基于FBG的道岔尖軌垂向加速度變化規律

王海東,王洪濤,張 強,季天劍

(1.安徽廬銅鐵路有限公司,安徽 合肥 230001；2.安徽省綜合交通研究院股份有限公司,安徽 合肥 230001；3.南京航空航天大學土木工程系,江蘇 南京 210016)

1 前言

鐵路由于其運量大、速度快、成本低以及通用性好等特點,使其成為我國經濟發展的巨大支柱,是我國經濟發展的大動脈。道岔作為鐵路運輸中軌道的一部分,由于其具有數量多、壽命短、限速、結構復雜、安全性低、養護維修工作量大的工作特點,所以道岔是鐵路線上最薄弱的環節,一直也是病害的多發區域[1]。

高速道岔作為客運專線鐵路的重要基礎設施之一,需要保證列車高速通過道岔時具有與區間線路相同的舒適性[2]。道岔尖軌處由于承擔著機車換向的任務,經常作為受力及磨耗最大的點,在該點的檢測也極為重要。光纖光柵傳感器以其傳輸損耗小、傳輸容量大、測量范圍廣等特點逐漸取代了普通傳感器。在光纖光柵傳感器監測方面,有很多國內外學者進行了探索與研究。Tam等介紹了Kowloon-Canton鐵路公司利用30個光纖布拉格光柵進行火車識別和速度監測,結果顯示光纖布拉格光柵傳感器具有很好的性能,并且指出光纖布拉格光柵傳感器在實現“智慧鐵路”的過程中發揮重要作用[3]。黃艷紅等通過對青藏鐵路橋梁自然環境和橋梁損傷的分析,以及對橋梁損傷探測技術的研究,認為光纖光柵測試技術能同時進行溫度和應變的雙參數測量,可靠性好,抗干擾能力強,電絕緣性能好,耐腐蝕[4]。陳小平等通過理論計算[5],以我國時速為250km的客運專線道岔為對象,研究了尖軌、心軌、翼軌的最大垂向加速度,發現尖軌和心軌的振動加速度比基本軌大,而衰減比基本軌慢。高克金等通過力學模型[6],計算了尖軌、翼軌在21t、25t重機車以側向、直向過岔時的垂向加速度。但以上作者均沒有研究過岔方向和過岔速度對尖軌垂向加速度的影響。本文以道岔遠程監測試驗項目為基礎,主要研究了道岔尖軌的振動加速度,對其檢測方法進行了初步試驗,驗證其可行性,并討論了機車行駛方向和速度對垂向加速度的影響。

2 實驗方案

2.1 光纖光柵加速度測量原理

FBG利用光纖材料的光敏特性,在纖芯內形成空間相位光柵,從而改變和控制光在其中的傳播行為。它的折射率沿光纖軸向呈固定的周期性調制分布,是一種均勻光柵,具有良好的波長選擇性。當寬帶光進入光纖后,滿足特定條件波長的入射光在光柵處被耦合反射,其余波長的光會全部通過而不受影響。FBG反射特定波長的光,該波長滿足以下條件：

λB=2neffΛ

(1)

式中,λB為反射光的中心波長；neff為纖芯的有效折射率；Λ為光纖光柵折射率調制的空間周期。

外界應力和溫度變化會引起折射率和柵距的變化,導致FBG波長λB的移位,滿足線性關系式(2)：

(2)

式中Δλ為FBG波長變化量,ε為光纖軸向應變,ΔT為溫度變化,Pe為光纖光彈系數,α為光纖熱膨脹系數,ζ為光纖熱光系數。FBG的波長解調精度達到1pm,對應的其應變測試精度約1個微應變,溫度解調精度為0.1℃。

由于FBG能夠對材料的微變形進行精確測量,為此將FBG封裝到附著到彈性元件上即可封裝成加速度傳感器。FBG加速度傳感器利用中心波長的漂移量來檢測外界加速度,其關系式為：

(3)

式中E和A分別為光纖的楊氏模量和橫截面積。

通過式(3),從FBG反射光譜中解調出布拉格中心波長,得出中心波長的漂移量,即可測量出待測對象加速度的值。

2.2 加速度傳感器安裝

加速度傳感器用于測量尖軌的垂向振動加速度。列車過岔時尖軌尖端的垂向加速度值相對較大,現場將加速度傳感器安裝于尖軌端部。由于選擇的光纖光柵加速度傳感器屬于一維加速度傳感器,因此加速度傳感器的安裝方向十分重要,安裝過程中必須保證加速度傳感器的測試方向垂直,這樣試驗采集的加速度數據才為尖軌的垂向加速度值。安裝前先將軌底上表面打磨平整,然后將傳感器用螺絲固定于基座之上,接著將固定加速度傳感器的基座粘貼軌底上表面,安裝示意圖見圖1,實際安裝圖見圖2。

2.3 試驗過程

本次試驗使用機車作為模擬荷載(見圖3),機車過岔時會使尖軌產生振動,加速度傳感器可以實時采集加速度值。

圖3 試驗所用機車

試驗的具體步驟如下：

(1)機車行駛至道岔區域內停車,儀器操作人員采集并存儲靜載時光纖加速度傳感器的數據。

(2)指揮員下達行駛命令,機車以10km/h速度行駛至道岔,機車行駛時盡量保持勻速。這時操作人員采集加速度傳感器的數據。

(3)機車完全駛出道岔時,指揮員發出停車命令。

(4)待機車完全停止后,機車指揮員引導機車以10km/h的速度反向通過道岔,盡量保持勻速,記錄相應數據,機車完全駛出道岔時機車指揮員發出停車命令。至此完成一個實驗周期。

按照步驟(2)至步驟(4)的操作,使機車以10km/h、15km/h、20km/h的速度分別完成三個周期的試驗。機車共18次通過檢測道岔。

3 結果分析

3.1 尖軌垂向振動加速度響應

圖4為機車以20km/h側逆向過岔時的測試結果。由圖4可知,雖然過岔速度和方向完全相同,但是三次測試所得的加速動態響應并不完全相同,且垂向最大加速度的值也有一些差距。造成這種現象的原因是三次過岔時機車速度難以完全相同。另外,由圖4也可以看出,兩個不同的輪軸通過時,傳感器采集的加速度峰值也不完全相同,一般以第一個輪軸通過時最大。

圖4 10km/h側逆向過岔時尖軌垂向加速度響應

3.2 機車行駛方向和速度對垂向加速度的影響

機車以不同的速度過岔時會以不同的速度對尖軌產生沖擊,雖然尖軌受到的沖擊荷載差別不是十分明顯,但是由于沖擊速度不同,尖軌產生的垂向加速度可能會有較大差別,表1和表2分別給出了不同速度下尖軌尖端振動加速度的最大值。

表1 不同車速條件下尖軌尖端側順向垂向加速度

由表1和表2可以看出,試驗測得的加速度值離散比較大,造成這種現象的原因是機車每次過岔時難以完全按照同一個速度。當速度逐漸增大時,機車側順向過岔時,垂向加速度值有增加趨勢,但是當機車側逆向過岔時,加速度值卻呈現出一定的下降趨勢,這表明列車過岔方向對道岔尖軌的振動影響較大。當機車以10 km/h～20 km/h的速度側順向過岔時,垂向加速度最大值范圍為6.3g～31.6g。當機車以同樣的速度范圍側逆向過岔時,垂向加速度最大值范圍為17.7g～52.4g。以上道岔尖軌尖端垂向加速度數據表明,當機車過岔速度較低時(10 km/h～20 km/h),側逆向過岔對尖軌尖端的振動影響較大。由于試驗場地范圍限制,為保證安全,沒能將機車的過岔速度提高,也就缺少高速條件下機車過岔時對尖軌的振動影響分析。后面將繼續選擇試驗場地或者高速鐵路正常運營路段,進一步研究道岔尖軌垂向加速度變化規律。但以上研究成果表明,基于光纖光柵的加速度傳感器可以用于鐵路道岔的振動分析。

4 結論

根據現場測量環境要求,設計了基于FBG的尖軌加速度檢測試驗方案,最后對試驗結果進行分析,得出列車以不同的條件過岔時尖軌加速度變化規律,驗證了利用光纖光柵加速度傳感器檢測尖軌垂向振動加速度的可行性,結論如下：

(1)本文提出的利用FBG的加速度傳感器檢測尖軌垂向振動加速度的試驗方案是可行的,可以用于鐵路道岔的振動分析。

(2)當速度逐漸增大時,機車側順向過岔時,垂向加速度值有增加趨勢,但是當機車側逆向過岔時,加速度值卻呈現出一定的下降趨勢,這表明列車過岔方向對道岔尖軌的振動影響較大。

(3)當機車以10 km/h～20 km/h的速度側順向過岔時,垂向加速度最大值范圍為6.3g～31.6g。當機車以同樣的速度范圍側逆向過岔時,垂向加速度最大值范圍為17.7g～52.4g。當機車過岔速度較低時(10 km/h～20 km/h),側逆向過岔對尖軌尖端的振動影響較大。