基于双向应变匹配解调的光纤光栅轨道传感技术研究

轨道应变的准确监测对列车计轴、测重、定位和安全状态感知等具有重要的意义。本文基于光纤布拉格光栅(FBG)双向应变匹配解调方法,提出一套改进的轨道应变传感方案。该方案有效地解决了光纤光栅应变与环境温度交叉敏感的问题,与传统的匹配光栅解调方法相比具有更高的灵敏度,同时可以减小钢轨本身热胀冷缩等因素对测量的影响。在不同的环境温度和静态载荷下进行光纤光栅应变测量对比实验,利用电阻应变计进行模型实验,通过动态加载实验检验系统对动态应变的监测效果。实验数据表明,本方案适用于瞬态及静态钢轨应变的准确测量,具有较高的稳定性和灵敏度。     

基于光纤光栅的钢轨应变测量关键技术研究

钢轨应变的监测在铁路线路的运营维护中具有重要意义。光纤光栅传感器相比传统传感器在稳定性、抗电磁干扰与准分布式测量等方面能够更好满足钢轨应变测量的需要。本文指出了光纤光栅传感器对载荷和温度应力的测量原理,建立光纤光栅中心反射波长漂移量与载荷和温度应力产生的钢轨应变的数学模型。使用光纤光栅传感器进行温度应力和动态载荷下的钢轨应变监测实验,并通过匹配光栅方法消除温度变化的干扰。实验结果表明光纤光栅应变传感器适用于钢轨应变的监测需要,具有良好的工作性能。     

基于FBG的悬挂式单轨列车位置检测方法研究

提出了一种采用光纤光栅传感技术实现悬挂式单轨列车位置检测的方法和系统。在室外轨道区段分界处设置一套光纤光栅传感器,并将其安装在列车车轮走行的轨道梁底板上;室内调制解调仪内置信号发送器,通过光缆将光信号发送给光纤光栅传感器。列车车轮作用在轨道梁底板所产生的应变导致光纤布拉格光栅出现波长漂移,调制解调仪通过光纤布拉格光栅波长的变化,计算出轨道梁产生应变的大小,并将解调数据(应变信号)发送给信号处理主机。信号处理主机根据解调数据的突变点,识别悬挂式单轨列车的运行位置。该系统除了可以识别列车所在轨道区段的占用状态以外,还可通过对列车轮对数的统计,实现列车完整性检测。     

光纤应变传感器无缝线路钢轨温度应力测试仪的研制

简要论述钢轨温度应力的传统测试方法,介绍布拉格光纤光栅的光学特性以及光纤光栅应变传感器无缝线路钢轨温度应力测试仪的工作原理、试验过程及可行性。     

极寒地区无砟轨道温度与变形监测光纤光栅传感器安装方法研究

为提出极寒地区传感器安装的合理方案,建立线-板-桥(路基)计算模型,得出高温差时轨道结构的各种变形。通过工程实践经验,总结采用光纤光栅传感器监测高速铁路无砟轨道结构温度与变形的原理与方法,并探索各类温度、应变、位移传感器的现场安装方法,最后针对极寒地区光纤光栅传感器安装冬季施工提出实用建议。     

基于光纤光栅的高速磁浮列车关键结构载荷及动应力监测系统研究

为满足高速磁浮列车关键结构状态的实时监测需求，文章介绍了一种适用于高速磁浮列车特殊运用环境及结构特点的基于光纤光栅传感网络的载荷及动应力监测系统。首先分析了光纤光栅传感器可用于检测载荷及动应力的物理机理，其次介绍了监测系统的整体设计以及光纤光栅传感器、解调系统等重要组成部分的工作原理及特征参数，最后进行了车载试验与数据分析，验证了所设计的光纤光栅监测系统用于高速磁浮列车关键结构载荷及动应力实时监测的有效性与准确性。     

基于DFB光纤激光拍频解调的高分辨率声发射检测技术

提出了一种结构简单的基于分布式反馈(DFB)光纤激光器的拍频解调系统,该解调系统的应变分辨率可以达到6.4×10~(-3)με,动态范围可以达到400 MHz。提出的基于DFB光纤激光拍频解调技术的应变分辨率高于基于匹配光栅、线性滤波器和阵列波导光栅滤波器波长解调技术。动态范围大于基于可调谐激光器的相移光纤布拉格光栅强度解调技术和基于光纤干涉仪的光纤激光相位解调技术。整个系统的2个激光相互拍频得到拍频信号,通过基于虚拟仪器的信号采集处理系统进行处理。由高采样率的数据采集卡采集数据,通过基于LabVIEW的软件系统进行信号分析,得到拍频信号的频谱图。由频谱图得到拍频信号的带宽,再根据波长与频率的关系,DFB光纤激光器的灵敏度得到解调系统的应变分辨率。根据NI数据采集卡的采样率得到解调系统的动态范围。采用短时傅里叶变换法的时频分析方法提高应变分辨率。提出的DFB光纤激光拍频解调的声发射检测技术能够以较高的应变分辨率实现对由磨损或断裂等故障引起的高频声发射信号的检测。     

基于光纤光栅压力传感器的轨道区段占用检测方法研究

轨道电路是用于检测列车是否占用轨道区段的设备,正确判断其分路状态对行车安全十分重要。当出现轨面生锈或积污等问题时,由于分路电阻过高导致轨道电路分路不良,这将影响分路状态的可靠判定,轨道区段占用检测方法仍存在瓶颈。对此,利用光纤光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)压力传感技术的优势,结合轨道电路的工作原理和轨道动力学分析结果,设计轨道占用检测的系统结构;监测FBG的中心波长漂移量,统计列车进出轨道区段的轮对轴数,通过轴数比较解决轨道电路分路不良时的轨道区段占用检测问题。对光纤Bragg光栅纵向应力特性进行仿真实验,结果表明:FBG的中心波长漂移量和纵向应力的改变成正比,即和钢轨受力形变所产生的弯矩变化成正比,这种应力特性可有效应用于轨道区段的检测问题。     

光纤光栅传感器在桥上无缝道岔结构模型试验中的应用

以桥上无缝道岔模型结构为基础,在岔区布置光纤光栅传感器,对道岔模型结构在钢轨与梁体升温过程中钢轨纵向力进行监测。通过理论计算与试验结果的对比分析,证明了光纤光栅传感器在桥上无缝道岔模型试验中应用的可行性,分析了在桥上岔区CRTSⅡ型板式无砟轨道与CRTSⅠ型无砟轨道的受力情况,同时预测了光纤光栅传感器在客运专线中的应用前景。     

基于光纤传感技术的钢轨变形监测可行性研究

光纤传感技术与传统的电类、机械类传感技术相比,具有抗电磁干扰能力强、使用方便、易维护等优点。本文探讨其应用于钢轨变形监测的可行性。首先,将两相邻弹性扣件之间钢轨受力形式简化为简支梁,通过理论分析得出钢轨中间点断面同一高度处应变与位移之间的关系;然后将分布式光纤和光栅传感器布设在钢轨简支梁上,通过试验测试数据得到位移与应变的关系,并分析了由应变推算钢轨变形的计算误差。研究结果表明:光纤传感技术在钢轨变形监测上是可行的;光栅传感器测量精度较分布式光纤精度高。研究结果为光纤传感技术在钢轨变形监测中的应用提供了技术支撑。     

CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构优化设计研究

针对CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构特点,提出技术合理,经济性好的优化设计方案。对传统和优化后的CRTSⅠ型双块式无砟轨道在各种荷载作用下的结构受力进行计算对比分析,为优化设计方案提供理论指导。研究结论:(1)优化后的CRTSⅠ型双块式无砟轨道可应用于高速铁路、城际铁路项目;(2)通过轨道结构受力计算可知,在列车荷载作用下,路基地段优化后道床板弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道减少,底座弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道增加;桥梁地段优化后道床板弯矩比传统CRTSⅠ型双块无砟轨道增大,增大幅度不大。单元式结构道床板在整体温度荷载作用下受到的轴力可大幅度减小。     

无砟轨道沥青混凝土支承层准静态设计方法

沥青混凝土铺装轨道结构中,沥青混凝土支承层的厚度设计目前以经验为主。本文建立了轨道板在均布荷载作用下的层状弹性体系理论模型,应用有限元分析和实测数据验证了理论模型的有效性,提出以沥青混凝土层层底拉应变、路基面竖向应力、路基面竖向位移为关键设计指标的沥青混凝土支承层厚度准静态设计方法,并进行了实例设计。结果表明:理论分析结果相比有限元计算结果偏于保守,两者都在实测数据取值范围内;理论模型修正后可用于无砟轨道沥青混凝土支承层的厚度设计;设计指标的阈值可控制设计层的最小适宜厚度。     

低周期循环荷载下内嵌式光纤光栅自感知钢绞线的性能

钢绞线是预应力结构和桥梁结构中不可或缺的重要组成部分,光纤光栅与钢绞线耦合成的自感知钢绞线为其受力状态的健康监测提供了新的有效途径。为研究光纤光栅在高应变低周期循环荷载作用下能否有效跟踪钢绞线的受力状态,将中心丝持荷值、循环周期数、应力幅作为变化参数,对内嵌式自感知钢绞线进行了低周期循环拉伸试验,分析不同情况下应变与波长的关系以及监测性能。试验结果表明,内嵌式自感知钢绞线在低周期循环荷载作用下依然能保持良好监测性能,可跟踪监测钢绞线屈服力直至接近极限力,可监测钢绞线全生命周期受力状态。     

双孔预应力非对称无砟轨道板设计与分析

针对我国高速铁路桥上采用的板式无砟轨道普遍存在线间排水困难和板底易出现横向裂缝问题,提出一种新型双孔型板式无砟轨道,采用有限元软件ANSYS建立三维空间模型,分析在2种不同工况下新型轨道板的应力、变形和承载力性能,并在组合外力矩作用下进行预应力非对称配筋设计.研究结果表明,新型双孔型板式无砟轨道可以有效解决线间排水困难问题,与普通无砟板式轨道相比,新型轨道板具有更好的稳定性;在竖向荷载作用下,双孔型轨道板的最大应力、位移和裂缝宽度均满足设计要求;在配筋总量相对较少的情况下,轨道板的非对称预应力筋设计可以有效减小板底裂缝最大宽度,板底抗裂程度相对于普通轨道板增大33.3%,增强了轨道板的耐久性,且经济性能良好.     

地铁隧道内超薄型无砟轨道结构的设计与试验

有时地铁轨道结构高度无法满足正常要求,故需设计超薄型轨道结构。经分析,选择无枕式整体道床方案更佳。结合其他薄型轨道结构设计,并采用了植筋、选用复合纤维混凝土等辅助措施,实现了超薄型轨道结构的可实施性。为了验证荷载作用下轨道结构的承载能力,用4 800 mm长的轨道板进行静载强度试验,用3 600 mm长的轨道板进行疲劳加载试验。试验结果表明,在1.5倍列车轴重条件下,轨道板强度的各项指标符合设计要求。     

弹性支撑块式无砟轨道力学特性研究

研究目的:由于隧道内净空的限制,重载铁路长大隧道内宜铺设无砟轨道,弹性支撑块式无砟轨道(LVT)以其良好的减振性能逐渐在重载铁路中得到应用。为研究不同轴重和加载方式下LVT结构的应力应变特性,本文以蒙华铁路重载铁路隧道应用的LVT为例,通过建立LVT结构有限元模型,以探讨LVT结构的受力与变形特征,为LVT轨道结构的优化以及设计施工提供理论依据。研究结论:(1) LVT结构能够保证30 t轴重下静力学性能安全性,当轴重由30 t提高至42 t,钢轨弯矩、轨道结构部件应力及位移幅值增长量在40%左右;横向荷载对轨道结构横向位移及应力的影响显著,板端加载时道床板及底座板应力增量分别为284%、1 000%;(2)横向荷载作用下,除支承块横向应力下降,钢轨弯矩、支承块纵向应力、道床板应力、底座板应力均呈现增长趋势,其中道床板及底座板应力分别增长400%、530%;(3)板端加载时荷载由相邻扣件共同承担,扣件节点反力峰值有所下降,荷载作用点下竖向荷载分配比例由2∶1降低至4∶1,横向荷载分配比例由67%降低至47%;(4)本研究结果对重载铁路中LVT轨道结构的设计和施工有指导意义。     

基于TMD的钢弹簧浮置板轨道结构改进研究

为提升钢弹簧浮置板轨道低频域制振性能,应用有限元方法建立地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型,对带凸台的常规钢弹簧浮置板轨道进行结构改进设计。参考某地铁实际线路,基于TMD定点理论以及多自由度系统等价质量识别法,通过对无凸台钢弹簧浮置板轨道进行模态分析和谐响应分析,确定钢弹簧浮置板凸台下减振元件的最优刚度、最优阻尼;然后基于车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型,研究列车动荷载作用下钢弹簧浮置板轨道改进前后低频域制振效果。结果表明:改进后的钢弹簧浮置板轨道能够有效地抑制轨道板固有频率附近频段的低频振动;合理的TMD参数匹配能够有效地控制列车动荷载下钢弹簧浮置板基频范围内的低频振动及对应频段钢弹簧支反力向周围基础的传递。     

有砟轨道与无砟轨道动刚度特性差异研究

轨道动刚度是不同激振频率的荷载作用下,轨道抵抗变形的能力,由于有砟轨道与无砟轨道两种轨道的组成差异造成两者间存在较大动刚度差异。随着行车速度的提高、中高频段激振荷载的增加,有砟轨道与无砟轨道间的动刚度差异逐渐增大,这对于行车平顺性与结构耐久性会造成较大影响,但目前缺乏轨道动刚度的相关研究。为研究有砟轨道与无砟轨道间的动刚度差异,根据两种轨道的结构特点,建立相应的ANSYS有限元模型,通过对比分析,得出两种轨道的轨道动刚度在中低频段存在较大差异,轨下动刚度在全频段存在较大差异。为保证有砟-无砟轨道过渡段的行车平稳性与结构耐久性,需要考虑两种轨道间的动刚度过渡设计。此外,轨道动刚度特性分析可以指导高速铁路高低不平顺控制,从而保证行车平顺性。     

多跨简支梁桥上Ⅲ型板式无砟轨道制动力传递规律研究

为探究列车制动荷载作用下轨道、桥梁结构纵向受力特性及其影响因素,基于有限元法和梁-板-轨相互作用原理,建立多跨简支梁桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,对列车制动荷载作用下结构纵向受力特性、传递规律及其影响因素进行分析。结果表明:以全桥列车制动加载作为计算轨道及桥梁结构制动受力与变形时的最不利工况是偏安全的,并应以有载侧计算数据进行检算;桥上扣件需依据轨道板快速相对位移试算结果进行比选, WJ-8型小阻力扣件可适用于多跨简支梁桥且有较大安全冗余;桥上采用小阻力扣件或墩顶纵向刚度较小时均会使得列车制动荷载作用下的轨道板快速相对位移较大,不利于扣件的长期服役;轨道和桥梁结构制动检算过程中建议将桥跨数简化为10～15跨;需保证土工布隔离层的滑动性能,且应将其摩擦系数应控制在合理范围内。     

400km·h^-1高速铁路无砟轨道基床结构及关键参数研究

为掌握列车荷载作用下路基应力概率分布特征,进行基于我国高速铁路无砟轨道不平顺谱条件下的车辆-线路耦合动力学计算;以路基累积变形效应区不超过基床范围为原则,分析基床厚度与基床以下路基性质的相互关系;结合模型试验获得的填料累积变形状态阈值,基于强度、变形、应变控制准则,进行400km·h^-1行车条件下的无砟轨道基床结构及关键参数研究。结果表明:路基面承受的列车荷载随轨面平顺性呈明显的随机变化特征,动力影响系数服从正态分布,轨道极端不平顺引起的最大动力影响系数为2.146,平均轨道谱下的常遇动力影响系数为1.491;路基累积变形效应区范围随填料强度降低而扩大,基床厚度为2.7m时,由低塑性土填筑的基床以下路基K30应大于等于100MPa·m^-1;以调控累积变形处于快速收敛状态为目标,提出基床表层采用0.7~0.3m厚级配碎石进行强化处理,K30大于等于190 MPa·m^-1,底层选用A,B组填料,相应K30控制值为130~150MPa·m^-1。