郎向偉，張長(zhǎng)生，強(qiáng)小俊，李道震

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳 518034)

光柵位移計(jì)在高速鐵路鋼軌橫向變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

郎向偉，張長(zhǎng)生，強(qiáng)小俊，李道震

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳 518034)

通過(guò)對(duì)高速鐵路鋼軌受力特點(diǎn)和光柵傳感器特點(diǎn)進(jìn)行分析，研究了光柵位移計(jì)在高鐵鋼軌橫向變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性。根據(jù)高鐵現(xiàn)場(chǎng)橫向變形監(jiān)測(cè)要求和現(xiàn)場(chǎng)條件確定光柵位移計(jì)布設(shè)工序，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)光柵位移計(jì)采集的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行綜合分析，論證了光柵位移計(jì)在高鐵鋼軌橫向變形監(jiān)測(cè)中的適用性。

鋼軌 橫向變形 光柵位移計(jì) 監(jiān)測(cè)

在列車荷載和溫度變化作用下鋼軌相對(duì)于軌道板的橫向平移會(huì)使軌距變大，進(jìn)而改變軌道的幾何形位，引起軌道不平順。軌距不平順不僅影響了列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和加劇鋼軌磨耗，軌距變化過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致脫軌事件的發(fā)生。對(duì)于運(yùn)行速度較高的高速鐵路，軌道作為列車運(yùn)行的直接承載結(jié)構(gòu)，其橫向變形引起的軌道不平順使得列車振動(dòng)、輪軌動(dòng)力作用增大。而在高速條件下旅客對(duì)乘坐舒適度更加敏感，所以高速鐵路對(duì)鋼軌與軌道板的橫向變形量有更高的要求，必須保證高平順、高穩(wěn)定性和高精確性，才能滿足高速列車以設(shè)計(jì)速度安全、可靠、舒適地運(yùn)行。

高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則規(guī)定，鋼軌橫向位移超過(guò)2 mm需要進(jìn)行維護(hù)校正。鋼軌日常檢測(cè)主要依靠設(shè)備為天窗時(shí)間運(yùn)行的綜合檢測(cè)列車，由于常規(guī)傳統(tǒng)振弦和電磁式監(jiān)測(cè)設(shè)備在高鐵實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下受電磁干擾較大，無(wú)法利用常規(guī)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)高鐵鋼軌橫向變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 高速鐵路鋼軌橫向變形分析

正常情況下，車輛在直線上運(yùn)行時(shí)車輪與鋼軌間存在游間，輪緣不貼靠鋼軌，輪軌一點(diǎn)接觸，偏心豎向力和橫向力都較小。但車輛在曲線上運(yùn)行時(shí)，輪對(duì)在行進(jìn)中會(huì)偶而偏離直線軌道中心成為蛇行運(yùn)動(dòng)，車輪輪緣接觸鋼軌而產(chǎn)生往復(fù)周期性的橫向力，而且蛇行運(yùn)動(dòng)越激烈，橫向力越大。在曲線軌道上，特別是在小曲線軌道，外輪貼靠曲線外軌，形成兩點(diǎn)接觸，豎向力的偏心量和橫向力都較大(圖1)。

圖1 鋼軌受力示意

根據(jù)廣深客運(yùn)專線現(xiàn)場(chǎng)鋼軌磨損圖形判斷在試驗(yàn)段布設(shè)光柵位移計(jì)鋼軌為一點(diǎn)受力形式，但鋼軌在橫向荷載或偏心垂直荷載作用下，將產(chǎn)生水平位移和扭轉(zhuǎn)。在以往鋼軌橫向變形研究中，一般只考慮鋼軌在橫向荷載作用下引起的水平位移，而不區(qū)分鋼軌的平移和扭轉(zhuǎn)。實(shí)際上除橫向荷載外，偏心垂直荷載也產(chǎn)生使鋼軌扭轉(zhuǎn)的力矩。所以，鋼軌除了橫向彎曲變形產(chǎn)生水平位移外，扭轉(zhuǎn)變形也引起水平位移。

由于鋼軌橫向變形受輪軌作用力、溫度、鋼軌扣件初始扣壓力和橫向剛度、軌下墊層剛度和軌枕間距的影響，因此在高鐵運(yùn)行過(guò)程中，有必要實(shí)時(shí)掌握鋼軌的橫向變形狀態(tài)。

2 光柵傳感器原理及特點(diǎn)

電阻式、電容式和振弦式等經(jīng)典的電類傳感器一直在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備的作用，但也存在一些不可回避的缺陷，如抗腐蝕性弱、易受電磁干擾、零點(diǎn)漂移嚴(yán)重、在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方面效果弱等缺點(diǎn)，造成這些傳感器無(wú)法適用于一些特殊場(chǎng)合。高速鐵路軌道又是高速動(dòng)車27.5 kV牽引動(dòng)力電源的一個(gè)回路，會(huì)對(duì)電類傳感器形成干擾，在這種特殊場(chǎng)合，光柵傳感器位移計(jì)具有特殊優(yōu)勢(shì)。

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫(xiě)入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化的相位光柵，實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的反射鏡或?yàn)V波器。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的光將產(chǎn)生反射，反射波長(zhǎng)與變形量或溫度變化為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，其余波長(zhǎng)的光透過(guò)光柵繼續(xù)傳播。

光纖光柵工作原理如圖2所示。

當(dāng)入射光進(jìn)入光纖時(shí)，布拉格光柵會(huì)反射特定波長(zhǎng)的光，該波長(zhǎng)需滿足下式

式中:λB為反射光的中心波長(zhǎng)，一般為1 510～1 590 nm;neff為光纖的有效折射率;Λ為光纖光柵的柵距。

光纖光柵具有抗電磁干擾、電絕緣性好、體積小、解調(diào)頻率高及耐腐性高等特點(diǎn)。光柵位移計(jì)核心構(gòu)件與傳統(tǒng)位移計(jì)一致均為等應(yīng)變梁，與傳統(tǒng)位移計(jì)不同的是在等應(yīng)變梁上下對(duì)稱布設(shè)光纖光柵來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行位移的測(cè)量。不同光柵位移計(jì)通過(guò)光纖串聯(lián)引出高鐵線路外，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼軌橫向變形的實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖2 光纖光柵測(cè)試原理示意

3 光柵位移計(jì)布設(shè)

在廣深高鐵選擇隧道、橋梁和路基三種不同工況鋼軌中進(jìn)行光柵位移計(jì)的布設(shè)。布設(shè)位移計(jì)一端固定在軌道板上，另一端固定在鋼軌上，光柵傳感器布設(shè)形式如圖3所示。

圖3 鋼軌光柵位移計(jì)布置示意

光纖光柵位移計(jì)布設(shè)步驟如下述。

1)定位:由于軌道板內(nèi)有配筋，光柵位移計(jì)安裝時(shí)需要在軌道板上鉆孔安裝固定支座。為了避免破壞軌道板內(nèi)配筋和削弱直流電路的傳輸距離，利用鋼筋探測(cè)儀檢測(cè)鋼筋位置，確定出無(wú)鋼筋區(qū)域。

2)鉆孔:確定好配筋位置后，根據(jù)現(xiàn)有位移計(jì)的長(zhǎng)度和預(yù)張拉量，在畫(huà)定的鉆孔區(qū)域內(nèi)定出準(zhǔn)確的鉆孔位置，之后利用沖擊鉆鉆孔。鉆孔時(shí)要注意孔徑大小和鉆孔速度的控制，避免將孔位鉆偏。鉆孔達(dá)到預(yù)定深度之后，要將孔內(nèi)混凝土粉末清理干凈。

3)固定:將夾具固定在鋼軌底部位置后，將位移計(jì)一端固定在夾具上，另一端通過(guò)支座及螺栓固定在軌道板上。固定時(shí)要確保光柵位移計(jì)保持在同一高度，固定后用水平尺微調(diào)。

4)連線:光柵位移計(jì)連接線采用單模光纖，布設(shè)在鋼軌外側(cè)1 m位置，用TG3膠水和扣件進(jìn)行固定。

5)測(cè)試:光柵位移計(jì)固定和連線之后，用手持解調(diào)儀測(cè)試是否接通。接通之后將3個(gè)位置光柵位移計(jì)進(jìn)行串聯(lián)引線至高鐵線路外采集儀處。

現(xiàn)場(chǎng)安裝位移計(jì)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)安裝光柵位移計(jì)

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)光柵位移計(jì)之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以高鐵停止運(yùn)行后凌晨2:00采集的數(shù)據(jù)作為位移初始值，從2014年8月26日19:00至2014年8月27日23:00 每10 min對(duì)光柵位移計(jì)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。根據(jù)路基段布設(shè)的位移計(jì)1，利用位移計(jì)算公式將采集的數(shù)據(jù)換算成變形量，如圖5所示。

圖5 位移計(jì)1變形量

8月26日至8月27日一天時(shí)間內(nèi)鋼軌橫向位移在±0.3 mm內(nèi)，在《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》要求的2 mm以內(nèi)，表明該路段鋼軌符合運(yùn)行要求，與實(shí)際列車運(yùn)行狀況相符。

在一天時(shí)間內(nèi)鋼軌扣件初始扣壓力、鋼軌橫向剛度和軌下墊層剛度固定的情況下，高鐵鋼軌橫向變形影響因素主要為列車經(jīng)過(guò)時(shí)的荷載力和溫度。為確定列車荷載對(duì)鋼軌橫向變形的影響，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)時(shí)，按照1 kHz頻率進(jìn)行光柵位移計(jì)數(shù)據(jù)采集，可得列車經(jīng)過(guò)時(shí)光柵位移計(jì)所測(cè)變形。

列車經(jīng)過(guò)時(shí)鋼軌橫向變形在－1.96～1.53 mm，其中在列車車輪經(jīng)過(guò)時(shí)鋼軌變形較大，列車車輪經(jīng)過(guò)之后，鋼軌橫向變形又恢復(fù)到±0.5 mm以內(nèi)，與實(shí)際監(jiān)測(cè)變形狀況相符。

為分析溫度對(duì)鋼軌橫向變形的影響，在光柵位移計(jì)布設(shè)后，在鋼軌軌腰位移計(jì)處布設(shè)光柵溫度計(jì)，光柵溫度計(jì)數(shù)據(jù)采集頻率與光柵位移計(jì)數(shù)據(jù)采集一致，根據(jù)光柵溫度計(jì)采集讀數(shù)換算現(xiàn)場(chǎng)鋼軌溫度見(jiàn)圖6。

圖68 月26日—8月27日全天溫度

在8月27日9:00之后鋼軌溫度開(kāi)始升高，在14:00處達(dá)到當(dāng)天最高溫度，此后溫度開(kāi)始降低。光柵位移計(jì)數(shù)據(jù)顯示在9:00之后鋼軌橫向變形量增大，在14:00—16:00之后橫向變形量減小，一天時(shí)間內(nèi)鋼軌最大溫差為20℃，最高溫度和最低溫度兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)橫向變形量差值為0.3～0.4 mm，對(duì)比鋼軌在列車作用下的橫向變形，列車荷載對(duì)橫向變形影響較明顯。

5 結(jié)論

1)光柵傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性好、體積小、解調(diào)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于高鐵運(yùn)營(yíng)期間變形監(jiān)測(cè)精度要求高、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

2)鋼軌橫向變形受列車荷載、溫度、鋼軌扣件初始扣壓力、橫向剛度、軌下墊層剛度、軌枕間距等因素的影響，短時(shí)間內(nèi)影響因素主要為列車荷載和現(xiàn)場(chǎng)溫度，其中列車荷載的影響較溫度變化明顯，橫向變形在列車經(jīng)過(guò)時(shí)變化較明顯。

［1］馮樹(shù)琴.鋼軌橫向變形研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.

［2］張宏海.鋼軌橫移及扭轉(zhuǎn)變形研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)［2012］83號(hào)高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10082—2005鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］全順喜，王平，張海洋，等.曲線上鋼軌橫向位移影響因素分析［J］.鐵道建筑，2010(2):114－116.

［6］張永興，練松良.鋼軌扭轉(zhuǎn)時(shí)的水平位移分析［J］.上海鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1997(18):18－23.

［7］苗彩霞，練松良.軌道結(jié)構(gòu)彈性與鋼軌橫向位移關(guān)系的動(dòng)力分析［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(21):22－25.

(責(zé)任審編 趙其文)

U213.4

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.31

1003－1995(2015)10－0144－03

2015－03－30;

2015－07－17

郎向偉(1985—)，男，助理研究員，碩士。