一種慣性式路基激振裝置的研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定

崔穎輝，羅 強(qiáng)，馮桂帥，王騰飛

(1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

路基是鐵路線(xiàn)路工程重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,承受上部軌道結(jié)構(gòu)荷載和列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的動(dòng)力作用[1]。提升列車(chē)運(yùn)行速度將大幅增加路基受荷頻率[2],加劇路基短時(shí)動(dòng)力響應(yīng)與長(zhǎng)期累積變形,帶來(lái)疲勞破壞、過(guò)量沉降等長(zhǎng)期服役問(wèn)題,對(duì)線(xiàn)路運(yùn)行品質(zhì)產(chǎn)生影響[3]。

列車(chē)荷載作用下,軌道-路基系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)特性和耐久性評(píng)估是鐵路路基工程的關(guān)鍵問(wèn)題之一[4]。理論模型[5]、數(shù)值仿真[6]等方法被廣泛用于探究軌道-路基系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)、路基在列車(chē)動(dòng)荷載作用下的累積變形[7]等問(wèn)題。同時(shí),開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)[8]、原位測(cè)試等工作為理論與數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支持。原位試驗(yàn)一般有兩種類(lèi)型:實(shí)車(chē)條件下路基結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和路基建設(shè)期模擬列車(chē)荷載作用的激振試驗(yàn)。通過(guò)開(kāi)展原位試驗(yàn),分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),有助于客觀評(píng)價(jià)路基服役性能,為路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造提供參考。

目前,已對(duì)水泥改良膨脹土路基[9]、石灰穩(wěn)定風(fēng)化紅層泥巖路基[10]、高速鐵路路基半剛性防水功能層[11]、硅藻土路塹防排水基床[12]、樁板結(jié)構(gòu)[13]等開(kāi)展了路基原位激振試驗(yàn)研究,大部分試驗(yàn)借助激振裝置模擬列車(chē)動(dòng)載及軌道自重。已有研究主要關(guān)注路基動(dòng)力特性與工作特性,而對(duì)路基激振裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)關(guān)注較少。

為此,對(duì)激振設(shè)備和路基工程中已有的激振裝置資料進(jìn)行調(diào)研,選用雙軸慣性式振動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源,自主研制一種便攜式路基激振裝置ISV400,并對(duì)不同技術(shù)參數(shù)配置(供電頻率、偏心片和配重塊數(shù)量)下的輸出荷載(激振頻率、峰-谷值和谷值應(yīng)力)進(jìn)行標(biāo)定,分析激振頻率和激振力變化規(guī)律,最終提出滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)測(cè)需求的設(shè)備配置方法。研究成果有助于完善新型路基激振裝置的研發(fā)。

1 路基激振設(shè)備調(diào)研分析

1.1 激振設(shè)備的分類(lèi)及特點(diǎn)

激振器是一種對(duì)被測(cè)系統(tǒng)施加預(yù)定激振力,引起被測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)的機(jī)械設(shè)備,其按工作原理分類(lèi),常見(jiàn)的有慣性式、電磁式和液壓式。

1) 慣性式激振器

慣性式激振器利用偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力提供激振力,見(jiàn)圖1(a)。兩只轉(zhuǎn)軸平行布置且反向等速旋轉(zhuǎn)的雙軸式激振器,水平方向合力為零,豎向激振力Fv以簡(jiǎn)諧規(guī)律變化,即

圖1 慣性式和電磁式激振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[14,15]

Fv=mω12e1sinω1t

( 1 )

式中:m為偏心片質(zhì)量;ω1為偏心塊旋轉(zhuǎn)角速度;e1為偏心塊偏心距;t為偏心塊旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

慣性式激振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠且維修方便,應(yīng)用較為廣泛,但其荷載輸出類(lèi)型僅限簡(jiǎn)諧荷載,長(zhǎng)期使用累積的機(jī)械磨損會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。技術(shù)性能方面,激振力可達(dá)數(shù)百kN,頻率一般不超過(guò)50 Hz。

2) 電磁式激振器

此類(lèi)利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生振動(dòng),核心部件為勵(lì)磁線(xiàn)圈和可動(dòng)線(xiàn)圈,見(jiàn)圖1(b)。直流電通入勵(lì)磁線(xiàn)圈,中心磁極周邊形成磁場(chǎng),動(dòng)圈通入交流電后受到電磁力Fem作用,驅(qū)動(dòng)振動(dòng)桿振動(dòng),Fem計(jì)算式為

Fem=BLImsinω2t

( 2 )

式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;L為動(dòng)圈有限長(zhǎng)度;Im為交流電幅值;ω2為交流電圓頻率。

電磁式激振器需搭配信號(hào)發(fā)生器、功率放大器組成激振系統(tǒng),結(jié)構(gòu)比慣性式激振器復(fù)雜,且采用電信號(hào)驅(qū)動(dòng),可輸出簡(jiǎn)諧、脈沖、隨機(jī)等多種荷載,激振力和頻率的調(diào)節(jié)較便捷。技術(shù)性能方面,激振力一般僅為數(shù)kN,頻率最高可達(dá)104Hz。

3) 液壓式激振器

通過(guò)控制流體的壓力、流向,液壓式激振器可將高壓油液的流動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞桿的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。典型的液壓激振系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、油路系統(tǒng)和作動(dòng)器等。其中,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器搭配信號(hào)發(fā)生器和功率放大器組成,油路系統(tǒng)由功率閥、控制閥等多級(jí)控制設(shè)備調(diào)控。

液壓式激振器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障類(lèi)型多樣,維修難度高,使用場(chǎng)景以室內(nèi)居多;由于可采用閉環(huán)控制,易實(shí)現(xiàn)多臺(tái)作動(dòng)器同步運(yùn)行或相位精確控制;內(nèi)置電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保證了激勵(lì)信號(hào)的豐富性與輸出調(diào)控的便捷性。技術(shù)性能方面,激振力一般可達(dá)數(shù)千kN,頻率一般不超過(guò)10 Hz。

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理存在差異,各型激振器工作性能也有差別,其常見(jiàn)類(lèi)型的技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。表1中,相關(guān)數(shù)值僅反映量級(jí)水平。

表1 各型激振設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 激振設(shè)備在路基工程中的應(yīng)用

中國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家開(kāi)展過(guò)路基激振設(shè)備的研發(fā)及工程應(yīng)用,無(wú)一例外均采用慣性激振方案,其設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。表2中,PRIT、ZSS50的工作面為軌面,需待軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)完畢后方可開(kāi)展試驗(yàn);其余設(shè)備工作面為路基面或路基結(jié)構(gòu)層表面,DTS-1、SBZ60在試驗(yàn)前需根據(jù)模擬需求單獨(dú)設(shè)計(jì)鋼筋混凝土底座。

表2 路基原位激振現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

2 激振裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制原理

開(kāi)展路基原位激振試驗(yàn),主要考察激振器的激振力和激振頻率?；阼F路路基實(shí)際工況分析試驗(yàn)?zāi)M需求,最大激振力按列車(chē)軸重15～20 t考慮;激振頻率按車(chē)速350 km/h和車(chē)長(zhǎng)25 m計(jì)算,其上限為4倍的過(guò)車(chē)頻率[24],約15.6 Hz。在此量級(jí)上,電磁式激振器激振力較低,液壓式激振器激振頻率不足,慣性式激振器激振力和激振頻率均大致滿(mǎn)足試驗(yàn)需求,且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便,是路基原位激振設(shè)備研制的優(yōu)選?；谠O(shè)備性能和試驗(yàn)需求的綜合考量,現(xiàn)有設(shè)備均采用慣性式激振器作為振動(dòng)源。

現(xiàn)有路基激振設(shè)備為大型試驗(yàn)設(shè)備,體積和自重較大,難以在狹小或軟弱場(chǎng)地開(kāi)展試驗(yàn),安裝、調(diào)試及運(yùn)輸也并不便捷。因此,研發(fā)小體量路基原位激振裝置,使試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便,對(duì)提升運(yùn)輸效率、拓展設(shè)備工程應(yīng)用場(chǎng)景和范圍具有積極意義。

2.1 激振裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

路基原位激振裝置ISV400由西南交通大學(xué)自主研制,主要由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、荷重機(jī)構(gòu)和防護(hù)機(jī)構(gòu)組成,技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 ISV400技術(shù)參數(shù)

1) 動(dòng)力機(jī)構(gòu)由1臺(tái)雙軸式三相異步振動(dòng)電機(jī)(ZWE-20)和變頻器(A90-4T5R6B)組成,變頻器可通過(guò)控制電機(jī)供電頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)2只轉(zhuǎn)軸基于自同步原理[25]實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行,轉(zhuǎn)軸每端最多掛載10片偏心片,各端偏心片掛載數(shù)量保持一致。

2) 荷重機(jī)構(gòu)位于動(dòng)力機(jī)構(gòu)下方,由上至下依次為內(nèi)框架、配重塊和加載板。內(nèi)框架上下兩端利用螺栓與電機(jī)和加載板固接,內(nèi)部設(shè)有8個(gè)配重格室(上、下各2層,每層4個(gè)),每格室可安裝25塊配重。矩形配重塊由10 mm厚鋼板切割而成,調(diào)節(jié)設(shè)備配重按4塊1組同時(shí)增減。加載板由上、下2塊圓形鋼板焊接而成,上板與內(nèi)框架固定,下板作用于路基結(jié)構(gòu)層表面。

3) 防護(hù)機(jī)構(gòu)位于荷重機(jī)構(gòu)外圍,包括外框架、滑輪和沙袋。外框架通過(guò)地釘與路基結(jié)構(gòu)層錨固,外側(cè)堆沙袋防傾倒,滑輪與內(nèi)框架預(yù)留一定緩沖間距。振動(dòng)電機(jī)與荷重機(jī)構(gòu)組合體是ISV400的可動(dòng)部件,荷載經(jīng)內(nèi)框架傳遞由加載板施加給路基結(jié)構(gòu)層。

DYSTAFIT、SBZ60和DTS-1等大型激振設(shè)備的工作面為路基面,且加載板面積較大,應(yīng)力影響范圍涵蓋路基深度,測(cè)試對(duì)象為整體路基結(jié)構(gòu)。區(qū)別于已有設(shè)備,ISV400加載板面積較小,主要用于淺表測(cè)試,測(cè)試對(duì)象為路基結(jié)構(gòu)層,工作面為各結(jié)構(gòu)層表面,不限于路基面。便攜性以及對(duì)狹小、軟弱場(chǎng)地的適應(yīng)性是ISV400區(qū)別于已有設(shè)備的突出優(yōu)勢(shì)。

2.2 激振裝置輸出調(diào)控

ISV400激振力輸出指標(biāo)為加載板板底應(yīng)力σ,理論的激振力典型波形曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。圖2中,σs為靜態(tài)荷載;σc為動(dòng)態(tài)荷載幅值;σp為激振力峰值;σv為激振力谷值,σd為激振力峰-谷值。

σs源于ISV400可動(dòng)部件的凈重,其表達(dá)式為

σs=msg/S

( 3 )

式中:ms為包括電機(jī)和荷重機(jī)構(gòu)在內(nèi)的可動(dòng)部件總質(zhì)量,kg;g為重力加速度;S為加載板面積。

σc來(lái)自偏心片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力,其幅值表達(dá)式為

σc=mcω2e

( 4 )

式中:mc為偏心質(zhì)量,kg;ω為偏心片旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;e為偏心距,m。

σs疊加σc后,可得激振力曲線(xiàn)的峰值σp和谷值σv,其表達(dá)式分別為

σp=σs+σc=msg/S+mcω2e

( 5 )

σv=σs-σc=msg/S-mcω2e

( 6 )

開(kāi)展路基原位動(dòng)測(cè),σv模擬軌道及上覆路基結(jié)構(gòu)層自重,σp與σv的差值σd(峰-谷值)模擬列車(chē)運(yùn)行引起的路基動(dòng)應(yīng)力,其表達(dá)式為

σd=σp-σv=2σc=2mcω2e

( 7 )

電機(jī)激振頻率fout與其實(shí)際轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為

fout=n/60

( 8 )

三相異步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n略低于同步轉(zhuǎn)速n0,其關(guān)系為

n=n0(1-s)

( 9 )

n0=60fin/p

(10)

式中:s為轉(zhuǎn)差率,取值范圍一般為1%～6%;fin為經(jīng)變頻器調(diào)頻后輸入電機(jī)的供電頻率,Hz;p為電機(jī)極對(duì)數(shù)量,數(shù)值上為極數(shù)的1/2。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)頻率為50 Hz,將電網(wǎng)交流電通入變頻器后供給振動(dòng)電機(jī),即可通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)供電頻率fin,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。變頻器調(diào)頻實(shí)行下調(diào)模式,則由式 ( 8 )～式 (10)可知,四極電機(jī)fout可調(diào)區(qū)間為0～25 Hz。

由式( 7 )可知,σd與σc有關(guān)。激振裝置可通過(guò)mc或ω調(diào)控σd,實(shí)現(xiàn)手段分別對(duì)應(yīng)增減偏心片數(shù)量Nc和調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n,滿(mǎn)足式 (11)、式 (12),而n則需由變頻器調(diào)節(jié)fin實(shí)現(xiàn)。

mc=Ncmc0

(11)

ω=πn/30

(12)

式中:m0為單只偏心片質(zhì)量,kg。

式( 6 )表明,σv與σs和σc均有關(guān),除控制Nc和fin外,還可通過(guò)增減配重塊數(shù)量Na調(diào)節(jié)可動(dòng)部件總質(zhì)量ms進(jìn)行調(diào)控。

ms=me+mc+Nama0

(13)

式中:me為可動(dòng)部件除偏心片和配重塊外的總質(zhì)量,kg;ma0為單塊配重質(zhì)量,kg。

綜上,激振頻率fout、峰-谷值應(yīng)力σd和谷值應(yīng)力σv同時(shí)受電機(jī)供電頻率fin調(diào)控,改變Nc同時(shí)影響σd、σv,Na獨(dú)立調(diào)節(jié)σv。

3 標(biāo)定試驗(yàn)方案

3.1 測(cè)試設(shè)備

標(biāo)定試驗(yàn)場(chǎng)地位于某高速鐵路路基施工現(xiàn)場(chǎng),激振裝置工作面以下為整體性良好的弱風(fēng)化紅層泥巖路塹。測(cè)試設(shè)備包括德國(guó)imc數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)、荷重傳感器及標(biāo)定板,見(jiàn)圖3。數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)并進(jìn)行存儲(chǔ),可處理信號(hào)頻率最高為105Hz,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的采樣頻率為103Hz。標(biāo)定板介于加載板和路塹面之間,由上、下板組成,兩板直徑均為300 mm,厚度10 mm。3支QLMH-P型荷重傳感器安裝于兩板之間,空間上互成120°分布。傳感器量程2 t,精度6 kg,分辨率2 kg,靈敏度2 mV/V。激振力通過(guò)標(biāo)定板和傳感器組合體進(jìn)行測(cè)試,相對(duì)于傳感器測(cè)試值的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.139 kPa/kg。

3.2 測(cè)試方法

測(cè)試工況見(jiàn)表4。針對(duì)Na、Nc的組合,開(kāi)展fin為0～50 Hz的掃頻試驗(yàn),對(duì)激振裝置激振力進(jìn)行標(biāo)定,分析輸出量(fout、σd、σv)與控制參數(shù)(fin、Na、Nc)的關(guān)系,確定激振力估算方程,建立面向路基現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)測(cè)試驗(yàn)的激振設(shè)備配置方法。

表4 測(cè)試工況

4 標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

4.1 測(cè)試波形及激振頻率

以工況Na=200片、Nc=4片為例,部分激振力測(cè)試波形見(jiàn)圖4。圖4中,測(cè)值為負(fù)表示荷載方向豎直向下。

圖4 實(shí)測(cè)信號(hào)

由圖4可知,當(dāng)fin<10 Hz時(shí),波形欠光滑且不規(guī)整,激振裝置動(dòng)態(tài)輸出穩(wěn)定性差。由于采用自同步技術(shù),電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)兩軸間存在相位差,水平荷載分量導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)欠佳。當(dāng)fin>10 Hz時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速提高,兩轉(zhuǎn)軸同步性較好,曲線(xiàn)波形規(guī)整、峰谷值穩(wěn)定,設(shè)備工作狀態(tài)良好。

對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)作快速傅里葉變換(FFT),可獲取fout與fin關(guān)系曲線(xiàn),見(jiàn)圖5。由圖5可知,二者線(xiàn)性關(guān)系良好,測(cè)試結(jié)果并未體現(xiàn)s的作用。誤差允許范圍內(nèi),fout可按fin的1/2計(jì)算,則激振裝置工作頻率區(qū)間為5～25 Hz。

圖5 激振頻率標(biāo)定曲線(xiàn)

4.2 激振力變化規(guī)律

Na分別為200、152、100片時(shí),σd、σv與fout關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖6～圖8。由圖6～圖8可知,σd、σv隨fout增加并不呈單調(diào)增加趨勢(shì),與理論上單調(diào)遞增的二次曲線(xiàn)關(guān)系不符。在高配重(Na=200片)、少偏心片(Nc=4、8片)工況下,激振力曲線(xiàn)存在明顯的上升及下降段,表現(xiàn)出共振現(xiàn)象;Nc=4、8片工況下,共振頻率分別約為20、18 Hz;其他工況,由于配重不足,σv在fout<25 Hz時(shí)歸零,未能實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)頻率激振,未出現(xiàn)共振現(xiàn)象。僅就σd-fout曲線(xiàn)上升段(對(duì)應(yīng)于σv-fout關(guān)系曲線(xiàn)下降段)而言,相同fout下,Nc越大,σd越大且σv越小,σd最高可達(dá)400 kPa。

圖6 Na=200片配重下激振力與激振頻率關(guān)系曲線(xiàn)

圖7 Na=152片配重下激振力與激振頻率關(guān)系曲線(xiàn)

圖8 Na=100片配重下激振力與激振頻率關(guān)系曲線(xiàn)

Nc分別為4、8、28、40片時(shí),探討Na對(duì)激振力的影響,σd-fout、σv-fout關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖9～圖12。由圖9～圖12可知,當(dāng)fout≤15 Hz且Nc相同時(shí),不同Na的σd-fout曲線(xiàn)族基本重合,σv-fout曲線(xiàn)族相互平行。增減Na,使σv-fout曲線(xiàn)上下平移,對(duì)σd-fout曲線(xiàn)影響較小。由于受共振影響,當(dāng)15 Hz

圖9 1組偏心片(Nc=4片)下激振力與激振頻率關(guān)系曲線(xiàn)

圖10 2組偏心片(Nc=8片)下激振力與激振頻率關(guān)系曲線(xiàn)

圖11 7組偏心片(Nc=28片)下激振力與激振頻率關(guān)系曲線(xiàn)

圖12 10組偏心片(Nc=40片)下激振力與激振頻率關(guān)系曲線(xiàn)

4.3 激振力估算方程

基于偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)離心原理,激振力(σd、σv)與激振頻率fout間具有二次函數(shù)關(guān)系,即

σd=8π2mcefout2

(14)

σv=msg/S-4π2mcefout2

(15)

而二次函數(shù)可以看作是異速生長(zhǎng)方程的特例,因此采用擬合激振力估算方程來(lái)表示,即

(16)

式中:A、B、C均為系數(shù)。

滿(mǎn)配重(Na=200片)條件下,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合確定的激振力估算方程系數(shù)及擬合優(yōu)度見(jiàn)表5,所得估算方程曲線(xiàn)見(jiàn)圖13。

表5 激振力估算方程系數(shù)及擬合優(yōu)度

圖13 激振力估算方程曲線(xiàn)

由式(14)、式(15)計(jì)算的激振力理論方程系數(shù)見(jiàn)表6。以Na=200片、Nc=4片工況為例,對(duì)比分析激振力測(cè)試值、估算值和理論值的差異,見(jiàn)圖14。

表6 激振力理論方程系數(shù)

圖14 Nc=4片時(shí)估算方程與理論方程的對(duì)比

由圖14可知,σd測(cè)試值普遍高于理論值,而σv測(cè)試值普遍低于理論值,說(shuō)明在振動(dòng)電機(jī)下部安裝內(nèi)框架、配重塊和加載板組成活動(dòng)部件后,改變了振動(dòng)電機(jī)原有的激振力輸出水平,反映了開(kāi)展激振裝置現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)的重要意義。激振力估算值擬合優(yōu)度R2=0.953,可較好反映測(cè)試值數(shù)值水平,可用于指導(dǎo)設(shè)備配置和應(yīng)用。其余偏心片配置工況下,規(guī)律與此一致。

4.4 激振設(shè)備配置方法

基于對(duì)激振裝置動(dòng)態(tài)輸出規(guī)律的分析,建立面向路基現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)測(cè)的設(shè)備配置方法流程,見(jiàn)圖15。首先,明確激振試驗(yàn)?zāi)M需求,包括fout、用于模擬路基動(dòng)應(yīng)力的σd和用于模擬軌道及上覆路基結(jié)構(gòu)自重的σv。記表5和圖13所涉及6種偏心片數(shù)量為估算方程所用偏心片數(shù)量Nci,i=1～6。即,Nc1=4片、Nc2=8片、…、Nc6=40片。將σd依次代入式(16)和表5,反算得到激振頻率計(jì)算值foutj。選擇與fout差值最小的foutj,由式(17)計(jì)算fin;相應(yīng)條件下的Nci,即為偏心片配置數(shù)量Nc;將foutj代入式(16)和表5,得谷值應(yīng)力計(jì)算值σvj,按式(18)計(jì)算配重塊數(shù)量Na,Na應(yīng)為4的整數(shù)倍。

圖15 激振裝置配置方法流程

fin=2foutj

(17)

(18)

5 結(jié)論

研發(fā)了一套慣性式激振裝置ISV400并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定,分析了fout與fin的關(guān)系,以及不同Nc、Na組合下σd、σv隨fout的變化規(guī)律,得到了激振力估算方程,建立了一種設(shè)備技術(shù)配置方法。

1)fout與fin滿(mǎn)足fout=0.501fin擬合關(guān)系,符合四極異步電機(jī)頻率輸出規(guī)律,由50 Hz電網(wǎng)工頻換算的fout上限為25 Hz。測(cè)試表明,當(dāng)fout<5 Hz時(shí),電機(jī)自同步性較弱,裝置運(yùn)行欠平穩(wěn),激振力波形欠規(guī)整。

2)σd測(cè)試值高于根據(jù)偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)離心原理計(jì)算的理論值,σv則相反,且偏差隨fout增加而擴(kuò)大。當(dāng)fout>15 Hz時(shí),部分Nc、Na組合下的σd隨fout增加而先升后降(σv相反),相同Na關(guān)于Nc的σd-fout、σv-fout曲線(xiàn)族存在交叉,ISV400動(dòng)態(tài)輸出易受共振影響。

3) ISV400穩(wěn)定工作頻率區(qū)間為5～15 Hz,在此區(qū)間內(nèi),相同Na的σd-fout曲線(xiàn)族重合,不受Nc影響,σv-fout曲線(xiàn)族相互平行,隨Nc變化而平移。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,σd、σv隨fout增加呈異速生長(zhǎng)規(guī)律,基于激振力估算方程構(gòu)建的設(shè)備配置方法可指導(dǎo)ISV400的使用。