轨道路基动力响应原位试验系统及其试验技术研究

高速铁路是我国铁路建设的主要发展方向，而轨道路基动力响应试验技术的不足已严重制约了高速铁路路基研究的发展，发展轨道路基动力响应试验技术具有重要理论意义和实用价值。融合岩土力学、工程振动力学、液压传动与控制、自动控制与信息科学的理论与方法，采取理论分析、数值模拟、室内外试验与工程设计相结合的手段，深入研究列车荷载作用规律和路基动力响应规律，确定原位激振装置的合理指标体系及仪器构架。探讨不同类型列车荷载准确转换为相应液压激振控制信号的解释算法，开发主动受控液压激振伺服缸，发展激振器动力单元的高频响技术，研究基于模型跟随自适应控制的电液伺服激振装置波形跟踪技术。在此基础上，开发一套可模拟列车荷载、实现轨道路基动力响应试验的原型试验系统，同时编制相应的试验控制与数据采集软件，并建立相应的试验技术。通过模拟试验，验证试验系统的有效性与可靠性。为高速铁路路基动力响应与稳定性研究提供有效工具。

本项目以研发一套可模拟列车荷载、实现轨道路基动力响应的原型试验系统为目标，结合岩土力学、工程振动力学、液压传动与控制、自动控制与信息科学的理论与方法，综合应用自动控制技术、液压技术、传感器技术、数据采集技术和管理信息系统技术等先进手段和方法，研发可模拟列车荷载的原位激振装置，构建轨道路基动力响应试验系统。具体工作如下：.开展了高铁列车荷载作用下地基动力响应研究，分析了重塑红黏土的静力特性和动力特性，阐明了不同条件下重塑红黏土疲劳动强度及累积塑性应变的发展规律。提出了基于双曲线临界状态线的改进剑桥模型和改进边界面动力本构模型，并在FLAC3D软件中开发了相应的程序；进而利用提出的本构模型，开展了高速列车荷载作用下重塑红黏土地基动力响应数值模拟研究，阐明了列车荷载作用规律和路基动力响应规律，确定原位激振装置的合理指标体系及仪器构架。.研究并设计制造了一种主动受控的、大推力、低摩擦、高频响，具有静压和动压输出的激振伺服液压缸：静压由比例阀控制，用于模拟轨道路基静载荷；动压由电液伺服阀控制，通过切换压力伺服阀或流量伺服阀，分别构成力或位置闭环系统，输出可控波形，模拟列车动载荷，以满足轨道路基动力响应试验的要求。.运用计算流体力学软件和有限元软件对液压激振伺服缸进行建模仿真。通过Fluent建立伺服液压缸活塞与缸筒配合副、活塞杆与端盖配合副处微流动模型，对微流场中液压油速度、压力分布进行仿真分析，提出合理配合间隙。.运用液压动力系统仿真技术对伺服阀控缸式液压激振系统进行建模分析。采用Simulink软件建立液压激振系统动力学模型，分析影响动力单元频响的主要参量，优化激振伺服缸、伺服阀及管网的最佳匹配参数。.采用仿真与试验相结合的方法研究电液伺服激振装置激振波形精确跟踪问题。运用Matlab软件开发模形跟随自适应(AMFC)的控制模型和软件算法，对电液伺服激振系统进行控制仿真和实验研究，根据波形跟踪实验效果，修改和完善控制策略和控制参数，实现项目目标控制精度。.基于以上理论分析和研究成果，生产制造了地基原位激振伺服液压缸及相应试验装备，进行了验证试验。试验结果表明，所设计的激振液压缸摩擦力小，响应速度高，采用的AMFC控制算法能准确的跟踪输入信号，最高输出频率达40Hz，静压缸能输出200kN，动压缸能输出±100kN，完全满足设计要求。