基于FBG的道岔尖轨垂向加速度变化规律

王海东,王洪涛,张 强,季天剑

(1.安徽庐铜铁路有限公司,安徽 合肥 230001；2.安徽省综合交通研究院股份有限公司,安徽 合肥 230001；3.南京航空航天大学土木工程系,江苏 南京 210016)

1 前言

铁路由于其运量大、速度快、成本低以及通用性好等特点,使其成为我国经济发展的巨大支柱,是我国经济发展的大动脉。道岔作为铁路运输中轨道的一部分,由于其具有数量多、寿命短、限速、结构复杂、安全性低、养护维修工作量大的工作特点,所以道岔是铁路线上最薄弱的环节,一直也是病害的多发区域[1]。

高速道岔作为客运专线铁路的重要基础设施之一,需要保证列车高速通过道岔时具有与区间线路相同的舒适性[2]。道岔尖轨处由于承担着机车换向的任务,经常作为受力及磨耗最大的点,在该点的检测也极为重要。光纤光栅传感器以其传输损耗小、传输容量大、测量范围广等特点逐渐取代了普通传感器。在光纤光栅传感器监测方面,有很多国内外学者进行了探索与研究。Tam等介绍了Kowloon-Canton铁路公司利用30个光纤布拉格光栅进行火车识别和速度监测,结果显示光纤布拉格光栅传感器具有很好的性能,并且指出光纤布拉格光栅传感器在实现“智慧铁路”的过程中发挥重要作用[3]。黄艳红等通过对青藏铁路桥梁自然环境和桥梁损伤的分析,以及对桥梁损伤探测技术的研究,认为光纤光栅测试技术能同时进行温度和应变的双参数测量,可靠性好,抗干扰能力强,电绝缘性能好,耐腐蚀[4]。陈小平等通过理论计算[5],以我国时速为250km的客运专线道岔为对象,研究了尖轨、心轨、翼轨的最大垂向加速度,发现尖轨和心轨的振动加速度比基本轨大,而衰减比基本轨慢。高克金等通过力学模型[6],计算了尖轨、翼轨在21t、25t重机车以侧向、直向过岔时的垂向加速度。但以上作者均没有研究过岔方向和过岔速度对尖轨垂向加速度的影响。本文以道岔远程监测试验项目为基础,主要研究了道岔尖轨的振动加速度,对其检测方法进行了初步试验,验证其可行性,并讨论了机车行驶方向和速度对垂向加速度的影响。

2 实验方案

2.1 光纤光栅加速度测量原理

FBG利用光纤材料的光敏特性,在纤芯内形成空间相位光栅,从而改变和控制光在其中的传播行为。它的折射率沿光纤轴向呈固定的周期性调制分布,是一种均匀光栅,具有良好的波长选择性。当宽带光进入光纤后,满足特定条件波长的入射光在光栅处被耦合反射,其余波长的光会全部通过而不受影响。FBG反射特定波长的光,该波长满足以下条件：

λB=2neffΛ

(1)

式中,λB为反射光的中心波长；neff为纤芯的有效折射率；Λ为光纤光栅折射率调制的空间周期。

外界应力和温度变化会引起折射率和栅距的变化,导致FBG波长λB的移位,满足线性关系式(2)：

(2)

式中Δλ为FBG波长变化量,ε为光纤轴向应变,ΔT为温度变化,Pe为光纤光弹系数,α为光纤热膨胀系数,ζ为光纤热光系数。FBG的波长解调精度达到1pm,对应的其应变测试精度约1个微应变,温度解调精度为0.1℃。

由于FBG能够对材料的微变形进行精确测量,为此将FBG封装到附着到弹性元件上即可封装成加速度传感器。FBG加速度传感器利用中心波长的漂移量来检测外界加速度,其关系式为：

(3)

式中E和A分别为光纤的杨氏模量和横截面积。

通过式(3),从FBG反射光谱中解调出布拉格中心波长,得出中心波长的漂移量,即可测量出待测对象加速度的值。

2.2 加速度传感器安装

加速度传感器用于测量尖轨的垂向振动加速度。列车过岔时尖轨尖端的垂向加速度值相对较大,现场将加速度传感器安装于尖轨端部。由于选择的光纤光栅加速度传感器属于一维加速度传感器,因此加速度传感器的安装方向十分重要,安装过程中必须保证加速度传感器的测试方向垂直,这样试验采集的加速度数据才为尖轨的垂向加速度值。安装前先将轨底上表面打磨平整,然后将传感器用螺丝固定于基座之上,接着将固定加速度传感器的基座粘贴轨底上表面,安装示意图见图1,实际安装图见图2。

2.3 试验过程

本次试验使用机车作为模拟荷载(见图3),机车过岔时会使尖轨产生振动,加速度传感器可以实时采集加速度值。

图3 试验所用机车

试验的具体步骤如下：

(1)机车行驶至道岔区域内停车,仪器操作人员采集并存储静载时光纤加速度传感器的数据。

(2)指挥员下达行驶命令,机车以10km/h速度行驶至道岔,机车行驶时尽量保持匀速。这时操作人员采集加速度传感器的数据。

(3)机车完全驶出道岔时,指挥员发出停车命令。

(4)待机车完全停止后,机车指挥员引导机车以10km/h的速度反向通过道岔,尽量保持匀速,记录相应数据,机车完全驶出道岔时机车指挥员发出停车命令。至此完成一个实验周期。

按照步骤(2)至步骤(4)的操作,使机车以10km/h、15km/h、20km/h的速度分别完成三个周期的试验。机车共18次通过检测道岔。

3 结果分析

3.1 尖轨垂向振动加速度响应

图4为机车以20km/h侧逆向过岔时的测试结果。由图4可知,虽然过岔速度和方向完全相同,但是三次测试所得的加速动态响应并不完全相同,且垂向最大加速度的值也有一些差距。造成这种现象的原因是三次过岔时机车速度难以完全相同。另外,由图4也可以看出,两个不同的轮轴通过时,传感器采集的加速度峰值也不完全相同,一般以第一个轮轴通过时最大。

图4 10km/h侧逆向过岔时尖轨垂向加速度响应

3.2 机车行驶方向和速度对垂向加速度的影响

机车以不同的速度过岔时会以不同的速度对尖轨产生冲击,虽然尖轨受到的冲击荷载差别不是十分明显,但是由于冲击速度不同,尖轨产生的垂向加速度可能会有较大差别,表1和表2分别给出了不同速度下尖轨尖端振动加速度的最大值。

表1 不同车速条件下尖轨尖端侧顺向垂向加速度

由表1和表2可以看出,试验测得的加速度值离散比较大,造成这种现象的原因是机车每次过岔时难以完全按照同一个速度。当速度逐渐增大时,机车侧顺向过岔时,垂向加速度值有增加趋势,但是当机车侧逆向过岔时,加速度值却呈现出一定的下降趋势,这表明列车过岔方向对道岔尖轨的振动影响较大。当机车以10 km/h～20 km/h的速度侧顺向过岔时,垂向加速度最大值范围为6.3g～31.6g。当机车以同样的速度范围侧逆向过岔时,垂向加速度最大值范围为17.7g～52.4g。以上道岔尖轨尖端垂向加速度数据表明,当机车过岔速度较低时(10 km/h～20 km/h),侧逆向过岔对尖轨尖端的振动影响较大。由于试验场地范围限制,为保证安全,没能将机车的过岔速度提高,也就缺少高速条件下机车过岔时对尖轨的振动影响分析。后面将继续选择试验场地或者高速铁路正常运营路段,进一步研究道岔尖轨垂向加速度变化规律。但以上研究成果表明,基于光纤光栅的加速度传感器可以用于铁路道岔的振动分析。

4 结论

根据现场测量环境要求,设计了基于FBG的尖轨加速度检测试验方案,最后对试验结果进行分析,得出列车以不同的条件过岔时尖轨加速度变化规律,验证了利用光纤光栅加速度传感器检测尖轨垂向振动加速度的可行性,结论如下：

(1)本文提出的利用FBG的加速度传感器检测尖轨垂向振动加速度的试验方案是可行的,可以用于铁路道岔的振动分析。

(2)当速度逐渐增大时,机车侧顺向过岔时,垂向加速度值有增加趋势,但是当机车侧逆向过岔时,加速度值却呈现出一定的下降趋势,这表明列车过岔方向对道岔尖轨的振动影响较大。

(3)当机车以10 km/h～20 km/h的速度侧顺向过岔时,垂向加速度最大值范围为6.3g～31.6g。当机车以同样的速度范围侧逆向过岔时,垂向加速度最大值范围为17.7g～52.4g。当机车过岔速度较低时(10 km/h～20 km/h),侧逆向过岔对尖轨尖端的振动影响较大。