基于光纤布拉格光栅阵列的铁路钢轨横向裂纹监测方法

摘要

本发明提供了一种基于光纤布拉格光栅阵列的铁路钢轨横向裂纹在线监测方法，光纤布拉格光栅阵列包括多个光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅安装在铁路钢轨的轨底，该方法包括：在列车运行时，监测光纤布拉格光栅阵列中每个光纤布拉格光栅反射光谱的带宽；通过比较各个光纤布拉格光栅反射光谱的带宽，以识别铁路钢轨横向裂纹的位置。本发明实现了钢轨变形和裂纹实时、自动检测，保障了铁路线路正常运营。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路交通技术领域，尤其涉及一种基于光纤布拉格光栅阵列的铁路钢轨横向裂纹在线监测方法。

背景技术

随着铁路运量与发车频率的不断增加，钢轨的荷载越来越大，钢轨的伤损日趋严重，而人工和检测车的天窗时间越来越少，检测难度越来越大。

但是目前缺少行之有效的在线实时监测钢轨裂纹的方法。目前大多数发明专利和文章的在线监测方法都是采用电学传感器，而在电气化铁路段受到电磁干扰严重，信号无法远距离传输。实用专利201020684886.3“一种可监测裂纹和变形的钢轨”公开了一种利用分布式光纤传感技术(布里渊散射)实时在线监测钢轨裂纹技术，该技术实现了抗电磁干扰、信号长距离传输等功能。但是布里渊散射技术信号解调时间比较长，适用于静态监测，不能实现动态监测。随着列车发车密度的增加，发车间隔变小，该技术的的实用性越来越差；最重要的是，该方法无法监测夏季钢轨热胀而隐藏的裂纹。

武汉理工大学、北京交通大学等单位通过光纤布拉格光栅(FBG)传感器来监测钢轨应力应变，由于FBG栅区较小(约10mm)，他们将粘贴FBG栅区的钢轨考虑为均匀应变，忽略了FBG反射光谱展宽的问题，只测量其中心波长漂移。实用新型专利CN2738479Y“基于波分复用分布式光纤的轨道监视系统”同样利用FBG阵列中各FBG的反射波长来进行轨道监视。郭团等人利用FBG反射光谱带宽变化很好的实现了集中荷载的测量，但仅仅用于温度和荷载的测量，并未实现结构健康监测，西南交通大学闫连山等人利用FBG在非均匀应力下的反射谱展宽，反映为检测光强增大原理监测轨道列车轮重、位置和轴数。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种基于光纤布拉格光栅阵列的铁路钢轨横向裂纹在线监测方法，实现了在列车运行时对钢轨横向裂纹的快速监测。

(二)技术方案

本发明提供一种基于光纤布拉格光栅阵列的铁路钢轨横向裂纹在线监测方法，光纤布拉格光栅阵列包括多个光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅安装在铁路钢轨的轨底，方法包括：

S1，在列车运行时，监测光纤布拉格光栅阵列中每个光纤布拉格光栅反射光谱的带宽；

S2，通过比较各个光纤布拉格光栅反射光谱的带宽，以识别所述铁路钢轨横向裂纹的位置。

(三)有益效果

本发明提出一种铁路钢轨横向裂纹监测方法，通过测试、比较光纤布拉格光栅阵列中各光栅反射光谱带宽来监测钢轨横向裂纹，实现了钢轨变形和裂纹实时、自动检测，保障了铁路线路正常运营。

附图说明

图1为本发明实施例提供的钢轨横向裂纹在线监测方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的钢轨横向裂纹在线监测方法的示意图。

图3为本发明实施例提供的粘贴有光纤布拉格光栅阵列的钢轨断面图。

图4为本发明实施例提供的相邻两枕木之间的钢轨受力分析示意图。

图5为本发明实施例提供的不同深度裂纹情况下的光纤布拉格光栅反射的光谱带宽图。

具体实施方式

本发明提供一种基于光纤布拉格光栅阵列的铁路钢轨横向裂纹在线监测方法，光纤布拉格光栅阵列包括多个光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅安装在铁路钢轨的轨底，该方法包括：

S1，在列车运行时，监测光纤布拉格光栅阵列中每个光纤布拉格光栅反射光谱的带宽；

S2，通过比较各个光纤布拉格光栅反射光谱的带宽，以识别铁路钢轨横向裂纹的位置。

根据本发明的一种实施方式，相邻两根枕木之间的铁路钢轨只安装有一个光纤布拉格光栅。

根据本发明的一种实施方式，采用解调设备监测所述每个光纤布拉格光栅反射光谱的带宽，解调设备为基于波长解调的光栅光谱仪或光栅解调仪。

根据本发明的一种实施方式，在步骤S2中，钢轨的表面的应变ε为：

$ϵ=\frac{\sigma }{E}=\frac{Fxy}{2EI},$

其中，0≤x≤L/2，L为两个枕木之间钢轨的长度，σ为钢轨截面处的正应力，F为列车集中荷载，x为钢轨截面到枕木左支点的距离，y为光纤布拉格光栅的位置距中性面的距离，I为钢轨的惯性矩，E为钢轨的弹性模量；

光纤布拉格光栅的中心波长漂移量Δλ为：

$\Delta \lambda =(1-P_e)\lambda ϵ=\frac{(1-P_e)\lambda Fxy}{2EI},$

其中，P_e为光纤布拉格光栅的弹光系数；λ为光纤布拉格光栅的中心波长；

光纤布拉格光栅的中心波长的展宽λ_w为

${\lambda }_w={\mathrm{\Delta \lambda }}_r-{\mathrm{\Delta \lambda }}_l=\frac{(1-P_e)\lambda Fly}{2EI},$

其中，Δλ_l，Δλ_r分别为光纤布拉格光栅左右两端的中心波长漂移量，l为光纤布拉格光栅的长度。因为每根钢轨的轨底均安装有一光纤布拉格光栅，通过比较各光栅的中心波长的展宽，若发现某一光栅中心波长的展宽变窄，则可判定其对应的钢轨出现横向裂纹。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1～4所示，本发明实施例提供一种基于光纤布拉格光栅阵列3的铁路钢轨横向裂纹在线监测方法，光纤布拉格光栅阵列3包括多个光纤布拉格光栅4，相邻两根枕木2之间的铁路钢轨1只安装有一个光纤布拉格光栅4，且光纤布拉格光栅4不位于两枕木2跨中的位置，光纤布拉格光栅4安装在铁路钢轨1的轨底，用于感测钢轨1轨底的应变，方法包括：

S1，在列车运行时，采用解调设备5监测光纤布拉格光栅阵列3中每个光纤布拉格光栅4反射光谱的带宽，其中，解调设备5通过光纤6与光纤布拉格光栅阵列3连接；

S2，通过比较各个光纤布拉格光栅4反射光谱的带宽，以识别所述铁路钢轨横向裂纹的位置。

其中，钢轨1的表面的应变ε为：

$ϵ=\frac{\sigma }{E}=\frac{Fxy}{2EI},$

其中，0≤x≤L/2，L为两个枕木之间钢轨的长度，σ为钢轨截面处的正应力，F为列车集中荷载，x为钢轨1截面到枕木2左支点的距离，y为光纤布拉格光栅4的位置距中性面的距离，I为钢轨1的惯性矩，E为钢轨1的弹性模量；

由上式可以看出不同截面位置的钢轨1的表面应变与x线性变化，粘贴在x截面位置的光纤布拉格光栅4的中心波长漂移量为：

$\Delta \lambda =(1-P_e)\lambda ϵ=\frac{(1-P_e)\lambda Fxy}{2EI},$

其中，P_e为光纤布拉格光栅4的弹光系数；λ为光纤布拉格光栅4的中心波长；

光纤布拉格光栅4的中心波长的展宽λ_w为

${\lambda }_w={\mathrm{\Delta \lambda }}_r-{\mathrm{\Delta \lambda }}_l=\frac{(1-P_e)\lambda Fly}{2EI},$

其中，Δλ_l，Δλ_r分别为光纤布拉格光栅4左右两端的中心波长漂移量，l为光纤布拉格光栅的长度。

由上式可以看出，当同一列列车通过钢轨1的不同位置时，光纤布拉格光栅阵列3中各光纤布拉格光栅4的展宽是相同的，当某两个相邻枕木2之间的钢轨1出现横向裂纹时，该两枕木2之间的钢轨1应力就得以释放，处在该位置的光纤布拉格光栅4的展宽就会变窄，如图5所示。故，只要确定了钢轨横向裂纹深度与其表面应变释放量之间的关系，也就确定了钢轨横向裂纹深度与光纤布拉格光栅4反射光谱带宽变化量之间的关系。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。