横向力的轨道横向施力机构，轨道垂直施力机构和轨道横向施力机构通过用于模拟高铁列车转向架的转向架模拟机构作用至高速铁路轨道模拟结构上。

进一步地，转向架模拟机构包括两组安装在高速铁路轨道模拟结构的轨道上用于模拟高铁列车转向架并防止在高速铁路轨道模拟结构的轨道滚动的二分之一轮对、垂直并对称固接在二分之一轮对上用于均匀传递上部荷载的刚性分配梁以及沿两组二分之一轮对的布设方向连接两组二分之一轮对用于使两组二分之一轮对固定成组并均匀传递荷载的轮对纵向连接杆。

进一步地，刚性分配梁垂直并对称放置于二分之一轮对的半圆轮之上，并通过焊接固定，以防止试验过程中刚性分配梁位移超限。

进一步地，轨道横向施力机构包括沿高速铁路轨道模拟结构的横向固接于反力架的斜撑上并用于向转向架模拟机构均匀施加横向力的横向作动器，横向作动器通过水平固定装置固定在反力架的斜撑上，横向作动器与反力架的横梁之间设有用于沿横向作动器的侧向固定横向作动器的垂直固定装置；横向作动器的作动头通过横向传力杆连接在二分之一轮对上，横向作动器、横向传力杆以及二分之一轮对同轴布置。

进一步地，横向传力杆包括由一块钢板和四根钢制圆柱体焊接而成的传力杆前端以及由一根钢制圆柱体构成的传力杆末端。

进一步地，轨道垂直施力机构包括沿竖向固接在反力架的横梁上并垂直高速铁路轨道模拟结构用于向转向架模拟机构均匀施加垂向力的垂向作动器，垂向作动器的作动头置于刚性分配梁上表面开设的凹槽中，垂向作动器的作动头与凹槽底部之间设有用于使垂向作动器产生有限的移动以适应由于横向作动器的加载对垂向作动器位置的影响的刚性滚轮，垂向作动器的作动头底部通过刚性滚轮与刚性分配梁接触。

进一步地，凹槽的槽深大于垂向作动器的作动头与凹槽的槽底之间的间距，以防止作动头从凹槽内脱出。

进一步地，垂向作动器的作动头与凹槽的槽侧壁之间留有3cm-5cm的间隙，以保证垂向作动器仅有底部通过刚性滚轮与刚性分配梁接触。

进一步地，刚性分配梁底部向上拱起1cm-5cm，拱起边缘处设置用于防止其在垂向作动器加载时下挠接触轮轴和防止应力集中的弧形过渡。

进一步地，反力架的横梁上设有用于吊装反力架的吊耳；反力架的立柱为高度可调的伸缩立柱，或者反力架的横梁在立柱上高度可调。

本发明具有以下有益效果：

本发明高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置，可以同时模拟列车实际运行时作用于轨道结构的垂向力和横向力，并且横向力和垂向力结合模拟其他方向的作用力，使得试验结果更加贴合实际。转向架模拟机构模拟高速列车转向架，垂向力和横向力传递至转向架模拟机构，可以模拟列车实际运行中垂向力和横向力对轨道结构的作用。通过反力架可以自由调节模拟装置的安装高度，向轨道垂直施力机构以及轨道横向施力机构输入预设的动力荷载时程，可以对不同的轨道结构形式进行加载。为高速铁路轨道-路基垂向、横向动力学分析提供可靠的加载平台，为揭示轨道结构损伤破坏经时性特征提供实验依据。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置沿线路纵向断面的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置的俯视结构示意图；

图4是本发明优选实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置的立体结构示意图；

图5是本发明优选实施例的刚性分配梁的立体结构示意图。

图例说明：

1、反力架；2、横向作动器；3、垂向作动器；4、刚性分配梁；5、水平固定装置；6、垂直固定装置；7、横向传力杆；8、二分之一轮对；9、纵向连接杆；10、刚性滚轮；11、横梁；12、斜撑；13、传力杆前端；14、传力杆末端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置的结构示意图；图2是本发明优选实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置沿线路纵向断面的结构示意图；图3是本发明优选实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置的俯视结构示意图；图4是本发明优选实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置的立体结构示意图；图5是本发明优选实施例的刚性分配梁的立体结构示意图。

如图1所示，本实施例的高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置，包括反力架1以及处于反力架1底部的高速铁路轨道模拟结构，反力架1与高速铁路轨道模拟结构之间设有用于模拟高铁列车实际运行时作用于轨道结构的垂向力的轨道垂直施力机构以及用于模拟高铁列车实际运行时作用于轨道结构的横向力的轨道横向施力机构，轨道垂直施力机构和轨道横向施力机构通过用于模拟高铁列车转向架的转向架模拟机构作用至高速铁路轨道模拟结构上。本发明高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置，可以同时模拟列车实际运行时作用于轨道结构的垂向力和横向力，并且横向力和垂向力结合模拟其他方向的作用力，使得试验结果更加贴合实际。转向架模拟机构模拟高速列车转向架，垂向力和横向力传递至转向架模拟机构，可以模拟列车实际运行中垂向力和横向力对轨道结构的作用。通过反力架1可以自由调节模拟装置的安装高度，向轨道垂直施力机构以及轨道横向施力机构输入预设的动力荷载时程，可以对不同的轨道结构形式进行加载。为高速铁路轨道-路基垂向、横向动力学分析提供可靠的加载平台，为揭示轨道结构损伤破坏经时性特征提供实验依据。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中，转向架模拟机构包括两组安装在高速铁路轨道模拟结构的轨道上用于模拟高铁列车转向架并防止在高速铁路轨道模拟结构的轨道滚动的二分之一轮对8、垂直并对称固接在二分之一轮对8上用于均匀传递上部荷载的刚性分配梁4以及沿两组二分之一轮对8的布设方向连接两组二分之一轮对8用于使两组二分之一轮对8固定成组并均匀传递荷载的轮对纵向连接杆9。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中，刚性分配梁4垂直并对称放置于二分之一轮对8的半圆轮之上，并通过焊接固定，以防止试验过程中刚性分配梁4位移超限。

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中，轨道横向施力机构包括沿高速铁路轨道模拟结构的横向固接于反力架1的斜撑12上并用于向转向架模拟机构均匀施加横向力的横向作动器2。横向作动器2通过水平固定装置5固定在反力架1的斜撑12上。横向作动器2与反力架1的横梁11之间设有用于沿横向作动器2的侧向固定横向作动器2的垂直固定装置6。横向作动器2的作动头通过横向传力杆7连接在二分之一轮对8上。横向作动器2、横向传力杆7以及二分之一轮对8同轴布置。

如图1、图3和图4所示，本实施例中，横向传力杆7包括由一块钢板和四根钢制圆柱体焊接而成的传力杆前端13以及由一根钢制圆柱体构成的传力杆末端14。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例中，轨道垂直施力机构包括沿竖向固接在反力架1的横梁11上并垂直高速铁路轨道模拟结构用于向转向架模拟机构均匀施加垂向力的垂向作动器3。垂向作动器3的作动头置于刚性分配梁4上表面开设的凹槽中。垂向作动器3的作动头与凹槽底部之间设有用于使垂向作动器3产生有限的移动以适应由于横向作动器2的加载对垂向作动器3位置的影响的刚性滚轮10。垂向作动器3的作动头底部通过刚性滚轮10与刚性分配梁4接触。

如图5所示，本实施例中，凹槽的槽深大于垂向作动器3的作动头与凹槽的槽底之间的间距，以防止作动头从凹槽内脱出。

如图5所示，本实施例中，垂向作动器3的作动头与凹槽的槽侧壁之间留有3cm-5cm的间隙，以保证垂向作动器3仅有底部通过刚性滚轮10与刚性分配梁4接触。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例中，刚性分配梁4底部向上拱起1cm-5cm。拱起边缘处设置用于防止其在垂向作动器3加载时下挠接触轮轴和防止应力集中的弧形过渡。

如图1所示，本实施例中，反力架1的横梁11上设有用于吊装反力架1的吊耳。反力架1的立柱为高度可调的伸缩立柱，或者反力架1的横梁11在立柱上高度可调。

实施时，提供一种高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置，包括反力架1、横向作动器2、垂向作动器3、刚性分配梁4、水平固定装置5、垂直固定装置6、横向传力杆7、二分之一轮对8、纵向连接杆9和垂向作动器3与刚性分配梁4之间的刚性滚轮10。反力架1包括横梁11、斜撑12等。垂向作动器3下部置于刚性分配梁4的凹槽中，两者之间设置刚性滚轮10。刚性分配梁4垂直并且对称放置于一组二分之一轮对8上。两组二分之一轮对8之间采用纵向连接杆9连接。水平固定装置5用螺栓固定于斜撑12上，垂直固定装置6用螺栓固定于横梁11，其下部焊接于横向作动器2上，通过横向传力杆7将横向力传递至二分之一轮对8上。二分之一轮对8，将一个完整轮对均等切分成两组半轮对，并通过轮对纵向连接杆连接模拟转向架，轮对纵向连接杆分别焊接在两轮轴中心。刚性分配梁4垂直并对称放置于两个二分之一轮对8之上，并通过焊接固定防止试验过程中刚性分配梁4位移超限，刚性分配梁4上部设置有尺寸略大于垂向作动器3下部作动头的凹糟，保证作动头放于凹槽正中心时，凹槽内壁与作动头之间留有3-5cm的间隙，凹槽内设置刚性滚轮10，保证垂向作动器3底部通过刚性滚轮10与刚性分配梁4接触；刚性分配梁4底部向上拱起3cm，拱起边缘处设置弧形过渡，以防止其在垂向作动器3加载时下挠接触轮轴，并且在拱起边缘处设置弧形过渡以防止应力集中。

试验过程中通过调节横梁11的高度，可适应不同的铁路路面结构或作动器。采用多个作动器联动，可实现列车运行过程中不同轮对下的动力荷载。在刚性分配梁4上设置尺寸略大于垂向作动器3底部尺寸的凹槽，用以防止垂向作动器3在试验过程中纵横向位移超限。如图1、图5所示，在刚性分配梁4中部设置尺寸略大于垂向作动器3底部尺寸的方形凹槽，保证作动头放于凹槽正中心时，凹槽内壁与作动头之间留有3cm-5cm的间隙。刚性分配梁4底部上拱3cm，以防止其在垂向作动器加载时下挠接触横向传力杆7；且在拱起边缘处设置弧形过渡以防止应力集中。如图1、图5所示，刚性分配梁4底部在离开轮对截面接触面时上拱3cm，且在拱起边缘处设置弧形过渡。横向作动器2的力通过横向传力杆7传递至二分之一轮对8上，进而作用于轨道结构上。如图1～4所示，在横向作动器2底部设置四根横向传力杆7与一块铁板固定后与半轮对的横向传力杆7垂直固定。水平固定装置5通过直径为30mm的间距为150mm～200mm的三排螺栓固定于斜撑12上。如图1所示，水平固定装置5通过直径为30mm的三排螺栓固定于斜撑12上。垂直固定装置6通过直径为30mm的间距为150mm对称布置的两排螺栓固定于横梁11上。如图1和图4所示，垂直固定装置6通过直径为30mm的间距为150mm对称布置的两排螺栓固定于横梁11上。横向作动器2通过垂直固定装置6和水平固定装置5共同固定。如图1～4所示，横向作动器2通过用螺栓固定于斜撑12的水平固定装置5和用螺栓固定于横梁11的垂直固定装置6共同固定，垂直固定装置6下部与作动器焊接连接。垂向作动器3的底部设置刚性滚轮10，以适应由于横向作动器2的加载对垂向作动器3位置的影响。如图2所示，在垂向作动器3的底部设置了刚性滚轮10。在刚性分配梁4垂直对称放置于二分之一轮对8上，并通过焊接固定防止试验过程中刚性分配梁4位移超限。如图1、3、4所示，模拟转向架的两组二分之一轮对8对上分别垂直对称放置了一片刚性分配梁4。将一个完整轮对均等切分成两组二分之一轮对8，并通过纵向连接杆9连接模拟转向架。如图1～4所示，钢轨上放置了两组二分之一轮对8，相距为高速列车固定轴距，并通过纵向连接杆9连接模拟转向架。

横向作动器2通过横向传力杆7将横向力传至轮对，其中横向传力杆7分为两部分，其中一部分为一块钢板和四根钢制圆柱体焊接而成的传力杆前端，另一部分是一根钢制圆柱体传力杆末端。传力杆前端由一块钢板和四根钢制圆柱体焊接而成，其相邻两根圆柱体间距为15cm，四根钢制圆柱体的直径为5cm，长度为2m，四根钢制圆柱体一端对称焊接于横向作动器2的作动头，另一端对称焊接于一块钢板，钢板的尺寸为30cm×30cm×4cm。传力杆末端是一根钢制圆柱体，其直径为10cm，长度要使得其一端刚好与轮对的轴相接处，其另一端与钢板中心焊接。

高速铁路轮轨垂横向力耦合加载模拟装置可以同时模拟列车实际运行时作用于轨道结构的垂向力和横向力，使得试验结果更加贴合实际。将一个完整的轮对沿中轴线切成两半，用杆件连接两个二分之一轮对8，并使轴距为标准轴距，以模拟高速列车转向架，垂向力通过分配梁传递至轮对，横向力通过横向传力杆7传递至轮对，这样就可以模拟列车实际运行中垂向力和横向力对轨道结构的作用。垂向作动器3下部置于刚性分配梁4的凹槽中，两者之间设置刚性滚轮，允许垂向作动器3产生有限的移动以适应由于横向作动器2的加载对垂向作动器3位置的影响。刚性分配梁4底部向上拱起3cm，拱起边缘处设置弧形过渡，以防止其在垂向作动器3加载时下挠接触轮轴，并且在拱起边缘处设置弧形过渡以防止应力集中。可以自由调节安装高度，向作动器输入预设的动力荷载时程，这样就可以对不同的轨道结构形式进行加载。

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