CN103215865B - 铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法 - Google Patents

Abstract

一种铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法。将4个光纤光栅振动传感器安装在连续梁和简支梁的梁体端部，8个光纤光栅位移传感器安装在桥梁接缝处与钢轨伸缩调节器相连接的无缝钢轨上；振动传感器对桥梁梁体进行振动监测；位移传感器对钢轨爬行位移量进行连续监测；各传感器监测到的信号通过传输光纤输送到光纤接续箱汇总后，输出到解调器解调，再送数据处理终端进行处理及显示，实现在线动态监测，并通过对比分析数据特性的历史变化趋势，对连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态进行评估，超过报警阈值时启动报警，并实时上传结果至监控部门。本方法在线动态监测桥梁梁体振动和钢轨位移变化，及时预警，确保铁路桥梁重载安全运行。

Description

铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术应用于重载铁路桥梁的安全监测技术领域。涉及一种基于光纤光栅传感技术的铁路连续梁桥梁梁体振动幅度、振动频率及钢轨伸缩调节器钢轨爬行位移量的在线、动态长期监测和数据比较的方法。

背景技术

重载运煤专线是国民经济命脉，随着运煤专线的1万吨、2万吨重载列车的开行，其线路，特别是桥梁的安全运营越来越受到关注。桥梁由于需要跨越河流、山谷和道路，为增加跨度，多采用连续梁结构。与简支梁结构相比，在列车荷载作用下，连续梁变形小，由列车荷载引起的挠曲附加力也不大。但受冬夏和昼夜温差的影响，梁体的伸缩附加力较大，使得钢轨在桥面上爬行，需要安装钢轨伸缩调节器以降低伸缩附加力。钢轨伸缩调节器由尖轨和基本轨组成，分别固定位于桥梁的连续梁和相邻的简支梁上。

当重载列车通过钢轨伸缩调节器时，左右轮对均在基本轨与尖轨上过渡，这种轮轨接触点变化所形成的结构不平顺是钢轨伸缩调节器自身存在的不可避免的问题，加上钢轨调节器和无缝焊轨轨端接缝处的不平顺，由此导致重载列车车轮每经过一次，钢轨就会受到一次冲击碾压，使得承载轨道的桥梁产生了很大的振动。长久的振动可能会使桥梁受到程度不等的破坏，给行车安全带来严重后果。此外，桥上钢轨伸缩调节器本来就是用来调节在气温变化、地质条件变化和重载动负荷作用下钢轨产生的爬行位移，但较大的或突变的爬行位移会挤坏尖轨的扣件螺栓甚至挤坏基本轨的扣件螺栓，直接影响行车安全。因此，铁路桥连续梁上无缝线路安装的钢轨伸缩调节器，成为了梁上线路的薄弱环节。对其进行健康状态的监测，对重载安全运输至关重要。

桥梁梁体的振动特性(振动幅度、振动频率)及钢轨爬行位移量是反映连续梁桥梁及钢轨伸缩调节器健康状态的重要参数，也是对其健康监测的重要内容。目前桥梁振动检测方法有直接接触测量，电磁辐射检测，激光干涉测量，锤击震源和瞬态面波法等。直接接触测量采用探测器拾振仪和加速度传感器直接附着于监测点，将机械运动转化成所需的物理量，但电信号探测器长时间连续工作有零点漂移，无法长时间连续地监测，而且还有重载电力机车通过时产生的强大电磁场干扰的问题；电磁辐射检测通过发射电磁波，再对接收到的目标回波进行信号处理后，提取目标的振动信息，不足处在于，容易受周围环境电磁干扰和多路径反射影响，不能有效反映桥梁梁体实际振动状态。激光干涉测量采用光学测量仪器，利用迈克尔逊干涉原理进行测量，抗干扰能力强，不受电磁和地波干扰，但是激光受大气影响大，在恶劣天气测量困难。锤击震源和瞬态面波法也不是在线的和动态的监测。

光纤光栅传感技术的最显著特点是长期稳定性好，抗电磁干扰、耐环境温度变化、波长绝对量检测，没有零点漂移，它的问世才为工程的长期监测提供了可能。本发明将光纤传感技术应用于桥梁梁体振动特性(振动幅度、振动频率)及钢轨位移量监测中，以实现重载动载荷及恶劣条件下，连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态的长期在线动态监测。

运煤专线的重载列车经过桥梁时的车厢载重和运行速度差别不大，振动源的一致性使长期的对比监测可行。而且，利用机车的重量一致的特性重点检测机车车轮产生的振动信号更能使监测结果准确。

发明内容

本发明目的旨在提供一种铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，即一种桥梁梁体振动幅度、振动频率及钢轨爬行位移量的在线动态光纤光栅长期监测和数据比较的方法。

本发明的技术方案是：一种铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：接触式测量方式，采用包括4个光纤光栅振动传感器、8个光纤光栅位移传感器、传输光纤、光纤接续箱、多通道光纤光栅波长解调器、数据处理终端和报警装置的装置；将4个光纤光栅振动传感器安装在桥墩上方连续梁和相邻简支梁的梁体端部，8个光纤光栅位移传感器安装在桥梁接缝处与钢轨伸缩调节器相连接的无缝钢轨上；4个光纤光栅振动传感器对重载动载荷作用下桥梁的连续梁和简支梁的梁体进行振动幅度和振动频率监测，8个光纤光栅位移传感器对与钢轨伸缩调节器相连接的无缝钢轨进行钢轨爬行位移量监测；光纤光栅振动传感器检测到监测点处列车通过时的桥梁的连续梁和简支梁的梁体振动信号，光纤光栅位移传感器连续检测到监测点处钢轨爬行位移信号，通过传输光纤把各传感器的波长变化信号经光纤接续箱汇总后，输出到解调器，经光电转换和波长解调后，得到振动信号和位移信号；再送往数据处理终端进行数据处理及显示，实现动态在线监测，并通过对比分析数据特性的历史变化趋势，对连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态进行评估，超过报警阈值时，启动报警装置；并实时上传结果至监控部门。

本发明的技术方案中，光纤光栅振动传感器利用光纤光栅传感器件将振动信号转化为光纤光栅波长信号。该振动传感器主要由光纤光栅、振动质量块、悬臂结构封装制成，其中光纤光栅传感材料固化在悬臂结构上，光纤光栅的信号输出端接传输光纤。当整个传感器受到振动作用时，由于质量块的惯性作用，使得主悬臂梁做受迫振动，进而产生周期性应变，导致光纤光栅的中心波长发生周期性改变，解调该波长的变化，即可分析出高、低频率时的振动特性。其光纤光栅传感器外壳、固定装置和辅助装置的形状及尺寸与连续梁和简支梁的梁体端部形状及尺寸相匹配，使振动传感器与待测梁体紧固，传递振动信息。

本发明的技术方案中，光纤光栅位移传感器利用光纤光栅传感器件将位移信号转化为光纤光栅波长信号，并采用双光栅差分传感技术进行大位移检测。该位移传感器主要由2个不同波长的光纤光栅、受力圆环、拉伸弹簧、拉杆及壳体封装制成，将受力圆环的一端固定在壳体上，另一端通过拉伸弹簧和拉杆接于监测点的无缝钢轨上感受被测位移的变化。将两个不同波长的光纤光栅垂直固定在受力圆环上，沿着光纤光栅位移传感器方向对受力圆环施加力时，受力圆环会沿着该方向拉伸，光纤光栅位移传感器的波长偏移为正，同时光纤光栅振动传感器方向被压缩，其波长偏移为负。这两根光纤光栅中心波长偏移量绝对值之和反应了所测位移变化，而且剔除了环境温度的干扰。通过标定光纤布拉格光栅波长总变化与位移量之间的线性关系就可以得到钢轨与道床之间的位移值。其光纤光栅传感器外壳固定在道床上，拉杆的固定装置与钢轨外形和结构相匹配，使位移传感器的拉杆与待测钢轨紧固，传递钢轨位移信息。

本发明的技术方案中，传输光纤采用单模光纤。

本发明的技术方案中，光纤接续箱按输入顺序把所有传输光纤排序并按“波分复用”方式串接。

本发明的技术方案中，解调器采用理工光科公司产品，型号为BGD-4M。其采用法布里-佩罗腔光纤光栅波长滤波解调技术，将光纤光栅振动和位移传感器的波长信号经光电转换和波长解调后输出；并具有解调现场全部监测点传感器波长信号的能力。

本发明的技术方案中，数据处理终端采用工控机，其数据处理系统能实时采集、显示，并建立数据库长期存储测量数据；处理振动和位移信号的专家系统，能够辨认所监测到的数据特性变化和趋势，得出是否将对行车安全造成威胁的结论，异常情况下启动报警装置。

本发明的技术方案中，报警装置采用扬声器和红绿信号灯，并在软件界面出现报警提示。

本发明根据监测参量不同，总计有12个健康状态监测点。监测点的装置都做加固和防腐处理，在不损伤钢轨，不改动轨道和路基情况下机械紧固安装，可以在潮湿、日照、振动、煤粉尘、电磁干扰等恶劣环境条件下重载列车频繁通过的连续梁桥梁现场稳定工作，实现长期综合监测桥梁梁体振动幅度、振动频率，无缝钢轨爬行位移量的变化。

本发明所采用的技术原理是：采用“光纤布喇格(Bragg)光栅”(简称FBG)制作的振动和位移传感器。光纤布喇格光栅是采用紫外准分子激光束照射普通通信用的单模光纤的侧面，激光束通过掩模板或干涉的方法使光纤二氧化硅材料的晶格发生永久性变化，形成微米级的光栅栅格，栅格的总长为数毫米。成栅后，该段光纤的纤芯折射率在长度方向呈现周期性分布条纹并产生布喇格光栅效应。其基本光学特性就是一个以共振波长为中心的窄带光学滤波器。当宽带光源通过光纤偶合器将一束光送进布拉格光纤光栅时，在满足布喇格条件的情况下，就会发生全反射，其反射光谱在布喇格波长处出现峰值。光栅受到外部物理场(如应变、温度等)的作用时，栅距随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长，根据其偏移的大小就可以确定待测部位物理量的变化。本发明所采用光纤光栅振动和位移传感器都具有去除温敏的功能，剔除了环境温度变化对光栅的影响。

本发明适用于重载动载荷及恶劣条件下，铁路连续梁桥梁及桥上钢轨伸缩调节器健康状态的长期在线和动态监测，通过安装在监测点处的光纤光栅振动传感器和光纤光栅位移传感器监测桥梁梁体振动特性(振动幅度、振动频率)及钢轨爬行位移量，掌握其在重载动荷载和恶劣环境长期作用下振动和位移特性恶化趋势，实现无人值守远距离动态在线监测，可组合成远程多桥梁多参数监测系统，以提高铁路高架桥健康状况管理水平和智能化程度，为重载铁路的安全运营提供可靠保障。

本发明的优点：与已有的检测技术相比，该监测方法具有长期稳定性好、抗干扰能力强、测量准确、安全可靠、监测装置的安装不干扰行车，耐腐蚀、不受环境温度变化影响的优点，可以在恶劣条件下，长时间在线监测。

附图说明

图1为铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器的健康状态光纤光栅监测系统的示意图。

图中：1-光纤光栅位移传感器(图中另含传感器外壳、固定装置、辅助装置)，2-光纤光栅振动传感器(图中另含传感器外壳、固定装置、辅助装置)，3-传输光纤，4-光纤接续箱，5-解调器，6-数据处理终端，7-报警装置。

具体实施方式

如图1所示，本发明的铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法。它利用4个光纤光栅振动传感器对重载动载荷作用下桥梁的连续梁和简支梁的梁体进行振动幅度和振动频率监测；8个光纤光栅位移传感器对与钢轨伸缩调节器相连接的无缝钢轨进行钢轨爬行位移量监测；系统装置包括4个光纤光栅振动传感器1(含配套的传感器外壳、固定装置、辅助装置)、8个光纤光栅位移传感器2(含配套的传感器外壳、固定装置、辅助装置)、传输光纤3、光纤接续箱4、解调器5、数据处理终端6、报警装置7。

光纤光栅振动传感器1主要由光纤光栅、振动质量块、悬臂结构封装制成，其中光纤光栅传感器件固化在悬臂结构上，其传感器外壳、固定装置和辅助装置形状及尺寸与连续梁和简支梁的梁体端部形状及尺寸相匹配；光纤光栅位移传感器2主要由2个不同波长光纤光栅、受力圆环、拉伸弹簧、拉杆及壳体封装制成，其中受力圆环的一端固定在壳体上，另一端通过拉伸弹簧和拉杆接于监测点的无缝钢轨上感受被测位移的变化，两个不同波长的光栅垂直固定在圆环上，其传感器外壳固定在道床上，拉杆的固定装置与钢轨外形和结构相匹配；传输光纤3采用单模光纤；光纤接续箱4按输入顺序把所有传输光纤排序并按“波分复用”方式串接；解调器5采用理工光科公司产品，为BGD-4M型，将输入的波长信号解调为振动和位移信号；数据处理终端6采用工控机，其数据处理系统采集、存储和显示测量数据，其专家系统辨认所监测到的数据特性变化和趋势，并得出威胁结论；报警装置7采用扬声器和红绿信号灯，并在软件界面出现报警提示。

具体做法：

将光纤光栅振动传感器1安装在桥墩上连续梁和简支梁的梁体端部，光纤光栅位移传感器2安装在桥梁接缝处与钢轨伸缩调节器相连接的无缝钢轨上，总计有12个监测点。安装时传感装置和罩盖进行加固和防腐处理，主要零件都由不锈钢制成，在不损伤钢轨，不改动轨道和路基情况下机械紧固安装。在有砟道床道床上安装移传感器，采用混凝土加固基础点，以固定光纤光栅位移传感器2。

光纤光栅振动传感器1及光纤光栅位移传感器2的输出信号通过套有防老化的绝缘管的传输光纤3传输到临近的轨旁箱与光缆相连，光缆在电缆槽中或在桥梁护栏外铺设，汇总后传输到桥梁一端监控机房内的解调器5，再连接到数据处理终端6及报警装置7。

Claims (8)

1.一种铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：接触式测量方式， 将4个光纤光栅振动传感器（1）安装在桥墩上的连续梁和简支梁的梁体端部，8个光纤光栅位移传感器（2）安装在桥梁接缝处与钢轨伸缩调节器相连接的无缝钢轨上；4个光纤光栅振动传感器（1）对重载动载荷作用下桥梁的连续梁和简支梁的梁体进行振动幅度和振动频率监测；8个光纤光栅位移传感器（2）对与钢轨伸缩调节器相连接的无缝钢轨进行钢轨爬行位移量监测；光纤光栅振动传感器检测到监测点处列车通过时桥梁的连续梁和简支梁的梁体振动信号，光纤光栅位移传感器连续检测到监测点处钢轨爬行位移信号，通过传输光纤（3）把各传感器的波长变化信号经光纤接续箱（4）汇总后，输出到解调器（5），经光电转换和波长解调后，得到振动信号和位移信号；再送往数据处理终端（6）进行数据处理及显示，实现在线动态监测，并通过对比分析数据特性的历史变化趋势，对铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态进行评估，超过报警阈值时，启动报警装置（7）；并实时上传结果至监控部门。

2.根据权利要求1所述的铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：光纤光栅振动传感器（1）主要由光纤光栅、振动质量块、悬臂结构封装制成，其中光纤光栅固化在悬臂结构上，光纤光栅的信号输出端接传输光纤（3），其光纤光栅传感器外壳、固定装置和辅助装置形状及尺寸与连续梁和简支梁的梁体端部形状及尺寸相匹配，使光纤光栅振动传感器与待测梁体紧固，传递振动信息。

3.根据权利要求1所述的铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：光纤光栅位移传感器（2）主要由2个波长不同的光纤光栅、受力圆环、拉伸弹簧、拉杆及壳体封装制成，受力圆环的一端固定在壳体上，另一端通过拉伸弹簧和拉杆接于监测点的无缝钢轨上，两个不同波长的光纤光栅垂直固定在受力圆环上，其传感器外壳固定在道床上，拉杆的固定装置与钢轨外形和结构相匹配，使位移传感器的拉杆与待测钢轨紧固，传递钢轨位移信息。

4.根据权利要求1所述的铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：传输光纤（3）采用单模光纤。

5.根据权利要求1所述的铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：光纤接续箱（4）按输入顺序把所有传输光纤排序并按“波分复用”方式串接。

6.根据权利要求1所述的铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：解调器（5）采用理工光科公司产品，型号为BGD-4M。

7.根据权利要求1所述的铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：数据处理终端（6）采用工控机。

8.根据权利要求1所述的铁路连续梁桥梁和钢轨伸缩调节器健康状态动态监测方法，其特征在于：报警装置（7）采用扬声器和红绿信号灯，并在软件界面出现报警提示。