基于FBG反射譜特征的鐵路道岔損傷識別試驗研究

葉肖偉， 姜 洋， 倪一清， 蘇 娟， 董小鵬， 肖杰靈

(1. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310058； 2. 香港理工大學(xué)深圳研究院 智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研發(fā)中心，廣東 深圳 518057；3. 廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光波技術(shù)研究所，廈門 361005；4. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；5. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

鐵路在我國已成運輸量最大交通工具。其運量的增加及列車速度提高會對路軌(尤其較薄弱的道岔區(qū)域)提出嚴峻挑戰(zhàn)。道岔作為車輛由一條線路轉(zhuǎn)向或越過另一條線路連接設(shè)備[1]，是整個鐵軌系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、養(yǎng)護維修工作量最大部件，亦是最薄弱環(huán)節(jié)[2]。道岔結(jié)構(gòu)安全性能已成列車行車安全、列車過站速度的決定因素。對鐵路道岔結(jié)構(gòu)損傷實時監(jiān)測，可確保列車通過道岔時的行車安全及速度，降低維護成本。傳統(tǒng)鐵軌損傷探測多為人工推行超聲波探傷小車，探測速度80 km/h[3]。但超聲波探傷只能對較規(guī)則鐵路基本軌進行，無法對鐵路軌道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜道岔部位損傷探測；只能對已發(fā)生裂紋的鐵軌探測，而無法實現(xiàn)損傷的在線實時監(jiān)測。

光纖布拉格光柵(FBG)傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度及測試精度高、體積小、重量輕、耐久性強、多路復(fù)用、信號傳輸距離遠等優(yōu)點。已廣泛應(yīng)用于如橋梁、鐵路、隧道、航空、邊坡安全監(jiān)測等[4-7]工程領(lǐng)域。已有文獻報道利用FBG反射譜特征對復(fù)合(如CFRP)材料進行損傷探測[8-10]。FBG傳感器已用于鐵路鋼軌應(yīng)變及溫度監(jiān)測、列車計軸、車速測量等[11-13]。黃紅梅等[14-15]利用FBG光譜特征對航空材料及修補結(jié)構(gòu)中修補片裂紋擴展進行研究。閆連山等[16]利用FBG反射譜展寬效應(yīng)實現(xiàn)列車計軸、定位、車重計算。董小鵬等對利用光譜展寬、分裂、分裂峰強度及分裂峰個數(shù)實現(xiàn)裂紋檢測的可行性進行理論分析及實驗驗證，結(jié)果證明，據(jù)FBG反射譜或透射譜特性，不僅能實現(xiàn)裂紋檢測，且能實現(xiàn)裂紋定位及預(yù)測裂紋發(fā)展。本文基于該方法，對將該方法用于鐵路道岔損傷監(jiān)測進行實驗研究。在實驗室道岔鋼軌上安裝FBG傳感器，通過靜、動態(tài)加載實驗，研究裂紋擴展對FBG反射譜影響。

1 理論分析

1.1 FBG在均勻應(yīng)力場作用下特性

FBG為通過紫外光照射通信光纖，使纖芯折射率發(fā)生周期性調(diào)制制作而成。一寬波段光在刻有光柵的光纖中傳播時，滿足布拉格條件的中心波長λB窄波段光會被反射。布拉格波長滿足關(guān)系式[17]為：

λB=2neffΛ0

(1)

式中：λB為反射中心波長；neff為纖芯有效折射率；Λ0為光柵調(diào)制周期。

應(yīng)變、溫度等物理量均會對纖芯有效折射率、光柵調(diào)制周期產(chǎn)生影響，作用于光纖光柵上的溫度或應(yīng)變發(fā)生改變時，布拉格波長會發(fā)生漂移，且該波長漂移量ΔλB在一定測量范圍內(nèi)與溫度或應(yīng)變變化量近似呈線性關(guān)系：

(2)

式中：Kε為應(yīng)變敏感系數(shù)；Δε為應(yīng)變變化量；KT為熱敏系數(shù)；ΔT為溫度變化量。若FBG傳感器未受溫度影響，則其應(yīng)變變化量可表示為：

(3)

若FBG傳感器只受溫度影響，其波長漂移與溫度關(guān)系可表示為：

(4)

實際中，F(xiàn)BG傳感器在測量應(yīng)變時會同時受溫度影響。本文采用不受應(yīng)變影響的FBG傳感器在同一溫度場中監(jiān)測溫度變化，對同時受溫度、應(yīng)變作用的FBG應(yīng)變傳感器進行溫度補償。

1.2 FBG在不均勻局部應(yīng)力場作用下特性

應(yīng)變場ε(z)沿FBG軸向(設(shè)z方向)發(fā)生變化時，從FBG不同位置反射回波長λ函數(shù)表達式為[18]：

λ(z)=zneff(z)Λ(z)=2neffΛ0[1+(1-pe)ε(z)]

(5)

(6)

式中：pe為有效彈光常數(shù)；p11，p12為彈光系數(shù)；υ為泊松比。

裂紋會在光柵某特定區(qū)域產(chǎn)生非均勻局部應(yīng)力ε(z)。因局部應(yīng)力長度小于光柵長度，光柵被分為受應(yīng)變影響光柵段(裂縫區(qū)域)、兩端未受應(yīng)變影響光柵段。傳輸光在受裂縫區(qū)域影響的光柵段中傳輸會產(chǎn)生相移，且在兩端均勻光柵形成的腔體中反射、干涉，最終使光柵傳輸譜線展寬、甚至分裂。

2 靜態(tài)加載實驗

裂紋的開裂方向大多情況無法預(yù)知。因此，需對在FBG傳感器與裂紋相交處及角度不同時反射譜特性及裂紋識別效果進行研究。圖1為靜態(tài)加載實驗裝置。帶裂紋的實驗道岔鋼軌全1.2 m，F(xiàn)BG傳感器安裝于道岔鋼軌變截面區(qū)。采用液壓加載設(shè)備可輸出最大載荷為300 kN，可模擬列車輪對的靜態(tài)荷載。所用光纖光柵解調(diào)設(shè)備為MOI sm125型光纖光柵解調(diào)儀，可對FBG傳感器反射譜進行高精度采集。

圖1 靜態(tài)加載實驗裝置

2.1 FBG傳感器布置

靜態(tài)加載實驗系統(tǒng)見圖2，液壓機加載處位于裂紋正上方，即實驗道岔鋼軌中點上方，裂紋與鋼軌成90°，自下而上擴展，此為實際道岔常見的變截面區(qū)裂紋類型。實驗道岔鋼軌置于液壓機兩支點，兩支點間距50 cm，兩支點距裂紋均25 cm；RES1～ RES6為FBG傳感器編號，RES1代表1號FBG傳感器，依此類推。圖2(b)中，RES6未粘在裂紋上，與鋼軌平行，距裂紋上端5 mm；RES5貼在裂紋上，與鋼軌平行，與裂紋垂直，與裂紋交點為FBG中心，RES5，RES6的垂直距離12 mm；RES4貼在裂紋上，與鋼軌平行，與裂紋垂直，與裂紋的交點為FBG中心；RES3貼在裂紋上，與鋼軌成30°，與裂紋成60°，與裂紋的交點為FBG中心，RES3、RES4的垂直距離4 mm；RES2貼在裂紋上，與鋼軌平行，與裂紋垂直，與裂紋的交點為FBG中心；RES1貼在裂紋上，與鋼軌平行，與裂紋垂直，與裂紋的交點距離RES1柵區(qū)左端4 mm，RES1與RES2的垂直距離3 mm。

圖2 靜態(tài)加載實驗系統(tǒng)圖

本實驗所用FBG傳感器柵區(qū)長15 mm，柵區(qū)無涂覆層保護，光柵參數(shù)見表1。膠水為美國樂泰環(huán)氧樹脂AB膠，F(xiàn)BG柵區(qū)全部用膠水涂覆。

表1 光纖光柵參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果分析及討論

2.2.1 RES5及RES6光譜特征對比分析

液壓機對實驗道岔鋼軌進行0 kN，10 kN，20 kN，30 kN加載時，RES5、RES6的光譜結(jié)構(gòu)見圖3，橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為光譜功率。圖3(a)為液壓機未對實驗道岔鋼軌加載時，RES5、RES6的原始光譜結(jié)構(gòu)圖。圖3(b)為液壓機加載荷載達到10 kN時，RES5、RES6的光譜結(jié)構(gòu)圖與原始光譜結(jié)構(gòu)圖特征一致，在荷載作用下發(fā)生中心波長漂移。圖3(c)為液壓機加載荷載達到20 kN時RES5的光譜結(jié)構(gòu)與原始光譜結(jié)構(gòu)一致，未發(fā)生改變，而RES6的光譜結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯展寬、分裂現(xiàn)象。圖3(d)為液壓機加載荷載達到30 kN時RES5的光譜結(jié)構(gòu)與原始光譜結(jié)構(gòu)仍一致，亦未發(fā)生改變，而RES6的光譜結(jié)構(gòu)展寬、分裂現(xiàn)象更明顯。分析兩FBG傳感器安裝位置看出，因RES6未貼在裂紋上，距裂紋5 mm，故在液壓機加載到30 kN時，其光譜結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，僅在荷載作用下發(fā)生一定的中心波長漂移。RES5貼在裂紋上，且與裂紋垂直，與裂紋交點為FBG中心，因此在荷載作用下其光譜結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯展寬、分裂現(xiàn)象。

2.2.2 RES3與RES4光譜特征對比分析

液壓機對實驗道岔鋼軌進行0 kN，10 kN，20 kN，30 kN加載時，RES3與RES4光譜結(jié)構(gòu)見圖4。圖4(a)為液壓機未對實驗道岔鋼軌加載時，RES3與RES4原始光譜結(jié)構(gòu)圖。圖4(b)為液壓機加載荷載達10 kN時RES3與RES4光譜結(jié)構(gòu)圖與原始光譜結(jié)構(gòu)圖特征一致，在荷載作用下，發(fā)生中心波長漂移現(xiàn)象。圖4(c)為液壓機加載荷載達20 kN時，RES3與RES4光譜結(jié)構(gòu)均發(fā)生展寬、分裂現(xiàn)象，RES4較RES3光譜結(jié)構(gòu)展寬、分裂現(xiàn)象更明顯。圖4(d)為液壓機加載荷載達30 kN時，RES3與RES4光譜結(jié)構(gòu)均發(fā)生明顯展寬、分裂現(xiàn)象，RES4較RES3光譜結(jié)構(gòu)展寬、分裂現(xiàn)象更明顯。分析兩FBG傳感器安裝位置看出，由于RES3與裂紋成30°，減弱了光譜結(jié)構(gòu)的展寬、分裂現(xiàn)象。此與FBG的敏感方向有關(guān)，F(xiàn)BG對沿軸向應(yīng)力反應(yīng)較靈敏，沿RES3軸向應(yīng)力可分解為與鋼軌垂直、平行的力，只有與鋼軌平行的力才會引起光譜結(jié)構(gòu)的展寬、分裂現(xiàn)象，縱向力不會導(dǎo)致該現(xiàn)象。

2.2.3 FBG傳感器RES1與RES2光譜特征對比分析

液壓機對實驗道岔鋼軌進行0 kN，5 kN，10 kN，15 kN加載時，RES1與RES2光譜結(jié)構(gòu)見圖5。圖5(a)為液壓機未對實驗道岔鋼軌加載時，RES1與RES2原始光譜結(jié)構(gòu)圖。圖5(b)為液壓機加載荷載達5 kN時，RES1與RES2光譜結(jié)構(gòu)圖與原始光譜結(jié)構(gòu)圖特征一致，在荷載作用下，發(fā)生中心波長漂移現(xiàn)象。圖5(c)為液壓機加載荷載達10 kN時，RES1與RES2光譜結(jié)構(gòu)均發(fā)生展寬、分裂現(xiàn)象，RES2較RES1光譜結(jié)構(gòu)展寬、分裂現(xiàn)象更明顯。圖5(d)為液壓機加載荷載達15 kN時，RES1與RES2光譜結(jié)構(gòu)均發(fā)生明顯展寬、分裂現(xiàn)象，RES2較RES1光譜結(jié)構(gòu)展寬、分裂現(xiàn)象更明顯，RES2光譜結(jié)構(gòu)分裂峰寬度更寬，總體展寬度更大。分析兩FBG傳感器安裝位置看出，因RES1與裂紋交點不在中心位置，而在端部，因此光譜結(jié)構(gòu)的分裂、展寬現(xiàn)象不太明顯。

圖3 靜態(tài)加載實驗RES5與RES6光譜結(jié)構(gòu)圖

由圖3～圖5可知，由于RES1～RES5貼在裂紋上，在一定荷載作用下，其光譜結(jié)構(gòu)圖均發(fā)生展寬、分裂現(xiàn)象，而RES6未貼在裂紋上，其光譜結(jié)構(gòu)圖未發(fā)生展寬、分裂現(xiàn)象。因此，通過判斷FBG傳感器的光譜結(jié)構(gòu)圖是否發(fā)生展寬、分裂現(xiàn)象，可對貼有FBG傳感器位置是否產(chǎn)生裂紋進行判斷。粘貼在裂紋上的FBG傳感器在不同荷載下會產(chǎn)生不同程度的展寬、分裂現(xiàn)象，通過分析裂紋寬度與光譜結(jié)構(gòu)展寬、分裂對應(yīng)情況，可實現(xiàn)裂紋寬度測量[14-15]。通過3組FBG傳感器對比實驗看出，F(xiàn)BG傳感器粘貼方向與鋼軌方向平行、與裂紋交點在中心位置時，光譜結(jié)構(gòu)的展寬、分裂現(xiàn)象最明顯。

3 動態(tài)加載實驗

在實驗小車上安裝動態(tài)加載裝置，模擬列車輪對對道岔鋼軌的循環(huán)動態(tài)荷載，見圖6。實驗道岔為完整的18號道岔，在實驗道岔鋼軌較薄弱部位人為制造三處裂紋，分別位于道岔尖軌端部、螺栓孔周圍及變截面區(qū)。實驗小車以10 Hz振動頻率對有裂紋道岔鋼軌進行動態(tài)加載，本文以螺栓孔周圍位置裂紋為研究對象進行損傷識別實驗研究。

圖6 動態(tài)加載裝置

3.1 FBG傳感器布置

動態(tài)實驗FBG傳感器布置見圖7，RES2-1與RES2-2分別表示安裝在螺栓孔周圍的FBG傳感器1號、2號。螺栓孔周圍裂紋由孔邊緣向外擴展，RES2-1貼在裂紋上，與鋼軌平行，RES2-2貼在裂紋上，與鋼軌成45°。實驗所用膠水及光柵與靜態(tài)加載實驗相同。

圖7 動態(tài)加載實驗FBG傳感器布置圖

3.2 實驗結(jié)果分析及討論

實驗小車未對實驗道岔鋼軌進行動態(tài)加載時，RES2-1與RES2-2的原始光譜結(jié)構(gòu)見圖8(a)；實驗小車開動后8.5 s光譜采集設(shè)備采集到的FBG傳感器在實驗小車動態(tài)荷載作用下光譜結(jié)構(gòu)見圖8(b)。由圖8(b)看出，RES2-1與RES2-2的光譜結(jié)構(gòu)在動態(tài)荷載作用下已產(chǎn)生光譜展寬、分裂現(xiàn)象。

圖8 動態(tài)加載實驗RES2-1與RES2-2光譜結(jié)構(gòu)圖

動態(tài)加載實驗?zāi)M運行中列車對道岔鋼軌的動態(tài)荷載作用。實驗結(jié)果表明，在動態(tài)荷載作用下，貼在裂紋上的FBG傳感器光譜結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生展寬、分裂現(xiàn)象。通過分析FBG傳感器光譜結(jié)構(gòu)特征可對道岔鋼軌裂紋實現(xiàn)識別。

4 結(jié) 論

本文利用所提基于FBG光譜結(jié)構(gòu)特征的鐵路道岔鋼軌裂紋損傷識別方法，對帶裂紋的實驗道岔進行靜、動態(tài)加載實驗，并研究FBG傳感器對應(yīng)的光譜結(jié)構(gòu)特征，結(jié)論如下：

(1) 靜態(tài)加載實驗裂紋未通過FBG傳感器時，F(xiàn)BG傳感器光譜結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生展寬、分裂；裂紋通過FBG傳感器且交點為中心、交角為90°時，F(xiàn)BG傳感器光譜結(jié)構(gòu)展寬、分裂現(xiàn)象較明顯；裂紋通過FBG傳感器，交點不在其中心或交角不呈90°時，光譜結(jié)構(gòu)展寬、分裂現(xiàn)象會被減弱。

(2) 動態(tài)加載實驗中，貼在裂紋上的FBG傳感器光譜結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生展寬、分裂現(xiàn)象。

(3) 通過識別FBG傳感器光譜結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生展寬、分裂，可對貼有FBG傳感器位置是否有裂紋產(chǎn)生進行識別?；贔BG光譜結(jié)構(gòu)特征對鐵路道岔損傷識別方法可行。

(4) 本文所提方法能否在環(huán)境較惡劣的鐵路道岔現(xiàn)場應(yīng)用尚需進一步測試。而所提損傷識別方法對鐵路道岔易產(chǎn)生裂紋的特定局部區(qū)域損傷具有較好識別果，但對較大范圍內(nèi)且無法預(yù)知發(fā)生位置的損傷識別，較難實現(xiàn)，尚待深入實驗、研究。

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