地铁道岔监测系统设计

杨　星

(武汉地铁集团　武汉　430077)

地铁道岔监测系统设计

杨星

(武汉地铁集团武汉430077)

摘要针对地铁道岔监测问题，提出一种基于光纤光栅原理的监测系统。对目前的监测手段进行比较，对基于光纤光栅应变传感器的监测系统进行阐述，对转辙机动作杆施加压力，系统测试精度达±0.1 kN，有利保障地铁运行的可靠性和安全性。

关键词地铁道岔光纤光栅动作杆

轨道交通行车的关键基础设备——道岔，其运用状态与行车安全畅通直接相关。然而，道岔结构复杂，不仅体现于其轨线布置和走行线路转换，更在于其多变的轮轨关系，如尖轨与基本轨之间的轮载过渡，固定辙叉的轨线不连续，尖轨、护轨和翼轨的冲击角过大，道岔区刚度不均匀等。地铁车辆在通过道岔区时，轮轨间的动态相互作用较普通区间线路高很多[1]。由于温度变化、地质因素和高速列车通过时产生的振动等原因，在道岔钢轨上会产生很大的应力，使钢轨产生形变或位移。因此，对道岔运行状态全程动态连续监测，确保行车安全畅通，是一项十分重要的研究课题。

在道岔运行状态监测中，电动转辙机拨动道岔时所受力的实时监测尤为重要。电动转辙机是道岔控制系统中的执行机构，通过动作杆实现道岔的转换，尖轨和基本轨由转辙机的锁闭杆连接，操纵转辙机来控制锁闭杆的推拉改变尖轨的位置，从而实现列车运营调度。道岔转换力的大小与尖轨的长度、重量、弹性、滑床板的平滑程度、润滑状况、尖轨根部的连接状态以及环境等诸多因素有关。如果道岔状态发生变化，其转换力超过了电动转辙机的额定输出力，电动转辙机内部的摩擦片将打滑，电动机受到保护，但道岔却不能正常转换，影响了进路和信号的开放。所以道岔转换力测定对维修人员掌握道岔状况，及时进行检修，防止事故发生，有着较好的预警作用，从而保证轨道交通线路的运营安全[2]。

1光纤光栅监测系统与传统电类测温系统的比较

传统检测方法采用电阻应变片，其技术成熟，制造成本低廉，但是存在很大的缺点。如不抗腐蚀、易受电磁干扰，特别是其零点漂移严重，监测前必须清零，所以无法进行长期监测；另一方面，铁路的轨道又是列车牵引动力电源的一个回路，对电类传感器来说是一个强大的干扰源。因为钢轨被作为列车牵引动力电源的一个回路，所以传统的电传感器难以使用[3]。光纤光栅传感器的原理与电传感器的原理完全不同，使得光纤光栅传感器具有独特的传感特性。因此，在监测道岔钢轨应变的技术中，光纤光栅传感器比传统的电类传感器更具竞争力。

与普通的电类传感器相比，光纤光栅传感器有如下优点[4]。

(1) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤光栅传感器是利用光信号传输信息，而光纤又是与电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因此不怕电磁的干扰，也不会影响外界的电磁场。

(2) 灵敏度高。利用光纤光栅的波长解调技术使光纤光栅传感器的灵敏度优于一般机械的传感器和电类的传感器。

(3) 重量轻、体积小、外形可变。光纤除了具有重量轻、体积小的特点以外，还有可挠的优点，因此利用光纤可以制成外形各异、尺寸不相同的各种光纤光栅传感器。而且光纤光栅传感器易于埋入监测材料的内部，是智能结构应变监测中的首选应变传感器。

(4) 传输容量大，可以实现多点分布式测量。

由于光纤光栅传感器具有以上这些优势，而且它不受环境的影响，所以其测量结果精确度高，可以满足地铁轨道监测的要求。

2系统的组成

光纤光栅应变传感器的道岔在线监测系统主要由光纤光栅传感动作杆受力监测装置、光纤分路器、传输光缆、光纤光栅信号解调仪及监控计算机、中心控制站组成，见图1。

图1　监测系统结构图

2.1　数据采集层

用于检测转辙机动作杆受力的光纤光栅传感监测装置，设计结构要考虑现场的安装情况及其保护措施，同时温度的变化同样会使得道岔的应变发生变化，温度的变化对光纤光栅应变传感器监测结果有很大的干扰。为了分离出单纯的应变量，就要在光路里串联温度补偿模块，使其放置在同一环境中，使其不受应力，仅受温度的影响。因此，光纤光栅传感动作杆受力监测装置主要由光纤光栅传感应力传感探头、光纤光栅传感温度补偿片和具有增敏效应的应变片固定装置3个部分组成[5]，其结构见图2。

1-道岔转辙机动作杆； 2-不锈钢保护盒；
3-半圆式加长夹块； 4-夹块固定螺栓；
5-半圆式下夹块； 6-光纤光栅传感应变片；
7-螺钉； 8-光纤光栅传感温度补偿片； 9-传输光纤
图2光纤光栅传感动作杆受力监测装置结构

利用该传感装置实现动作杆受力监测的原理是：当转辙机动作杆受力时，夹持在动作杆上的2对夹块会随之发生相对移动，从而带动2夹块之间的光纤光栅传感应变片发生形变，进而使该应变片的光学参量波长发生变化。当实际测量过程中，将应变片上光纤光栅的波长漂移减去温度补偿片上光纤光栅的波长漂移，波长漂移的差就表征应变片上光纤光栅受到的单纯应变量，即为动力杆所受应力。

将光纤光栅传感动作杆受力监测装置实际应用于道岔的转辙机锁闭杆上，见图3。传感装置安装的步骤主要分为5步。

第一步。安装之前要先将安装处的拉杆去污和打磨。

第二步。用钢结构胶填充增敏夹块和锁闭杆的结合面，并以螺栓紧固。

第三步。将对应的光纤光栅传感应变片，用钢结构胶与机械紧固相结合的方法固定在2个长刚性臂之间。

第四步。串联温度补偿片，并将温度补偿片悬空放置保护盒内侧，将光纤部分盘绕在保护盒内部。

第五步。将光纤光栅传感应力检测片和温度补偿片两端的传输光纤焊接起来，接入轨道附近的轨旁箱里的接续盒，同时将传感装置盖上保护盖。

图3　实际应用工程现场图

2.2　传输检测层

传输光缆是信号传输通道，可以在铁轨沟内铺设，分路器与传输光缆熔接后连接到光纤光栅信号解调仪，光纤光栅信号解调仪对光信号进行解调。光纤光栅信号解调仪内部安装有脉冲信号的发生和检测元件，光探测器可以将光脉冲信号转换为电脉冲序列，以便后续单元处理分析，信号处理单元对收到的电脉冲序列进行采样分析，解析光学参量波长，确定光纤光栅传感动作杆受力监测装置探测的动力杆所受应力。

按2.1中所述方法安装好监测装置后，动力杆左右两端分别接推力机以及测力计。通过测力计检测方式，控制推力机对动作杆施加推动力，光纤光栅传感器监测装置连接光纤光栅信号解调器，将加载以及卸载推动力条件下光纤光栅监测装置所测数据绘制成曲线，见图4。

图4　监测装置测试曲线

从测试数据可看出，无论加载还是卸载推动力时，光纤光栅传感动作杆受力监测装置所测推动力与设置推动力精度可达±0.1 kN，并且线性度良好。

2.3　监控管理层

监控管理层的用户是运行监控人员，为方便操作，监控分为现场监控(监控计算机)和中心控制站2部分。监控计算机中安装有道岔监测软件，监控计算机通过RS-232通信口采集光纤光栅信号解调仪传输的波长信息，从而得到动力杆受力的实时信息，实现对动力杆的应力监视。

这些数据通过专用光纤线路，传输到中心控制站。中心控制站的服务器同时具有数据库服务

器与web服务器的功能，其中数据库服务器和常规数据库相同，为用户提供信息查询、高速缓存、数据更新、安全保障和多用户存储控制服务。web服务器则负责信息发布，当web连接到服务器上并请求文件时，服务器将响应该请求，根据用户的具体需求将文件发送到该浏览器，以方便用户监控。

3结语

本文针对地铁道岔实时监测问题，提出一套基于光纤光栅应变传感器的光纤光栅传感动作杆受力监测装置监测系统，实时监测电动转辙机拨动道岔时所受力。重点阐述了系统构成的各个模块及其功能，并且设计了一款安装于转辙机动力杆的高精度光纤光栅传感动作杆受力监测装置，并通过测试验证此系统的测温精度可达±0.1 kN，有利于保障地铁运行的可靠性和安全性。

参考文献

[1]杜桃明.客运专线无缝道岔梁设计研究[J].铁路与公路设计,2009，29(5):74-75.

[2]纪宴宁.电动液压道岔转换系统[M].北京: 中国铁道出版社，2004.

[3]王文健,郭俊,刘启跃.轨道结构参数对轮轨滚动接触应力影响[J].机械工程学报,2009,45(5):39-43.

[4]廖延彪.光纤传感技术与应用[M].北京: 清华大学出版社,2009.

[5]郑卜祥,宋永伦,张东生,等.光纤Bragg光栅温度和应变传感特性的试验研究[J].仪表技术与传感器,2008(11):13-15.

Design of Switch Monitoring System for Subway

YangXing

(Wuhan Metro Group, Wuhan 430077, China)

Abstract：Aiming at the problem of metro switches monitoring, we put forward a kind of monitoring system based on the principle of fiber bragg grating (FBG). Thecurrent monitoring methods were compared. We expatiated on the optical fiber grating strain monitoring system. We put pressure on switch pole. The system test precision could reach±0.1 kN. It guaranteed the reliability and security of the subway running.

Key words:subway switches; fiber bragg grating; point operating stretcher