光纤传感转辙机锁闭杆状态在线监测方法研究

摘要

道岔是铁路(包括城市轨道交通)列车在行进过程中线路变更的重要装置，而转辙机是道岔用来驱动执行装置的电气设备。转辙机电机的转动经减速后转化为平动，推动或拉动锁闭杆，将道岔锁闭在规定位置，从而达到改变道岔方向的目的。为了运行安全，有必要对铁路道岔进行动态监测，即在线、实时的监测锁闭杆在换轨时的转换力大小和方向，转换速度、转换时间等。
　　但是，监测现场条件恶劣，如电磁场的干扰、列车的振动冲击、尘土的累积、雨水油污腐蚀等。现有的相关监测系统都是电信号方式的，很难有效的适应和可靠的工作。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）具有抗电磁干扰、寿命长、灵敏度高、稳定性好、耐腐蚀、可远距离传输等优点，非常适用于长期动态监测。因此，本文选择FBG监测道岔转辙机锁闭杆运行的健康状态参量。
　　道岔转辙机锁闭杆动态监测系统使用了以FBG环形应变片为核心的应变传感器。本文的主要研究内容包括FBG应变传感器的设计制作与封装、传感器的现场安装、监测结果的处理分析以及与现场实际情况的对比。具体工作如下。
　　1、以光纤光栅的传感理论为基础，阐述了FBG温度传感原理和应变传感原理，并通过多次实验数据验证了FBG温度、应变特性的线性度好，重复性高。
　　2、将裸光栅直接粘贴和采用FBG环形应变片悬空粘贴这两种不同形式的光栅进行实验标定，择优选择了环形应变片。根据转辙机锁闭杆运行时受力的特点，设计出符合现场实际情况的传感器结构，并采用了合理的温度补偿方法。
　　3、针对转辙机锁闭杆设计刚度很大、正常工作时应变值很小的实际情况，设计了应力增敏的结构，通过有加长臂的锁闭杆夹持装置，将锁闭杆较长距离产生的应变传递给FBG应变片，使得应变检测灵敏度增大了7倍。
　　4、在城轨交通线路的道岔上实际安装了此监测系统，设计应用程序对数据进行采集，并动态地显示列车经过时锁闭杆的受力情况。根据对数据的分析找出合理的数据处理方法。绘制出了锁闭杆受力的曲线，得出了锁闭杆在动作时转换力的大小和方向以及转换速度、转换时间等准确参数。
　　储存这些数据并设置健康阈值，对比以后的采集值，就能给出锁闭杆运行参数的变化情况，用以指导道岔设备的维护和故障的排除。该监测系统运行成功，监测结果与实际情况吻合。
　　采用增敏效应的FBG环形应变检测装置，动态、在线地监测转辙机锁闭杆运作时的各种参量，是本论文的创新点。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景与意义

1.3 国内外研究的现状

1.4 主要研究内容和创新点

第2章 光纤传感锁闭杆状态监测方法

2.1 转辙机锁闭杆工作原理

2.2 FBG传感原理与特性测试

2.3 FBG应变片的研制

2.4 FBG锁闭杆应力监测装置

2.5 本章小结

第3章 光纤传感锁闭杆状态监测系统

3.1 工程背景

3.2 总体方案

3.3 监测系统硬件组成

3.4 监测系统软件设计

3.5 本章小结

第4章 现场监测数据分析与处理

4.1 数据分析

4.2 数据处理与结果分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间的学术成果