一种用于无缝线路钢轨温度和纵向应力监测的前端装置

本技术涉及一种温度及应变检测装置。

背景技术：

1、高速铁路普遍采用无缝线路，无缝线路消除了钢轨之间的缝隙，很大程度上减少了轮轨冲击力，改善了列车舒适性，降低了设备损耗。但随着轨缝的消失，钢轨在温度变化时，纵向不能自由伸缩，由此在钢轨内部产生巨大的温度应力，成为轨道病害的原因之一，严重时会产生胀轨、跑道等问题，严重影响高铁运营安全。因此在无缝线路设计之初，需要考虑当地温度历史变化范围来合理选取钢轨纵向温度应力为零时的温度(即锁定轨温)，使钢轨纵向温度应力始终处在安全范围内。然而在无缝线路长期服役期间，铁路工务部门在既有线路进行实测分析，发现实际锁定轨温常常偏离设计的锁定轨温。

2、引起无缝线路实际锁定轨温偏离设计锁定轨温的原因主要有如下几方面：

3、一是在铺设过程，钢轨在装卸及运输过程中、拨入线路与合拢时都有可能产生初始温度应力，从而导致实际锁定轨温与原设计值发生偏离；

4、二是在养护维修，一般认为在低温条件下养护因钢轨内略微存在的拉应力比较安全，但在低温条件下，整段钢轨收缩，锁定后钢轨未能完全回到初始长度，引起锁定轨温降低；

5、三是在运营期间，列车不断在钢轨上行驶碾压，使得钢轨发生塑性伸长变形，在原零应力轨温时仍存在压力，使实际锁定轨温降低。此外插入短轨、车站前后频繁制动引起钢轨局部拉力增加等因素也会引起实际锁定轨温的变化。

6、线路管理部门掌握无缝线路钢轨的温度和纵向应力至关重要，以防止高温季节长钢轨压应力超限而导致线路胀轨跑道，同时防止低温季节长钢轨拉应力超限而导致钢轨拉断。

7、目前，铁路线路管理部门通常在天窗内采用轨温计对某些区域的钢轨温度进行人工测量，这种方式无法实时获取钢轨温度应力，所获得的监测数据密度小，难以捕捉日、月、年内的最高轨温和最低轨温；占用劳动力多、测量误差大、实时性差，因此难以为铁路工务作业提供及时、准确、科学的决策依据。

8、目前无缝线路上检测钢轨温度应力的方法从原理上区分可分为应变法与应力法。应变法即采用一定手段检测到钢轨的形变，进而得到钢轨内部纵向应力信息，常见的应变法有位移观测桩法、测标法、形变法、应变电阻法等。

9、(1)位移观测桩法

10、观测桩法是在长轨条铺设前，按照先有设计位置，即长轨条伸缩始终点，长轨条中央及规定位置处的两侧路肩上埋设位移观测桩。在长轨条铺设锁定后，立即与各观测桩相对应的钢轨上做好标记(零点)，作为观测钢轨爬行的观测点。

11、观测桩法由于原理简单易懂，是铁路工务部门监测钢轨温度应力和实际锁定轨温的常用方法之一。该方法最大的不足在于其观测精度不够，受测量仪器、观测桩和轨温测量精度的影响，对位移量的掌握只能局限在毫米级别，虽然可满足日常养护维修的要求，但是不能广泛应用，如无缝线路过长时，相邻观测桩之间的距离增大，钢轨爬行较小时监测效果将达不到实际需求，此外在桥梁过渡段等线路处观测桩难以设置，对无缝线路钢轨温度应力的有效监测大打折扣。

12、(2)测标法

13、测标法是在焊轨厂的车间用普通钢尺对标准长度的钢轨进行初始标记，一般标记长度为24m，这段距离称为标距，因此此方法也叫标距轨长法。标记一般采用直径不超过0.5mm的冲眼。将设标的钢轨按要求焊接成长钢轨，隔一段距离设标一组。现场铺设后，可用检定的钢尺定期测量标点间的距离，其原理就是根据标距和尺长的差值，结合多组测量数据推断实际锁定轨温及其变化规律。考虑实际测量过程中存在的系统误差和偶然误差，目前测标法的精度在±3℃左右。此外测标法要求严格的工艺流程及管理制度，对测量人员的技术要求也高，因此该方法仅处于研究试验阶段，距广泛推广使用还需时日。

14、(3)形变法

15、形变法采用铟钢尺与千分表组成的形变测量仪来测量钢轨形变。一般将该装置安装在钢轨的中性层区域某个固定位置，当钢轨发生形变时，通过千分表得到钢轨形变大小，进而得知钢轨内部的纵向应力。此方法的缺点在于受安装精度与读数误差的影响较大，实际测量表明采用形变法检测到的线路锁定轨温精度在±4℃左右，不符合安全要求，因此没有得到广泛应用。

16、(4)应变电阻法

17、上述的几种方法采用的均为比较直观的形变位移测量的方法，国内外学者基于此原理提出了应变电阻法。该方法采用电阻应变片组成惠斯通电桥电路来测量钢轨的纵向应力。但由于轨道的状态监测一般都是在户外进行，受自然环境等外界各种因素的影响，电阻应变片的零点漂移和电磁干扰严重。

18、应力法的特点是可直接得到钢轨内部的纵向应力，其代表方法有垂向拉力法、巴克豪森法、x射线法、超声波法等。

19、(1)垂向拉力法

20、大小f的力作用在钢轨两端，将长度范围l内的扣件放开，并在距离钢轨两端l1、l4处分别放置高度为h1与h2的支撑，然后在钢轨中点位置处施加拉力p，记产生的位移量为h。当l长度达到一定值时，钢轨可视为一根两端固定、且受拉力f的弦。若f不变并且δh在一定范围内，拉力p与位移h的比值保持不变，即弦的提升刚度k＝p/δh为定值。采用有限元法计算提升刚度k与张力f的关系，即可得到纵向应力。此方法原理简单，但是该方法须在天窗时间进行，且需要释放一定长度的扣件，费时费力，同时在提升钢轨时会在钢轨内部产生纵向应力，对检测结果产生影响，因此不适于长期监测钢轨温度应力。

21、(2)巴克豪森法

22、巴克豪森(barkhausen)噪声是德国dresden大学的巴克豪森教授于1919年提出的，其研究发现铁磁材料是由不同取向的小磁畴构成，在外界环境不扰动的情况下，铁磁材料的总磁化效应趋于零。当钢轨内部拉应力较大时，巴克豪森信号随之增强，反之若钢轨内部存在压应力，巴克豪森信号则随着压应力的增大而减小。

23、采用巴克豪森法检测钢轨应力就是基于上述原理，虽然该方法简单快捷，但是其检测结果受钢轨内部结构影响较大，这也是该方法不能广泛应用的原因之一。

24、(3)x射线法

25、根据弹性力学与x射线晶体学理论，在无应力条件下，理想多晶体不同方位的同族晶面之间的距离d是相等的，若存在残余应力时，不同晶粒的同族晶面间距会随着晶面方位及应力的大小发生有规律的变换，从而引起x射线衍射谱线发生偏移，这就是x射线法检测应力的基本原理。

26、被检测结构处于拉应力作用下，晶面间距变大，衍射角变小，压应力作用下，晶面间距变小，衍射角增大。因此通过测量衍射角的变化速度即可得到应力值。但是该方法检测范围小，仅能检测钢轨表面几十微米范围内的应力情况，因此结果受钢轨表面残余应力影响较大，不适于广泛应用。

27、以上各种检测、监测方法中，应变法需要在无缝线路钢轨零应力状态下进行标定，部分应力法需要对钢轨材质进行标定，给现场检测、监测技术的应用造成了一定的限制；根据刚度与物理受力模型直接计算出钢轨纵向力及实际锁定轨温方法，不需对钢轨材质标定或在无缝线路钢轨零应力状态下标定，是一种操作方便、快速的检测方法，但不满足对无缝线路钢轨纵向应力实时监测的需要。

28、而光纤传感技术现在已是传感技术领域的前沿和热门技术，它现在已经被应用到了包括土木工程在内的各个领域。基于光纤光栅的传感过程是通过应变直接影响光纤光栅的波长漂移来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅具有同时测量应变和温度的能力，结构集成度高、测量结果精确、节约成本等优势。因此利用光纤光栅传感技术来监测钢轨的温度和应力状态为无缝线路钢轨状态监测开辟了一个新方向。

29、光纤光栅传感器中，宽谱光源(如sled或ase)将有一定带宽的光通过环行器入射到光纤光栅中，受光纤光栅的波长选择性作用，符合条件的光被反射回来，再通过环行器送入解调装置，测出光纤光栅的反射波长变化。当光纤光栅做探头测量外界温度或应变时，通过光栅栅距的变化引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界温度或应变。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术，提出一种用于无缝线路钢轨温度和纵向应力监测的前端装置，用于实时输出钢轨温度和应变信号到远程终端设备进行纵向应力计算。

2、技术方案：一种用于无缝线路钢轨温度和纵向应力监测的前端装置，包括监测模块、夹轨模块、控制模块；所述监测模块包括两个光纤光栅应变传感器和一个光纤光栅温度传感器；所述控制模块内设有电源装置、光纤光栅解调装置、无线传输装置，所述控制模块封装在箱型盒内；所述控制模块通过所述夹轨模块固定于钢轨底部，所述监测模块通过所述夹轨模块布置在钢轨轨腰处，所述两个光纤光栅应变传感器分别纵向和竖向设置；所述光纤光栅解调装置用于对所述两个光纤光栅应变传感器和一个光纤光栅温度传感器的输出信号进行解调得到对应的应变信号和温度信号，并通过所述无线传输装置发送到远程终端设备进行应力计算。

3、进一步的，所述箱型盒的前后两侧中部分别竖向设置耳板；所述夹轨模块包括分别对应水平穿过所述耳板的两根螺栓；每根螺栓上分别套接一对用于夹持钢轨轨底两侧的夹板，两个夹板与耳板之间设有弹簧，螺栓的另一端设有紧固螺母；位于同一侧的前后两个夹板的顶部固定有竖直挡板；所述监测模块置于防护罩内，防护罩固定连接在所述竖直挡板上。

4、进一步的，所述光纤光栅应变传感器采用片式表面粘贴封装，包括机械固定片，所述机械固定片包括弹性梁，连接弹性梁两端的底座，光栅栅区布置在所述弹性梁表面，所述底座通过螺钉固定在所述防护罩上。

5、进一步的，所述光纤光栅温度传感器采用管式封装，包括位于金属衬底上的光栅栅区，光栅栅区两端连接聚酰亚胺管，整体外部为金属外壳。

6、进一步的，所示防护罩朝向钢轨轨腰外侧面的两端部还分别设有一个磁吸装置。

7、有益效果：本实用新型将光纤光栅传感器应用于钢轨应力变化监测之中，实现对无缝线路风险点的实时监测，光纤光栅传感器是以光纤光栅作为传感介质的传感器，具有灵敏度高、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点，能够适应恶劣环境下的应变测量。

8、本装置的控制模块安装在钢轨底部，充分利用了轨底空间，避免了在轨道上进行钻孔或焊接等对轨道产生破坏的作业，不影响轨道结构。同时，为了减轻列车经过时振动对设备的损坏，在控制模块和夹轨模块间设置了减震弹簧，可以有效的保护控制模块不受损伤。同时，控制模块采用了防水结构设计，防止雨水进入控制箱内部损害设备。