基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺的製作方法

2023-09-15 14:31:25

專利名稱：基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種軌道隔振試驗平臺，具體涉及一種基於磁流變技術的列車軌道隔振多功能試驗平臺。
背景技術：
地鐵這一交通工具的使用已成為解決日益嚴重的城市交通擁堵問題的有效手段，但是地鐵列車運行所產生的低頻振動和噪聲也對人們的工作和生活造成了嚴重的影響。目前，浮置板軌道結構隔振是降低地鐵軌道振動和噪聲的最為有效的方法，它將混凝土道床板浮置在多個隔振器上，利用浮置板的大質量慣性來平衡列車運行引起的動荷載，採用的隔振器一般分為橡膠和鋼彈簧兩類，從結構上來說都屬於被動隔振器，即相關參數值在生產後就不可調。但在現實中，地鐵不同路段所需隔振器的最佳參數值是不盡相同的，在同一位置不同激振條件下隔振器所需的最佳參數值也不相同，且被動隔振器類浮置板對頻率低於15Hz左右的振動卻表現得無能為力。因此，採用被動隔振器的浮置板難以在較寬的低頻範圍內實現軌道振動的隔振降噪。目前，與地鐵輪軌振動及隔振研究相關的試驗方法主要有:在真實的浮置板上，用電動機帶動一個偏心裝置來產生激振力以驅動浮置板振動，用鋼彈簧做隔(減)振器，但這種試驗裝置一次性安裝，振動源的安裝位置不能改變，隔(減)振器也不能更換，功能單一，主要用於測試軌道振動給環境造成的影響；或採用一比一列車軌道，通過軌道下面的激振設備來模擬輪軌運行產生的振動，主要是用於對車輛性能進行測試；也有採用減振器測試平臺，主要用於測試單個隔/減振器的各種性能，不能對浮置板整個系統進行測試。目前，磁流變智能材料已廣泛應用於車輛、建築、振動控制等領域。磁流變液和磁流變脂可由磁場控制其流變性，從而改變其器件阻尼值；磁流變彈性體可由磁場改變其彈性特性，從而改變其剛度值。利用磁流變材料作為軌道隔振器，可以根據地鐵運行情況和環境隔振要求，實時調整隔振隔振器的阻尼(力)和剛度，克服了被動隔振器參數在寬頻範圍不可實時調整的缺點。目前，基於磁流變隔振器的浮置板軌道平臺還存在許多問題，如隔振器布置方式、參數優化和控制策略設計等，如果用實際的地鐵軌道來研究這些問題不僅耗費龐大，而且試驗操作十分困難；而現有的測試平臺都只是針對某些特定方面，不能同時把浮置板和隔振器作為一個整體進行測試、控制和評價。

發明內容
本發明的目的是提供一個基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺及測控評價技術，該平臺主要由浮置板軌道振動多功能模擬平臺和浮置板軌道隔離多功能測試控制與評價平臺組成。通過這個平臺，可以方便地進行相應的試驗來研究參數優化方案、最佳控制策略和方式、隔振器布置、磁流變阻尼調節範圍及最優值等問題，為磁流變隔振系統在軌道結構振動控制工程應用領域奠定基礎。為實現上述目的本發明採用的技術方案如下:基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺，包括軌道振動模擬發生器、浮置板模擬平面、磁流變隔振器、道床模擬平面、位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器、控制器、模擬軌道及磁流變隔振器驅動電源，其中所述模擬軌道固定在浮置板模擬平面上方，在模擬軌道上安裝若干個軌道振動模擬發生器，用來模擬軌道振動引起的浮置板振動；所述浮置板模擬平面下方安裝若干個磁流變隔振器，用來隔減浮置板的振動，在每個磁流變隔振器下端與道床模擬平面之間設置力傳感器，用來測試振動力；在浮置板模擬平面上方或下方安裝若干個位移傳感器和加速度傳感器；所述控制器分別與位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器和軌道振動模擬發生器連接，控制器還通過磁流變隔振器驅動電源與磁流變隔振器連接；控制器對所述試驗平臺模擬的若干種工況下的浮置板模擬平面的振動進行測試和控制。所述控制器對所述試驗平臺模擬的若干種工況下的浮置板模擬平面的振動進行測試和控制的步驟包括:控制器輸出激振力信號控制軌道振動模擬發生器產生振動，並帶動整個浮置板模擬平面振動；位移傳感器、加速度傳感器和力傳感器分別檢測振動位移、測振動加速度和浮置板模擬平面傳遞到道床模擬平面上的力，並將檢測到的各個信號傳遞到控制器；控制器對各個信號進行計算得到反饋信號，將該反饋信號輸入磁流變隔振器驅動電源後，再輸出勵磁電流給磁流變隔振器，磁流變隔振器通過調節阻尼來減小浮置板模擬平面的振動。本發明基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺可分為浮置板振動多功能模擬平臺以及浮置板軌道振動隔離多功能測控和評價平臺。浮置板軌道振動多功能模擬平臺的主要功能部件如下:
軌道振動模擬發生器是由一個或多個變頻振動電機模擬列車輪軌引起的振動，以給浮置板模擬平面提供一個或多個的多向、多主頻、多振幅的複雜振動激勵源。浮置板模擬平面通過調整浮置板長度、磁流變隔振器安裝位置及數量來模擬長型和短型浮置板，並通過改變浮置板模擬平面的個數、改變模擬軌道的安裝位置(居中安裝模擬直道、靠邊安裝模擬彎道)和改變軌道振動模擬發生器的安裝位置(在模擬軌道上居中安裝模擬直道，兩端安裝模擬坡道)，來模擬列車行駛在彎道、直道和上下坡等情況下所產生的浮置板模擬平面多自由度複雜振動情況；還可以在多浮置板情況下，通過把軌道振動模擬發生器安放在不同位置，改變軌道振源的激勵作用點及激勵次序(即在控制器輸出激振力信號時，控制各個軌道振動模擬發生器的振動次序)，模擬列車移動載荷通過浮置板模擬平面的振動情況。將所述試驗平臺上安裝的磁流變隔振器更換為被動隔振器或半主動隔振器，通過試驗平臺的試驗得出被動隔振器或半主動隔振器的隔振性能，也便於對比各種被動、半主動隔振器的隔振性能。在浮置板軌道振動隔離多功能測控和評價平臺中，組合運用了(位移、加速度、力)傳感器、隔振器、控制器與評價器。其中，控制器中採用多種參數優化和控制策略方案，根據多自由度系統振動理論及隔振技術將各個傳感器傳遞來的信號經過相應的計算和處理後，可以得到軌道多磁流變隔振器系統在複雜輪軌激振下各隔振器的最佳參數範圍和控制值；磁流變隔振器驅動電源，通過控制器計算出的各支承點對應的控制參數信號來計算出磁流變隔振器驅動電流，再輸入給各個磁流變隔振器產生磁流變效應後以獲得對應的輸出阻尼(力)值。
浮置板軌道振動隔離評價平臺能根據採用不同隔振器後測試的軌道平臺數據(位移、加速度、力、時間等)，採用振動評價理論，對不同優化算法和控制策略的半主動隔振器的隔振耗能效果作出評價，對比計算分析出各種被動隔振器、半主動隔振器的隔振效果以及整個浮置板軌道系統在複雜激振下的最佳隔振效率。本發明的技術方案產生的有益技術效果有:在平臺中，浮置板長度、隔振器類型及位置、激振源位置及作用次序等均可根據需要進行調整，能夠模擬列車行駛在彎道、直道和上下坡等情況下所產生的多向、多主頻、多振幅的複雜振動激勵及浮置板軌道多自由度複雜振動系統；通過各類傳感器、隔振器、測控器與評價器的組合運用，可以得到軌道多隔振器系統在複雜輪軌激振下最佳的參數優化算法和控制策略，還可對各種隔振器系統的隔振性能作出對比評價。因此，本平臺集軌道被動隔振、半主動隔振與軌道測控與評價於一體，具有功能多、兼容性和可拓展性強、設計合理等優點，能夠有效完成基於磁流變技術的軌道振動隔離多功能試驗，可為提高地鐵軌道先進隔振平臺技術提供有力支撐。


圖1為本發明基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺的結構示意 圖2為振動源模擬示意 圖3為列車移動載荷模擬示意 圖4為本發明基於磁流變技術的軌道隔振測控與評價系統結構框圖。
具體實施例方式如圖1所示，基於磁流變技術軌道隔振多功能試驗平臺主要包括軌道振動模擬發生器3、模擬軌道10、浮置板模擬平面2、磁流變隔振器8、道床模擬平面1、位移傳感器5、加速度傳感器4、力傳感器9、控制器6及磁流變隔振器驅動電源7。軌道振動模擬發生器3安裝在模擬軌道10上，模擬軌道10、位移傳感器5和加速度傳感器4安裝在浮置板模擬平面2上。運行時，軌道振動模擬發生器3帶動整個浮置板模擬平面2、加速度傳感器4和位移傳感器5 —起振動，用來模擬地鐵浮置板軌道在各種工況下的振動，加速度傳感器4和位移傳感器5用來檢測浮置板模擬平面2的振動位移和振動加速度。磁流變隔振器8上端安裝到浮置板模擬平面2下面，下端和力傳感器9連接，力傳感器9再固定安裝在道床模擬平面I上。運行時磁流變隔振器8通過變化阻尼(力)來減小浮置板模擬平面2的振動，力傳感器9則用來檢測浮置板模擬平面2傳遞到道床模擬平面I上的力。磁流變隔振器8可以在浮置板模擬平面2下方多個位置安裝，如圖1中虛線所示；即通過調整隔振器數量、位置和浮置板長度來分別模擬長型或者短型浮置板。磁流變隔振器8在未施加驅動電流時，隔振器內部的阻尼(力)不變，當施加一個一定範圍內電流後，隔振器內部通過磁流變效應產生相應的阻尼(力)。在一定範圍內，勵磁電流越大產生的阻尼(力)就越大，通過控制勵磁電流的大小就能控制磁流變隔振器8的阻尼(力)的大小。此外，磁流變隔振器8可以用其它隔振器替換，能進行多種被動隔振器、半主動隔振器的隔振性能的對比試驗。如圖2所示，軌道振動模擬發生器3通過安裝螺孔後與模擬軌道10相連，模擬軌道10再通過底面的螺孔與道床模擬平面I相連。道床模擬平面上I上有若干個可供不同需要安裝模擬軌道10的螺孔，如圖中虛線所示，軌道振動模擬發生器3可以在浮置板模擬平面2上有若干個安裝位置，且可以安裝多臺。根據軌道模擬振動發生器3安裝位置和臺數的變化能提供單頻、雙頻、多頻和多振幅激勵力和多自由度的振動，能模擬軌道在不同工況下的複雜振動情況。如圖3所示，浮置板模擬平面2可以按直線排列形式來模擬一定長度的浮置板軌道，通過改變第一個到第N個浮置板模擬平面上的軌道振動模擬發生器激勵次序，可模擬地鐵列車通過浮置板的情況，用以研究移動載荷下磁流變浮置板隔振。如圖4所示，在浮置板軌道振動隔離多功能測控和評價平臺中，通過界面11中輸入相應的一個或者多個激振力(頻率、相位、振幅可調)，控制器6就控制軌道振動模擬發生器3產生振動激勵信號，振動傳遞到浮置板模擬平面2後整個浮置板模擬平面2就振動起來，位移傳感器5、加速度傳感器4和力傳感器9將檢測到的相應信號傳遞給控制器6，控制器6通過內部存儲的不同參數優化算法和控制策略計算得到相應的反饋信號，該信號輸入磁流變隔振器驅動電源8後就輸出相應的勵磁電流傳遞給磁流變隔振器7，磁流變隔振器7通過調節阻尼來減小浮置板模擬平面2的振動。位移傳感器5、加速度傳感器4和力傳感器9將檢測到的隔振後的信號傳遞給控制器6，控制器6將得到的一系列參數經過分析和處理，在界面11上顯示出相應的關係曲線和隔振前後數據圖表對比，並作出相應的評價等。控制器6是多功能的控制器，有多種參數優化算法和控制策略程序可以選擇，運用的算法包括:數學規範、模糊計算、遺傳算法、粒子群優化算法和蟻群算法等。在不同的激振工況環境下，通過選擇不同參數優化算法來獲得不同的隔振效果，以此來尋求工況下最優的參數優化方案；並可在不同的激振工況環境下對比不同控制策略的隔振效率，尋求最佳的控制方法；同時通過分析和處理得到的一系列關係曲線和數據圖表，通過關係曲線和數據圖表來評價各種隔振器參數優化算法和平臺隔振控制方法的效果。在浮置板軌道振動隔離多功能測控和評價平臺上，用複雜的振動激勵情況下，以力、加速度和位移作為輸入，以浮置板傳遞到地面的力最小為目標，採用智能算法進行在線的參數優化和匹配，得到磁流變隔振器的最佳阻尼範圍，並可在特定的激勵情況下得到各個磁流變隔振器的最佳控制阻尼值。在浮置板軌道振動隔離多功能測控和評價平臺上，使用相同振源作用，對使用被動隔振器和半主動隔振器的隔振效果作出評價；在相同振源情況下，對不同優化算法和控制策略的半主動隔振器的隔振效果作出評價。在浮置板軌道振動隔離多功能測控和評價平臺上，使用相同振源作用，對基於不同結構和不同磁流變材料隔振器的平臺振動響應時間和隔振性能(力傳遞率)作出評價。應當指出，以上所述具體實施方式
可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明創造，但不以任何方式限制本發明創造。因此，儘管本說明書參照附圖和實施例對本發明創造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明創造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發明創造的精神和範圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明創造專利的保護範圍當中。
權利要求
1.基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺，其特徵在於:包括軌道振動模擬發生器(3)、浮置板模擬平面(2)、磁流變隔振器(8)、道床模擬平面(I)、位移傳感器(5)、加速度傳感器(4)、力傳感器(9)、控制器(6)、模擬軌道(10)及磁流變隔振器驅動電源(7)，其中所述模擬軌道(10 )固定在浮置板模擬平面(2 )上方，在模擬軌道(10 )上安裝若干個軌道振動模擬發生器(3);所述浮置板模擬平面(2)下方安裝若干個磁流變隔振器(8)，在每個磁流變隔振器(8)下端與道床模擬平面(I)之間設置力傳感器(9);在浮置板模擬平面(2)上方或下方安裝若干個位移傳感器(5)和加速度傳感器(4)； 所述控制器(6)分別與位移傳感器(5)、加速度傳感器(4)、力傳感器(9)和軌道振動模擬發生器(3)連接，控制器(6)還通過磁流變隔振器驅動電源(7)與磁流變隔振器(8)連接；控制器(6)對所述試驗平臺模擬的若干種工況下的浮置板模擬平面(2)的振動進行測試和控制。
2.根據權利要求1所述基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺，其特徵在於:所述控制器(6)對所述試驗平臺模擬的若干種工況下的浮置板模擬平面(2)的振動進行測試和控制的步驟包括:控制器(6)輸出激振力信號控制軌道振動模擬發生器(3)產生振動，並帶動整個浮置板模擬平面(2)振動；位移傳感器(5)、加速度傳感器(4)和力傳感器(9)分別檢測振動位移、測振動加速度和浮置板模擬平面(2)傳遞到道床模擬平面(I)上的力，並將檢測到的各個信號傳遞到控制器(6);控制器(6)對各個信號進行計算得到反饋信號，將該反饋信號輸入磁流變隔振器驅動電源(7)後，再輸出勵磁電流給磁流變隔振器(8)，磁流變隔振器(8)通過調節阻尼來減小浮置板模擬平面(2)的振動。
3.根據權利要求1或2所述基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺，其特徵在於:所述試驗平臺模擬的若干種工況包括列車行駛在彎道、直道和上下坡情況下的浮置板模擬平面(2)的振動。
4.根據權利要求3所述基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺，其特徵在於:所述若干種工況是通過改變浮置板模擬平面(2)的個數、排列方式以及磁流變隔振器(8)安裝的數量和位置來實現的。
5.根據權利要求2所述基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺，其特徵在於:所述控制器(6)輸出激振力信號時，控制各個軌道振動模擬發生器(3)的振動次序，模擬出列車移動載荷通過浮置板模擬平面(2)的振動情況。
6.根據權利要I或2所述基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺，其特徵在於:將所述試驗平臺上安裝的磁流變隔振器(8)更換為被動隔振器或半主動隔振器，通過試驗平臺的試驗得出被動隔振器或半主動隔振器的隔振性能。
全文摘要
本發明公開了一種基於磁流變技術的軌道隔振多功能試驗平臺，包括軌道振動模擬發生器、浮置板模擬平面、磁流變隔振器、道床模擬平面、位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器、控制器、模擬軌道及磁流變隔振器驅動電源，該平臺通過調整多個浮置板連接方式和改變隔振器支承數量及位置來模擬浮置板軌道多自由度振動系統，用軌道模擬振動發生器帶動浮置板模擬平面振動，模擬浮置板軌道振動的多向、多主頻和多振幅運行工況，並通過各類傳感器、隔振器、測控與評價器的組合，採集各種振動數據後，由控制器計算和控制，調節磁流變隔振器的阻尼，減小軌道平臺整體系統的振動，並針對不同隔振方式提出了浮置板軌道被動隔振和磁流變半主動隔振效果的評價技術。
文檔編號G01M99/00GK103149048SQ20131011291
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月2日 優先權日2013年4月2日
發明者李銳, 張 雄, 杜鵬飛, 馮輝宗, 田於財, 徐文韜 申請人:重慶郵電大學