軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

聶如松，冷伍明，張家生，余志武

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國家工程試驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸提出了高標(biāo)準(zhǔn)和高要求。鐵路作為綜合交通運(yùn)輸體系中的一種主要運(yùn)輸方式，具有速度快、能力大、成本與能耗低、占地少、環(huán)境友好等明顯優(yōu)勢(shì)，是國家重點(diǎn)支持發(fā)展的領(lǐng)域。目前，我國高速鐵路通車?yán)锍桃殉^1.9萬km。與此同時(shí)，我國重載鐵路也迅速發(fā)展，大秦鐵路、朔黃鐵路先后進(jìn)行了擴(kuò)能改造，運(yùn)量快速提高。在京滬、京廣、京哈等繁忙長(zhǎng)大干線上，速度100～250 km/h動(dòng)車組列車、5 000 t級(jí)貨物列車、25 t軸重雙層集裝箱列車共線運(yùn)行，列車追蹤間隔動(dòng)車組5 min、貨車7 min，創(chuàng)造了客貨共線鐵路運(yùn)輸速度、密度和載重的世界紀(jì)錄。

路基是鐵路的重要支撐構(gòu)筑物，其為軌道結(jié)構(gòu)提供平順、穩(wěn)定的支撐平臺(tái)，是保證高速列車高速平順運(yùn)行、重載列車安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐。路基作為一種天然或人工改良、由多元巖土組成的土工結(jié)構(gòu)物，其工程性質(zhì)多變、復(fù)雜，易受雨水氣候環(huán)境和工作條件的影響，路基填料的工程性質(zhì)特別是其變形和強(qiáng)度變化規(guī)律以及路基與軌道的相互作用等問題尚未很好解決[1-4]。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是獲取路基在列車荷載作用下動(dòng)力特性的最可靠方法，但外界環(huán)境影響因素眾多，埋設(shè)測(cè)試元件比較困難，測(cè)試路基在列車荷載作用下的長(zhǎng)期動(dòng)力效應(yīng)較難且昂貴。室內(nèi)模型試驗(yàn)是研究鐵路路基在列車反復(fù)荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和變形機(jī)理的重要手段。以往國內(nèi)外鐵路路基模型試驗(yàn)，一部分考慮到列車動(dòng)力荷載模擬困難，采用小比例尺試驗(yàn)，尺寸效應(yīng)影響大；一部分采用單點(diǎn)振動(dòng)正弦函數(shù)時(shí)程曲線模擬列車荷載，無法真實(shí)模擬多排軌枕傳遞下來的列車動(dòng)荷載在路基中產(chǎn)生的應(yīng)力疊加。為解決室內(nèi)模型試驗(yàn)列車活載模擬問題，中南大學(xué)開發(fā)了軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代高科技手段，集機(jī)械電子及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)于一體，成功開發(fā)出鐵路路基足尺試驗(yàn)平臺(tái)。主要特點(diǎn)有：1∶1的室內(nèi)路基模型，解決了小比例尺模型試驗(yàn)中材料、荷載、強(qiáng)度、剛度等相似關(guān)系的問題；自動(dòng)控制加載，可以輸入任一加載波形；能模擬不同軸重(5～40 t)、速度達(dá)160 km/h重載列車或者速度達(dá)380 km/h高速列車對(duì)路基的反復(fù)作用。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)建成后，成功進(jìn)行軸重23 t、25 t、28 t、30 t，速度80 km/h的重載有砟軌道路基動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)[5]以及速度350 km/h高速鐵路無砟軌道路基動(dòng)力響應(yīng)和疲勞試驗(yàn)[6]。應(yīng)用實(shí)例表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定性能好，能真實(shí)模擬列車荷載。

1 軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)

軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)包括室內(nèi)1∶1路基模型、反力裝置、加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1 室內(nèi)1∶1路基模型

室內(nèi)1∶1路基模型建造在30 m×13 m×6 m的模型槽內(nèi)，如圖1所示。路基模型按照單線鐵路設(shè)計(jì)，路基面最高點(diǎn)高出試驗(yàn)室地面1.35 m(扣除了道砟層或軌道板、鋼軌、荷載分配梁和作動(dòng)器預(yù)留空間)，所以路基高度可以在0～7.35 m之間根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵笕我庠O(shè)定。要建造更高的路基，只要將模型槽進(jìn)一步挖深；路基長(zhǎng)度可以根據(jù)研究需要設(shè)置。

圖1 路基模型槽

路基模型槽內(nèi)設(shè)置不同型式的路基，包括路堤、剛度不同的過渡段、路橋過渡段等；還可以設(shè)置各種病害，如翻漿冒泥、空洞、不均勻沉降等；在路基模型槽內(nèi)也可以模擬極端惡劣天氣，如暴雨、狂風(fēng)等。

1.2 反力裝置

反力裝置如圖2所示，包括反力地槽和5套特制剛性反力框架。反力地槽設(shè)置在路基模型槽的兩條長(zhǎng)邊，反力框架可以布置在模型槽長(zhǎng)度方向的任意位置。反力框架包括凈跨13.3 m、實(shí)際長(zhǎng)度15.7 m的梁，2根高5.15 m的立柱和2根長(zhǎng)4.68 m的斜撐。梁、立柱和斜撐采用高強(qiáng)螺栓連接形成門字型框架，總重21.7 t。將400 kN的荷載作用在梁正中，梁的撓度小于1.0 mm，確保反力裝置有足夠的剛度。

圖2 反力裝置

1.3 加載系統(tǒng)

由一套電液伺服加載系統(tǒng)形成軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的加載系統(tǒng)。該加載系統(tǒng)由5臺(tái)400 kN作動(dòng)器、5臺(tái)200 kN作動(dòng)器、5根荷載分配梁、4臺(tái)大功率電機(jī)、油源及管路、冷卻塔、油源控制系統(tǒng)和MTS控制系統(tǒng)組成，如圖3～圖5所示。400 kN作動(dòng)器用于重載列車荷載的模擬，200 kN作動(dòng)器用于高速列車荷載的模擬。油源控制系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)和直接控制操作臺(tái)。油源遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)可與MTS控制系統(tǒng)放置在一起，便于操作。

圖3 軌道-路基動(dòng)力加載裝置

圖4 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

圖5 油源遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)與MTS控制系統(tǒng)

MTS控制系統(tǒng)能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、斜波、半正弦和實(shí)測(cè)荷載譜等加載波形，能夠自由編輯和輸入任意波形。加載控制精度在1×10-4s以內(nèi)。

400 kN作動(dòng)器最大靜動(dòng)態(tài)試驗(yàn)荷載為±400 kN，最大行程50 mm，最大動(dòng)位移幅值5 mm，最大加載頻率20 Hz。200 kN作動(dòng)器最大靜動(dòng)態(tài)試驗(yàn)荷載為±200 kN，最大行程50 mm，最大動(dòng)位移幅值5 mm，最大加載頻率50 Hz。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

路基中埋設(shè)了大量測(cè)試元件，主要測(cè)試動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)位移、加速度、靜應(yīng)力和沉降。除了靜應(yīng)力和沉降有專門的測(cè)試儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集外，其他測(cè)試項(xiàng)目都可以用Imc數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的功能

軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，可以模擬高速列車和重載列車運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力荷載；可以進(jìn)行高速鐵路和重載鐵路1∶1路基動(dòng)力模型試驗(yàn)、高速鐵路和重載鐵路路基疲勞試驗(yàn)以及鋼軌、扣件、軌枕、各種型號(hào)的軌道板、道砟等各種構(gòu)件和材料的疲勞試驗(yàn)等。該試驗(yàn)系統(tǒng)克服了以往路基模型試驗(yàn)特別是大比例模型試驗(yàn)受設(shè)備限制只能采用單點(diǎn)加載、無法考慮軌枕下動(dòng)力相互疊加和影響的缺點(diǎn)，能夠模擬重載列車和高速列車在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動(dòng)荷載。

3 軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理

3.1 軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的加載原理

室內(nèi)模擬列車活載有多種方式，采用作動(dòng)器模擬列車活載是普遍采用的方法。此方法需要解決加載參數(shù)(包括動(dòng)力荷載的幅值、頻率以及加載時(shí)程曲線)和荷載作用點(diǎn)位置兩個(gè)關(guān)鍵問題。

荷載作用點(diǎn)位置有多種選擇。一般認(rèn)為將荷載直接作用在鋼軌上，荷載通過軌枕分擔(dān)傳遞給路基，但這種方式存在缺陷：將荷載加載到目標(biāo)值后，需要將作動(dòng)器快速在鋼軌上移動(dòng)，其移動(dòng)速度必須與列車模擬速度相等。在實(shí)驗(yàn)室有限的空間里很難到達(dá)預(yù)定速度。圖6為浙江大學(xué)建設(shè)的軌道-路基動(dòng)力加載裝置設(shè)計(jì)示意[7]，該裝置采用將荷載直接加載在鋼軌上的方式，隨后設(shè)計(jì)者在建設(shè)過程中改變了這種加載模式。

圖6 軌道-路基動(dòng)力加載裝置示意

另外一種方式是將荷載直接作用在軌枕上，由軌枕將荷載傳遞給路基。這種加載方式需要求出列車輪對(duì)運(yùn)行時(shí)，作用在鋼軌與軌枕之間接觸壓力的時(shí)程曲線，對(duì)作動(dòng)器和控制系統(tǒng)的要求較高。該方式中作動(dòng)器和控制系統(tǒng)能夠較真實(shí)地輸出荷載時(shí)程曲線。

第三種方式是將荷載直接作用在路基上，用這種加載方式很難模擬列車通過路基時(shí)作用在路基面上的荷載。因?yàn)榱熊嚮钶d通過軌枕、道砟或者軌道板分配給路基，期間經(jīng)過了動(dòng)力衰減和擴(kuò)散，其荷載變得更為復(fù)雜，難以確定其大小和波形。

中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室采用第二種加載方式，將荷載作用在軌枕上或者作用在軌道板的節(jié)點(diǎn)上，如圖3和圖7所示。這樣就需要解決加載時(shí)程曲線和加載設(shè)備的問題。加載設(shè)備可以通過購置先進(jìn)的設(shè)備和控制系統(tǒng)來解決。加載時(shí)程曲線可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和理論計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。下面通過理論計(jì)算[8]簡(jiǎn)要介紹如何實(shí)現(xiàn)軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)列車活載的模擬。

理論上接觸壓力的時(shí)程曲線可以采用彈性支承連續(xù)梁模型和點(diǎn)支承連續(xù)梁模型來計(jì)算。兩個(gè)模型將鋼軌視為置于彈性基礎(chǔ)上的無限長(zhǎng)梁；點(diǎn)支承連續(xù)梁模型將軌枕視為彈性支點(diǎn)，對(duì)鋼軌的支承是不連續(xù)的，需要用數(shù)值方法求解鋼軌與軌枕之間的接觸壓力；彈性支承連續(xù)梁模型近似把軌枕的支承看作連續(xù)支承，即Winkle地基模型，可以得到鋼軌與軌枕接觸壓力的解析解。

圖7 軌道-路基動(dòng)力加載裝置示意

本文以彈性支承連續(xù)梁模型為例，計(jì)算鋼軌與軌枕間的接觸壓力。計(jì)算時(shí)，將列車活載簡(jiǎn)化為一豎向恒力P以勻速v在鋼軌上直線移動(dòng)。機(jī)車車輛和軌道相互作用的綜合動(dòng)力效應(yīng)通過靜力荷載P乘以荷載系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，即

Pd=P(1+α+β)

( 1 )

式中：α為速度系數(shù)；β為偏載系數(shù)。

鋼軌分配給一根軌枕一端的壓力為

( 2 )

圖8 C70貨車通過某一個(gè)軌枕時(shí)作用在其一端的荷載時(shí)程曲線

兩根鋼軌作用在軌枕的兩端，每根鋼軌分配給軌枕的壓力各不相同；同一根軌枕兩端的壓力大小也不相等。鋼軌分配給軌枕力的大小與軌道狀況、車輛荷載、車輛重心位置、行車速度等因素有關(guān)。試驗(yàn)時(shí)，假定兩根鋼軌分配給同一根軌枕兩端的壓力相等，在上述時(shí)程曲線中將荷載乘以2就得到作用在一根軌枕上的荷載時(shí)程曲線，實(shí)際上也就是作動(dòng)器需要加載的時(shí)程曲線。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將作動(dòng)器擺放在軌道的正中間，通過分配梁將作動(dòng)器產(chǎn)生的動(dòng)荷載平均分配到軌枕上。

大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果表明，單輪荷載近似按照?qǐng)D9顯示的比例將荷載分配給軌枕。即單輪荷載基本由其附近的5根軌枕來承擔(dān)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用5個(gè)作動(dòng)器聯(lián)合加載來實(shí)現(xiàn)列車活載的模擬。模擬過程中，5個(gè)作動(dòng)器輸入相同的荷載時(shí)程曲線。根據(jù)所模擬列車行駛的方向確定輪載最先到達(dá)的軌枕，給最先到達(dá)的軌枕發(fā)出加載命令，再對(duì)其他作動(dòng)器依次發(fā)出加載命令。也就是說將其他作動(dòng)器加載的波形依次延后t時(shí)間，t時(shí)間的大小由軌枕間距和行車速度確定。這樣就實(shí)現(xiàn)了列車活載的反復(fù)施加。當(dāng)一列車通過以后，可以停止加載，等下一列火車到來；停止時(shí)間跟實(shí)際行車密度有關(guān)。也可以進(jìn)行無間斷加載試驗(yàn)。

圖9 單輪載作用下軌枕荷載分擔(dān)示意圖

3.2 軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)與其他加載裝置的比較

以往室內(nèi)列車活載一般采用單點(diǎn)作動(dòng)器來模擬，將荷載作用在鋼軌上，加載的時(shí)程曲線一般為正弦波，與列車運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的荷載有較大差別。主要原因有下列3個(gè)方面：

(1)列車活載復(fù)雜，與軌道狀況、道床厚度及狀況、列車型號(hào)、軸重等因素有關(guān)，用正弦波時(shí)程曲線來模擬差別很大；

(2)列車活載是沿線路運(yùn)行的移動(dòng)荷載，輪對(duì)經(jīng)過某點(diǎn)時(shí)，作用的時(shí)間較短，用連續(xù)的正弦波模擬，與實(shí)際情況差距較大；

(3)輪對(duì)在鋼軌上運(yùn)行，是隨鋼軌長(zhǎng)度變化的連續(xù)荷載，靠單個(gè)作動(dòng)器施加動(dòng)荷載只能模擬某點(diǎn)路基的加載情況，不能反映某段路基的動(dòng)力響應(yīng)特性。

食品微生物檢測(cè)的內(nèi)容。首先是致病菌。一旦食品中含有較高含量的致病菌，就容易導(dǎo)致人體中毒，因此需要重點(diǎn)檢測(cè)食品中的致病菌。其中，蠟樣芽孢桿菌與金黃色葡萄菌是食品中的主要致病菌，在微生物檢測(cè)實(shí)踐中，需要科學(xué)檢測(cè)這些致病菌的數(shù)量。其次是指示性菌種。一般情況下，從兩個(gè)方面來檢測(cè)指示性菌種。一是科學(xué)檢測(cè)菌落總量，以便合理判斷食品污染程度。在檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，通常會(huì)取出1g食品，然后檢驗(yàn)其菌落數(shù)量。二是合理檢測(cè)大腸桿菌群。研究發(fā)現(xiàn)，人、牲畜的糞便是菌種的主要來源，因此就需要將大腸桿菌群作為污染指標(biāo)菌，以此來評(píng)價(jià)食品衛(wèi)生達(dá)標(biāo)狀況。

其他國家也在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建造列車活載加載系統(tǒng)對(duì)相關(guān)的路基、橋梁等開展研究。日本鐵道綜合技術(shù)研究所建造的列車活載加載系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 日本列車活載加載系統(tǒng)

德國采用小比例尺模型，建造了如圖11所示的列車活載模擬模型。在剛性基礎(chǔ)上建直徑1 m的環(huán)形軌道模型，軌枕用木條制成，軌道用PVC制造，道砟用顆粒直徑2～4 mm的糖顆粒模擬。軌道荷載用直徑80 mm的滾輪模擬。

圖11 德國列車活載模擬系統(tǒng)[9]

與其他列車活載加載系統(tǒng)相比，可以看出中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室建造的軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：1∶1的大比例尺可以真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，不存在如德國列車活載模擬系統(tǒng)的材料、荷載、剛度和強(qiáng)度等眾多相似關(guān)系問題；5個(gè)聯(lián)動(dòng)的作動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)軸重達(dá)40 t、速度達(dá)160 km/h的重載列車或者速度達(dá)380 km/h高速列車所產(chǎn)生的列車活載。

3.3 軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)加載結(jié)果

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)建成調(diào)試以后，為了檢驗(yàn)試驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和效果，分別進(jìn)行了軸重23 t、25 t、28 t、30 t，速度為80 km/h的路基動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)地測(cè)試上述不同軸重列車作用下路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)位移、加速度、變形等時(shí)程曲線和數(shù)值。圖12為軸重23 t時(shí)路基中某點(diǎn)動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程曲線。從圖12可以看出，軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)能很好模擬運(yùn)營(yíng)列車在路基中產(chǎn)生的作用效果。

圖12 23 t軸重作用下路基面動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線

4 結(jié)論

軌道-路基動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其充分利用現(xiàn)代高科技手段，集先進(jìn)機(jī)械電子及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)于一體，是集成創(chuàng)新的一個(gè)成功案例。其突出特點(diǎn)有：1∶1的室內(nèi)路基模型，解決了小比例尺模型試驗(yàn)中材料、荷載、強(qiáng)度、剛度等相似關(guān)系問題；自動(dòng)控制加載，可以隨意輸入加載波形；能模擬不同軸重(5～40 t)、速度達(dá)160 km/h的重載列車或者380 km/h高速列車對(duì)路基的反復(fù)作用。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)建成后，成功地進(jìn)行了軸重23 t、25 t、28 t、30 t，速度80 km/h的重載列車作用下路基動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)和速度350 km/h的高速鐵路無砟軌道路基動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。應(yīng)用實(shí)例表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定性能好，能真實(shí)模擬列車荷載，為進(jìn)一步揭示高速和重載運(yùn)輸條件下路基的工作機(jī)理、完善現(xiàn)代鐵路設(shè)計(jì)理論、開發(fā)新的路基結(jié)構(gòu)和施工工藝提供重要試驗(yàn)研究平臺(tái)。

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