本发明涉及工程测量技术领域，具体涉及一种轨道纵向往复加载模拟实验装置。
背景技术：
钢轨扣件是阻止钢轨相对于轨枕（轨道板）发生纵向位移的联接零件，而扣件阻力是评价钢轨扣件性能优劣的重要指标。随着客运铁路速度不断提高、货运铁路运量不断增加，对钢轨扣件阻力的技术性能要求也不断提高，准确测量多工况下钢轨扣件阻力及其变化规律，是确定钢轨扣件性能、保持轨道几何形位、优化设计方法、开展正常养修，确保行车安全的迫切需要。
然而，目前国内还没有一种可以方便，全面自动测量多工况下钢轨扣件纵向阻力性能的装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种轨道纵向往复加载模拟实验装置。
本发明的目的是通过如下途径实现的：一种轨道纵向往复加载模拟实验装置，它包括用于对轨道上的钢轨施加纵向往复作用力的施力组件、用于提供竖向荷载条件的竖向荷载加载装置、以及用于测量钢轨和扣件垫板纵向位移的位移测量组件；实验装置对象为使用扣件扣压于轨枕上的钢轨；
所述的施力组件,有两套相同装置分别布置于钢轨的两侧，包括安装于轨枕上的液压千斤顶；液压千斤顶顶杆的头部安装有拉力传感器，并通过连接件将拉力传感器与夹具连接，所述的夹具安装在钢轨两端；拉力传感器与电液伺服控制系统通过导线连接，液压千斤顶通过油管与环境控制箱连接，环境控制箱与电液伺服控制系统之间通过导线连接并由电脑控制；
所述的竖向荷载加载装置，包括固定于轨枕上的反力架装置及相关加载设备；所述的反力架装置由反力轨和支架组成；所述的加载设备包括接触于钢轨轨顶表面的轴承，轴承上方紧贴饼状千斤顶，饼状千斤顶上方紧贴压力传感器，压力传感器另一端与反力轨相抵。
所述的位移测量组件，包括与电脑连接并受其控制的位移传感器和激光测距传感器；所述的位移传感器安装于钢轨一端截面底部，通过导线与电液伺服控制系统连接；所述的激光测距传感器安装在轨底下轨道板表面。
作为本方案的进一步优化，所述的施力组件中的液压千斤顶，套装于千斤顶底座上的套筒内，所述的千斤顶底座安装于轨枕上。
作为本方案的进一步优化，所述的千斤顶底座由底座板和套筒组成，液压千斤顶一端抵在套筒内壁，另一端与拉力传感器扭紧连接，液压千斤顶与环境控制箱通过两根进出油管连接。
作为本方案的进一步优化，所述位移测量组件中的位移传感器，本装置中使用两个，分别布置在钢轨截面底端两侧；利用固定在轨枕上的千分表底座夹紧位移传感器，同时位移传感器探针端部对称预压抵在钢轨截面底端部分，通过导线与电液伺服控制系统连接，并通过电脑来实时记录钢轨纵向位移量。
作为本方案的进一步优化，所述位移测量组件中有激光测距传感器，本装置使用两个激光测距传感器，分别对称布置在钢轨底面下以及轨道板表面上；激光测距传感器通过导线与电液伺服控制系统相连接，并通过电脑来实时记录扣件垫板纵向位移量。
作为本方案的进一步优化，所述竖向荷载加载装置中的反力架装置，包括反力轨和支架，其中支架包括支架杆、顶板、托板、支架座和螺帽五部分；支架座用螺纹道钉拧紧固定于轨枕上，支架杆为螺纹杆，与支架座通过自身螺纹与螺帽连接，同时支架杆上端分别用螺帽与顶板及托板扭紧固定，顶板和托板中间夹持反力轨，反力轨架设于钢轨上面，并固定在两边的支架上。
作为本方案的进一步优化，所述的拉力传感器与电液伺服控制系统连接，可通过电脑来实时记录所受拉力值；所述的压力传感器外部连接数据显示仪，通过数据显示仪读取加载的压力值。
作为本方案的进一步优化，所述夹具夹紧钢轨部分为两个对称的与钢轨截面相似的夹板，两块夹板通过螺栓以较大的压力扭紧上部与下部伸出的部分，使钢轨移动时与夹具不产生相对滑动；在夹具伸出钢轨端部方向的部分中间夹紧一厚度与钢轨轨腰厚度相同的钢板，钢板与夹具用短螺栓连接，同时钢板一侧面与矩形钢块焊接，矩形钢块下端开设有一螺纹孔，通过连接件与拉力传感器相扭紧。
作为本方案的进一步优化，所述的环境控制箱由外装箱内装油箱，在油箱顶面相互连接溢流阀、伺服阀集成块、叠加式过滤阀、比例伺服阀和高压柱塞泵。
作为本方案的进一步优化，所述的连接件为一实杆，两端设置反向螺纹，可同时扭紧矩形钢块与拉力传感器。
本发明轨道纵向往复加载模拟实验装置，与现有技术比较，具有如下特点：
一是纵向施力组件为对称布置在钢轨两侧的两套施力设备，可以实现双向往复拉伸，实现不同加载历史对扣件纵向阻力的影响；
二是施力组件中的液压千斤顶由电液伺服控制系统所控制，可以设置不同加载速率以实现不同加载速率对扣件纵向阻力的影响；
三是位移传感器与电液伺服控制系统连接，可通过设置不同纵向位移实现不同位移量对扣件阻力的影响；
四是夹具为可拆卸构件，钢轨可以更换，适用于测量不同类型钢轨及扣件纵向阻力性能，可以实现不同类型钢轨及扣件对扣件纵向阻力的影响；
五是测量扣件纵向位移组件中采用的激光测距传感器，在不接触扣件垫板的情况下测量出垫板其纵向位移量，从而可以得到垫板窜出量对扣件纵向阻力的影响关系；
六是竖向加载装置包括反力轨和支架及其加载设备，加载设备中使用压力传感器设定不同竖向荷载，从而可以得到不同竖向荷载工况下扣件纵向阻力与位移的关系；
七是竖向加载装置中的加载设备中有接触于钢轨轨顶表面的轴承，通过轴承中的滑轮与钢轨接触以及两者表面均匀涂抹润滑油可大大减少钢轨纵向位移时所受的摩擦力，从而减小实验误差；
八是位移测量组件-位移传感器及测力组件中的拉力传感器均与电液伺服控制系统相连接，可设定一定频率采集数据，利用电脑实时记录位移传感器和力传感器的数据并直接形成关系曲线图，更直观地得到纵向阻力与位移的关系。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明立体结构有竖向荷载情况下整体示意图；
图2为本发明立体结构无竖向荷载情况下整体示意图；
图3为本发明立体结构有竖向荷载情况下正投影示意图；
图4为本发明立体结构无竖向荷载情况下正投影示意图；
图5为本发明立体结构中环境控制箱和电液伺服控制系统接口示意图；
图6为本发明立体结构支架示意图；
图7为本发明立体结构轴承示意图；
图8为本发明立体结构夹具示意图；
图9为本发明立体结构千斤顶底座示意图；
图10为本发明立体结构环境控制箱示意图；
图11为本发明中液压千斤顶结构示意图；
图12为本发明中千斤顶底座结构示意图；
图13为本发明中位移传感器安装结构示意图；
图14为本发明中激光测距传感器安装结构示意图；
图15为本发明中的反力架装置结构示意图；
图16为本发明中夹具结构示意图；
图中：
1、轨道板；2、轨枕；3、螺纹道钉；4、反力轨；5、支架，51、支架杆，52、顶板，53托板，54支架座，55螺帽；6、千斤顶底座，61、底座板，62，套筒；7、长螺栓；8、液压千斤顶；9、位移传感器；10、轴承；11、饼状千斤顶；12、压力传感器；13、扣件；14钢轨；15、夹具，151、夹板，152、钢板，153、矩形钢块，154、短螺栓；16、连接件；17、拉力传感器；18油管；19、电液伺服控制系统；20、环境控制箱；201、外装箱；202、油箱；203、溢流阀；204、伺服阀集成块；205、叠加式过滤阀；206、比例伺服阀；207、高压柱塞泵；21、千分表表座；22、激光测距传感器；23、导线。
具体实施方式
一种轨道纵向往复加载模拟实验装置，其特征在于：它包括用于对轨道上的钢轨施加纵向往复作用力的施力组件、用于提供竖向荷载条件的竖向荷载加载装置、以及用于测量钢轨和扣件垫板纵向位移的位移测量组件；实验装置对象为使用扣件13扣压于轨枕2上的钢轨14；
所述的施力组件,有两套相同装置分别布置于钢轨4的两侧，包括安装于轨枕2上的液压千斤顶8；液压千斤顶8顶杆的头部安装有拉力传感器17，并通过连接件16将拉力传感器17与夹具15连接，所述的夹具15安装在钢轨14两端；拉力传感器17与电液伺服控制系统19通过导线23连接，液压千斤顶8通过油管18与环境控制箱20连接，环境控制箱20与电液伺服控制系统19之间通过导线23连接并由电脑控制；
所述的竖向荷载加载装置，包括固定于轨枕2上的反力架装置及相关加载设备；所述的反力架装置由反力轨4和支架5组成；所述的加载设备包括接触于钢轨14轨顶表面的轴承10，如图10所示，轴承10上方紧贴饼状千斤顶11，饼状千斤顶11上方紧贴压力传感器12，压力传感器12另一端与反力轨4相抵。
所述的位移测量组件，包括与电脑连接并受其控制的位移传感器9和激光测距传感器22；所述的位移传感器9安装于钢轨14一端截面底部，通过导线23与电液伺服控制系统19连接；所述的激光测距传感器22安装在轨底下轨道板1表面。
如图11所示，所述的施力组件中的液压千斤顶8，套装于千斤顶底座6上的套筒62内，所述的千斤顶底座6安装于轨枕2上。
如图9、12所示，所述的千斤顶底座6由底座板61和套筒62组成，液压千斤顶8一端抵在套筒62内壁，另一端与拉力传感器17扭紧连接，液压千斤顶8与环境控制箱20通过两根进出油管18连接。
如图13所示，所述位移测量组件中的位移传感器9，本装置中使用两个，分别布置在钢轨14截面底端两侧；利用固定在轨枕2上的千分表底座21夹紧位移传感器9，同时位移传感器9探针端部对称预压抵在钢轨14截面底端部分，通过导线23与电液伺服控制系统19连接，并通过电脑来实时记录钢轨纵向位移量。
如图14所示，所述位移测量组件中有激光测距传感器22，本装置使用两个激光测距传感器22，分别对称布置在钢轨14底面下以及轨道板1表面上；激光测距传感器22通过导线23与电液伺服控制系统19相连接，并通过电脑来实时记录扣件垫板纵向位移量。
如图6、15所示，所述竖向荷载加载装置中的反力架装置，包括反力轨4和支架5，其中支架5包括支架杆51、顶板52、托板53、支架座54和螺帽55五部分；支架座54用螺纹道钉3拧紧固定于轨枕2上，支架杆51为螺纹杆，与支架座54通过自身螺纹与螺帽55连接，同时支架杆51上端分别用螺帽55与顶板52及托板53扭紧固定，顶板52和托板53中间夹持反力轨4，反力轨4架设于钢轨14上面，并固定在两边的支架上。
所述的拉力传感器17与电液伺服控制系统19连接，可通过电脑来实时记录所受拉力值；所述的压力传感器12外部连接数据显示仪，通过数据显示仪读取加载的压力值。
如图8、16所示，所述夹具15夹紧钢轨14部分为两个对称的与钢轨截面相似的夹板151，两块夹板通过螺栓154以较大的压力扭紧上部与下部伸出的部分，使钢轨14移动时与夹具15不产生相对滑动；在夹具15伸出钢轨14端部方向的部分中间夹紧一厚度与钢轨轨腰厚度相同的钢板153，钢板153与夹具15用短螺栓154连接，同时钢板153一侧面与矩形钢块152焊接，矩形钢块152下端开设有一螺纹孔，通过连接件16与拉力传感器17相扭紧。
如图10所示，所述的环境控制箱20由外装箱201内装油箱202，在油箱202顶面相互连接溢流阀203、伺服阀集成块204、叠加式过滤阀205、比例伺服阀206和高压柱塞泵207。
所述的连接件16为一实杆，两端设置反向螺纹，可同时扭紧矩形钢块152与拉力传感器17。
如图1至图9所示，本发明轨道纵向往复加载模拟实验装置，它包括用于有无竖向荷载情况下对轨道上的钢轨施加纵向往复作用力的施力组件以及用于测量钢轨和扣件垫板纵向位移的位移测量组件;
所述施力组件为对称布置在钢轨14两侧的两套施力设备，包括安装于轨枕2上的千斤顶底座6以及套装于千斤顶底座6套筒62内的液压千斤顶8、拉力传感器17及钢轨14端部夹具15部分；千斤顶底座6的底座板61用四个长螺栓7扭紧固定在连续的两块轨枕2上，套筒62上预留有两个油管孔，分别连接进油管和出油管，将液压千斤顶8装在套筒62内，其一端抵在套筒62内壁，另一端露出在套筒62外，与拉力传感器17连接，液压千斤顶8通过油管18与环境控制箱20相连，再用导线23把电液伺服控制系统19与环境控制箱20相连，同时拉力传感器17与电液伺服控制系统19也通过导线23连接在一起，并由电脑实时记录其拉力值；拉力传感器17通过连接件16与夹具15连接，连接件16为一两边设有反向螺纹的构件，通过预留螺孔扭紧拉力传感器17和夹具15两部分；夹具15套紧钢轨14端部，通过连接件16与拉力传感器17相扭紧，夹具15为可拆卸构件，其组件均通过短螺栓154连接，便于更换扣件13和实验钢轨14；将施力组件分别连接安装好之后，正确安装扣件13，并扣紧钢轨14于轨枕2上，最后通过夹具15夹紧钢轨14两端；所述的测量纵向位移组件包括位移传感器9和激光测距传感器22，位移传感器9对称布置在钢轨14端头截面的轨底两侧，即将位移传感器9探针预抵在钢轨14轨底截面，并通过千分表底座21固定在轨枕上，同时用导线23将位移传感器9与电液伺服控制系统19连接，并通过连接电液伺服控制系统19的电脑实时记录位移值；激光测距传感器22对称布置在钢轨14底面下轨道板1表面上，利用胶水粘结固定在轨道板1上，通过导线23与电液伺服控制系统19相连接，并通过电脑来实时记录扣件垫板纵向位移量。
所述的无竖向荷载情况下对轨道上的钢轨14施加纵向往复作用力的施力组件以及用于测量钢轨14和扣件13垫板纵向位移的位移测量组件安装好之后，便可以进行实验，实验开始前先检查液压千斤顶8的油管18与环境控制箱20的连接，拉力传感器17、位移传感器9及激光测距传感器22与电液伺服控制系统19之间的导线23连接，环境控制箱20与电液伺服控制系统19之间的导线23连接以及电液伺服控制系统19与电脑的导线23连接等各处线路连接正常。实验开始时先接通电源，打开电脑，启动数据采集软件，设置纵向加载速率、采集频率、钢轨左位移量和右位移量等参数，然后启动数据采集系统，连续点击软件中的开始采集和新建文件两命令，此时装置开始工作及数据开始采集。加载时施力组件只有一边工作，另一侧千斤顶8处于悬浮状态，先工作的一边施力组件定为左边施力组件，此时通过进油管和出油管的工作使左边千斤顶8开始加载进而拉动钢轨14开始纵向移动，钢轨14运动速率取决于软件预先设定的纵向加载速率，采集的钢轨位移量数值为正，当达到系统设置的钢轨左位移量值时，该边施力组件即左边施力组件停止工作，右边施力组件开始工作，同样通过进油管和出油管的工作使右边千斤顶8开始加载进而拉动钢轨14开始向另一侧纵向位移，采集的位移量为负，当达到系统设置的右位移量值时，右边施力组件停止工作，左边施力组件开始工作，当钢轨14运动回到初始位置时设定为一周期加载运动，同时期间电脑实时记录垫板位移量。此后装置的工作状态与第一周期完全相同，当采集到一定程度数据后，连续点击电脑软件中的保存数据及结束采集，同时关闭采集系统。
所述的有竖向荷载情况下对轨道上的钢轨14施加纵向往复作用力的施力组件包括无载情况下对钢轨的纵向施力组件及竖向荷载加载装置。无载情况下对钢轨14的纵向施力组件与上所述相同。所述的竖向荷载加载装置包括固定于轨枕2上的反力架装置及相关加载设备，反力架装置由反力轨4和支架5组成，加载设备包括设置在钢轨14正上方的轴承10，轴承10的滑轮与下方钢轨14紧贴，同时轴承10上方紧贴饼状千斤顶11，同样饼状千斤顶11上方紧贴压力传感器12，且压力传感器12另一端与反力轨4相抵，反力轨4架设在钢轨14正上方且固定在两边的支架5上，而支架5通过螺纹道钉3拧紧固定在轨枕2上。安装轴承10时，在轴承10中的滑轮表面以及钢轨14轨顶表面均匀涂抹上润滑油。施加竖向荷载前，先将数据显示器连接压力传感器。开始施加竖向荷载时，操作液压手动泵缓慢加载，同时观察数据显示仪相应读数，一直加到设定的竖向荷载值，此时加载结束，并保持此状态下进行接下来的工作流程。接下来的操作流程即为对轨道的钢轨施加纵向往复作用力，具体操作过程与上所述的无竖向荷载情况下的实验过程相同，在此不再复述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。