基于光纖光柵的鋼軌受力狀態監測技術研究*

孫高盼， 閆連山， 邵理陽， 廖　俊， 王　平

(1.西南交通大學 信息科學與技術學院,四川 成都 610031；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

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基于光纖光柵的鋼軌受力狀態監測技術研究*

孫高盼1， 閆連山1， 邵理陽1， 廖俊1， 王平2

(1.西南交通大學 信息科學與技術學院,四川 成都 610031；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

摘要:鋼軌狀態監測對列車的安全運營具有重要意義。基于光纖光柵傳感技術，采用鋼軌三維梁模型對軸向應變、豎向和橫向曲率進行測量。與傳統一維測量模型相比，該方法可以同時測量鋼軌豎、橫向曲率和軸向力。通過實驗室靜態軸向加載試驗對比了一維和三維模型，驗證了三維模型的有效性與優勢。

關鍵詞：鋼軌； 應變； 彎矩； 三維梁模型； 光纖光柵傳感器； 受力狀態監測

0引言

光纖光柵傳感器是一種通過光柵中心波長的改變量來感知被測物體應變和溫度的新型傳感器，具有抗電磁干擾、精度高、壽命長、價格便宜、傳輸距離遠等優點，已經成為科研人員的研究熱點,并在眾多領域得到了較好的應用[1～3]。

由于鐵路具有快速、安全及運載量大等優點已成為客運和貨運的主要方式[4]，在鐵路運輸的一些特殊環節，例如：鐵路專線橋和鐵路道岔，甚至沿線鋼軌等都存在一定的安全隱患[5]，尤其是有砟無縫線路穩定性問題。有砟軌道是由道砟完成固定，枕木不能完全固定鋼軌，當鋼軌本身溫度變化較大時，溫度力會產生較大的縱向附加力，此時鋼軌在豎向和橫向會產生彎矩。目前主要通過一維梁模型進行測量[6～9]，并不能很好對鋼軌線路狀態進行監測，如果能直接測量鋼軌豎向彎矩，就能很好地判斷有砟軌道無縫線路是否滿足穩定性要求。針對這一需求，本文采用三維梁模型，利用光纖光柵作為傳感器，在縱向力作用情況下對鋼軌縱向附加力、豎向和橫向彎矩進行測量。試驗結果的有效性說明：該方法對無縫線路穩定性的監測具有較好的參考價。

1測量原理

1.1光纖光柵傳感原理

光纖光柵是一種利用自身特殊結構對光的反射波中心波長漂移量來測量溫度和應變的光纖結構，其原理是將前向傳輸的波導模式耦合到后向傳輸模式中，基本結構相當于一個反射式的光學濾波器。由光柵的耦合傳輸理論可得光柵的反射中心波長為

λB=2neffΛ,

(1)

式中λB為光柵的反射譜中心波長，neff為光柵纖芯有效折射率，Λ為光柵周期。從式(1)中可以看出當光柵的有效折射率和光柵周期改變時將引起光柵的中心波長漂移。當光柵周圍應力作用時導致光柵的周期Λ及其有效折射率產生變化；當其溫度改變時，光柵本身的熱膨脹效應和彈光效應將分別引起光柵的周期和有效折射率的改變。由光柵傳輸理論得出應變和溫度引起的光柵中心波長漂移量為

ΔλB=kεΔε+kTΔT,

(2)

式中ΔλB為光柵中心波長的變化量;kε,kT分別為光纖光柵軸向應變靈敏度常數和溫度靈敏度常數，在相應條件下可以測出對應的值[10]。

1.2鋼軌一維測量模型原理

一維梁模型主要是測試沿被測試件延伸方向的應變，從而轉換為該方向的力，其基本原理如圖1所示。

圖1　鋼軌傳感器安裝示意圖Fig 1　Diagram of rail sensor installation

圖1中X為鋼軌縱向(軸向)方向，Y軸為橫向方向，Z軸為豎向方向，A為鋼軌截面傳感器安裝位置。這種方法可以較為準確地測量鋼軌軸向應變。記傳感器A監測的應變值為ε，鋼軌溫度變化為Δt，鋼軌軸向附加力可表示為

Nx=EF(ε-βΔt),

(3)

式中F為鋼軌截面面積，E為楊氏模量。由此在溫度不變的情況下，鋼軌的軸向力Nx只與鋼軌中心軸的軸向應變ε有關。通過測量鋼軌中心軸的應變可以得到鋼軌軸向力。在無縫線路中，鋼軌豎向和橫向彎矩值同樣重要，為了測量其橫向和豎向狀態，采用三維梁模型。該方法在鋼軌中心軸兩側上布置多個光纖光柵傳感器，鋼軌縱向附加力、橫向和豎向彎矩都可以同時得到測量。

1.3三維梁模型原理

三維梁模型測量方法和原理[11]如下：將光纖光柵傳感器安裝在如圖1所示位置，傳感器B，C，D監測的應變值分別為ε1，ε2，ε3

(4)

其中,Nx為X軸方向軸力，My為Y方向彎矩，Mz為Z方向彎矩，d1=2.20cm，d2=2.25cm，d3=d4=d5=1.0cm，Iy和Iz為慣性矩(在鋼軌是60kg/m下，Iy=3 217cm4，Iz=524cm4)，β為鋼軌熱膨脹系數，得到鋼軌軸向附加力為

(5)

同時可以得到鋼軌在Y,Z軸方向的彎矩計算公式為

(6)

其中，Ky,Kz為鋼軌在Y和Z方向的彎曲曲率

(7)

2驗證試驗與分析

2.1試驗裝置

試驗裝置如圖2所示，選取一段長度為3 m的60 kg/m鋼軌，將鋼軌一端固定于反力墻上，另一端用千斤頂(加力單位為MPa)為鋼軌X軸加力。光柵解調采用sm130光柵解調儀，其解調精度可達到1 pm。由于試驗過程僅30 min左右，在實驗室條件下可以認為溫度基本不變。

圖2　千斤頂加力鋼軌與光纖光柵傳感系統圖Fig 2　Diagram of steel rail stressed by jack andfiber grating sensing system

2.2定標試驗

由于必須知道光柵波長漂移量與應變的對應關系，在光纖傳感試驗同時粘貼了電阻應變片，測量鋼軌實際應變值與光柵中心波長漂移量進行對比，結果如圖3所示。

圖3　應變計微應變和光柵中心波長結果對比Fig 3　Results comparison of micro-strain of gaugewith grating center wavelength

通過試驗得出此種粘貼條件下，光柵應變靈敏度系數為0.71 pm/10-6。這與普通裸柵應變靈敏度系數1.2 pm/10-6有所差別，主要原因是粘貼過程中光柵柵區覆蓋了膠水，由于膠水自身材質和光纖不同，使得光柵在軸向應變測量時靈敏度系數發生一定改變。

2.3加載試驗

參考圖1,先將光纖光柵傳感器用特定膠水粘貼到鋼軌上，A為一維測量模型的光柵傳感器， B，C，D為三維測量模型的三只傳感器。

圖4(a)為四只光柵傳感器中心波長漂移量和鋼軌軸向加力關系圖。由圖4(a)可知不同位置的傳感器之間中心波長變化量存在一定差異，這是由于鋼軌自身形狀和受力彎曲造成的。利用式(3)、式(5)分別計算出兩種模型的鋼軌X軸方向鋼軌附加力，結果如圖4(b)所示。其中，Nn和Nx分別為一維和三維傳感器力的計算值。由此可以看出：三維模型與一維模型測量結果吻合，且傳感器線性度較好，證明三維光柵測量模型對鋼軌附加力的測量是有效的，且結果較為精準。為方便計算，設鋼軌所受壓力為負。

由此通過式(7)可以得出鋼軌在這兩個方向的曲率與所加力的關系如圖4(c)。由圖4(c)可以看出，測量結果線性度較好，且鋼軌在Z方向曲率比Y方向要大，與力學受力情況分析一致。理論上若鋼軌是筆直的，并且施加的是縱向力，鋼軌其余兩個方向的彎矩應該是零，但是，實驗室中鋼軌豎向與橫向沒有扣件約束，并且自身也存在一定的不平順，因此，在施加縱向力時，鋼軌在其余兩個方向會發生一定的彎曲，此時鋼軌會受到其他兩個方向的彎矩，這也是無縫線路的失穩產生的一個主要原因。

圖4　加載試驗結果Fig 4　Results of load test

3結論

針對目前傳統無縫線路監測中一維梁模型測量的局限性(不能監測縱向力下鋼軌豎向和橫向彎矩)，本文通過采用三維梁模型對在縱向力作用下鋼軌縱向附加力、豎向彎矩和橫向彎矩進行測量，并得到較為理想的測量結果。結果表明：三維梁測試模型對于無縫線路穩定性的監測有較好參考價值。

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孫高盼(1987-)，男，四川巴中人，碩士研究生，研究方向為光纖光柵傳感技術。

閆連山，通訊作者，E—mail:lsyan@home.swjtu.edu.cn。

Research on technology of rail stress status monitoring based on fiber grating*

SUN Gao-pan1, YAN Lian-shan1, SHAO Li-yang1, LIAO Jun1, WANG Ping2

(1.School of Information Science & Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract:Rail stress status monitoring is of great importance for operation safety of train.A three-dimensional beam model for rail based on fiber Bragg grating sensing technology is used to measure axial strain,vertical and transverse curvature of rail.Compared with traditional 1D measurement model,experimental results of both conventional one-dimensional and three-dimensional models indicate that the three-dimensional one can measure both the axial strain and the vertical/transverse curvature.

Key words:rail; strain; bending moment; three-dimensional beam model; fiber grating sensor;stress status monitoring

作者簡介:

中圖分類號：TP 212.9

文獻標識碼：B

文章編號：1000—9787(2016)01—0069—03

*基金項目：科技部國際合作專項項目(2014DFA11170)； 教育部重大項目(313049)； 四川省科技支撐重大項目(2011GZ0239)

收稿日期：2015—03—24

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0069—03