基于光纖光柵傳感器的貨物列車超偏載的監(jiān)測(cè)方法

王月太　高賢輝　吳文艾

摘要：本文介紹了常用的貨物列車超偏載方法存在的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題提出來(lái)一種新的貨物列車超偏載的監(jiān)測(cè)方法。并具體的介紹了這一種新的貨物列車超偏載的監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)原理。

關(guān)鍵詞：光纖光柵傳感器；超偏載；應(yīng)變

中圖分類號(hào)：U211.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

保證列車行車安全是鐵路運(yùn)輸?shù)氖滓疤幔S著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展對(duì)保障列車行車安全的手段提出了更高的要求。我國(guó)鐵路屬于客貨混運(yùn)，貨物列車經(jīng)常會(huì)發(fā)生超載和偏載。貨物列車超載和偏載會(huì)引起車輛脫軌、損傷車輛和設(shè)備等威脅列車行車安全的現(xiàn)象。因此，為了保障列車的行車安全，必須對(duì)貨物列車的超偏載監(jiān)測(cè)進(jìn)行加強(qiáng)。目前常用的貨物列車超偏載方法是間接測(cè)量方法[1]，該方法是依據(jù)鋼軌力學(xué)原理，采用電阻應(yīng)變片測(cè)量得出鋼軌的應(yīng)力值，再根據(jù)測(cè)得的應(yīng)力值計(jì)算出鋼軌所受的壓力。但電阻應(yīng)變片在測(cè)量鋼軌應(yīng)力的時(shí)候會(huì)存在以下問(wèn)題：

（1）應(yīng)變片不能長(zhǎng)期牢固的粘貼在鋼軌上；

（2）要在鋼軌上鉆孔會(huì)破壞鋼軌；

（3）電阻應(yīng)變片抗干擾能力差，尤其在鐵路上會(huì)受到電磁干擾；

（4）電阻應(yīng)變片易被腐蝕，受環(huán)境影響大；

（5）電阻應(yīng)變片有零點(diǎn)飄移，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

由于電阻應(yīng)變片存在上面很多問(wèn)題，因此需要有一種新的監(jiān)測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物列車超偏載監(jiān)測(cè)。

光纖光柵傳感器是一種新型的傳感器，近年來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它具有抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、尺寸小、復(fù)用能力強(qiáng)、靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵傳感器可以解決電阻應(yīng)變片在貨物列車超偏載監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題，因此，本文提出一種基于光纖光柵傳感器的貨物列車超偏載的監(jiān)測(cè)方法。

1 基于光纖光柵傳感器貨物列車的監(jiān)測(cè)方法

貨物列車運(yùn)行時(shí)，鋼軌會(huì)受到貨物列車載荷，鋼軌在受到載荷后，由于軌枕反作用力，鋼軌會(huì)產(chǎn)生形變位移。假設(shè)荷載大小為P，鋼軌的受力如下圖所示。根據(jù)材料力學(xué)和幾何關(guān)系[23]，鋼軌所產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε（z）=yM（Z）EI（1）

式中，z是傳感器在軸向上的位置，y是傳感器距中和軸的距離，E為鋼軌的楊氏模量，I為鋼軌截面的慣性矩，M（z）為鋼軌的彎矩。

M（z）的表達(dá)式為：

M（z）=EId2ydx2=P4ke-kz（coskz-sinkz）（2）

式中，k為軌道系統(tǒng)特性參數(shù)。

將式（2）代入式（1）可得：

ε（z）=yP4kEIe-kz（coskz-sinkz）=kpP（3）

其中，ε（z）為鋼軌產(chǎn)生的應(yīng)變函數(shù)，kp為比例常數(shù)。

由式（3）可知，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)的位置固定時(shí)，測(cè)量點(diǎn)處的應(yīng)變值的大小只與載荷P有關(guān)。只要測(cè)得載荷P引起的軸向應(yīng)變即可求得荷載P的大小。

光纖光柵傳感器與鋼軌密貼時(shí)，可以認(rèn)為光纖光柵傳感器的應(yīng)變大小與所密貼的鋼軌的應(yīng)變大小是相等的。根據(jù)麥克斯韋經(jīng)典方程及光纖耦合理論[4]，光纖光柵應(yīng)變傳感機(jī)理為：

ΔλB/λB=（αf+ξ）ΔT+（1-Pe）Δε=αTΔT+αεΔε（4）

式中，αf為光纖的熱膨脹系數(shù)、ξ為光纖的熱光系數(shù)、Pe為光纖的彈光系數(shù)，αT和αε是光纖的應(yīng)變靈敏度和溫度靈敏度，λB是光纖光柵的反射波長(zhǎng)，ΔλB是波長(zhǎng)的變化量，ΔT是溫度變化，Δε是應(yīng)變變化。通過(guò)檢測(cè)光纖光柵中心反射波長(zhǎng)，就能獲得光纖光柵所處環(huán)境溫度與軸向應(yīng)變的信息。

由上式可知，應(yīng)變和溫度都能引起光纖光柵的反射波長(zhǎng)的變化，要想得到鋼軌的應(yīng)變量需要對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本方法是在同位置放置兩個(gè)光纖光柵傳感器，分別為光纖光柵傳感器1和光纖光柵傳感器2，其中傳感器1會(huì)受到溫度和應(yīng)變影響，傳感器2只受到溫度的影響，沒(méi)有應(yīng)變的影響。兩個(gè)傳感器可認(rèn)為處在同一個(gè)溫度場(chǎng)中，那么，對(duì)于同時(shí)受溫度和應(yīng)變影響的光纖光柵傳感器來(lái)說(shuō)，只要在測(cè)量到的光柵的中心波長(zhǎng)變化中扣除溫度變化引起的波長(zhǎng)變化，就可以得到應(yīng)變引起的波長(zhǎng)變化，從而解決了光纖光柵應(yīng)變和溫度都能引起波長(zhǎng)的變化的問(wèn)題，應(yīng)變的表達(dá)式為：

Δε=（Δλε/λB-αtαε′ΔT/λB′）/αε（5）

式中，Δλε為光纖光柵傳感器1的波長(zhǎng)變化、ΔλT為光纖光柵傳感器2的波長(zhǎng)變化，αT、αε分別為光纖光柵傳感器1的應(yīng)變靈敏度、溫度靈敏度和、αε′為光纖光柵傳感器2的溫度靈敏度。

由式（5）可以看出，當(dāng)光纖光柵傳感器1有關(guān)參數(shù)和光纖光柵傳感器2的有關(guān)參數(shù)已知時(shí)，可以由光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化計(jì)算出鋼軌側(cè)面測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值，然后由式（3）即可得到相應(yīng)的載荷P的大小。通過(guò)載荷的大小便可判斷貨物列車是否超載。

在線路的同一坐標(biāo)的位置在兩根鋼軌上分別來(lái)測(cè)量載荷大小，通過(guò)對(duì)載荷大小的分析即可得到貨物列車的偏載情況。

2 結(jié)語(yǔ)

本文提出的貨物列車超偏載的監(jiān)測(cè)方法，利用光纖光柵傳感技術(shù)解決傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片在貨物列車超偏載監(jiān)測(cè)時(shí)易發(fā)生受電磁干擾、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，但對(duì)于該監(jiān)測(cè)方法沒(méi)有進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，這些需在以后予以完善。

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作者簡(jiǎn)介：王月太（1989），女，甘肅蘭州人，工學(xué)碩士，西安交通工程學(xué)院電氣工程學(xué)院助教，主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂啤?/p>