基于FBG反射谱特征的铁路道岔损伤识别试验研究

叶肖伟， 姜 洋， 倪一清， 苏 娟， 董小鹏， 肖杰灵

(1. 浙江大学 建筑工程学院，杭州 310058； 2. 香港理工大学深圳研究院 智能结构健康监测研发中心，广东 深圳 518057；3. 厦门大学 信息科学与技术学院光波技术研究所，厦门 361005；4. 西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；5. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

铁路在我国已成运输量最大交通工具。其运量的增加及列车速度提高会对路轨(尤其较薄弱的道岔区域)提出严峻挑战。道岔作为车辆由一条线路转向或越过另一条线路连接设备[1]，是整个铁轨系统中结构最复杂、养护维修工作量最大部件，亦是最薄弱环节[2]。道岔结构安全性能已成列车行车安全、列车过站速度的决定因素。对铁路道岔结构损伤实时监测，可确保列车通过道岔时的行车安全及速度，降低维护成本。传统铁轨损伤探测多为人工推行超声波探伤小车，探测速度80 km/h[3]。但超声波探伤只能对较规则铁路基本轨进行，无法对铁路轨道结构较复杂道岔部位损伤探测；只能对已发生裂纹的铁轨探测，而无法实现损伤的在线实时监测。

光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度及测试精度高、体积小、重量轻、耐久性强、多路复用、信号传输距离远等优点。已广泛应用于如桥梁、铁路、隧道、航空、边坡安全监测等[4-7]工程领域。已有文献报道利用FBG反射谱特征对复合(如CFRP)材料进行损伤探测[8-10]。FBG传感器已用于铁路钢轨应变及温度监测、列车计轴、车速测量等[11-13]。黄红梅等[14-15]利用FBG光谱特征对航空材料及修补结构中修补片裂纹扩展进行研究。闫连山等[16]利用FBG反射谱展宽效应实现列车计轴、定位、车重计算。董小鹏等对利用光谱展宽、分裂、分裂峰强度及分裂峰个数实现裂纹检测的可行性进行理论分析及实验验证，结果证明，据FBG反射谱或透射谱特性，不仅能实现裂纹检测，且能实现裂纹定位及预测裂纹发展。本文基于该方法，对将该方法用于铁路道岔损伤监测进行实验研究。在实验室道岔钢轨上安装FBG传感器，通过静、动态加载实验，研究裂纹扩展对FBG反射谱影响。

1 理论分析

1.1 FBG在均匀应力场作用下特性

FBG为通过紫外光照射通信光纤，使纤芯折射率发生周期性调制制作而成。一宽波段光在刻有光栅的光纤中传播时，满足布拉格条件的中心波长λB窄波段光会被反射。布拉格波长满足关系式[17]为：

λB=2neffΛ0

(1)

式中：λB为反射中心波长；neff为纤芯有效折射率；Λ0为光栅调制周期。

应变、温度等物理量均会对纤芯有效折射率、光栅调制周期产生影响，作用于光纤光栅上的温度或应变发生改变时，布拉格波长会发生漂移，且该波长漂移量ΔλB在一定测量范围内与温度或应变变化量近似呈线性关系：

(2)

式中：Kε为应变敏感系数；Δε为应变变化量；KT为热敏系数；ΔT为温度变化量。若FBG传感器未受温度影响，则其应变变化量可表示为：

(3)

若FBG传感器只受温度影响，其波长漂移与温度关系可表示为：

(4)

实际中，FBG传感器在测量应变时会同时受温度影响。本文采用不受应变影响的FBG传感器在同一温度场中监测温度变化，对同时受温度、应变作用的FBG应变传感器进行温度补偿。

1.2 FBG在不均匀局部应力场作用下特性

应变场ε(z)沿FBG轴向(设z方向)发生变化时，从FBG不同位置反射回波长λ函数表达式为[18]：

λ(z)=zneff(z)Λ(z)=2neffΛ0[1+(1-pe)ε(z)]

(5)

(6)

式中：pe为有效弹光常数；p11，p12为弹光系数；υ为泊松比。

裂纹会在光栅某特定区域产生非均匀局部应力ε(z)。因局部应力长度小于光栅长度，光栅被分为受应变影响光栅段(裂缝区域)、两端未受应变影响光栅段。传输光在受裂缝区域影响的光栅段中传输会产生相移，且在两端均匀光栅形成的腔体中反射、干涉，最终使光栅传输谱线展宽、甚至分裂。

2 静态加载实验

裂纹的开裂方向大多情况无法预知。因此，需对在FBG传感器与裂纹相交处及角度不同时反射谱特性及裂纹识别效果进行研究。图1为静态加载实验装置。带裂纹的实验道岔钢轨全1.2 m，FBG传感器安装于道岔钢轨变截面区。采用液压加载设备可输出最大载荷为300 kN，可模拟列车轮对的静态荷载。所用光纤光栅解调设备为MOI sm125型光纤光栅解调仪，可对FBG传感器反射谱进行高精度采集。

图1 静态加载实验装置

2.1 FBG传感器布置

静态加载实验系统见图2，液压机加载处位于裂纹正上方，即实验道岔钢轨中点上方，裂纹与钢轨成90°，自下而上扩展，此为实际道岔常见的变截面区裂纹类型。实验道岔钢轨置于液压机两支点，两支点间距50 cm，两支点距裂纹均25 cm；RES1～ RES6为FBG传感器编号，RES1代表1号FBG传感器，依此类推。图2(b)中，RES6未粘在裂纹上，与钢轨平行，距裂纹上端5 mm；RES5贴在裂纹上，与钢轨平行，与裂纹垂直，与裂纹交点为FBG中心，RES5，RES6的垂直距离12 mm；RES4贴在裂纹上，与钢轨平行，与裂纹垂直，与裂纹的交点为FBG中心；RES3贴在裂纹上，与钢轨成30°，与裂纹成60°，与裂纹的交点为FBG中心，RES3、RES4的垂直距离4 mm；RES2贴在裂纹上，与钢轨平行，与裂纹垂直，与裂纹的交点为FBG中心；RES1贴在裂纹上，与钢轨平行，与裂纹垂直，与裂纹的交点距离RES1栅区左端4 mm，RES1与RES2的垂直距离3 mm。

图2 静态加载实验系统图

本实验所用FBG传感器栅区长15 mm，栅区无涂覆层保护，光栅参数见表1。胶水为美国乐泰环氧树脂AB胶，FBG栅区全部用胶水涂覆。

表1 光纤光栅参数

2.2 试验结果分析及讨论

2.2.1 RES5及RES6光谱特征对比分析

液压机对实验道岔钢轨进行0 kN，10 kN，20 kN，30 kN加载时，RES5、RES6的光谱结构见图3，横坐标为波长，纵坐标为光谱功率。图3(a)为液压机未对实验道岔钢轨加载时，RES5、RES6的原始光谱结构图。图3(b)为液压机加载荷载达到10 kN时，RES5、RES6的光谱结构图与原始光谱结构图特征一致，在荷载作用下发生中心波长漂移。图3(c)为液压机加载荷载达到20 kN时RES5的光谱结构与原始光谱结构一致，未发生改变，而RES6的光谱结构发生明显展宽、分裂现象。图3(d)为液压机加载荷载达到30 kN时RES5的光谱结构与原始光谱结构仍一致，亦未发生改变，而RES6的光谱结构展宽、分裂现象更明显。分析两FBG传感器安装位置看出，因RES6未贴在裂纹上，距裂纹5 mm，故在液压机加载到30 kN时，其光谱结构未发生改变，仅在荷载作用下发生一定的中心波长漂移。RES5贴在裂纹上，且与裂纹垂直，与裂纹交点为FBG中心，因此在荷载作用下其光谱结构发生明显展宽、分裂现象。

2.2.2 RES3与RES4光谱特征对比分析

液压机对实验道岔钢轨进行0 kN，10 kN，20 kN，30 kN加载时，RES3与RES4光谱结构见图4。图4(a)为液压机未对实验道岔钢轨加载时，RES3与RES4原始光谱结构图。图4(b)为液压机加载荷载达10 kN时RES3与RES4光谱结构图与原始光谱结构图特征一致，在荷载作用下，发生中心波长漂移现象。图4(c)为液压机加载荷载达20 kN时，RES3与RES4光谱结构均发生展宽、分裂现象，RES4较RES3光谱结构展宽、分裂现象更明显。图4(d)为液压机加载荷载达30 kN时，RES3与RES4光谱结构均发生明显展宽、分裂现象，RES4较RES3光谱结构展宽、分裂现象更明显。分析两FBG传感器安装位置看出，由于RES3与裂纹成30°，减弱了光谱结构的展宽、分裂现象。此与FBG的敏感方向有关，FBG对沿轴向应力反应较灵敏，沿RES3轴向应力可分解为与钢轨垂直、平行的力，只有与钢轨平行的力才会引起光谱结构的展宽、分裂现象，纵向力不会导致该现象。

2.2.3 FBG传感器RES1与RES2光谱特征对比分析

液压机对实验道岔钢轨进行0 kN，5 kN，10 kN，15 kN加载时，RES1与RES2光谱结构见图5。图5(a)为液压机未对实验道岔钢轨加载时，RES1与RES2原始光谱结构图。图5(b)为液压机加载荷载达5 kN时，RES1与RES2光谱结构图与原始光谱结构图特征一致，在荷载作用下，发生中心波长漂移现象。图5(c)为液压机加载荷载达10 kN时，RES1与RES2光谱结构均发生展宽、分裂现象，RES2较RES1光谱结构展宽、分裂现象更明显。图5(d)为液压机加载荷载达15 kN时，RES1与RES2光谱结构均发生明显展宽、分裂现象，RES2较RES1光谱结构展宽、分裂现象更明显，RES2光谱结构分裂峰宽度更宽，总体展宽度更大。分析两FBG传感器安装位置看出，因RES1与裂纹交点不在中心位置，而在端部，因此光谱结构的分裂、展宽现象不太明显。

图3 静态加载实验RES5与RES6光谱结构图

由图3～图5可知，由于RES1～RES5贴在裂纹上，在一定荷载作用下，其光谱结构图均发生展宽、分裂现象，而RES6未贴在裂纹上，其光谱结构图未发生展宽、分裂现象。因此，通过判断FBG传感器的光谱结构图是否发生展宽、分裂现象，可对贴有FBG传感器位置是否产生裂纹进行判断。粘贴在裂纹上的FBG传感器在不同荷载下会产生不同程度的展宽、分裂现象，通过分析裂纹宽度与光谱结构展宽、分裂对应情况，可实现裂纹宽度测量[14-15]。通过3组FBG传感器对比实验看出，FBG传感器粘贴方向与钢轨方向平行、与裂纹交点在中心位置时，光谱结构的展宽、分裂现象最明显。

3 动态加载实验

在实验小车上安装动态加载装置，模拟列车轮对对道岔钢轨的循环动态荷载，见图6。实验道岔为完整的18号道岔，在实验道岔钢轨较薄弱部位人为制造三处裂纹，分别位于道岔尖轨端部、螺栓孔周围及变截面区。实验小车以10 Hz振动频率对有裂纹道岔钢轨进行动态加载，本文以螺栓孔周围位置裂纹为研究对象进行损伤识别实验研究。

图6 动态加载装置

3.1 FBG传感器布置

动态实验FBG传感器布置见图7，RES2-1与RES2-2分别表示安装在螺栓孔周围的FBG传感器1号、2号。螺栓孔周围裂纹由孔边缘向外扩展，RES2-1贴在裂纹上，与钢轨平行，RES2-2贴在裂纹上，与钢轨成45°。实验所用胶水及光栅与静态加载实验相同。

图7 动态加载实验FBG传感器布置图

3.2 实验结果分析及讨论

实验小车未对实验道岔钢轨进行动态加载时，RES2-1与RES2-2的原始光谱结构见图8(a)；实验小车开动后8.5 s光谱采集设备采集到的FBG传感器在实验小车动态荷载作用下光谱结构见图8(b)。由图8(b)看出，RES2-1与RES2-2的光谱结构在动态荷载作用下已产生光谱展宽、分裂现象。

图8 动态加载实验RES2-1与RES2-2光谱结构图

动态加载实验模拟运行中列车对道岔钢轨的动态荷载作用。实验结果表明，在动态荷载作用下，贴在裂纹上的FBG传感器光谱结构已产生展宽、分裂现象。通过分析FBG传感器光谱结构特征可对道岔钢轨裂纹实现识别。

4 结 论

本文利用所提基于FBG光谱结构特征的铁路道岔钢轨裂纹损伤识别方法，对带裂纹的实验道岔进行静、动态加载实验，并研究FBG传感器对应的光谱结构特征，结论如下：

(1) 静态加载实验裂纹未通过FBG传感器时，FBG传感器光谱结构未产生展宽、分裂；裂纹通过FBG传感器且交点为中心、交角为90°时，FBG传感器光谱结构展宽、分裂现象较明显；裂纹通过FBG传感器，交点不在其中心或交角不呈90°时，光谱结构展宽、分裂现象会被减弱。

(2) 动态加载实验中，贴在裂纹上的FBG传感器光谱结构会产生展宽、分裂现象。

(3) 通过识别FBG传感器光谱结构是否产生展宽、分裂，可对贴有FBG传感器位置是否有裂纹产生进行识别。基于FBG光谱结构特征对铁路道岔损伤识别方法可行。

(4) 本文所提方法能否在环境较恶劣的铁路道岔现场应用尚需进一步测试。而所提损伤识别方法对铁路道岔易产生裂纹的特定局部区域损伤具有较好识别果，但对较大范围内且无法预知发生位置的损伤识别，较难实现，尚待深入实验、研究。

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