王海東,王洪濤,張 強(qiáng),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(xué)土木工程系,江蘇 南京 210016)

1 前言

鐵路由于其運(yùn)量大、速度快、成本低以及通用性好等特點(diǎn),使其成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大支柱,是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈。道岔作為鐵路運(yùn)輸中軌道的一部分,由于其具有數(shù)量多、壽命短、限速、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性低、養(yǎng)護(hù)維修工作量大的工作特點(diǎn),所以道岔是鐵路線上最薄弱的環(huán)節(jié),一直也是病害的多發(fā)區(qū)域[1]。

高速道岔作為客運(yùn)專線鐵路的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,需要保證列車高速通過道岔時(shí)具有與區(qū)間線路相同的舒適性[2]。道岔尖軌處由于承擔(dān)著機(jī)車換向的任務(wù),經(jīng)常作為受力及磨耗最大的點(diǎn),在該點(diǎn)的檢測(cè)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(cè)量范圍廣等特點(diǎn)逐漸取代了普通傳感器。在光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)方面,有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了探索與研究。Tam等介紹了Kowloon-Canton鐵路公司利用30個(gè)光纖布拉格光柵進(jìn)行火車識(shí)別和速度監(jiān)測(cè),結(jié)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(shí)現(xiàn)“智慧鐵路”的過程中發(fā)揮重要作用[3]。黃艷紅等通過對(duì)青藏鐵路橋梁自然環(huán)境和橋梁損傷的分析,以及對(duì)橋梁損傷探測(cè)技術(shù)的研究,認(rèn)為光纖光柵測(cè)試技術(shù)能同時(shí)進(jìn)行溫度和應(yīng)變的雙參數(shù)測(cè)量,可靠性好,抗干擾能力強(qiáng),電絕緣性能好,耐腐蝕[4]。陳小平等通過理論計(jì)算[5],以我國(guó)時(shí)速為250km的客運(yùn)專線道岔為對(duì)象,研究了尖軌、心軌、翼軌的最大垂向加速度,發(fā)現(xiàn)尖軌和心軌的振動(dòng)加速度比基本軌大,而衰減比基本軌慢。高克金等通過力學(xué)模型[6],計(jì)算了尖軌、翼軌在21t、25t重機(jī)車以側(cè)向、直向過岔時(shí)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(duì)尖軌垂向加速度的影響。本文以道岔遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ),主要研究了道岔尖軌的振動(dòng)加速度,對(duì)其檢測(cè)方法進(jìn)行了初步試驗(yàn),驗(yàn)證其可行性,并討論了機(jī)車行駛方向和速度對(duì)垂向加速度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 光纖光柵加速度測(cè)量原理

FBG利用光纖材料的光敏特性,在纖芯內(nèi)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(diào)制分布,是一種均勻光柵,具有良好的波長(zhǎng)選擇性。當(dāng)寬帶光進(jìn)入光纖后,滿足特定條件波長(zhǎng)的入射光在光柵處被耦合反射,其余波長(zhǎng)的光會(huì)全部通過而不受影響。FBG反射特定波長(zhǎng)的光,該波長(zhǎng)滿足以下條件：

λB=2neffΛ

(1)

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

外界應(yīng)力和溫度變化會(huì)引起折射率和柵距的變化,導(dǎo)致FBG波長(zhǎng)λB的移位,滿足線性關(guān)系式(2)：

(2)

式中Δλ為FBG波長(zhǎng)變化量,ε為光纖軸向應(yīng)變,ΔT為溫度變化,Pe為光纖光彈系數(shù),α為光纖熱膨脹系數(shù),ζ為光纖熱光系數(shù)。FBG的波長(zhǎng)解調(diào)精度達(dá)到1pm,對(duì)應(yīng)的其應(yīng)變測(cè)試精度約1個(gè)微應(yīng)變,溫度解調(diào)精度為0.1℃。

由于FBG能夠?qū)Σ牧系奈⒆冃芜M(jìn)行精確測(cè)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(zhǎng)的漂移量來(lái)檢測(cè)外界加速度,其關(guān)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(diào)出布拉格中心波長(zhǎng),得出中心波長(zhǎng)的漂移量,即可測(cè)量出待測(cè)對(duì)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(cè)量尖軌的垂向振動(dòng)加速度。列車過岔時(shí)尖軌尖端的垂向加速度值相對(duì)較大,現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試方向垂直,這樣試驗(yàn)采集的加速度數(shù)據(jù)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(shí)際安裝圖見圖2。

2.3 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)使用機(jī)車作為模擬荷載(見圖3),機(jī)車過岔時(shí)會(huì)使尖軌產(chǎn)生振動(dòng),加速度傳感器可以實(shí)時(shí)采集加速度值。

圖3 試驗(yàn)所用機(jī)車

試驗(yàn)的具體步驟如下：

(1)機(jī)車行駛至道岔區(qū)域內(nèi)停車,儀器操作人員采集并存儲(chǔ)靜載時(shí)光纖加速度傳感器的數(shù)據(jù)。

(2)指揮員下達(dá)行駛命令,機(jī)車以10km/h速度行駛至道岔,機(jī)車行駛時(shí)盡量保持勻速。這時(shí)操作人員采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)。

(3)機(jī)車完全駛出道岔時(shí),指揮員發(fā)出停車命令。

(4)待機(jī)車完全停止后,機(jī)車指揮員引導(dǎo)機(jī)車以10km/h的速度反向通過道岔,盡量保持勻速,記錄相應(yīng)數(shù)據(jù),機(jī)車完全駛出道岔時(shí)機(jī)車指揮員發(fā)出停車命令。至此完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期。

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

3 結(jié)果分析

3.1 尖軌垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)

圖4為機(jī)車以20km/h側(cè)逆向過岔時(shí)的測(cè)試結(jié)果。由圖4可知,雖然過岔速度和方向完全相同,但是三次測(cè)試所得的加速動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(xiàn)象的原因是三次過岔時(shí)機(jī)車速度難以完全相同。另外,由圖4也可以看出,兩個(gè)不同的輪軸通過時(shí),傳感器采集的加速度峰值也不完全相同,一般以第一個(gè)輪軸通過時(shí)最大。

圖4 10km/h側(cè)逆向過岔時(shí)尖軌垂向加速度響應(yīng)

3.2 機(jī)車行駛方向和速度對(duì)垂向加速度的影響

機(jī)車以不同的速度過岔時(shí)會(huì)以不同的速度對(duì)尖軌產(chǎn)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(chǎn)生的垂向加速度可能會(huì)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(dòng)加速度的最大值。

表1 不同車速條件下尖軌尖端側(cè)順向垂向加速度

由表1和表2可以看出,試驗(yàn)測(cè)得的加速度值離散比較大,造成這種現(xiàn)象的原因是機(jī)車每次過岔時(shí)難以完全按照同一個(gè)速度。當(dāng)速度逐漸增大時(shí),機(jī)車側(cè)順向過岔時(shí),垂向加速度值有增加趨勢(shì),但是當(dāng)機(jī)車側(cè)逆向過岔時(shí),加速度值卻呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì),這表明列車過岔方向?qū)Φ啦砑廛壍恼駝?dòng)影響較大。當(dāng)機(jī)車以10 km/h～20 km/h的速度側(cè)順向過岔時(shí),垂向加速度最大值范圍為6.3g～31.6g。當(dāng)機(jī)車以同樣的速度范圍側(cè)逆向過岔時(shí),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(shù)據(jù)表明,當(dāng)機(jī)車過岔速度較低時(shí)(10 km/h～20 km/h),側(cè)逆向過岔對(duì)尖軌尖端的振動(dòng)影響較大。由于試驗(yàn)場(chǎng)地范圍限制,為保證安全,沒能將機(jī)車的過岔速度提高,也就缺少高速條件下機(jī)車過岔時(shí)對(duì)尖軌的振動(dòng)影響分析。后面將繼續(xù)選擇試驗(yàn)場(chǎng)地或者高速鐵路正常運(yùn)營(yíng)路段,進(jìn)一步研究道岔尖軌垂向加速度變化規(guī)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(dòng)分析。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境要求,設(shè)計(jì)了基于FBG的尖軌加速度檢測(cè)試驗(yàn)方案,最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得出列車以不同的條件過岔時(shí)尖軌加速度變化規(guī)律,驗(yàn)證了利用光纖光柵加速度傳感器檢測(cè)尖軌垂向振動(dòng)加速度的可行性,結(jié)論如下：

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

(2)當(dāng)速度逐漸增大時(shí),機(jī)車側(cè)順向過岔時(shí),垂向加速度值有增加趨勢(shì),但是當(dāng)機(jī)車側(cè)逆向過岔時(shí),加速度值卻呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì),這表明列車過岔方向?qū)Φ啦砑廛壍恼駝?dòng)影響較大。

(3)當(dāng)機(jī)車以10 km/h～20 km/h的速度側(cè)順向過岔時(shí),垂向加速度最大值范圍為6.3g～31.6g。當(dāng)機(jī)車以同樣的速度范圍側(cè)逆向過岔時(shí),垂向加速度最大值范圍為17.7g～52.4g。當(dāng)機(jī)車過岔速度較低時(shí)(10 km/h～20 km/h),側(cè)逆向過岔對(duì)尖軌尖端的振動(dòng)影響較大。