基于光纖光柵的高速鐵路道軌結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方法及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)的高速鐵路取得了舉世矚目的發(fā)展，已成為世界上高鐵營(yíng)運(yùn)里程最長(zhǎng)，行車(chē)速度最高的國(guó)家。高速鐵路的運(yùn)行安全性對(duì)于國(guó)家公共安全和人民生命保障都有重大意義。道軌結(jié)構(gòu)的安全是高速鐵路安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我國(guó)高鐵列車(chē)運(yùn)行速度高，行車(chē)密度大，而且由于國(guó)土面積大，地理環(huán)境復(fù)雜，氣候條件惡劣等現(xiàn)狀導(dǎo)致道軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)的安全監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。一直以來(lái)，鐵路系統(tǒng)都使用傳統(tǒng)電類(lèi)傳感裝置對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但由于電類(lèi)傳感裝置在惡劣的天氣和環(huán)境下監(jiān)測(cè)精度差、工

2、作壽命短，信號(hào)傳輸距離近，無(wú)法大規(guī)模組建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的等缺陷，使得國(guó)內(nèi)外對(duì)于軌道狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究均缺乏實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。光纖傳感技術(shù)具有精度和靈敏度高、抗電磁干擾、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。其中，光纖光柵傳感技術(shù)的信號(hào)為波長(zhǎng)量，與傳統(tǒng)電信號(hào)傳感器的信號(hào)相比，沒(méi)有零點(diǎn)漂移，它的問(wèn)世和發(fā)展，使得長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的工程結(jié)構(gòu)連續(xù)監(jiān)測(cè)成為可能。
　　 本文以光纖傳感技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和道軌工程技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)道軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)光纖光柵的傳感原理設(shè)

3、計(jì)了針對(duì)高速鐵路道軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感裝置及其解調(diào)方法。在此基礎(chǔ)上，研究了高速鐵路道軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法及關(guān)鍵技術(shù)，并且設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，并獲得了大量具有參考價(jià)值的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，提出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)方法。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)光纖光柵傳感技術(shù)的研究
　　 以光纖布喇格光柵(FBG，F(xiàn)iber Bragg Grating)傳感原理為研究基礎(chǔ)，針對(duì)高速

4、鐵路道軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求對(duì)FBG的溫度、應(yīng)變、位移等傳感原理進(jìn)行了分析，并介紹了對(duì)FBG應(yīng)變傳感的溫度補(bǔ)償技術(shù)和FBG的解調(diào)方法。通過(guò)對(duì)幾種光纖傳感復(fù)用方案的研究和比較，構(gòu)建了一種基于波分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)的FBG傳感網(wǎng)絡(luò)。
　　 (2) FBG傳感器的設(shè)計(jì)和制作
　　 對(duì)于高速鐵路道軌的鋼軌溫度力和道軌結(jié)構(gòu)間位移，明確了對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的意義和必要性。根據(jù)FBG的傳感原理和道軌結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)并制作了FBG溫度、應(yīng)變和

5、位移傳感器。應(yīng)用有限元分析法對(duì)鋼軌受力進(jìn)行分析，找到了鋼軌溫度力監(jiān)測(cè)傳感器安裝的最佳位置。通過(guò)分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)FBG溫度傳感器進(jìn)行改進(jìn)，使其更符合高速鐵路道軌結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)的要求。通過(guò)向量式有限元分析法對(duì)應(yīng)變環(huán)進(jìn)行受力分析，從而采用環(huán)形結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)了FBG位移傳感器并獲發(fā)明專(zhuān)利。針對(duì)高速鐵路道岔區(qū)間的安全需要，設(shè)計(jì)了一種FBG鐵路道岔密貼監(jiān)測(cè)裝置并獲發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明其符合鐵路部門(mén)的要求。
　　 (3)高速鐵路無(wú)砟道軌

6、多狀態(tài)參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
　　 對(duì)高速鐵路無(wú)砟道軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)了一套在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)，無(wú)砟道軌結(jié)構(gòu)多參量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)在我國(guó)尚屬空白，以武廣高鐵某特大橋的無(wú)砟道軌高速道岔和鄭西高鐵某特大橋上連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)為應(yīng)用實(shí)例，研究無(wú)砟道軌多參量，包括3維溫度力、軌溫、結(jié)構(gòu)間位移量等FBG傳感監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局，分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。并且將監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)應(yīng)用于某城市道軌交通的橋上線(xiàn)路的伸縮調(diào)節(jié)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)中。實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)高速鐵路和城軌無(wú)砟道軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工