光纖傳感軌道狀態(tài)監(jiān)測的研究與應(yīng)用.pdf

1、作為國家重大生命線工程系統(tǒng)，軌道交通的運行安全對保障國家公共安全、維持社會穩(wěn)定、促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展都至關(guān)重要，軌道交通工程結(jié)構(gòu)的運行安全和可持續(xù)發(fā)展已成為了迫切的國家重大戰(zhàn)略需求。面向軌道結(jié)構(gòu)工程健康狀況實時監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)是保證運輸安全的有效手段。然而，由于我國幅員遼闊，軌道交通線路跨越區(qū)域廣、使用環(huán)境多變，相比世界其他國家對檢測技術(shù)的有更多的要求，另外傳統(tǒng)電類檢測在復(fù)雜環(huán)境下長期使用易損壞或發(fā)生零點漂移等現(xiàn)象，并且電類傳感器的信號傳輸距

2、離近，不易組成大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)，將其用于軌道狀態(tài)的實時監(jiān)測將存在著難以克服的理論和技術(shù)方面瓶頸。光纖光柵傳感技術(shù)的不斷發(fā)展為解決該難題提供了有效的途徑，但是目前我國尚缺乏面向光纖傳感軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測全面地、系統(tǒng)地研究，特別是面向高速無砟軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的光纖傳感監(jiān)測研究更加匱乏。
　　 針對上述問題，本文利用光纖傳感技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)和軌道工程技術(shù)的交叉優(yōu)勢，依據(jù)軌道動力學(xué)分析的結(jié)果，研制軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測的傳感裝置，構(gòu)建適合軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)

3、實時監(jiān)測的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)體系，研究了光纖傳感閉塞系統(tǒng)、超偏載及車輪損傷識別系統(tǒng)以及無砟軌道多參量監(jiān)測系統(tǒng)的工程化實現(xiàn)，相關(guān)研究成果在鐵路線路得到了應(yīng)用，本文的主要研究如下：
　　 (1)依據(jù)車輛結(jié)構(gòu)特征建立了車輛模型；軌道模型選用了連續(xù)彈性離散點支承梁軌道模型。傳統(tǒng)有限元分析方法求解過程中若沒有足夠的約束條件，無法進(jìn)行分析求解，針對這一問題，研究基于向量式結(jié)構(gòu)和固體力學(xué)理論提出的新的結(jié)構(gòu)分析方法-向量式有限元法，該方法能避免剛

4、度矩陣方程的求解，原理簡單，易于編程實現(xiàn)，將向量式有限元法引入到了軌道的數(shù)值分析之中，結(jié)合赫茲非線性彈性接觸理論將車輛和軌道數(shù)值模擬統(tǒng)一了起來。利用該分析方法，分別從軌道結(jié)構(gòu)在不同載重和速度的車輛的作用下，對鋼軌垂向應(yīng)變的規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬的結(jié)果顯示，在軸重為40噸的重載車輛的作用下，鋼軌軸向應(yīng)變的最大變化幅度為382.6με，在輕為2噸的工程車的作用下，鋼軌應(yīng)變的最大幅度為19.1με，在車輛以速度為350km/h駛過時，信號的3

5、dB寬度約為6ms。這些結(jié)果將會為傳感元件的分辨率、量程，以及傳感監(jiān)測儀表的采樣頻率的設(shè)計提供直接依據(jù)。
　　 (2)在分析光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating，簡稱FBG)傳感原理的基礎(chǔ)上，分析了CFBG的傳感原理，并設(shè)計了一種基于光纖啁啾光柵(ChirpedFiber Bragg Grating，簡稱CFBG)的傳感解調(diào)方法，該方法采用的是強度型傳感檢測方式，這樣可以不采用昂貴的F-P腔，能夠有效的降低

6、設(shè)計難度和制作成本。光電探測器可以實現(xiàn)高速的轉(zhuǎn)換，從而使光強型解調(diào)系統(tǒng)能夠具備比波長型更高的解調(diào)速度。基于CFBG傳感解調(diào)方法可以作為FBG傳感檢測方法的一種補充和完善。
　　 (3)分別針對輪軌垂向力，鋼軌溫度力以及軌道結(jié)構(gòu)間位移，分析了各自監(jiān)測的必要性，依據(jù)不同的需求，設(shè)計了對應(yīng)的傳感結(jié)構(gòu)，著重設(shè)計了軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測中需要用到的幾種FBG傳感探頭，主要包括光纖光柵應(yīng)變片、溫度片以及位移裝置。并詳細(xì)地說明了各自監(jiān)測方法。詳細(xì)地

7、介紹了光纖光柵傳感軌道狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，以FBG傳感器為基礎(chǔ)建立的光纖光柵軌道狀態(tài)監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)采用了波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，簡稱WDM)加空分復(fù)用(Space Division Multiplexing，簡稱SDM)的混合復(fù)用方法，構(gòu)建了多通道、大容量的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)光纖光柵軌道狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體布局，闡明了監(jiān)測系統(tǒng)軟件的功能實現(xiàn)和工作流程。
　　 (4)以光纖光柵垂

8、向力監(jiān)測裝置為基礎(chǔ)，構(gòu)建了光纖光柵閉塞系統(tǒng)，針對閉塞系統(tǒng)中最為核心的實時計軸問題，通過實測數(shù)據(jù)的反復(fù)分析和現(xiàn)場驗證，找出了一種準(zhǔn)確實時的計軸算法，該算法結(jié)合在計軸點布置多個光纖光柵垂向力監(jiān)測裝置，能解決停車、倒車等困擾計軸的難題。在京廣線某站建立了實測點，目前該實測點已經(jīng)能實現(xiàn)200000軸僅誤計1軸的計軸性能指標(biāo)。
　　 (5)通過分析超偏載監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計需求，并分別對其硬件和軟件構(gòu)架進(jìn)行了詳細(xì)的說明。確立了超偏載狀態(tài)的判定方

9、法，并依據(jù)實測數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，以光纖光柵傳感輪軌垂向力監(jiān)測裝置為基礎(chǔ)，建立了一種提取動態(tài)輪重的方法。該方法能在不改變軌道結(jié)構(gòu)情況下，直接安裝，實測數(shù)據(jù)表明：在未對有砟軌道路基進(jìn)行平整，未改變軌道結(jié)構(gòu)的前提下，當(dāng)列車時速在不高于20km/h時，能保證測量誤差小于4.0％。對于車輪損傷的判斷，則利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)方法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行本征模函數(shù)(Intrinsic Mode

10、 Function，簡稱IMF)分解，從分解后的IMF中易于將損傷信息提取出來。
　　 (6)針對光纖傳感無砟軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)在線監(jiān)測的需求，利用在前面章節(jié)中設(shè)計的鋼軌溫度力監(jiān)測裝置、軌溫監(jiān)測裝置、軌道結(jié)構(gòu)間位移監(jiān)測裝置，依據(jù)武廣高鐵某大橋道岔區(qū)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計了傳感器的布局，搭建了實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，取得了一些具有參考價值的數(shù)據(jù)。將光纖光柵傳感技術(shù)引入到無砟軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)在線監(jiān)測中具有重大的意義，在國內(nèi)尚屬首次應(yīng)用，利用監(jiān)