光柵位移計在高速鐵路鋼軌橫向變形監(jiān)測中的應用研究

郎向偉，張長生，強小俊，李道震

(中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳 518034)

光柵位移計在高速鐵路鋼軌橫向變形監(jiān)測中的應用研究

郎向偉，張長生，強小俊，李道震

(中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳 518034)

通過對高速鐵路鋼軌受力特點和光柵傳感器特點進行分析，研究了光柵位移計在高鐵鋼軌橫向變形監(jiān)測中應用的可行性。根據高鐵現場橫向變形監(jiān)測要求和現場條件確定光柵位移計布設工序，對現場布設光柵位移計采集的數據和現場運營狀況進行綜合分析，論證了光柵位移計在高鐵鋼軌橫向變形監(jiān)測中的適用性。

鋼軌 橫向變形 光柵位移計 監(jiān)測

在列車荷載和溫度變化作用下鋼軌相對于軌道板的橫向平移會使軌距變大，進而改變軌道的幾何形位，引起軌道不平順。軌距不平順不僅影響了列車運行的平穩(wěn)性和加劇鋼軌磨耗，軌距變化過大還會導致脫軌事件的發(fā)生。對于運行速度較高的高速鐵路，軌道作為列車運行的直接承載結構，其橫向變形引起的軌道不平順使得列車振動、輪軌動力作用增大。而在高速條件下旅客對乘坐舒適度更加敏感，所以高速鐵路對鋼軌與軌道板的橫向變形量有更高的要求，必須保證高平順、高穩(wěn)定性和高精確性，才能滿足高速列車以設計速度安全、可靠、舒適地運行。

高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則規(guī)定，鋼軌橫向位移超過2 mm需要進行維護校正。鋼軌日常檢測主要依靠設備為天窗時間運行的綜合檢測列車，由于常規(guī)傳統(tǒng)振弦和電磁式監(jiān)測設備在高鐵實際運行狀態(tài)下受電磁干擾較大，無法利用常規(guī)監(jiān)測實現高鐵鋼軌橫向變形的實時監(jiān)測。

1 高速鐵路鋼軌橫向變形分析

正常情況下，車輛在直線上運行時車輪與鋼軌間存在游間，輪緣不貼靠鋼軌，輪軌一點接觸，偏心豎向力和橫向力都較小。但車輛在曲線上運行時，輪對在行進中會偶而偏離直線軌道中心成為蛇行運動，車輪輪緣接觸鋼軌而產生往復周期性的橫向力，而且蛇行運動越激烈，橫向力越大。在曲線軌道上，特別是在小曲線軌道，外輪貼靠曲線外軌，形成兩點接觸，豎向力的偏心量和橫向力都較大(圖1)。

圖1 鋼軌受力示意

根據廣深客運專線現場鋼軌磨損圖形判斷在試驗段布設光柵位移計鋼軌為一點受力形式，但鋼軌在橫向荷載或偏心垂直荷載作用下，將產生水平位移和扭轉。在以往鋼軌橫向變形研究中，一般只考慮鋼軌在橫向荷載作用下引起的水平位移，而不區(qū)分鋼軌的平移和扭轉。實際上除橫向荷載外，偏心垂直荷載也產生使鋼軌扭轉的力矩。所以，鋼軌除了橫向彎曲變形產生水平位移外，扭轉變形也引起水平位移。

由于鋼軌橫向變形受輪軌作用力、溫度、鋼軌扣件初始扣壓力和橫向剛度、軌下墊層剛度和軌枕間距的影響，因此在高鐵運行過程中，有必要實時掌握鋼軌的橫向變形狀態(tài)。

2 光柵傳感器原理及特點

電阻式、電容式和振弦式等經典的電類傳感器一直在監(jiān)測領域發(fā)揮著標準測量設備的作用，但也存在一些不可回避的缺陷，如抗腐蝕性弱、易受電磁干擾、零點漂移嚴重、在長期監(jiān)測方面效果弱等缺點，造成這些傳感器無法適用于一些特殊場合。高速鐵路軌道又是高速動車27.5 kV牽引動力電源的一個回路，會對電類傳感器形成干擾，在這種特殊場合，光柵傳感器位移計具有特殊優(yōu)勢。

光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化的相位光柵，實質上是在纖芯內形成一個窄帶的反射鏡或濾波器。當一束寬光譜光經過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的光將產生反射，反射波長與變形量或溫度變化為一一對應關系，其余波長的光透過光柵繼續(xù)傳播。

光纖光柵工作原理如圖2所示。

當入射光進入光纖時，布拉格光柵會反射特定波長的光，該波長需滿足下式

式中:λB為反射光的中心波長，一般為1 510～1 590 nm;neff為光纖的有效折射率;Λ為光纖光柵的柵距。

光纖光柵具有抗電磁干擾、電絕緣性好、體積小、解調頻率高及耐腐性高等特點。光柵位移計核心構件與傳統(tǒng)位移計一致均為等應變梁，與傳統(tǒng)位移計不同的是在等應變梁上下對稱布設光纖光柵來實時進行位移的測量。不同光柵位移計通過光纖串聯(lián)引出高鐵線路外，能夠實現鋼軌橫向變形的實時測量。

圖2 光纖光柵測試原理示意

3 光柵位移計布設

在廣深高鐵選擇隧道、橋梁和路基三種不同工況鋼軌中進行光柵位移計的布設。布設位移計一端固定在軌道板上，另一端固定在鋼軌上，光柵傳感器布設形式如圖3所示。

圖3 鋼軌光柵位移計布置示意

光纖光柵位移計布設步驟如下述。

1)定位:由于軌道板內有配筋，光柵位移計安裝時需要在軌道板上鉆孔安裝固定支座。為了避免破壞軌道板內配筋和削弱直流電路的傳輸距離，利用鋼筋探測儀檢測鋼筋位置，確定出無鋼筋區(qū)域。

2)鉆孔:確定好配筋位置后，根據現有位移計的長度和預張拉量，在畫定的鉆孔區(qū)域內定出準確的鉆孔位置，之后利用沖擊鉆鉆孔。鉆孔時要注意孔徑大小和鉆孔速度的控制，避免將孔位鉆偏。鉆孔達到預定深度之后，要將孔內混凝土粉末清理干凈。

3)固定:將夾具固定在鋼軌底部位置后，將位移計一端固定在夾具上，另一端通過支座及螺栓固定在軌道板上。固定時要確保光柵位移計保持在同一高度，固定后用水平尺微調。

4)連線:光柵位移計連接線采用單模光纖，布設在鋼軌外側1 m位置，用TG3膠水和扣件進行固定。

5)測試:光柵位移計固定和連線之后，用手持解調儀測試是否接通。接通之后將3個位置光柵位移計進行串聯(lián)引線至高鐵線路外采集儀處。

現場安裝位移計如圖4所示。

圖4 現場安裝光柵位移計

4 試驗數據分析

現場布設光柵位移計之后進行數據采集，以高鐵停止運行后凌晨2:00采集的數據作為位移初始值，從2014年8月26日19:00至2014年8月27日23:00 每10 min對光柵位移計進行一次數據采集。根據路基段布設的位移計1，利用位移計算公式將采集的數據換算成變形量，如圖5所示。

圖5 位移計1變形量

8月26日至8月27日一天時間內鋼軌橫向位移在±0.3 mm內，在《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》要求的2 mm以內，表明該路段鋼軌符合運行要求，與實際列車運行狀況相符。

在一天時間內鋼軌扣件初始扣壓力、鋼軌橫向剛度和軌下墊層剛度固定的情況下，高鐵鋼軌橫向變形影響因素主要為列車經過時的荷載力和溫度。為確定列車荷載對鋼軌橫向變形的影響，當列車經過時，按照1 kHz頻率進行光柵位移計數據采集，可得列車經過時光柵位移計所測變形。

列車經過時鋼軌橫向變形在－1.96～1.53 mm，其中在列車車輪經過時鋼軌變形較大，列車車輪經過之后，鋼軌橫向變形又恢復到±0.5 mm以內，與實際監(jiān)測變形狀況相符。

為分析溫度對鋼軌橫向變形的影響，在光柵位移計布設后，在鋼軌軌腰位移計處布設光柵溫度計，光柵溫度計數據采集頻率與光柵位移計數據采集一致，根據光柵溫度計采集讀數換算現場鋼軌溫度見圖6。

圖68 月26日—8月27日全天溫度

在8月27日9:00之后鋼軌溫度開始升高，在14:00處達到當天最高溫度，此后溫度開始降低。光柵位移計數據顯示在9:00之后鋼軌橫向變形量增大，在14:00—16:00之后橫向變形量減小，一天時間內鋼軌最大溫差為20℃，最高溫度和最低溫度兩個時間點橫向變形量差值為0.3～0.4 mm，對比鋼軌在列車作用下的橫向變形，列車荷載對橫向變形影響較明顯。

5 結論

1)光柵傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性好、體積小、解調頻率高等優(yōu)點，適用于高鐵運營期間變形監(jiān)測精度要求高、在線實時監(jiān)測領域。

2)鋼軌橫向變形受列車荷載、溫度、鋼軌扣件初始扣壓力、橫向剛度、軌下墊層剛度、軌枕間距等因素的影響，短時間內影響因素主要為列車荷載和現場溫度，其中列車荷載的影響較溫度變化明顯，橫向變形在列車經過時變化較明顯。

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(責任審編 趙其文)

U213.4

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.31

1003－1995(2015)10－0144－03

2015－03－30;

2015－07－17

郎向偉(1985—)，男，助理研究員，碩士。