基于分布式FBG 的鋼軌動(dòng)靜態(tài)載荷監(jiān)測(cè)研究*

張先輝，史 璐，劉蘇州，毛超群，梁大開(kāi)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210016)

0 引 言

隨著近年來(lái)高速動(dòng)車(chē)組的大量運(yùn)營(yíng)，人們對(duì)鐵道在軌設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提出了更高的要求［1］。鋼軌作為鐵道安全運(yùn)行中的重要一環(huán)，在服役和維護(hù)過(guò)程中會(huì)不可避免地受到各種形式高強(qiáng)度的動(dòng)/靜態(tài)載荷，而鋼軌在長(zhǎng)期受到這種動(dòng)/靜態(tài)載荷作用下則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷和結(jié)構(gòu)承載性能的下降［2，3］。這些損傷的產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)生方式復(fù)雜和隱蔽，損壞的類型和程度難以判斷，對(duì)鋼軌結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性影響巨大，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，將導(dǎo)致鋼軌結(jié)構(gòu)破壞的積累，造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

光纖Bragg 光柵(FBG)傳感器以其體積小、抗電磁干擾、高可靠性、耐腐蝕和易于構(gòu)建分布式測(cè)量網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)大量應(yīng)用于鋼軌結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域［4～6］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了許多關(guān)于FBG 傳感器及其在鐵道領(lǐng)域損傷監(jiān)測(cè)方面的研究工作。Tam H Y 等人［7］構(gòu)建了基于FBG 傳感器的車(chē)體結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)體振動(dòng)、溫度和應(yīng)力的在線監(jiān)測(cè)。HoSL等人［8］將FBG 傳感器應(yīng)用于火車(chē)車(chē)輪損傷監(jiān)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)車(chē)輪缺陷會(huì)對(duì)軌道產(chǎn)生周期性的沖擊力，以此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪損傷的監(jiān)測(cè)。以上研究主要側(cè)重于列車(chē)車(chē)體損傷監(jiān)測(cè)的研究，而未開(kāi)展專門(mén)針對(duì)FBG 傳感器在鋼軌載荷監(jiān)測(cè)方面的研究工作。

本文提出了一種基于FBG 傳感器的鋼軌在動(dòng)/靜態(tài)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而為將FBG 應(yīng)用于鋼軌損傷監(jiān)測(cè)與傳感器優(yōu)化布局提供可靠依據(jù)。

1 FBG 傳感器感知原理

在光纖纖芯傳播的光將在每個(gè)光柵面處發(fā)生散射，如果不滿足Bragg 條件，依次排列的光柵平面反射的光相位將會(huì)逐漸變得不同直到最后相互抵消，因此，當(dāng)光柵周?chē)h(huán)境的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度或其他待測(cè)物理量發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致光柵周期和有效折射率的變化，這種變化將會(huì)引起FBG傳感器中心波長(zhǎng)的漂移，通過(guò)對(duì)FBG 傳感器中心波長(zhǎng)變化的監(jiān)測(cè)，即可獲得待測(cè)物理量(應(yīng)變、溫度)的變化情況［9］。FBG 傳播模式，如圖1 所示。

圖1 FBG 傳感原理Fig 1 Sensing principle of FBG

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

靜態(tài)載荷作用下鋼軌結(jié)構(gòu)FBG 傳感器響應(yīng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示。試驗(yàn)對(duì)象為一段鋼軌試件，其軌長(zhǎng)為1 200 cm，底寬為11.6 cm，頭部寬為7.2 cm，腰寬為2.2 cm。

圖2 鋼軌靜載響應(yīng)特性光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig 2 Optical fiber monitoring system of response characteristics of rail static load

如圖3 所示，在鋼軌正面腰部的軌長(zhǎng)中軸線與軌高中軸線的交匯點(diǎn)處水平布設(shè)傳感器FBG1，沿軌長(zhǎng)中軸線左右相距20 cm 水平地布設(shè)傳感器FBG2，F(xiàn)BG3，將這3 支FBG傳感器串接為第一路接入FBG 解調(diào)儀。同理，在鋼軌另一面腰部同樣位置縱向布設(shè)傳感器FBG4，F(xiàn)BG5，F(xiàn)BG6，將這3 支FBG 傳感器串接為第二路接入FBG 解調(diào)儀。

靜載條件下鋼軌響應(yīng)信號(hào)由粘貼于試件腰部的FBG傳感器感知，所得的反射光譜中心波長(zhǎng)偏移信息再由FBG解調(diào)儀負(fù)責(zé)采集與調(diào)制。試驗(yàn)中分別采用千斤頂模擬列車(chē)車(chē)輪載荷等典型受載工況。

圖3 鋼軌靜載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FBG 傳感器布局Fig 3 FBG sensor layout of static load monitoring system of rail

動(dòng)態(tài)載荷作用下鋼軌結(jié)構(gòu)FBG 傳感器應(yīng)變實(shí)時(shí)響應(yīng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4 所示。鋼軌的動(dòng)態(tài)載荷一般來(lái)自于列車(chē)車(chē)輪的滾動(dòng)載荷，試驗(yàn)研究中采用車(chē)轍儀來(lái)回滾壓模擬列車(chē)車(chē)輪滾動(dòng)壓載鋼軌的典型實(shí)際工況。試驗(yàn)中控制輪胎巡回滾動(dòng)速度，模擬輪對(duì)載荷為3 tf，車(chē)轍儀系統(tǒng)自帶壓力傳感器、加速度傳感器，可以實(shí)時(shí)反饋至控制系統(tǒng)。

圖4 鋼軌動(dòng)載響應(yīng)特性光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig 4 Optical fiber monitoring system of response characteristics of rail dynamic load

試驗(yàn)對(duì)象為一塊金屬鋼條，其幾何尺寸為39.5 cm×5 cm×0.7 cm，將其沿長(zhǎng)度方向平均分為三等份。在試件背面L/3，2L/3 處沿中軸線水平布設(shè)第一路FBG 傳感器。在試件的側(cè)面L/3，2L/3 處沿中軸線水平布設(shè)第二路FBG 傳感器，如圖5 所示。

圖5 鋼軌動(dòng)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)FBG 傳感器布局Fig 5 FBG sensor layout of rail dynamic load monitoring system

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 靜載作用下鋼軌應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為考察FBG 傳感器在鋼軌結(jié)構(gòu)中對(duì)載荷F 大小變化的敏感特性，在鋼軌表面布設(shè)6 支FBG 傳感器分兩路接入FBG 解調(diào)儀，構(gòu)成分布式FBG 傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)千斤頂單點(diǎn)連續(xù)加載，得到各傳感器中心波長(zhǎng)與加載載荷F 對(duì)應(yīng)變化曲線，如圖6 所示。

圖6 顯示對(duì)于鋼軌腰部正反兩面兩路FBG 傳感器中心波長(zhǎng)均隨著加載載荷F 的增大而呈良好線性遞減趨勢(shì)。這表明FBG 傳感器能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌靜載應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。各傳感器靈敏度K 約為:KFBG1=－0.33 pm/MPa，KFBG4=－0.30 pm/MPa，KFBG2=－0.19 pm/MPa，KFBG5=－0.14 pm/MPa，KFBG3=－0.18 pm/MPa，KFBG6=－0.13 pm/MPa。

圖6 傳感器中心波長(zhǎng)與加載載荷對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig 6 Corresponding relation between FBG center wavelength and load

針對(duì)鋼軌腰部正反兩面兩路FBG 傳感器進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在加載載荷位置正下方處傳感器FBG1，F(xiàn)BG4 中心波長(zhǎng)偏移量變化最大，而傳感器FBG1 左右兩側(cè)各20 cm 處的FBG2，F(xiàn)BG3，以 及FBG4 左 右 兩 側(cè) 各20 cm 處 的FBG5，F(xiàn)BG6 中心波長(zhǎng)偏移量變化較小。在距離相同的情況下，各傳感器靈敏度關(guān)系為:KFBG2≈KFBG3，KFBG5≈KFBG6。這表明在鋼軌靜載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中FBG 傳感器具有良好的距離敏感特性，F(xiàn)BG 傳感器距離加載載荷位置越近，則靈敏度越高。

對(duì)比研究沿鋼軌長(zhǎng)軸水平方向布設(shè)的FBG 傳感器和垂直于鋼軌長(zhǎng)軸布設(shè)的FBG 傳感器兩路FBG 傳感器還可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)傳感器靈敏度關(guān)系為:KFBG1＞KFBG4，KFBG2＞KFBG5，這表明在鋼軌靜載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中FBG 傳感器具有良好的方向敏感特性，垂直于光纖軸向上的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度要比平行于光纖軸向方向更高。

3.2 動(dòng)載作用下鋼軌載荷監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為研究鋼軌在受動(dòng)態(tài)連續(xù)載荷作用時(shí)FBG 傳感器應(yīng)變敏感特性，在試件表面布設(shè)4 支FBG 傳感器分成兩路接入FBG 解調(diào)儀，F(xiàn)BG 解調(diào)儀采樣頻率為250 Hz。通過(guò)車(chē)轍儀連續(xù)循環(huán)加載，加載載荷45 kgf，恒溫32 ℃狀態(tài)下FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)測(cè)到的鋼軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，其中各傳感器中心波長(zhǎng)偏移量變化曲線如圖7 所示。

由圖7 可得，各傳感器所監(jiān)測(cè)到的FBG 傳感器中心波長(zhǎng)偏移量關(guān)系為:ΔλFBG7≈ΔλFBG8＞ΔλFBG9≈ΔλFBG10。這是由于FBG7，F(xiàn)BG8 粘貼于鋼軌底面，F(xiàn)BG9，F(xiàn)BG10 粘貼于鋼軌側(cè)面。根據(jù)彎曲理論可知，底面變形量要大于中性面的變形量，實(shí)驗(yàn)與理論一致。試驗(yàn)表明:通過(guò)FBG 傳感器網(wǎng)絡(luò)的合理布局，F(xiàn)BG 傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)載作用下鋼軌載荷的有效監(jiān)測(cè)。

FBG 傳感器在監(jiān)測(cè)載荷變化之外，也能對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖8 所示為車(chē)轍儀施加循環(huán)載荷15 kgf，初始溫度為32 ℃，并長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)到的鋼軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)的實(shí)時(shí)過(guò)程。

圖7 恒溫循環(huán)載荷下傳感器中心波長(zhǎng)變化曲線Fig 7 Curve of FBG center wavelength change under isothermal and cyclic loading conditions

圖8 升溫循環(huán)載荷下傳感器中心波長(zhǎng)變化曲線Fig 8 Curve of FBG center wavelength change under heating cyclic loading condition

將響應(yīng)信號(hào)局部放大可以發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)信號(hào)隨動(dòng)態(tài)載荷呈現(xiàn)周期性等幅度振蕩，這是由于車(chē)轍儀施加在試件上的循環(huán)載荷引起的應(yīng)變變化所致。而響應(yīng)信號(hào)的總體過(guò)程呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，則是由于長(zhǎng)時(shí)間車(chē)轍儀滾輪和軌道試件的摩擦所導(dǎo)致的鋼軌局部溫度變化引起。因此，響應(yīng)信號(hào)整體所呈現(xiàn)出來(lái)的遞增現(xiàn)象為鋼軌溫度變化過(guò)程所致，而響應(yīng)信號(hào)局部的周期性變化過(guò)程則表征了鋼軌所受循環(huán)載荷作用下的應(yīng)變響應(yīng)歷程。以上分析表明:FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼軌在動(dòng)態(tài)載荷作用下的應(yīng)變和溫度有效監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 論

1)FBG 傳感器中心波長(zhǎng)偏移量隨靜態(tài)加載載荷增大而呈線性減小趨勢(shì)。距離加載點(diǎn)越近，傳感器中心波長(zhǎng)偏移量越大。對(duì)比兩路FBG 傳感器可以發(fā)現(xiàn)，在垂直于光纖軸向上的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度要比平行于光纖軸向方向更高，表明FBG 傳感器呈現(xiàn)良好的應(yīng)變—方向敏感特性，這為鋼軌應(yīng)變監(jiān)測(cè)中FBG 的優(yōu)化布局提供可靠依據(jù)。

2)動(dòng)態(tài)載荷作用下FBG 傳感網(wǎng)絡(luò)能夠能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)循環(huán)載荷作用下的實(shí)時(shí)應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)。

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