一种道砟飞溅风洞试验平台的制作方法

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种道砟飞溅风洞试验平台。

背景技术：

高速铁路是现代交通运输体系的重要组成部分，轨道作为高速铁路的重要组成部分，对确保列车安全、平稳运行起到不可或缺的作用。其中，有砟轨道在适用性、灵活性、经济性和可维修性上具有显著优势，是高速铁路的主要轨道结构形式之一。在我国已开通运营的高速铁路线路中，通过既有线改造形成的高速铁路几乎全部采用有砟轨道，新建线路中运营速度在250km/h区段内的高速铁路主要采用有砟轨道，在300km/h及以上的高速铁路线路的部分地段也采用了有砟轨道，尤其是在长大桥梁、高架车站、地质断裂带等特殊地段均不得不采用有砟轨道结构。

近年来，随着列车运行速度的逐渐提高，高速铁路线路上经常出现道砟颗粒飞离道床，击打轨道、车辆及线路周边设施的道砟飞溅现象。造成轨道和列车结构伤损，极大增加了线路和车辆的养护维修成本，并严重威胁行车安全。飞溅道砟若散落在钢轨踏面，在轮轨力作用下会造成钢轨和车轮伤损，加速轨道恶化和车轮扁疤，进而导致轮轨受力改变，严重时甚至会产生脱轨等事故；若击打列车转向架、制动缸、车体等部位，会造成列车伤损，增加不安全因素以及车辆维修成本；会对线路周围设施造成一定的危害，甚至有可能发生人身伤害；此外，飞砟及扬尘会造成环境污染，影响美观。

高速铁路道砟飞溅不确定性显著，采用现场试验方法能够直观获取飞溅道砟的运动规律及轨道流场特征，但由于现场试验干扰因素多、过度依赖既有线路条件、可重复性弱、研究成本高等原因，在研究随机性显著的道砟飞溅问题时局限性较大。采用风洞试验方法还原有砟轨道结构流场，观察、测试风载作用下道砟颗粒的运动行为和轨道流场特征，能够有效克服上述问题。

因此，如何设计出一种能够真实还原高速铁路道砟飞溅风洞试验平台，是本领域技术人员亟待解决的问题。通过还原分析道砟飞溅产生发展机理，提出科学、有效的道砟飞溅防治建议，进而保障高铁列车的安全运营，降低线路养护维修成本。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种道砟飞溅风洞试验平台，克服了现有道砟飞溅还原分析中，对有砟轨道流场特征还原精度有限，无法考虑有砟轨道结构参数对道砟飞溅的影响，且无法精细化观测道砟飞溅运动行为，以及道砟飞溅发生发展过程中轨道结构流场特征的不足。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种道砟飞溅风洞试验平台，包括：道砟飞溅试验台、试验台支架、高速列车车厢底部结构模型、轨枕模型、钢轨模型、砟肩模型、道砟集料和风速测试装置；

所述道砟飞溅试验台通过所述试验台支架分别与所述高速列车车厢底部结构模型和风洞实验室地板连接固定，所述试验台支架高度可调节，所述轨枕模型置于所述道砟集料表层，所述道砟集料置于所述道砟飞溅试验台表面，所述钢轨模型固定于所述轨枕模型承轨槽顶面，所述砟肩模型固定于所述轨枕模型与所述道砟集料两侧，所述风速测试装置固定于所述轨枕模型之间道砟集料表层。

优选地，所述平台还包括：防护网，所述防护网固定于所述道砟飞溅试验台位于风洞出口的一端。

优选地，所述防护网为固定于木框内侧的铁丝网构成，每个网格边长小于道砟颗粒平均粒径，所述木框长度与所述道砟飞溅试验台宽度相同。

优选地，所述平台还包括：视频采集装置，所述视频采集装置位于所述道砟飞溅试验台中部正上方，用于获取、记录试验中道砟样本位移特征。

优选地，所述试验台支架为双层角钢结构，所述角钢表面设置一系列圆孔，采用锚杆穿过所述圆孔，对所述双层角钢进行连接固定，以及对所述试验台支架的高度调节。

优选地，所述高速列车车厢底部结构模型采用钢化玻璃材料制作。

优选地，所述轨枕模型为多个，各轨枕模型中心横向间距可调节，所述轨枕模型表面设置风压测点。

优选地，所述砟肩模型固定于所述道砟集料和轨枕模型两侧，所述砟肩模型坡度为1:1.75，堆高高度可调整为0cm、5cm、10cm或15cm，所述砟肩模型表面设置风压测点。

优选地，所述钢轨模型的材料为铁皮，在钢轨模型前后两端的底部打孔，采用锚杆将钢轨模型与轨枕模型连接固定，所述钢轨模型形状与高速铁路钢轨断面形状完全一致。

优选地，所述风速测试装置位于中间两跨轨枕模型之间，包括：风速测试装置支架，以及不同横向和纵向位置的系列风速测试探针，所述探针安装于风速测试装置支架上，能够同时测试水平方向和竖直方向测点风速，所述风速测试装置支架安置于道床内部，所述风速测试装置支架横向和纵向位置均可调节。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供一种道砟飞溅风洞试验平台，可以准确模拟高速铁路道砟飞溅的发生条件，还原道砟飞溅的发生和发展特征，并能实时监测道砟飞溅流场数据，且操作便捷。与现有技术相比，本发明还具有如下优点：

(1)本发明的道砟飞溅风洞试验平台专用于高速铁路道砟飞溅的模拟和分析，通过精确模拟高速铁路有砟轨道线路的道床、砟肩、轨枕、钢轨和车厢底部外形特征，能够准确还原高速铁路道砟飞溅的发生和发展过程，测试道砟飞溅流场特征。

(2)本发明通过增加或减少轨枕模型之间的道砟集料数量，调整枕盒之间道砟集料中道砟形状、材质等参数，砟肩模型的砟肩堆高高度，以及车厢底部模型与道砟飞溅试验台顶面高度等参数，能够模拟不同道床参数条件下，道砟飞溅发生和发展状态。

(3)本发明通过调整风速测试装置，以及轨枕模型和砟肩模型表面的风压测点，能够同步测试道床模型表面不同横向、纵向位置处的风速强度和分布特征，以及轨枕模型和砟肩模型表面不同区域的风压强度和分布特征，获取道砟飞溅发生和发展机理。

(4)本发明通过位于道砟飞溅试验台上方的视频采集装置，能够实时获取试验中道砟飞溅运动行为，避免道砟飞溅对试验人员的威胁，提高试验安全性和准确性。

(5)本发明道砟飞溅风洞试验平台结构简单、装卸简便、易于操作，试验成本相对较低。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种道砟飞溅风洞试验平台的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种道砟飞溅风洞试验平台的正视示意图；

图3为本发明实施例提供的一种道砟飞溅风洞试验平台的俯视示意图。

附图标号：

1-道砟飞溅试验台；2-试验台支架；3-高速列车车厢底部结构模型；4-轨枕模型；5-钢轨模型；6-砟肩模型；7-风洞实验室边界；8-道砟集料；9-风速测试装置；10-防护网；11-视频采集装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种道砟飞溅风洞试验平台，用于真实模拟道砟飞溅的发生和发展过程，以及有砟轨道结构表面流场特征，如图1-3所示，包括：道砟飞溅试验台1、试验台支架2、高速列车车厢底部结构模型3、轨枕模型4、钢轨模型5、砟肩模型6、风洞实验室边界7、道砟集料8、风速测试装置9、防护网10、视频采集装置11。

道砟飞溅试验台1通过试验台支架2，分别与高速列车车厢底部结构模型3和风洞实验室地板连接固定。试验台支架2为双层角钢结构，角钢表面设置一系列间隔为0.02m的圆孔，采用锚杆穿过所述圆孔，对双层角钢进行连接固定以及实现试验台支架的高度调节。上述试验台支架2的高度可调节模式，能够实现试验台高度的调节，消除风洞试验中不同来流风速条件下实验室边界层的影响。同时，通过调整道砟飞溅试验台1与高速列车车厢底部结构模型3之间的支架高度，能够模拟不同车厢底部高度条件下，有砟轨道表面道砟飞溅的发生发展规律，以及有砟轨道流场数据变化特征。

高速列车车厢底部结构模型3形状和尺寸与crh3型动车组中间车相同。采用钢化玻璃材料制作，在保证车厢底部结构模型强度的基础上，可以降低模型质量，便于拆卸、操作便捷，在降低试验成本的同时，对试验人员安全性保障较高。同时，该钢化玻璃为透明材料，能够清晰观测试验过程中道砟飞溅运动状态。

轨枕模型4置于道砟集料8表面，轨枕模型4的形状及尺寸与高速铁路有砟轨道iii型混凝土轨枕外形及尺寸完全相同，长度2.6m，底面宽度0.32m，最高高度0.26m，共设置4跨上述轨枕模型4，各轨枕模型中心横向间距设置为0.6m(其间距可调节)，每跨轨枕模型4表面共设置102个风压测点，其中顶面28个，侧面各37个，从而能够实现轨枕表面不同区域流场数据的同步测试。

钢轨模型5固定于轨枕模型4的承轨槽顶面，钢轨模型5为铁皮材料，在钢轨模型5前后两端的底部打孔，采用锚杆将钢轨模型5与轨枕模型4连接固定，钢轨模型5形状与高速铁路60kg/m钢轨断面形状完全一致。

砟肩模型6固定于轨枕模型4与道砟集料8两侧，砟肩模型6坡度为1:1.75，堆高高度可调整为0cm、5cm、10cm或15cm，砟肩模型6表面共设置84个风压测点，其中道床内侧56个，外侧28个。

道砟集料8置于道砟飞溅试验台1表面，道砟集料8取自高速铁路有砟轨道线路，筛分得到符合高速铁路特级道砟级配要求的道砟集料8，对筛分后的道砟进行水洗、干燥处理，防止试验过程中产生扬尘，影响测试结果，将处理后的道砟均匀填充于道砟飞溅试验台1表面，并对其分层填充压实。

为进一步优化本发明的技术方案，道砟飞溅风洞试验台1上方的道砟集料8的数量、形状、材质、密实程度等参数均可调节，能够实现不同道床质量状态条件下，道砟飞溅发生发展规律还原，以及有砟轨道流场数据的测试。

风速测试装置9固定于中间两跨轨枕模型4之间，包括：风速测试装置支架，以及不同横向和纵向位置的系列风速测试探针组成，测试探针安装于风速测试装置支架上并处于道床上方，能够同时测试水平方向上间距8cm的8个测点风速，以及竖直方向间距5cm的6个测点风速，风速测试装置支架安置于道床内部，其横向和纵向位置均可调节。将测试探针通过导管与电子扫描阀连接，实现了对轨道上方流场风速的实时获取。

为进一步优化本发明的技术方案，防护网10固定于道砟飞溅试验台1末端(即道砟飞溅试验台位于风洞出口的一端)，由固定于木框内侧的铁丝网构成，每个网格边长小于道砟颗粒平均粒径(本发明实施例中每个网格边长为0.02m)，木框长度与道砟飞溅试验台1宽度相同，能够防止试验中道砟颗粒飞离试验台，造成样本遗失，甚至损坏风洞实验室风机。

为进一步优化本发明的技术方案，视频采集装置11位于道砟飞溅试验台1中部正上方，能够实时获取、记录试验中道砟样本位移特征。

综上所述，本发明提供的一种道砟飞溅风洞试验平台，专用于高速铁路道砟飞溅的模拟和分析，通过精确模拟高速铁路有砟轨道线路的道床、砟肩、轨枕、钢轨和车厢底部外形特征，能够准确还原高速铁路道砟飞溅的发生和发展过程，测试道砟飞溅流场特征。通过增加或减少轨枕模型之间的道砟集料数量，调整枕盒之间道砟集料中道砟形状、材质等参数，砟肩模型的砟肩堆高高度，以及车厢底部模型与道砟飞溅试验台顶面高度等参数，能够模拟不同道床参数条件下，道砟飞溅发生和发展状态。通过风速测试装置和风压测点，能够同步测试道床模型、轨枕模型和砟肩模型表面不同区域的风速和风压的强度和分布特征，获取道砟飞溅发生发展机理。通过视频采集装置，能够实时获取试验中道砟飞溅运动行为，避免道砟飞溅对试验人员的威胁，提高试验安全性和准确性。同时本发明道砟飞溅风洞试验平台结构简单、装卸简便、易于操作，试验成本相对较低。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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的保护范围为准。