一种研究列车行驶过程中对道砟飞溅影响的实验方法与流程

本发明属于土木工程领域，涉及一种用于研究列车行驶过程中对道砟飞溅速度影响的实验方法。

背景技术：

道砟是用来铺设铁路路基的粗砂砾或碎石，主要是铁路基床所用，石质为特级花岗岩。道砟在铁路运输系统中用作承托轨道枕木，是常见的轨道道床结构。工程会在铺设路轨之前，先在路基铺上一层碎石，再加以压实，然后才铺上枕木及路轨。使用道砟可以容易排水及调校路轨位置，同时由于道砟把列车及路轨重量分散在路基上，故此能够减低列车经过时所带来的震动及噪音，令到乘客的乘坐舒适程度增加。但列车高速行驶时会对周围产生强大的气流冲击，车底的道砟便会到处飞溅撞击车辆，可能对行驶车辆和轨道造成危险。然而，目前没有关于研究列车驶过对道砟飞溅起时的速度的影响的实验方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种仿真颗粒初始检测位点的确定方法，该方法能够确定仿真颗粒的初始放置位点，从而对列车行驶过程中的道砟飞溅进行检测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种仿真颗粒初始检测位点的确定方法，在列车轨道宽度方向的两侧、轨道中心放置三行仿真颗粒，每行仿真颗粒为沿列车轨道长度方向放置的若干个仿真颗粒，记录每个仿真颗粒在列车驶过若干次所述列车轨道后的每个移动后的位置，且每次列车驶过所述列车轨道后，每个仿真颗粒均放回原点，将仿真颗粒相邻的移动后的位置连接，形成仿真颗粒的活动范围；

每行仿真颗粒中，相邻两个仿真颗粒的活动范围的重合面积的平均值记为a，仿真颗粒活动范围的面积的平均值记为b，调整相邻仿真颗粒的距离直至a/b的值为0～30％，即可获得仿真颗粒的初始检测位点；

其中，a/b的值不为0，仿真颗粒为内部设有九轴姿态传感器的3d道砟模型。

本发明的目的之二是提供一种研究列车行驶过程中对道砟飞溅影响的实验方法，将若干仿真颗粒放置在上述确定方法获得的初始检测位点上，列车驶过列车轨道后，每个仿真颗粒将移动过程中的加速度信号、速度信号、磁场信号和/或气压信号通过信号采集装置输送至终端。

本发明的目的之三是提供一种实现上述实验方法的实验系统，由列车轨道、若干仿真颗粒、信号采集装置和终端组成，若干仿真颗粒放置列车轨道的道砟上，每个仿真颗粒将移动过程中的加速度信号、速度信号、磁场信号和/或气压信号通过信号采集装置输送至终端。

本发明的有益效果为：

1.本发明能够将道砟运动时的轨迹和速度进行实时记录，使车辆对飞溅起的道砟的影响更为具象，弥补了道砟安全性实验方法的空缺。

2.本发明实验方法简单，实验范围可灵活调整，实验结果直观。

3.本发明的实现系统布设简单，便于推广，易于维护。

4.本发明的实验方法打破了之前结构材料与功能材料两者不可兼容的壁垒，实现了智能材料与结构的完美结合，其既可以成熟荷载作用，又同时具有分析、识别、处理及控制等智能驱动与传感的功能。

附图说明

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

图1为仿真颗粒的照片；

图2为检测道砟飞溅的系统示意图；

图3为两个相邻仿真颗粒活动范围的示意图。

具体实施方式

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。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。

本申请所述的终端是指用来让用户输入数据及显示其计算结果的一台或者计算机系统机器。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在没有关于研究列车驶过对道砟飞溅起时的速度的影响的实验方法的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种研究列车行驶过程中对道砟飞溅影响的实验方法。

本申请的一种典型实施方式，提供了一种仿真颗粒初始检测位点的确定方法，在列车轨道宽度方向的两侧、轨道中心放置三行仿真颗粒，每行仿真颗粒为沿列车轨道长度方向放置的若干个仿真颗粒，记录每个仿真颗粒在列车驶过若干次所述列车轨道后的每个移动后的位置，且每次列车驶过所述列车轨道后，每个仿真颗粒均放回原点，将仿真颗粒相邻的移动后的位置连接，形成仿真颗粒的活动范围；

每行仿真颗粒中，相邻两个仿真颗粒的活动范围的重合面积的平均值记为a，仿真颗粒活动范围的面积的平均值记为b，调整相邻仿真颗粒的距离直至a/b的值为0～30％，即可获得仿真颗粒的初始检测位点；

其中，a/b的值不为0，仿真颗粒为内部设有九轴姿态传感器的3d道砟模型。

该方法能够确定仿真颗粒的初始放置位点，从而对列车行驶过程中道砟的飞溅进行检测。

该实施方式的一种或多种实施例中，检测过程中，用于放置仿真颗粒的列车轨道长度为12～15m，每隔4m设置仿真颗粒原点。该设置方式，既能对道砟飞溅进行监测，还能降低实验成本。

该实施方式的一种或多种实施例中，所述仿真颗粒由3d道砟模型壳、九轴姿态传感器和配重块组成，九轴姿态传感器和配重块由垫层固定在3d道砟模型壳内部。该实施方式中，所述3d道砟模型壳的材料为聚乳酸(pla)。所述配重块的目的是增加仿真颗粒的质量，从而使得同体积下，仿真颗粒的质量等于道砟的质量，所以配重块材料的密度大于道砟的密度。该实施方式中，所述配重块为铅块。所述垫层的材料为橡胶。

该实施方式的一种或多种实施例中，所述仿真颗粒的制备方法为，将一颗符合国家铁道行业标准粒径的道砟进行3d扫描，得到测试道砟颗粒的3d模型；再利用3d打印技术将3d模型用聚乳酸打印出3d道砟模型壳的上下两部分，将九轴姿态传感器和配置块放入3d道砟模型壳的上下两部分内，然后利用聚乳酸胶将3d道砟模型壳的上下两部分粘合起来。该系列实施例中，3d道砟模型壳的填充率为19～21％，3d道砟模型壳的壁厚为3～5mm。

该实施方式的一种或多种实施例中，所述九轴姿态传感器为无线传感器。防止传感线影响仿真颗粒的飞行轨迹。

该实施方式的一种或多种实施例中，列车驶过所述列车轨道的次数至少为6次。能够保证仿真颗粒的活动范围误差较小。

本申请的另一种实施方式，提供了一种研究列车行驶过程中对道砟飞溅影响的实验方法，将若干仿真颗粒放置在上述确定方法获得的初始检测位点上，列车驶过列车轨道后，每个仿真颗粒将移动过程中的加速度信号、速度信号、磁场信号和/或气压信号通过信号采集装置输送至终端。

该实施方式的一种或多种实施例中，放置在初始检测位点的仿真颗粒与确定该初始检测位点的仿真颗粒规格相同。减少仿真颗粒规格不同带来的实验误差，提高实验的精确度。

本申请的第三种实施方式，提供了一种实现上述实验方法的实验系统，由列车轨道、若干仿真颗粒、信号采集装置和终端组成，若干仿真颗粒放置列车轨道的道砟上，每个仿真颗粒将移动过程中的加速度信号、速度信号、磁场信号和/或气压信号通过信号采集装置输送至终端。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

实施例

利用3d扫描技术，将一颗符合国家铁道行业标准粒径的道砟进行3d扫描，得到测试道砟颗粒的3d模型。再利用3d打印技术，将模型用pla材料按照20％的填充率，4mm壁厚分上下两部分打印出来，并将模型中的支撑部分去除。将一个尺寸为20×12mm的九轴姿态传感器及一块尺寸相近的供电电池(如图1所示)放入模型中。在模型内部放入铅块进行配重，其余部分填充入橡胶，以保证仿真道砟与真实的道砟具有相同的质量，之后用pla专用胶将两部分模型粘和起来。

预实验：检测点的确定

选取12m轨道长度作为预测试范围，将制作好的仿真颗粒外壳进行编号标记，每隔4米设置一个测点，宽度方向上分别在轨道两侧、轨道中心设置测点，如图2所示，将仿真颗粒铺设在测点上，记录6次列车(和谐号动车组crh1型列车，行驶速度为设计时速200km/h，分两组，两组的方向相反，每组3次，每次均记录列车的速度为200km/h)驶过后仿真颗粒移动后的位置，每次测试之后都将仿真颗粒重新放回测点上，将6次移动后的最终位置用直线连接后形成该颗仿真道砟的活动范围。200km/h的列车行驶速度在隧道出口可形成一个水平速度为23m/s的气流，一颗粒径为30mm的道砟可达到250mm的上升高度，此时道砟的水平位移5.14m左右。计算每两颗实验颗粒的活动重合面积的平均值记为a，所有实验颗粒活动范围的平均值为b，如图3所示，此时，a为11.94m²，b为32.32m²，a/b的值大于30％，应适当增加测点距离。若a/b为0，减小测点距离直到相邻测点上的测试颗粒活动范围有重合。

将仿真颗粒铺设在确定好的测点上，将仿真颗粒的加速度、速度、磁场和气压变化过程传入计算机中与传感器匹配的软件中进行记录，如表1所示。某一时刻记录数据如表2所示：

表1仿真颗粒的加速度、速度、磁场和气压变化过程的记录数据

表1中：a表示加速度，单位g是重力加速度，1g＝9.8m/s^-2

w表示角速度，单位deg/s是度(角度)每秒

angle表示角度h表示磁场pressure表示气压值

传感器内部集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，可测量三维的加速度、角速度、磁场、角度和一维的气压值，集中数据相互校准，经过传感器软件解析，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。

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。