[发明专利]一种基于动态传感器碎石颗粒的模拟测试系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及散体动力学领域，尤其是涉及一种基于动态传感器碎石颗粒的模拟测试系统及测试方法。

背景技术

高铁路基由多种粒径的级配碎石材料分层填筑而成，是一种典型的散体介质。由于散体材料在力学性质上高度随机且不均匀，导致路基整体动力特性十分复杂。随着高铁列车进一步提速，散体路基材料的不均匀变形问题凸显。现有研究由于缺乏有效的细观观测手段，只能基于宏观现象对散体介质变形机理进行推断，制约了散体动力变形相关理论的发展。

本发明所述的一种内置多个动态传感器的碎石颗粒，将碎石颗粒进行智能化改造，使其具备多种力学，位移信息感知能力，可从细观角度对颗粒在动力作用下的运动行为进行观测，为散体动力变形的细观研究提供了一种有力手段。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实时监测、适应于碎石散体材料、体积小、检测准确的基于动态传感器碎石颗粒的模拟测试系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于动态传感器碎石颗粒的模拟测试系统，用以在铁路路基发生不均匀动力变形时观测散体颗粒的运动行为，其特征在于，该系统包括：

模型试验箱：为一矩形箱体，其内部填充比例碎石模型用以模拟路基，其上表面设有铁轨；

高频加载装置：包括测试台、设置在测试台上的框架以及设置在框架上且与铁轨接触的激振器，用以模拟高铁列车在行驶过程中的产生的动载施加给路基模型；

碎石颗粒采集装置：包括供电电源以及分别与供电电源连接的数据采集器和多个内置动态传感器的碎石颗粒，所述的多个内置动态传感器的碎石颗粒混入到比例碎石模型中，且分别与数据采集器通信，所述的数据采集器安装在模型试验箱上；

工作站：分别与激振器和数据采集器通信，用以控制激振器的加载幅值和频率以及获取动态传感器的数据。

所述的动态传感器包括MEMS陀螺仪传感器和MEMS加速度传感器用以获取碎石颗粒的三相振动状态和三相转动状态数据。

所述的碎石颗粒粒径范围为35-45mm，并且按照长宽比分为三个区间：1到2 之间、2到3之间和大于3。

所述的每个区间的碎石颗粒数量比例为1:1:1。

所述的多个内置动态传感器的碎石颗粒采用链式连接方式。

一种测试方法，包括以下步骤：

1)确定碎石颗粒布设方案；

2)将内置动态传感器的碎石颗粒与数据采集器进行通道连接，数据采集器再同供电电源连接；

3)制作比例碎石模型，并将内置动态传感器的碎石颗粒埋设于碎石模型中；

4)开启高频加载装置对比例碎石模型施加载荷，同时开启数据采集器获取各动态传感器监测的实时数据并进行储存；

5)将数据采集器获取的数据导入工作站，对碎石颗粒的三相运动数据进行分析处理。

所述的碎石颗粒布设方案具体为：

在模型试验箱内部布置三层内置动态传感器的碎石颗粒，分别位于道砟与路基表层交界处、基床底层与路堤交界处、路堤与地基土交界处，且每层布设形式一致。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)内置多传感器的碎石颗粒可记录自身多种加速度及位移信息，实现对颗粒细观运动特性的实时监测；

(2)多传感器碎石颗粒可进行自由布设，使用方式灵活，可适用于各类碎石散体材料细观运动的观测研究；

(3)配套设备(数据采集器及微型供电装置)体积小，不受试验场地限制，无需外部供电，从而减小了对碎石散体材料的干扰，提高监测数据的准确性。

附图说明

图1为本发明系统的结构原理图。

图2为内置传感器的碎石颗粒结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的目的是提供一种基于动态传感器碎石颗粒的模拟测试系统，通过在碎石颗粒植入多种传感器，对单个碎石颗粒在动力作用下运动过程的实时监测，从细观角度揭示散体材料动力特性，为达到此目的，采用如下技术方案，如图1所示该系统结构包括：

模型试验箱：为一矩形箱体，其内部填充比例碎石模型用以模拟路基，其上表面设有铁轨；

高频加载装置：包括测试台、设置在测试台上的框架以及设置在框架上且与铁轨接触的激振器，用以模拟高铁列车在行驶过程中的产生的动载施加给路基模型；

碎石颗粒采集装置：如图2所示，包括三部分：