CN113029407B - 一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置及其布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置，采用轨侧安装、用于轮轨力连续测量的光纤光栅测量尺结构，该结构通过测量尺固定装置在轨侧实现与钢轨的安装连接。当车轮压过钢轨时，将钢轨视为传递轮轨横向与垂向荷载的载体，钢轨产生变形，通过测量尺固定机构带动测量尺产生同步形变，进而使测量尺上的光纤光栅应变计反射波的波长发生漂移，通过对波长漂移量的度量，实现对应力、应变的感测，进而精确测出钢轨相应位置的受力大小。本发明安装维护方便；且测量尺的传感节点制作通过光纤光栅应变计的焊接实现，传感器结构无电磁干扰，抗腐蚀能力强等环境适应性优势。
Description
技术领域
本发明属于铁路车辆故障检测技术领域，具体涉及一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置及其布置方法。
背景技术
铁路车辆轮轨力监测技术是货运、客运以及高速车辆地面安全监测系统实现监测功能的技术基础，轮轨力监测方案向着高可靠、易维护、易施工的方向发展。
直接在钢轨上粘接金属应变片的方法由于其需要打磨钢轨粘接面，施工工艺复杂，同时封装型式可靠性低，业内普遍采取定期更换的方法进行维护，在目前对轮轨力进行连续测量的使用要求下，逐渐被取代。
另外一种方式为二维板式传感器与剪力传感器的配合安装实现轮轨力的连续测量。二维板式压力传感器安装于铁轨与枕木之间，或做成特质枕木，钢轨轨腰处安装剪力传感器，组合成一定长度的轮轨垂直力和横向力的连续综合测区。对既有线路，板式传感器施工工程量大，维修更换不便，由于传感器结构件较大，与枕木及钢轨的贴合面较多，在低温气候下冰冻环境显著影响传感器边界约束条件，载荷传递发生变化，时有测量误差大甚至错误情况发生。
目前用于轮轨力测量的传感器布置方案仍然存在一些问题，主要包括：
1、安装复杂，维护困难。直接粘贴应变片需要对钢轨贴合面进行精细打磨，安装完还需要密封操作；二维板式传感器与剪力传感器的配合使用方式，需要拆掉钢轨甚至更换枕木，施工量大，耗时长，后期维护难度大，成本高昂。
2、上述两种方案基于传统的金属应变片实时传感设计和封装以及现场安装，电信号易受到电磁干扰、在使用过程中发现，传感信号难以保持长期稳定可靠，特别是提升监测能力，要求更长范围内的传感铺设条件下，其电信号可靠性伴随着电缆长度和数量的增加更为下降。
发明内容
本发明要解决现有剪力传感器需配合板式传感器安装，实现应力连续测量，安装非常复杂，工程量大，造价高，维护困难问题；同时解决现行传感器采用金属应变片结构，通过电缆进行信号传输，抗电磁干扰、抗腐蚀能力差问题，提出一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置及其布置方法。
本发明尺式轮轨力连续测量光纤传感装置及其布置方法，装置部分包括测量尺、测量尺固定机构、光纤光栅应变计与光缆。每个测量尺中部周向等角度间隔安装四个光纤光栅应变计，四个光栅应变计分别引出光缆，连接光解调仪，转化为电信号送入分析主机进行计算分析。
布置方法为：将测量尺固定机构设置于相邻两枕木间中线位置，与钢轨间固定；相邻两个测量尺固定装置间安装一个测量尺，使各测量尺中部分别位于各个枕木之上，使测量尺沿轨道中心线对称安装于轨道两侧铁轨外侧面。
由此当车轮压过钢轨时，将钢轨视为传递轮轨横向与垂向荷载的载体，钢轨产生变形，通过测量尺固定机构带动测量尺产生同步形变，进而使测量尺上的光纤光栅应变计反射波的波长发生漂移，通过对波长漂移量的度量，实现对应力、应变的感测，进而精确测出钢轨相应位置的受力大小。
本发明的优点在于：
1、本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置及其布置方法，避免了二维板式传感器与剪力传感器的配合使用方式对既有铁路线路的改造施工，即拆掉钢轨甚至更换枕木，施工量大，耗时长，后期维护难度大，成本高昂。
2、本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置及其布置方法，解决了高速铁路无渣轨道，轨底与钢轨之间空间小，安装紧固施工困难，无法在轨底安装传感装置实现轮轨力测量的问题。
3、本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置及其布置方法，通过基于光纤光栅应变计的测量尺应用实现，传感器结构具备无电磁干扰，稳定性好，大量传感器可以串接在一根光缆上，远程传输性能优越，抗腐蚀能力强等环境适应性特点。
附图说明
图1为本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置结构示意图；
图2为本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置中测量尺结构示意图；
图3为本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置结构爆炸图；
图4为本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置安装后的横向力测试原理图；
图5为测试区的横向荷载连续变化曲线；
图6为本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置安装后的纵向力测试原理图；
图7为测试区的纵向荷载连续变化曲线；
图8为发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置中测量尺保护罩结构示意图。
图中：
1-测量尺 2-测量尺固定机构 3-光纤光栅传感器
4-光缆 5-卡块固定螺栓 6-测量尺固定螺栓
7-卡扣 8-测量尺护罩 101-光孔A
201-测量尺卡块 202-固定块 203-开槽
204-光孔B 205-矩形槽 206-螺纹孔A
801-连接凸耳
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置，包括测量尺1、测量尺固定机构2、光纤光栅应变计3与光缆4，如图1所示。
所述测量尺1沿钢轨长方向设置，其纵截面呈矩形，长度为相邻枕木间距。测量尺1具有前后两个端面以及周向上的四个侧面且靠近两端位置开有光孔A101，用于测量尺1的安装，如图2所示。测量尺1通过测量尺固定机构2沿轨道中心线对称安装于轨道两侧铁轨外侧面，且测量尺1与测量尺卡块201高度低于与钢轨轨顶平面。
如图3所示，所述测量尺固定机构2包括测量尺卡块201与固定块202，两者分别设置于钢轨两侧相对位置，通过两者内侧下方设计的与钢轨侧部轨底截面形状匹配的开槽203，配合钢轨侧部轨底插接定位。测量尺卡块201与固定块202对应位置开通有两个光孔B204，光孔B204位于开槽203下方，用于穿过卡块固定螺栓5。当测量尺卡块201与固定块202插接于钢轨侧部轨底后，通过卡块固定螺栓5穿过两者底部对应光孔204后，由防松螺母拧紧，实现测量尺卡块201与固定块202在钢轨外侧的固定并保持一定的预紧力，形成测力支撑点。上述测量尺卡块201外侧面上部开有矩形槽205，矩形槽205纵向宽度与测量尺1宽度匹配，用来定位测量尺1。同时矩形槽205底面开设两个螺纹孔206，用于配合测量尺固定螺栓6以及测量尺端部光孔A101，实现测量尺1一端端部的固定。
在测量尺1安装时，一个测量尺1需通过两个测量尺卡块201进行安装，使测量尺1两端的光孔A101分别与两个测量尺卡块201上部矩形槽205底面上的水平距离最短的两个螺纹孔206对齐，随后通过测量尺固定螺栓6穿过测量尺1的光孔A101后与螺纹孔206间螺纹拧紧固定，保持一定的预紧力，进而实现测量尺1在钢轨侧部位置固定。由于上述测量尺卡块201上部矩形槽205底面设计为两个螺纹孔A205，因此在测量尺1沿钢轨长方向的连续安装时，一个测量尺卡块1可同时完成对前一测量尺1和后一测量尺1相对一端的固定安装。
所述光纤光栅应变计3为四个平面应变计，位于测量尺1的四个侧面中心处，如图2所示。光纤光栅应变计3周向上通过点焊工艺实现与测量尺1侧面间的焊接固定。四个光纤光栅应变计3分别引出四根光缆4沿测量尺1长度方向铺设于测量尺1四个侧壁上。为了减少光缆4的铺设量，也可通过光缆4将测量尺1周向上的四个光纤光栅应变计3串联后引出。测量尺1侧面上的光缆4穿过由螺栓固定于测量尺1侧面的固定安装卡扣7上的缺口，实现测量尺1侧面上的光缆4定位。上述引出的光缆4均延伸到测量尺1端部。
本发明尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置的布置方法具体如下：
如图4(其中曲线为轮轨作用横向荷载在钢轨上的受力影响线)、图6所示，首先，沿钢轨长方向，在相邻两枕木间中线位置设置测量尺固定机构2，将测量尺固定机构2与钢轨间固定。
随后，在相邻两个测量尺固定装置2间安装一个测量尺1；将测量尺1两端的光孔A101分别与相邻两个测量尺固定装置2中两个测量尺卡块201上部矩形槽205底面上的水平距离最近的两个螺纹孔206对齐，进一步通过测量尺固定螺栓6穿过测量尺1的光孔A101后与螺纹孔206间螺纹拧紧固定。通过上述安装方式，使各个测量尺1中部分别位于各个枕木之上，保持与测量尺1所在范围内的钢轨随动变形。
由此，当车轮压过钢轨时，将钢轨视为传递轮轨横向与垂向荷载的载体，钢轨产生变形，通过测量尺卡块201与固定块202可带动测量尺1产生同步形变，进而使测量尺1上的光纤光栅应变计3反射波的波长发生漂移，通过对波长漂移量的度量，实现对应力、应变的感测，进而精确测出钢轨相应位置的受力大小。
对于单一测量尺，钢轨的横向形变引起测量尺内外两个平面的光纤光栅应变计的测量值变化；一侧受拉伸，一侧受压缩，理论值大小相等，方向相反；钢轨的垂向形变引起粘贴于测量尺内外两个平面的光纤光栅应变计的测量值变化，内外平面内的光纤光栅应变计应变变化方向相同，大小相等。通过内外两个应变计的矢量差值实现钢轨垂向形变测量值的剔除，以及对横向变形测量值的两倍放大。进一步通过标定获得测力支撑点及两测力支撑点之间其他参考点处实际承受横向荷载与应变测试值的比例关系，换算出车轮在测量尺1测试区域内各处，光纤光栅传感器3应变值所代表的轮轨力大小，进而由连续安装的测量尺1所测得横向荷载的组合而得到车轮通过整个测试区的横向荷载连续变化情况，如图5所示，图中下方长直线为轮轨接触位置点在测试区内连成的直线段。
对于单一测量尺，钢轨的垂向形变引起粘贴于测量尺上下两个平面的光纤光栅应变计的测量值变化；一侧受拉伸，一侧受压缩，理论值大小相等，方向相反；钢轨的横向形变引起粘贴于测量尺上下两个平面的光纤光栅应变计的测量值变化，上下平面内的光纤光栅应变变化方向相同，大小相等。通过上下两个应变计的矢量差值实现钢轨的横向形变测量值剔除，以及对垂向变形测量值的两倍放大。进一步通过标定获得测力支撑点及两测立支撑点内其他参考点处实际承受垂向荷载与应变测试值的比例关系，换算出车轮在测量尺1测试各处，光纤光栅传感器3应变值所代表的轮轨力大小。进而由连续安装的测量尺1所测得垂向荷载的组合而得到车轮通过整个测试区的垂向荷载连续变化情况，如图7所示,图中下方长直线为轮轨接触位置点在测试区内连成的直线段。
对于单一测量尺，当轮轨接触部位位于测量尺几何尺寸范围内，轮轨不同接触位置引起钢轨不同位置的应变改变，与之同步变形的测量尺应变随之改变，光纤光栅应变计测出连续的应变变化值。
如图8所示，本发明中还在测量尺1安装完毕后，还在各个测量尺外部安装有测量尺护罩8，测量尺护罩8截面为U形结构，两端设计有连接凸耳801，且连接凸耳801上开孔。测量尺护罩8的U行部分由外侧罩住测量尺1，同时测量尺护罩8两端连接凸耳801上的开孔分别于测量尺1两端光孔A对齐，形成测量尺组件；随后，通过测量尺固定螺栓6穿过连接凸耳以及测量尺端部光孔A后，与测量尺卡块201上的螺纹孔206固定，进而将测量尺1与测量尺护罩8作为一个整体安装于铁轨侧部。
上述测量尺护罩8与测量尺间具有一定间隙，使测量尺1侧面上铺设的光缆4可由测量尺护罩8端部引出。通过测量尺护罩8保护测量尺1表面的光纤光栅传感器，更有效提升传感器以及焊点对潮湿、盐雾，以及道砟、飞石的环境适应性。
Claims (4)
1.一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置，为通过测量尺固定装置固定于钢轨外侧侧部的连续多个测量尺；具体为：测量尺沿钢轨长方向设置，其纵截面呈矩形，长度为相邻枕木间距；测量尺具有前后两个端面以及周向上的四个侧面且靠近两端位置开有光孔A，用于测量尺的安装；测量尺通过测量尺固定机构沿轨道中心线对称安装于轨道两侧铁轨外侧面，首先在相邻两枕木间中线位置设置测量尺固定机构，将测量尺固定机构与钢轨间固定；随后，在相邻两个测量尺固定装置间安装一个测量尺，使各测量尺中部分别位于各个枕木之上；
上述测量尺固定机构包括测量尺卡块与固定块，两者分别设置于钢轨两侧相对位置，通过两者内侧下方设计的与钢轨侧部轨底截面形状匹配的开槽，配合钢轨侧部轨底插接定位；测量尺卡块与固定块间通过螺栓固定；测量尺卡块外侧面上部开槽定位测量尺端部，两者间通过螺栓连接固定；在测量尺安装时，一个测量尺需通过两个测量尺卡块进行安装，使测量尺两端的光孔A分别与两个测量尺卡块上部矩形槽底面上的水平距离最短的两个螺纹孔对齐，随后通过测量尺固定螺栓穿过测量尺的光孔A后与螺纹孔间螺纹拧紧固定，保持一定的预紧力，进而实现测量尺在钢轨侧部位置固定；
各测量尺中部周向等角度间隔安装四个光纤光栅应变计，四个光栅应变计分别引出光缆，当车轮压过钢轨时，将钢轨视为传递轮轨横向与垂向荷载的载体，钢轨产生变形，通过测量尺固定机构带动测量尺产生同步形变，进而使测量尺上的光纤光栅应变计反射波的波长发生漂移，通过对波长漂移量的度量，实现对应力、应变的感测，进而精确测出钢轨相应位置的受力大小；
上述测量尺外部安装有测量尺护罩，测量尺护罩截面为U形结构，两端设计有连接凸耳，测量尺护罩的U行部分由外侧罩住测量尺，同时测量尺护罩两端连接凸耳与测量尺端部一同与测量尺固定机构连接固定。
2.如权利要求1所述尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置，其特征在于：四个光纤光栅应变计通过光缆串联。
3.如权利要求1所述一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置，其特征在于：测量尺与测量尺卡块高度低于与钢轨轨顶平面。
4.如权利要求1所述一种尺式轮轨力连续测量光纤光栅传感装置，其特征在于：光缆沿测量尺侧面引出，通过固定于测量尺侧面的固定安装卡扣实现光缆在测量尺侧面上的定位。
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