陳志穎

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

軌道電路是以鐵路線路的鋼軌為導(dǎo)體構(gòu)成的電路，用于檢測(cè)軌道區(qū)段是否有車(chē)輛占用，同時(shí)起到信息傳輸?shù)耐ǖ雷饔?。在軌道電路中，可利用接收端的軌道繼電器的下落狀態(tài)來(lái)判別軌道電路的分路情況。

可當(dāng)軌道電路出現(xiàn)軌面生銹或積污、輪對(duì)銹蝕、軌道電路參數(shù)調(diào)整不當(dāng)?shù)葐?wèn)題時(shí)[1]，就會(huì)造成車(chē)輛輪對(duì)無(wú)法有效地對(duì)所送電流進(jìn)行分路，軌道繼電器不能可靠落下，從而失去檢測(cè)軌道電路占用與否的功能。當(dāng)發(fā)生軌道電路分路不良，軌道電路占用檢測(cè)技術(shù)無(wú)法對(duì)電路的分路狀態(tài)進(jìn)行判斷，導(dǎo)致信號(hào)顯示和軌道電路碼續(xù)升級(jí)[2]，造成聯(lián)鎖系統(tǒng)失效，為鐵路的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。

由于分路不良是依附于軌道電路存在，且無(wú)法避免的技術(shù)問(wèn)題，怎樣解決軌道電路分路不良時(shí)的軌道區(qū)段占用檢測(cè)問(wèn)題，成為保證鐵路信號(hào)系統(tǒng)可靠性和安全性的關(guān)鍵。針對(duì)此類問(wèn)題，有很多解決方案被提出，如3V化軌道電路、智能監(jiān)控盒、高壓脈沖軌道電路、計(jì)軸與軌道電路結(jié)合、鋼軌涂鍍、鋼軌打磨、熔覆堆焊等[3-6]，但這些方案都存在一定的局限性，不能從根本上解決軌道電路分路不良時(shí)的列車(chē)占用檢測(cè)問(wèn)題。因此本文在現(xiàn)有的軌道占用檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，結(jié)合軌道電路的工作原理和軌道動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)軌道占用檢測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；監(jiān)測(cè)FBG的中心波長(zhǎng)漂移量，統(tǒng)計(jì)列車(chē)進(jìn)出軌道區(qū)段的輪對(duì)軸數(shù)，通過(guò)軸數(shù)比較，解決軌道電路分路不良時(shí)的軌道區(qū)段占用檢測(cè)問(wèn)題。

光纖光柵是一種光纖無(wú)源器件，依靠協(xié)調(diào)波長(zhǎng)與溫度變化和應(yīng)力應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及可以接入光纖系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)，被應(yīng)用于制作傳感單元[7，8]。光纖光柵傳感器具有靈敏度高、抗腐蝕、抗電磁干擾、可分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[9-11]。目前，光纖光柵壓力傳感器已廣泛用于各類工程建設(shè)[12-14]，利用提前預(yù)埋等技術(shù)手段，可對(duì)構(gòu)件的應(yīng)變狀況以及應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)軌道電路占用檢測(cè)的需求，發(fā)揮光纖光柵壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)，分析軌道電路工作原理及列車(chē)進(jìn)入軌道區(qū)段時(shí)鋼軌受力所產(chǎn)生的彎矩變化情況，設(shè)計(jì)傳感器在軌道電路占用狀態(tài)的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)漂移量變化實(shí)現(xiàn)列車(chē)進(jìn)、出軌道區(qū)段的軸數(shù)統(tǒng)計(jì)，確定軌道區(qū)段的占用狀態(tài)。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，證實(shí)FBG的中心波長(zhǎng)漂移量和縱向應(yīng)力的改變成正比的線性關(guān)系，即和鋼軌受力形變所產(chǎn)生的彎矩變化成正比，利用FBG的應(yīng)力特性，可以感知列車(chē)輪對(duì)作用于鋼軌所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力，能夠有效用于軌道區(qū)段的占用檢測(cè)，解決軌道電路分路不良問(wèn)題。

1 軌道電路

軌道電路具有列車(chē)定位、檢查軌道區(qū)段占用情況、向機(jī)車(chē)傳遞控制信息等功能[15]。其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軌道電路結(jié)構(gòu)

軌道電路的工作原理[16]如下：當(dāng)設(shè)備完好且軌道區(qū)段空閑時(shí)，且聯(lián)鎖調(diào)整正確，此時(shí)信號(hào)機(jī)滿足開(kāi)放條件，信號(hào)開(kāi)放。當(dāng)軌道電路被列車(chē)占用時(shí)，由于分路電阻(輪對(duì)電阻)小于軌道繼電器線圈電阻，輪對(duì)對(duì)送電端的電流分路，此時(shí)流經(jīng)軌道繼電器的電流小于門(mén)限值，使其失磁落下，此時(shí)信號(hào)機(jī)點(diǎn)紅燈。

當(dāng)軌道電路的軌面導(dǎo)電不佳，造成列車(chē)占用軌道區(qū)段時(shí)，軌道繼電器也無(wú)法可靠落下，導(dǎo)致聯(lián)鎖失效，這稱為軌道電路分路不良。造成分路不良的原因復(fù)雜，既包含電路設(shè)備本身，又包含列車(chē)和鐵路線路的運(yùn)營(yíng)環(huán)境[17]。因此需要通過(guò)可靠的技術(shù)手段，解決軌道電路分路不良時(shí)，仍可有效的判斷軌道區(qū)段的占用狀態(tài)。

2 基于光纖光柵壓力傳感器的軌道電路占用檢測(cè)方法

為提高列車(chē)定位的準(zhǔn)確性，解決軌道電路分路不良時(shí)，判斷軌道區(qū)段的占用狀態(tài)的問(wèn)題，本文提出基于光纖光柵壓力傳感裝置的軌道電路占用檢測(cè)方法。

2.1 光纖光柵應(yīng)力特性

光纖光柵縱向應(yīng)變壓力傳感器主要基于光纖Bragg光柵縱向應(yīng)變特性所設(shè)計(jì)，是一種將前向?qū)РＪ今詈系胶笙驅(qū)РＪ降墓饫w，相當(dāng)于反射型帶通濾波光纖器件，是目前最常見(jiàn)的一類光纖光柵壓力傳感器[18]。

光纖Bragg光柵可以分為啁啾光纖光柵和均勻光纖光柵，后者最為常用，選其作為研究對(duì)象。均勻光纖光柵的柵格是以周期neffΛ沿軸向均勻分布，且在徑向各處的折射率neff均相等，Λ為光柵的空間周期。FBG的周期性的折射率微擾只會(huì)對(duì)一段很窄的光譜產(chǎn)生影響，當(dāng)寬帶光波信號(hào)在FBG中傳播時(shí)，F(xiàn)BG僅僅會(huì)將一段特定波長(zhǎng)的光波信號(hào)反射回來(lái)，而其他波段的光波繼續(xù)沿光纖傳輸，不受影響，這成為諧振波長(zhǎng)反射現(xiàn)象[19]。

將光柵反射的峰值波長(zhǎng)λB稱為FBG中心波長(zhǎng)，則中心波長(zhǎng)可表示為

λB=2neffΛ

(1)

式(1)表明，光波信號(hào)沿FBG的通道傳播時(shí)，由于模式耦合作用的影響，滿足式(1)的信號(hào)將被反射。式中neff是光纖纖芯的等效折射率，Λ是光柵周期，可以表示為

(2)

其中，λUV是紫外線光源的波長(zhǎng)；θ是兩束相干光束間的夾角。

當(dāng)光纖光柵受到橫向或縱向應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)對(duì)光纖Bragg光柵造成彈光效應(yīng)和周期的伸縮，這些都會(huì)使FBG的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化。在實(shí)際使用中，將FBG的傳感特性用微分方程來(lái)表示

(3)

式中，λB為FBG中心波長(zhǎng)；ΔλB為FBG中心波長(zhǎng)偏移量；Λ為光纖光柵周期；ΔΛ為光纖光柵的周期變化量；neff為等效折射率；Δneff為等效折射率變化量。

假設(shè)溫度場(chǎng)及其他外界條件恒定不變，光纖光柵只受到縱向應(yīng)力的作用，則由縱向應(yīng)力所致的周期變化可表示為

(4)

其中，εz為縱向應(yīng)力方向的應(yīng)變張量。

沿縱向產(chǎn)生的光纖光柵折射率變化可表示為

(5)

式中，P11、P12為彈光系數(shù)；v為光纖纖芯的泊松比。

將式(4)、式(5)代入式(3)中并進(jìn)行化簡(jiǎn)，可得由縱向應(yīng)變引起的FBG中心波長(zhǎng)相對(duì)位移量

(6)

式中，Pe為有效彈光系數(shù)。

2.2 光纖Bragg光柵壓力傳感器受力分析

在相鄰兩軌枕間，順序分別在靠近兩軌枕處安裝4個(gè)光纖Bragg光柵壓力傳感器，如圖2(a)所示。軌道的振動(dòng)位移可反映是否有列車(chē)經(jīng)過(guò)，當(dāng)鋼軌受到壓力產(chǎn)生形變時(shí)，鋼軌彎矩將會(huì)產(chǎn)生變化，從而引起FBG的中心波長(zhǎng)漂移。因此通過(guò)對(duì)FBG中心波長(zhǎng)的偏移量進(jìn)行檢測(cè)，則可達(dá)到檢測(cè)軌道電路占用與否的目的。

在圖2(a)中F表示鋼軌所受壓力，L表示相鄰兩軌枕間距離，x表示列車(chē)輪對(duì)距離軌枕的距離，1～4表示4個(gè)光纖Bragg光柵壓力傳感器，p為1，4傳感器點(diǎn)離最近軌枕的距離，q為1、2傳感器點(diǎn)之間和3、4傳感器點(diǎn)之間的距離。

圖2 鋼軌受力測(cè)試示意

對(duì)鋼軌的不同點(diǎn)進(jìn)行施壓，鋼軌受力產(chǎn)生形變，導(dǎo)致每個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生不同的彎矩變化，依據(jù)斯尼德橋原理[20]，定義1～4四個(gè)光纖Bragg光柵壓力傳感器所在點(diǎn)的彎矩M1～M4的彎矩變化函數(shù)為∑M=(M1-M2)-(M3-M4)，得到

(7)

分析得到該段鋼軌的彎矩函數(shù)如圖2(b)所示，在2、3之間測(cè)量時(shí)，縱向壓力和彎矩函數(shù)成正比，由式(7)可知，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)漂移量和彎矩函數(shù)成正比。設(shè)這4個(gè)FBG點(diǎn)的中心波長(zhǎng)漂移量分別是Δλ1～Δλ4，則FBG的中心波長(zhǎng)漂移函數(shù)可表示為

Δλ=(Δλ1-Δλ2)-(Δλ3-Δλ4)

(8)

分析FBG的應(yīng)力特性可知，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)漂移量和外力所產(chǎn)生的形變成正比，作用力的強(qiáng)度將直接影響FBG波長(zhǎng)的漂移范圍。

2.3 軌道電路占用的判斷

經(jīng)過(guò)上述分析可知，鋼軌的形變過(guò)程與受力過(guò)程同步，當(dāng)鋼軌的形變恢復(fù)時(shí)，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)漂移立即恢復(fù)，因此利用中心波長(zhǎng)的漂移量變化，可以準(zhǔn)確又實(shí)時(shí)的判斷列車(chē)經(jīng)過(guò)情況。

選取一個(gè)閉塞分區(qū)進(jìn)行研究，在該區(qū)段的入口和出口處，分別安裝如圖2(a)分布的兩組光纖Bragg光柵壓力傳感器，根據(jù)監(jiān)測(cè)中心波長(zhǎng)的漂移量變化趨勢(shì)，對(duì)列車(chē)進(jìn)出該區(qū)段的輪對(duì)軸數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并對(duì)進(jìn)口和出口所計(jì)軸數(shù)進(jìn)行比較，從而判斷軌道電路所處的狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)出的所計(jì)軸數(shù)相同時(shí)，則軌道區(qū)段處于占用狀態(tài)；當(dāng)所計(jì)軸數(shù)不同時(shí)，則軌道區(qū)段屬于空閑狀態(tài)。

所設(shè)計(jì)的軌道區(qū)段占用檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)主要包含光纖Bragg光柵壓力傳感器、光纖Bragg光柵信號(hào)解調(diào)器、A/D信號(hào)采集器、微控制單元等。當(dāng)列車(chē)的第一個(gè)輪對(duì)行駛?cè)朐搮^(qū)段，首先利用區(qū)段入口處的4個(gè)光纖Bragg光柵壓力傳感器進(jìn)行感知，由于壓力所致，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)漂移會(huì)隨軌道的彎矩變化而變化。每一個(gè)輪對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)，4個(gè)FBG傳感器的中心波長(zhǎng)就會(huì)由零開(kāi)始逐漸上升，到一個(gè)點(diǎn)保持一段時(shí)間，再逐漸下降變?yōu)榱?。每?dāng)中心波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)這樣一次變化時(shí)，進(jìn)行一次輪軸計(jì)數(shù)，即通過(guò)式(8)中Δλ的變化量對(duì)列車(chē)軸數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。光纖Bragg光柵信號(hào)解調(diào)器是用于解調(diào)這8個(gè)FBG壓力傳感器反射回的反射光譜，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。得到解調(diào)信號(hào)后，由A/D波長(zhǎng)信號(hào)采集模塊進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)微控制單元處理計(jì)算每個(gè)FBG的中心波長(zhǎng)漂移量，通過(guò)漂移量的變化統(tǒng)計(jì)列車(chē)進(jìn)出該區(qū)段的軸數(shù)，確定軌道區(qū)段的占用狀態(tài)。

圖3 軌道占用檢測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 光纖光柵縱向應(yīng)力特性實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為證實(shí)縱向應(yīng)力與FBG中心漂移量的關(guān)系，從理論上分析光纖Bragg光柵的縱向應(yīng)力特性能否應(yīng)用于軌道區(qū)段的占用檢測(cè)，本文將通過(guò)壓力變化，對(duì)光纖光柵壓力傳感器的中心波長(zhǎng)隨縱向應(yīng)力變化的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)選取紫外光照射經(jīng)過(guò)氫敏處理的普通單模光纖所形成的光纖光柵壓力傳感器，該FBG傳感器在正常無(wú)壓力情況下的Bragg波長(zhǎng)為1 549.653 nm，反射率大于85%，3DB帶寬為0.369 nm。通過(guò)對(duì)該FBG傳感器施壓，逐步對(duì)其縱向應(yīng)變量進(jìn)行改變，可以獲得光纖Bragg光柵壓力傳感器的中心波長(zhǎng)隨縱向應(yīng)力改變量的變化關(guān)系，如圖4所示。通過(guò)對(duì)該圖進(jìn)行分析，可以看出，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)漂移量和縱向應(yīng)力的改變成正比，即和鋼軌受力形變所產(chǎn)生的彎矩變化成正比。當(dāng)平均發(fā)生0.5‰的應(yīng)變改變時(shí)，會(huì)有0.538 nm的波長(zhǎng)漂移。這種成正比的線性關(guān)系可以很好地應(yīng)用于檢測(cè)縱向應(yīng)力改變。

圖4 FBG中心波長(zhǎng)隨縱向應(yīng)變量變化關(guān)系曲線

4 結(jié)論

針對(duì)軌道電路分路不良時(shí)，軌道電路占用檢測(cè)技術(shù)無(wú)法對(duì)電路的分路狀態(tài)進(jìn)行判斷的問(wèn)題，提出一種基于光纖光柵壓力傳感器的軌道區(qū)段占用檢測(cè)方法。通過(guò)分析軌道電路的工作原理和軌道動(dòng)力學(xué)原理，并結(jié)合光纖光柵縱向應(yīng)力特性的實(shí)驗(yàn)，可得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)設(shè)計(jì)軌道占用檢測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析列車(chē)進(jìn)入軌道區(qū)段時(shí)鋼軌受力所產(chǎn)生的彎矩變化情況，利用分布在軌道區(qū)段進(jìn)、出口兩端的FBG壓力傳感器中心波長(zhǎng)漂移量的檢測(cè)，進(jìn)行列車(chē)在軌道區(qū)段進(jìn)、出口的軸數(shù)統(tǒng)計(jì)，此方法可有效確定軌道區(qū)段的占用狀態(tài)。

(2)通過(guò)光纖Bragg光柵縱向應(yīng)力特性實(shí)驗(yàn)，證實(shí)FBG的中心波長(zhǎng)漂移量和縱向應(yīng)力的改變成正比的線性關(guān)系，即和鋼軌受力形變所產(chǎn)生的彎矩變化成正比。利用FBG的應(yīng)力特性，可以感知列車(chē)輪對(duì)進(jìn)入軌道區(qū)段時(shí)作用于鋼軌所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力，證實(shí)本文提出的方法可解決軌道電路分路不良時(shí)軌道區(qū)段的占用檢測(cè)問(wèn)題。