一种磁浮车轨桥耦合振动缩尺试验装置及其试验方法

本发明属于磁浮试验，尤其涉及一种磁浮车轨桥耦合振动缩尺试验装置及其试验方法。

背景技术：

1、磁悬浮列车采用电磁力替代接触力实现了列车的悬浮、牵引、导向和制动，阻力远小于传统轮轨列车，是一种高效、环保的交通工具。磁浮列车爬坡能力较强，线路最大设计坡度通常大于传统铁路。在运行过程中磁浮列车会引起轨道和桥梁的振动。列车动力作用会使轨道及桥梁上部结构构件产生疲劳，降低磁浮轨道的稳定性及耐久性。为探究磁浮线路的动力学特性和振动传递特征，有必要进行车-轨-桥耦合振动试验研究。常用试验方法有现场试验及室内试验。现场试验需建成投入使用后才能进行，测试条件受限，成本昂贵；室内试验难以建立包含列车、轨道和桥梁的实尺模型，而且磁悬浮控制系统复杂、试验条件重复性差。而现有的车轨耦合振动试验装置的激励源大都采用静态悬浮架加载的方式，无法考虑列车主动荷载激励下的车-轨-桥耦合振动的条件，且未考虑大坡度条件的情况。模拟的真实可靠性和全面性较差，无法满足要求越来越严苛的磁浮车轨桥耦合振动试验需求。

2、因此我们提出一种磁浮车轨桥耦合振动缩尺试验装置及试验方法来解决现有技术中存在的上述问题。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是提供一种能更真实模拟不同坡度的磁浮车轨桥耦合振动的试验装置，具体技术方案如下：

2、一种磁浮车轨桥耦合振动缩尺试验装置，包括坡度调节系统、桥梁模型、轨道模型、车辆模型和数据采集系统；

3、所述桥梁模型设置在坡度调节系统上；

4、所述坡度调节系统用于支撑桥梁模型并调节桥梁模型的坡度，其包括高度控制装置和角度控制装置；所述高度控制装置用于调整桥梁模型的支承高度，所述角度控制装置用于调整桥梁模型的倾斜度；

5、所述轨道模型设置在桥梁模型上；所述车辆模型设置在轨道模型上；

6、所述数据采集系统用于获取桥梁模型、轨道模型和车辆模型的力学状态、位移数据和加速度数据。

7、优选的，所述桥梁模型串联设有多组，所述坡度调节系统、轨道模型、车辆模型和数据采集系统与桥梁模型对应设置。

8、优选的，所述角度控制装置包括上支撑板、上连接板、下连接板、旋转轴、下支撑板和伸缩缸；

9、所述上支撑板的上侧面与桥梁模型连接，上支撑板的下侧面与上连接板连接；所述上连接板通过旋转轴与下连接板铰接；

10、所述下连接板设置在下支撑板上，所述下支撑板还与高度控制装置连接；

11、所述伸缩缸沿桥梁模型长度方向分别设置在下连接板两侧，所述伸缩缸一端与下支撑板连接，另一端与上支撑板连接，用于驱动所述上支撑板绕旋转轴转动。

12、优选的，所述高度控制装置包括支撑柱、电机、螺纹杆和连接柱；

13、所述支撑柱中空设置，所述电机和螺纹杆设置在支撑柱内部，所述电机与螺纹杆传动连接；

14、所述连接柱下端与螺纹杆螺纹连接，连接柱的上端与下支撑板连接；

15、所述连接柱下端的外部还设有支撑件，所述支撑件的外侧沿支撑柱的内侧壁相对滑动式设置。

16、优选的，所述桥梁模型包括桥梁支座、轨道梁、承轨梁和承轨台；

17、所述桥梁支座设置在上支撑板上，所述轨道梁设置在桥梁支座上，所述承轨梁设置在轨道梁上，所述承轨台设置在承轨梁上。

18、优选的，所述轨道模型包括扣件、轨枕和导轨；

19、所述扣件包括螺栓和垫片；

20、所述导轨设置在轨枕上；

21、所述轨枕通过螺栓与承轨台可拆卸式连接，所述垫片设置在轨枕和承轨台之间。

22、优选的，所述车辆模型包括转向架和车身平台；

23、所述转向架包括框架梁、一系悬挂、驱动装置和导向装置；

24、所述驱动装置包括驱动轮、牵引电机和制动器，所述框架梁通过一系悬挂设置在驱动轮上，所述驱动轮设置在导轨上；所述牵引电机和制动器均与驱动轮连接，用于提供牵引力和制动力；

25、所述导向装置包括导向臂和导向轮，所述导向臂一端与框架梁连接，另一端与导向轮连接，所述导向轮沿导轨的侧壁设置；所述导向轮与导向臂之间设有弹簧结构，用于将导向轮与导轨压力接触；

26、所述车身平台通过二系悬挂设置在框架梁上。

27、优选的，所述车身平台上设有激振装置和配重块；

28、所述激振装置用于模拟磁浮列车的横向振动和/或竖向振动；

29、所述配重块的质量根据车轨桥耦合振动缩尺试验的静荷载大小以及缩尺比例计算取值。

30、优选的，所述数据采集系统包括位移传感器、加速度传感器、高速摄像机和工作主机；

31、所述位移传感器、加速度传感器和高速摄像机均与工作主机连接；所述高速摄像机设置于桥梁模型的一侧，用于记录车辆模型运行通过时轨道和桥梁模型的力学状态；所述位移传感器安装于轨道模型的轨枕上表面和轨道梁跨中下表面，用于收集位移数据；所述加速度传感器设置于车辆模型的框架梁上、轨道模型的轨枕上以及轨道梁的上表面，用于收集加速度数据。

32、本发明的第二目的在于提供一种磁浮车轨桥耦合振动缩尺试验方法，使用如上所述的一种磁浮车轨桥耦合振动缩尺试验装置进行试验，包括如下步骤：

33、试验开始前，确定实际磁浮列车的荷载和运行速度；

34、确定磁浮桥梁结构和磁浮列车的实际尺寸与缩尺试验装置的几何相似系数，得到车辆模型的运行速度；

35、根据相似原理得到缩尺试验装置的体积相似系数和静荷载；

36、确定动荷载的幅值和频率，由激振装置提供动荷载部分；

37、确定试验坡度，通过坡度调节系统将试验装置调整至预定坡度；

38、调整车辆模型的配重块重量，使车辆模型达到静荷载，并设定激振器的振动幅值和频率；

39、开始实验，通过数据采集系统收集桥梁和轨道的动力响应、动应变、动挠度和振动加速度，分析桥梁模型和轨道模型的自振频率、阻尼系数和振型。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、（1）本发明的磁浮车轨桥耦合振动缩尺试验装置的缩尺试验装置结构设计合理，符合真实磁浮轨道结构及桥梁结构特点，配合高精度轨道模型和可调坡度的桥梁模型，实现实验室内对各种坡度特别是大坡度磁浮车-轨-桥耦合振动的真实复现。通过坡度调节系统和适用于磁浮轨道的车辆模型，可以便捷高效地设置不同的线路坡度、车辆的运行速度、荷载幅值和频率等实验参数，以此全面地获取不同坡度、不同磁浮荷载激励下的磁浮轨道和桥梁动力学缩尺实验数据，结合振动力学分析方法即可建立起磁浮车-轨-桥耦合动力学评价标准。

42、（2）本发明中提供的车辆模型针对磁浮轨道结构设计，能够主动提供移动激励荷载，将车体荷载均匀地传递到磁浮轨道上，符合实际磁浮车辆荷载特点，而且避免了复杂的电磁悬浮、导向机构，提高耦合振动试验效率。列车静荷载大小可以通过调节车身平台上配重块数量进行调整，动荷载可通过车辆模型上的电磁式惯性激振器产生，振动参数可以通过控制系统进行控制。从而较为真实地模拟移动磁浮列车对磁浮轨道及桥梁结构的激励，以研究带有坡度的磁浮轨道和桥梁结构的动力特性，且具有试验成本低、试验过程简单的优点，方便重复试验。

43、（3）通过本发明中的试验方法，同时使用本发明的试验装置，能够真实准确地模拟移动磁浮列车运行状态下车-轨-桥的耦合振动，可以调节坡度模拟不同坡度段的磁浮线路，特别是适用于大坡度段磁浮车-轨-桥耦合振动试验研究，可以便捷高效地得到更真实准确和全面的试验数据。

44、通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。