張先輝，史 璐，劉蘇州，毛超群，梁大開

(南京航空航天大學 機械結(jié)構(gòu)力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京210016)

0 引 言

隨著近年來高速動車組的大量運營，人們對鐵道在軌設備的安全可靠運行提出了更高的要求［1］。鋼軌作為鐵道安全運行中的重要一環(huán)，在服役和維護過程中會不可避免地受到各種形式高強度的動/靜態(tài)載荷，而鋼軌在長期受到這種動/靜態(tài)載荷作用下則會導致結(jié)構(gòu)的損傷和結(jié)構(gòu)承載性能的下降［2，3］。這些損傷的產(chǎn)生機理和發(fā)生方式復雜和隱蔽，損壞的類型和程度難以判斷，對鋼軌結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性影響巨大，如果不及時發(fā)現(xiàn)并采取相應的措施，將導致鋼軌結(jié)構(gòu)破壞的積累，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

光纖Bragg 光柵(FBG)傳感器以其體積小、抗電磁干擾、高可靠性、耐腐蝕和易于構(gòu)建分布式測量網(wǎng)絡等優(yōu)點大量應用于鋼軌結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測領域［4～6］。國內(nèi)外學者已開展了許多關于FBG 傳感器及其在鐵道領域損傷監(jiān)測方面的研究工作。Tam H Y 等人［7］構(gòu)建了基于FBG 傳感器的車體結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對車體振動、溫度和應力的在線監(jiān)測。HoSL等人［8］將FBG 傳感器應用于火車車輪損傷監(jiān)測，研究發(fā)現(xiàn)車輪缺陷會對軌道產(chǎn)生周期性的沖擊力，以此可以實現(xiàn)對車輪損傷的監(jiān)測。以上研究主要側(cè)重于列車車體損傷監(jiān)測的研究，而未開展專門針對FBG 傳感器在鋼軌載荷監(jiān)測方面的研究工作。

本文提出了一種基于FBG 傳感器的鋼軌在動/靜態(tài)載荷監(jiān)測系統(tǒng)，從而為將FBG 應用于鋼軌損傷監(jiān)測與傳感器優(yōu)化布局提供可靠依據(jù)。

1 FBG 傳感器感知原理

在光纖纖芯傳播的光將在每個光柵面處發(fā)生散射，如果不滿足Bragg 條件，依次排列的光柵平面反射的光相位將會逐漸變得不同直到最后相互抵消，因此，當光柵周圍環(huán)境的應力、應變、溫度或其他待測物理量發(fā)生變化時，將會導致光柵周期和有效折射率的變化，這種變化將會引起FBG傳感器中心波長的漂移，通過對FBG 傳感器中心波長變化的監(jiān)測，即可獲得待測物理量(應變、溫度)的變化情況［9］。FBG 傳播模式，如圖1 所示。

圖1 FBG 傳感原理Fig 1 Sensing principle of FBG

2 實驗系統(tǒng)

靜態(tài)載荷作用下鋼軌結(jié)構(gòu)FBG 傳感器響應特性試驗系統(tǒng)如圖2 所示。試驗對象為一段鋼軌試件，其軌長為1 200 cm，底寬為11.6 cm，頭部寬為7.2 cm，腰寬為2.2 cm。

圖2 鋼軌靜載響應特性光纖監(jiān)測系統(tǒng)Fig 2 Optical fiber monitoring system of response characteristics of rail static load

如圖3 所示，在鋼軌正面腰部的軌長中軸線與軌高中軸線的交匯點處水平布設傳感器FBG1，沿軌長中軸線左右相距20 cm 水平地布設傳感器FBG2，F(xiàn)BG3，將這3 支FBG傳感器串接為第一路接入FBG 解調(diào)儀。同理，在鋼軌另一面腰部同樣位置縱向布設傳感器FBG4，F(xiàn)BG5，F(xiàn)BG6，將這3 支FBG 傳感器串接為第二路接入FBG 解調(diào)儀。

靜載條件下鋼軌響應信號由粘貼于試件腰部的FBG傳感器感知，所得的反射光譜中心波長偏移信息再由FBG解調(diào)儀負責采集與調(diào)制。試驗中分別采用千斤頂模擬列車車輪載荷等典型受載工況。

圖3 鋼軌靜載監(jiān)測系統(tǒng)FBG 傳感器布局Fig 3 FBG sensor layout of static load monitoring system of rail

動態(tài)載荷作用下鋼軌結(jié)構(gòu)FBG 傳感器應變實時響應特性試驗系統(tǒng)如圖4 所示。鋼軌的動態(tài)載荷一般來自于列車車輪的滾動載荷，試驗研究中采用車轍儀來回滾壓模擬列車車輪滾動壓載鋼軌的典型實際工況。試驗中控制輪胎巡回滾動速度，模擬輪對載荷為3 tf，車轍儀系統(tǒng)自帶壓力傳感器、加速度傳感器，可以實時反饋至控制系統(tǒng)。

圖4 鋼軌動載響應特性光纖監(jiān)測系統(tǒng)Fig 4 Optical fiber monitoring system of response characteristics of rail dynamic load

試驗對象為一塊金屬鋼條，其幾何尺寸為39.5 cm×5 cm×0.7 cm，將其沿長度方向平均分為三等份。在試件背面L/3，2L/3 處沿中軸線水平布設第一路FBG 傳感器。在試件的側(cè)面L/3，2L/3 處沿中軸線水平布設第二路FBG 傳感器，如圖5 所示。

圖5 鋼軌動載監(jiān)測系統(tǒng)FBG 傳感器布局Fig 5 FBG sensor layout of rail dynamic load monitoring system

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 靜載作用下鋼軌應變監(jiān)測結(jié)果分析

為考察FBG 傳感器在鋼軌結(jié)構(gòu)中對載荷F 大小變化的敏感特性，在鋼軌表面布設6 支FBG 傳感器分兩路接入FBG 解調(diào)儀，構(gòu)成分布式FBG 傳感器網(wǎng)絡，通過千斤頂單點連續(xù)加載，得到各傳感器中心波長與加載載荷F 對應變化曲線，如圖6 所示。

圖6 顯示對于鋼軌腰部正反兩面兩路FBG 傳感器中心波長均隨著加載載荷F 的增大而呈良好線性遞減趨勢。這表明FBG 傳感器能夠很好地實現(xiàn)對鋼軌靜載應變的監(jiān)測。各傳感器靈敏度K 約為:KFBG1=－0.33 pm/MPa，KFBG4=－0.30 pm/MPa，KFBG2=－0.19 pm/MPa，KFBG5=－0.14 pm/MPa，KFBG3=－0.18 pm/MPa，KFBG6=－0.13 pm/MPa。

圖6 傳感器中心波長與加載載荷對應關系Fig 6 Corresponding relation between FBG center wavelength and load

針對鋼軌腰部正反兩面兩路FBG 傳感器進行分析發(fā)現(xiàn)，在加載載荷位置正下方處傳感器FBG1，F(xiàn)BG4 中心波長偏移量變化最大，而傳感器FBG1 左右兩側(cè)各20 cm 處的FBG2，F(xiàn)BG3，以 及FBG4 左 右 兩 側(cè) 各20 cm 處 的FBG5，F(xiàn)BG6 中心波長偏移量變化較小。在距離相同的情況下，各傳感器靈敏度關系為:KFBG2≈KFBG3，KFBG5≈KFBG6。這表明在鋼軌靜載監(jiān)測系統(tǒng)中FBG 傳感器具有良好的距離敏感特性，F(xiàn)BG 傳感器距離加載載荷位置越近，則靈敏度越高。

對比研究沿鋼軌長軸水平方向布設的FBG 傳感器和垂直于鋼軌長軸布設的FBG 傳感器兩路FBG 傳感器還可以發(fā)現(xiàn)，各個傳感器靈敏度關系為:KFBG1＞KFBG4，KFBG2＞KFBG5，這表明在鋼軌靜載監(jiān)測系統(tǒng)中FBG 傳感器具有良好的方向敏感特性，垂直于光纖軸向上的應變響應靈敏度要比平行于光纖軸向方向更高。

3.2 動載作用下鋼軌載荷監(jiān)測結(jié)果分析

為研究鋼軌在受動態(tài)連續(xù)載荷作用時FBG 傳感器應變敏感特性，在試件表面布設4 支FBG 傳感器分成兩路接入FBG 解調(diào)儀，F(xiàn)BG 解調(diào)儀采樣頻率為250 Hz。通過車轍儀連續(xù)循環(huán)加載，加載載荷45 kgf，恒溫32 ℃狀態(tài)下FBG 傳感網(wǎng)絡所監(jiān)測到的鋼軌動態(tài)響應信號，其中各傳感器中心波長偏移量變化曲線如圖7 所示。

由圖7 可得，各傳感器所監(jiān)測到的FBG 傳感器中心波長偏移量關系為:ΔλFBG7≈ΔλFBG8＞ΔλFBG9≈ΔλFBG10。這是由于FBG7，F(xiàn)BG8 粘貼于鋼軌底面，F(xiàn)BG9，F(xiàn)BG10 粘貼于鋼軌側(cè)面。根據(jù)彎曲理論可知，底面變形量要大于中性面的變形量，實驗與理論一致。試驗表明:通過FBG 傳感器網(wǎng)絡的合理布局，F(xiàn)BG 傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對動載作用下鋼軌載荷的有效監(jiān)測。

FBG 傳感器在監(jiān)測載荷變化之外，也能對監(jiān)測環(huán)境溫度變化進行監(jiān)測。如圖8 所示為車轍儀施加循環(huán)載荷15 kgf，初始溫度為32 ℃，并長時間運行狀態(tài)下FBG 傳感網(wǎng)絡監(jiān)測到的鋼軌動態(tài)響應信號的實時過程。

圖7 恒溫循環(huán)載荷下傳感器中心波長變化曲線Fig 7 Curve of FBG center wavelength change under isothermal and cyclic loading conditions

圖8 升溫循環(huán)載荷下傳感器中心波長變化曲線Fig 8 Curve of FBG center wavelength change under heating cyclic loading condition

將響應信號局部放大可以發(fā)現(xiàn)，響應信號隨動態(tài)載荷呈現(xiàn)周期性等幅度振蕩，這是由于車轍儀施加在試件上的循環(huán)載荷引起的應變變化所致。而響應信號的總體過程呈現(xiàn)出線性增長的趨勢，則是由于長時間車轍儀滾輪和軌道試件的摩擦所導致的鋼軌局部溫度變化引起。因此，響應信號整體所呈現(xiàn)出來的遞增現(xiàn)象為鋼軌溫度變化過程所致，而響應信號局部的周期性變化過程則表征了鋼軌所受循環(huán)載荷作用下的應變響應歷程。以上分析表明:FBG 傳感網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼軌在動態(tài)載荷作用下的應變和溫度有效監(jiān)測。

4 結(jié) 論

1)FBG 傳感器中心波長偏移量隨靜態(tài)加載載荷增大而呈線性減小趨勢。距離加載點越近，傳感器中心波長偏移量越大。對比兩路FBG 傳感器可以發(fā)現(xiàn)，在垂直于光纖軸向上的應變響應靈敏度要比平行于光纖軸向方向更高，表明FBG 傳感器呈現(xiàn)良好的應變—方向敏感特性，這為鋼軌應變監(jiān)測中FBG 的優(yōu)化布局提供可靠依據(jù)。

2)動態(tài)載荷作用下FBG 傳感網(wǎng)絡能夠能夠?qū)崿F(xiàn)對循環(huán)載荷作用下的實時應變和溫度監(jiān)測。

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