| 标题 | 基于光纤光栅传感器的货物列车超偏载的监测方法 |
| 范文 | 王月太 高贤辉 吴文艾 摘要：本文介绍了常用的货物列车超偏载方法存在的问题，针对这些问题提出来一种新的货物列车超偏载的监测方法。并具体的介绍了这一种新的货物列车超偏载的监测方法的监测原理。 关键词：光纤光栅传感器；超偏载；应变 中图分类号：U211.4文献标识码：A 保证列车行车安全是铁路运输的首要前提，随着铁路运输的发展对保障列车行车安全的手段提出了更高的要求。我国铁路属于客货混运，货物列车经常会发生超载和偏载。货物列车超载和偏载会引起车辆脱轨、损伤车辆和设备等威胁列车行车安全的现象。因此，为了保障列车的行车安全，必须对货物列车的超偏载监测进行加强。目前常用的货物列车超偏载方法是间接测量方法[1]，该方法是依据钢轨力学原理，采用电阻应变片测量得出钢轨的应力值，再根据测得的应力值计算出钢轨所受的压力。但电阻应变片在测量钢轨应力的时候会存在以下问题： （1）应变片不能长期牢固的粘贴在钢轨上； （2）要在钢轨上钻孔会破坏钢轨； （3）电阻应变片抗干扰能力差，尤其在铁路上会受到电磁干扰； （4）电阻应变片易被腐蚀，受环境影响大； （5）电阻应变片有零点飘移，无法实现长期监测。 由于电阻应变片存在上面很多问题，因此需要有一种新的监测方法来实现货物列车超偏载监测。 光纤光栅传感器是一种新型的传感器，近年来在各个领域得到广泛应用。它具有抗干扰能力强、耐腐蚀、尺寸小、复用能力强、灵敏度高、传输距离远等优点。光纤光栅传感器可以解决电阻应变片在货物列车超偏载监测中存在的问题，因此，本文提出一种基于光纤光栅传感器的货物列车超偏载的监测方法。 1 基于光纤光栅传感器货物列车的监测方法 货物列车运行时，钢轨会受到货物列车载荷，钢轨在受到载荷后，由于轨枕反作用力，钢轨会产生形变位移。假设荷载大小为P，鋼轨的受力如下图所示。根据材料力学和几何关系[23]，钢轨所产生的应变为： ε（z）=yM（Z）EI（1） 式中，z是传感器在轴向上的位置，y是传感器距中和轴的距离，E为钢轨的杨氏模量，I为钢轨截面的惯性矩，M（z）为钢轨的弯矩。 M（z）的表达式为： M（z）=EId2ydx2=P4ke-kz（coskz-sinkz）（2） 式中，k为轨道系统特性参数。 将式（2）代入式（1）可得： ε（z）=yP4kEIe-kz（coskz-sinkz）=kpP（3） 其中，ε（z）为钢轨产生的应变函数，kp为比例常数。 由式（3）可知，当测量点的位置固定时，测量点处的应变值的大小只与载荷P有关。只要测得载荷P引起的轴向应变即可求得荷载P的大小。 光纤光栅传感器与钢轨密贴时，可以认为光纤光栅传感器的应变大小与所密贴的钢轨的应变大小是相等的。根据麦克斯韦经典方程及光纤耦合理论[4]，光纤光栅应变传感机理为： ΔλB/λB=（αf+ξ）ΔT+（1-Pe）Δε=αTΔT+αεΔε（4） 式中，αf为光纤的热膨胀系数、ξ为光纤的热光系数、Pe为光纤的弹光系数，αT和αε是光纤的应变灵敏度和温度灵敏度，λB是光纤光栅的反射波长，ΔλB是波长的变化量，ΔT是温度变化，Δε是应变变化。通过检测光纤光栅中心反射波长，就能获得光纤光栅所处环境温度与轴向应变的信息。 由上式可知，应变和温度都能引起光纤光栅的反射波长的变化，要想得到钢轨的应变量需要对传感器进行温度补偿。本方法是在同位置放置两个光纤光栅传感器，分别为光纤光栅传感器1和光纤光栅传感器2，其中传感器1会受到温度和应变影响，传感器2只受到温度的影响，没有应变的影响。两个传感器可认为处在同一个温度场中，那么，对于同时受温度和应变影响的光纤光栅传感器来说，只要在测量到的光栅的中心波长变化中扣除温度变化引起的波长变化，就可以得到应变引起的波长变化，从而解决了光纤光栅应变和温度都能引起波长的变化的问题，应变的表达式为： Δε=（Δλε/λB-αtαε′ΔT/λB′）/αε（5） 式中，Δλε为光纤光栅传感器1的波长变化、ΔλT为光纤光栅传感器2的波长变化，αT、αε分别为光纤光栅传感器1的应变灵敏度、温度灵敏度和、αε′为光纤光栅传感器2的温度灵敏度。 由式（5）可以看出，当光纤光栅传感器1有关参数和光纤光栅传感器2的有关参数已知时，可以由光纤光栅传感器的波长变化计算出钢轨侧面测点处的应变值，然后由式（3）即可得到相应的载荷P的大小。通过载荷的大小便可判断货物列车是否超载。 在线路的同一坐标的位置在两根钢轨上分别来测量载荷大小，通过对载荷大小的分析即可得到货物列车的偏载情况。 2 结语 本文提出的货物列车超偏载的监测方法，利用光纤光栅传感技术解决传统的电阻应变片在货物列车超偏载监测时易发生受电磁干扰、稳定性差等问题，但对于该监测方法没有进行具体的实验测量，这些需在以后予以完善。 参考文献： [1]陈士谦，冯其波.铁路列车超偏载检测技术[J].北方交通大学学报，2003，27（3）：6366. [2]易思蓉，何华武.铁道工程[M].北京：中国铁道出版社，2009：104105. [3]李维来，潘建军，范典.光纤光栅列车计轴系统的数据采集与处理[J].武汉理工大学学报，2009，31（2）：1315. [4]孙丽.光纤光栅传感应用问题解析[M].北京：科学出版社，2011：711. [5]孙汝蛟.光纤光栅传感技术在桥梁健康监测中的应用研究[D].上海：同济大学，2007：2224. 作者简介：王月太（1989），女，甘肃兰州人，工学硕士，西安交通工程学院电气工程学院助教，主要研究方向为交通信息工程及控制。 |
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