楊　星

(武漢地鐵集團(tuán)　武漢　430077)

地鐵道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊星

(武漢地鐵集團(tuán)武漢430077)

摘要針對(duì)地鐵道岔監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出一種基于光纖光柵原理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)目前的監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行比較，對(duì)基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行闡述，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿施加壓力，系統(tǒng)測(cè)試精度達(dá)±0.1 kN，有利保障地鐵運(yùn)行的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞地鐵道岔光纖光柵動(dòng)作桿

軌道交通行車(chē)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備——道岔，其運(yùn)用狀態(tài)與行車(chē)安全暢通直接相關(guān)。然而，道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅體現(xiàn)于其軌線布置和走行線路轉(zhuǎn)換，更在于其多變的輪軌關(guān)系，如尖軌與基本軌之間的輪載過(guò)渡，固定轍叉的軌線不連續(xù)，尖軌、護(hù)軌和翼軌的沖擊角過(guò)大，道岔區(qū)剛度不均勻等。地鐵車(chē)輛在通過(guò)道岔區(qū)時(shí)，輪軌間的動(dòng)態(tài)相互作用較普通區(qū)間線路高很多[1]。由于溫度變化、地質(zhì)因素和高速列車(chē)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)等原因，在道岔鋼軌上會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使鋼軌產(chǎn)生形變或位移。因此，對(duì)道岔運(yùn)行狀態(tài)全程動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)，確保行車(chē)安全暢通，是一項(xiàng)十分重要的研究課題。

在道岔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)撥動(dòng)道岔時(shí)所受力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為重要。電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)動(dòng)作桿實(shí)現(xiàn)道岔的轉(zhuǎn)換，尖軌和基本軌由轉(zhuǎn)轍機(jī)的鎖閉桿連接，操縱轉(zhuǎn)轍機(jī)來(lái)控制鎖閉桿的推拉改變尖軌的位置，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)營(yíng)調(diào)度。道岔轉(zhuǎn)換力的大小與尖軌的長(zhǎng)度、重量、彈性、滑床板的平滑程度、潤(rùn)滑狀況、尖軌根部的連接狀態(tài)以及環(huán)境等諸多因素有關(guān)。如果道岔狀態(tài)發(fā)生變化，其轉(zhuǎn)換力超過(guò)了電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的額定輸出力，電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的摩擦片將打滑，電動(dòng)機(jī)受到保護(hù)，但道岔卻不能正常轉(zhuǎn)換，影響了進(jìn)路和信號(hào)的開(kāi)放。所以道岔轉(zhuǎn)換力測(cè)定對(duì)維修人員掌握道岔狀況，及時(shí)進(jìn)行檢修，防止事故發(fā)生，有著較好的預(yù)警作用，從而保證軌道交通線路的運(yùn)營(yíng)安全[2]。

1光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電類測(cè)溫系統(tǒng)的比較

傳統(tǒng)檢測(cè)方法采用電阻應(yīng)變片，其技術(shù)成熟，制造成本低廉，但是存在很大的缺點(diǎn)。如不抗腐蝕、易受電磁干擾，特別是其零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，監(jiān)測(cè)前必須清零，所以無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；另一方面，鐵路的軌道又是列車(chē)牽引動(dòng)力電源的一個(gè)回路，對(duì)電類傳感器來(lái)說(shuō)是一個(gè)強(qiáng)大的干擾源。因?yàn)殇撥壉蛔鳛榱熊?chē)牽引動(dòng)力電源的一個(gè)回路，所以傳統(tǒng)的電傳感器難以使用[3]。光纖光柵傳感器的原理與電傳感器的原理完全不同，使得光纖光柵傳感器具有獨(dú)特的傳感特性。因此，在監(jiān)測(cè)道岔鋼軌應(yīng)變的技術(shù)中，光纖光柵傳感器比傳統(tǒng)的電類傳感器更具競(jìng)爭(zhēng)力。

與普通的電類傳感器相比，光纖光柵傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)[4]。

(1) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。由于光纖光柵傳感器是利用光信號(hào)傳輸信息，而光纖又是與電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質(zhì)，因此不怕電磁的干擾，也不會(huì)影響外界的電磁場(chǎng)。

(2) 靈敏度高。利用光纖光柵的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)使光纖光柵傳感器的靈敏度優(yōu)于一般機(jī)械的傳感器和電類的傳感器。

(3) 重量輕、體積小、外形可變。光纖除了具有重量輕、體積小的特點(diǎn)以外，還有可撓的優(yōu)點(diǎn)，因此利用光纖可以制成外形各異、尺寸不相同的各種光纖光柵傳感器。而且光纖光柵傳感器易于埋入監(jiān)測(cè)材料的內(nèi)部，是智能結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)中的首選應(yīng)變傳感器。

(4) 傳輸容量大，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。

由于光纖光柵傳感器具有以上這些優(yōu)勢(shì)，而且它不受環(huán)境的影響，所以其測(cè)量結(jié)果精確度高，可以滿足地鐵軌道監(jiān)測(cè)的要求。

2系統(tǒng)的組成

光纖光柵應(yīng)變傳感器的道岔在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)裝置、光纖分路器、傳輸光纜、光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀及監(jiān)控計(jì)算機(jī)、中心控制站組成，見(jiàn)圖1。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1　數(shù)據(jù)采集層

用于檢測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿受力的光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)裝置，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要考慮現(xiàn)場(chǎng)的安裝情況及其保護(hù)措施，同時(shí)溫度的變化同樣會(huì)使得道岔的應(yīng)變發(fā)生變化，溫度的變化對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果有很大的干擾。為了分離出單純的應(yīng)變量，就要在光路里串聯(lián)溫度補(bǔ)償模塊，使其放置在同一環(huán)境中，使其不受應(yīng)力，僅受溫度的影響。因此，光纖光柵傳感動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)裝置主要由光纖光柵傳感應(yīng)力傳感探頭、光纖光柵傳感溫度補(bǔ)償片和具有增敏效應(yīng)的應(yīng)變片固定裝置3個(gè)部分組成[5]，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1-道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿； 2-不銹鋼保護(hù)盒；
3-半圓式加長(zhǎng)夾塊； 4-夾塊固定螺栓；
5-半圓式下夾塊； 6-光纖光柵傳感應(yīng)變片；
7-螺釘； 8-光纖光柵傳感溫度補(bǔ)償片； 9-傳輸光纖
圖2光纖光柵傳感動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

利用該傳感裝置實(shí)現(xiàn)動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)的原理是：當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿受力時(shí)，夾持在動(dòng)作桿上的2對(duì)夾塊會(huì)隨之發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，從而帶動(dòng)2夾塊之間的光纖光柵傳感應(yīng)變片發(fā)生形變，進(jìn)而使該應(yīng)變片的光學(xué)參量波長(zhǎng)發(fā)生變化。當(dāng)實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，將應(yīng)變片上光纖光柵的波長(zhǎng)漂移減去溫度補(bǔ)償片上光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，波長(zhǎng)漂移的差就表征應(yīng)變片上光纖光柵受到的單純應(yīng)變量，即為動(dòng)力桿所受應(yīng)力。

將光纖光柵傳感動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)裝置實(shí)際應(yīng)用于道岔的轉(zhuǎn)轍機(jī)鎖閉桿上，見(jiàn)圖3。傳感裝置安裝的步驟主要分為5步。

第一步。安裝之前要先將安裝處的拉桿去污和打磨。

第二步。用鋼結(jié)構(gòu)膠填充增敏夾塊和鎖閉桿的結(jié)合面，并以螺栓緊固。

第三步。將對(duì)應(yīng)的光纖光柵傳感應(yīng)變片，用鋼結(jié)構(gòu)膠與機(jī)械緊固相結(jié)合的方法固定在2個(gè)長(zhǎng)剛性臂之間。

第四步。串聯(lián)溫度補(bǔ)償片，并將溫度補(bǔ)償片懸空放置保護(hù)盒內(nèi)側(cè)，將光纖部分盤(pán)繞在保護(hù)盒內(nèi)部。

第五步。將光纖光柵傳感應(yīng)力檢測(cè)片和溫度補(bǔ)償片兩端的傳輸光纖焊接起來(lái)，接入軌道附近的軌旁箱里的接續(xù)盒，同時(shí)將傳感裝置蓋上保護(hù)蓋。

圖3　實(shí)際應(yīng)用工程現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2　傳輸檢測(cè)層

傳輸光纜是信號(hào)傳輸通道，可以在鐵軌溝內(nèi)鋪設(shè)，分路器與傳輸光纜熔接后連接到光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀，光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀對(duì)光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀內(nèi)部安裝有脈沖信號(hào)的發(fā)生和檢測(cè)元件，光探測(cè)器可以將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖序列，以便后續(xù)單元處理分析，信號(hào)處理單元對(duì)收到的電脈沖序列進(jìn)行采樣分析，解析光學(xué)參量波長(zhǎng)，確定光纖光柵傳感動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)裝置探測(cè)的動(dòng)力桿所受應(yīng)力。

按2.1中所述方法安裝好監(jiān)測(cè)裝置后，動(dòng)力桿左右兩端分別接推力機(jī)以及測(cè)力計(jì)。通過(guò)測(cè)力計(jì)檢測(cè)方式，控制推力機(jī)對(duì)動(dòng)作桿施加推動(dòng)力，光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)裝置連接光纖光柵信號(hào)解調(diào)器，將加載以及卸載推動(dòng)力條件下光纖光柵監(jiān)測(cè)裝置所測(cè)數(shù)據(jù)繪制成曲線，見(jiàn)圖4。

圖4　監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試曲線

從測(cè)試數(shù)據(jù)可看出，無(wú)論加載還是卸載推動(dòng)力時(shí)，光纖光柵傳感動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)裝置所測(cè)推動(dòng)力與設(shè)置推動(dòng)力精度可達(dá)±0.1 kN，并且線性度良好。

2.3　監(jiān)控管理層

監(jiān)控管理層的用戶是運(yùn)行監(jiān)控人員，為方便操作，監(jiān)控分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控(監(jiān)控計(jì)算機(jī))和中心控制站2部分。監(jiān)控計(jì)算機(jī)中安裝有道岔監(jiān)測(cè)軟件，監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-232通信口采集光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)信息，從而得到動(dòng)力桿受力的實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力桿的應(yīng)力監(jiān)視。

這些數(shù)據(jù)通過(guò)專用光纖線路，傳輸?shù)街行目刂普?。中心控制站的服?wù)器同時(shí)具有數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)

器與web服務(wù)器的功能，其中數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)相同，為用戶提供信息查詢、高速緩存、數(shù)據(jù)更新、安全保障和多用戶存儲(chǔ)控制服務(wù)。web服務(wù)器則負(fù)責(zé)信息發(fā)布，當(dāng)web連接到服務(wù)器上并請(qǐng)求文件時(shí)，服務(wù)器將響應(yīng)該請(qǐng)求，根據(jù)用戶的具體需求將文件發(fā)送到該瀏覽器，以方便用戶監(jiān)控。

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)地鐵道岔實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出一套基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的光纖光柵傳感動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)撥動(dòng)道岔時(shí)所受力。重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)構(gòu)成的各個(gè)模塊及其功能，并且設(shè)計(jì)了一款安裝于轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)力桿的高精度光纖光柵傳感動(dòng)作桿受力監(jiān)測(cè)裝置，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證此系統(tǒng)的測(cè)溫精度可達(dá)±0.1 kN，有利于保障地鐵運(yùn)行的可靠性和安全性。

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Design of Switch Monitoring System for Subway

YangXing

(Wuhan Metro Group, Wuhan 430077, China)

Abstract：Aiming at the problem of metro switches monitoring, we put forward a kind of monitoring system based on the principle of fiber bragg grating (FBG). Thecurrent monitoring methods were compared. We expatiated on the optical fiber grating strain monitoring system. We put pressure on switch pole. The system test precision could reach±0.1 kN. It guaranteed the reliability and security of the subway running.

Key words:subway switches; fiber bragg grating; point operating stretcher