地鐵道岔監測系統設計

楊　星

(武漢地鐵集團　武漢　430077)

地鐵道岔監測系統設計

楊星

(武漢地鐵集團武漢430077)

摘要針對地鐵道岔監測問題，提出一種基于光纖光柵原理的監測系統。對目前的監測手段進行比較，對基于光纖光柵應變傳感器的監測系統進行闡述，對轉轍機動作桿施加壓力，系統測試精度達±0.1 kN，有利保障地鐵運行的可靠性和安全性。

關鍵詞地鐵道岔光纖光柵動作桿

軌道交通行車的關鍵基礎設備——道岔，其運用狀態與行車安全暢通直接相關。然而，道岔結構復雜，不僅體現于其軌線布置和走行線路轉換，更在于其多變的輪軌關系，如尖軌與基本軌之間的輪載過渡，固定轍叉的軌線不連續，尖軌、護軌和翼軌的沖擊角過大，道岔區剛度不均勻等。地鐵車輛在通過道岔區時，輪軌間的動態相互作用較普通區間線路高很多[1]。由于溫度變化、地質因素和高速列車通過時產生的振動等原因，在道岔鋼軌上會產生很大的應力，使鋼軌產生形變或位移。因此，對道岔運行狀態全程動態連續監測，確保行車安全暢通，是一項十分重要的研究課題。

在道岔運行狀態監測中，電動轉轍機撥動道岔時所受力的實時監測尤為重要。電動轉轍機是道岔控制系統中的執行機構，通過動作桿實現道岔的轉換，尖軌和基本軌由轉轍機的鎖閉桿連接，操縱轉轍機來控制鎖閉桿的推拉改變尖軌的位置，從而實現列車運營調度。道岔轉換力的大小與尖軌的長度、重量、彈性、滑床板的平滑程度、潤滑狀況、尖軌根部的連接狀態以及環境等諸多因素有關。如果道岔狀態發生變化，其轉換力超過了電動轉轍機的額定輸出力，電動轉轍機內部的摩擦片將打滑，電動機受到保護，但道岔卻不能正常轉換，影響了進路和信號的開放。所以道岔轉換力測定對維修人員掌握道岔狀況，及時進行檢修，防止事故發生，有著較好的預警作用，從而保證軌道交通線路的運營安全[2]。

1光纖光柵監測系統與傳統電類測溫系統的比較

傳統檢測方法采用電阻應變片，其技術成熟，制造成本低廉，但是存在很大的缺點。如不抗腐蝕、易受電磁干擾，特別是其零點漂移嚴重，監測前必須清零，所以無法進行長期監測；另一方面，鐵路的軌道又是列車牽引動力電源的一個回路，對電類傳感器來說是一個強大的干擾源。因為鋼軌被作為列車牽引動力電源的一個回路，所以傳統的電傳感器難以使用[3]。光纖光柵傳感器的原理與電傳感器的原理完全不同，使得光纖光柵傳感器具有獨特的傳感特性。因此，在監測道岔鋼軌應變的技術中，光纖光柵傳感器比傳統的電類傳感器更具競爭力。

與普通的電類傳感器相比，光纖光柵傳感器有如下優點[4]。

(1) 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全。由于光纖光柵傳感器是利用光信號傳輸信息，而光纖又是與電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質，因此不怕電磁的干擾，也不會影響外界的電磁場。

(2) 靈敏度高。利用光纖光柵的波長解調技術使光纖光柵傳感器的靈敏度優于一般機械的傳感器和電類的傳感器。

(3) 重量輕、體積小、外形可變。光纖除了具有重量輕、體積小的特點以外，還有可撓的優點，因此利用光纖可以制成外形各異、尺寸不相同的各種光纖光柵傳感器。而且光纖光柵傳感器易于埋入監測材料的內部，是智能結構應變監測中的首選應變傳感器。

(4) 傳輸容量大，可以實現多點分布式測量。

由于光纖光柵傳感器具有以上這些優勢，而且它不受環境的影響，所以其測量結果精確度高，可以滿足地鐵軌道監測的要求。

2系統的組成

光纖光柵應變傳感器的道岔在線監測系統主要由光纖光柵傳感動作桿受力監測裝置、光纖分路器、傳輸光纜、光纖光柵信號解調儀及監控計算機、中心控制站組成，見圖1。

圖1　監測系統結構圖

2.1　數據采集層

用于檢測轉轍機動作桿受力的光纖光柵傳感監測裝置，設計結構要考慮現場的安裝情況及其保護措施，同時溫度的變化同樣會使得道岔的應變發生變化，溫度的變化對光纖光柵應變傳感器監測結果有很大的干擾。為了分離出單純的應變量，就要在光路里串聯溫度補償模塊，使其放置在同一環境中，使其不受應力，僅受溫度的影響。因此，光纖光柵傳感動作桿受力監測裝置主要由光纖光柵傳感應力傳感探頭、光纖光柵傳感溫度補償片和具有增敏效應的應變片固定裝置3個部分組成[5]，其結構見圖2。

1-道岔轉轍機動作桿； 2-不銹鋼保護盒；
3-半圓式加長夾塊； 4-夾塊固定螺栓；
5-半圓式下夾塊； 6-光纖光柵傳感應變片；
7-螺釘； 8-光纖光柵傳感溫度補償片； 9-傳輸光纖
圖2光纖光柵傳感動作桿受力監測裝置結構

利用該傳感裝置實現動作桿受力監測的原理是：當轉轍機動作桿受力時，夾持在動作桿上的2對夾塊會隨之發生相對移動，從而帶動2夾塊之間的光纖光柵傳感應變片發生形變，進而使該應變片的光學參量波長發生變化。當實際測量過程中，將應變片上光纖光柵的波長漂移減去溫度補償片上光纖光柵的波長漂移，波長漂移的差就表征應變片上光纖光柵受到的單純應變量，即為動力桿所受應力。

將光纖光柵傳感動作桿受力監測裝置實際應用于道岔的轉轍機鎖閉桿上，見圖3。傳感裝置安裝的步驟主要分為5步。

第一步。安裝之前要先將安裝處的拉桿去污和打磨。

第二步。用鋼結構膠填充增敏夾塊和鎖閉桿的結合面，并以螺栓緊固。

第三步。將對應的光纖光柵傳感應變片，用鋼結構膠與機械緊固相結合的方法固定在2個長剛性臂之間。

第四步。串聯溫度補償片，并將溫度補償片懸空放置保護盒內側，將光纖部分盤繞在保護盒內部。

第五步。將光纖光柵傳感應力檢測片和溫度補償片兩端的傳輸光纖焊接起來，接入軌道附近的軌旁箱里的接續盒，同時將傳感裝置蓋上保護蓋。

圖3　實際應用工程現場圖

2.2　傳輸檢測層

傳輸光纜是信號傳輸通道，可以在鐵軌溝內鋪設，分路器與傳輸光纜熔接后連接到光纖光柵信號解調儀，光纖光柵信號解調儀對光信號進行解調。光纖光柵信號解調儀內部安裝有脈沖信號的發生和檢測元件，光探測器可以將光脈沖信號轉換為電脈沖序列，以便后續單元處理分析，信號處理單元對收到的電脈沖序列進行采樣分析，解析光學參量波長，確定光纖光柵傳感動作桿受力監測裝置探測的動力桿所受應力。

按2.1中所述方法安裝好監測裝置后，動力桿左右兩端分別接推力機以及測力計。通過測力計檢測方式，控制推力機對動作桿施加推動力，光纖光柵傳感器監測裝置連接光纖光柵信號解調器，將加載以及卸載推動力條件下光纖光柵監測裝置所測數據繪制成曲線，見圖4。

圖4　監測裝置測試曲線

從測試數據可看出，無論加載還是卸載推動力時，光纖光柵傳感動作桿受力監測裝置所測推動力與設置推動力精度可達±0.1 kN，并且線性度良好。

2.3　監控管理層

監控管理層的用戶是運行監控人員，為方便操作，監控分為現場監控(監控計算機)和中心控制站2部分。監控計算機中安裝有道岔監測軟件，監控計算機通過RS-232通信口采集光纖光柵信號解調儀傳輸的波長信息，從而得到動力桿受力的實時信息，實現對動力桿的應力監視。

這些數據通過專用光纖線路，傳輸到中心控制站。中心控制站的服務器同時具有數據庫服務

器與web服務器的功能，其中數據庫服務器和常規數據庫相同，為用戶提供信息查詢、高速緩存、數據更新、安全保障和多用戶存儲控制服務。web服務器則負責信息發布，當web連接到服務器上并請求文件時，服務器將響應該請求，根據用戶的具體需求將文件發送到該瀏覽器，以方便用戶監控。

3結語

本文針對地鐵道岔實時監測問題，提出一套基于光纖光柵應變傳感器的光纖光柵傳感動作桿受力監測裝置監測系統，實時監測電動轉轍機撥動道岔時所受力。重點闡述了系統構成的各個模塊及其功能，并且設計了一款安裝于轉轍機動力桿的高精度光纖光柵傳感動作桿受力監測裝置，并通過測試驗證此系統的測溫精度可達±0.1 kN，有利于保障地鐵運行的可靠性和安全性。

參考文獻

[1]杜桃明.客運專線無縫道岔梁設計研究[J].鐵路與公路設計,2009，29(5):74-75.

[2]紀宴寧.電動液壓道岔轉換系統[M].北京: 中國鐵道出版社，2004.

[3]王文健,郭俊,劉啟躍.軌道結構參數對輪軌滾動接觸應力影響[J].機械工程學報,2009,45(5):39-43.

[4]廖延彪.光纖傳感技術與應用[M].北京: 清華大學出版社,2009.

[5]鄭卜祥,宋永倫,張東生,等.光纖Bragg光柵溫度和應變傳感特性的試驗研究[J].儀表技術與傳感器,2008(11):13-15.

Design of Switch Monitoring System for Subway

YangXing

(Wuhan Metro Group, Wuhan 430077, China)

Abstract：Aiming at the problem of metro switches monitoring, we put forward a kind of monitoring system based on the principle of fiber bragg grating (FBG). Thecurrent monitoring methods were compared. We expatiated on the optical fiber grating strain monitoring system. We put pressure on switch pole. The system test precision could reach±0.1 kN. It guaranteed the reliability and security of the subway running.

Key words:subway switches; fiber bragg grating; point operating stretcher