2010 4-6光纤光栅列车计轴技术

1March 24, 2009 光纤传感技术国家工程中心光纤传感技术国家工程中心

光纤光栅列车计轴技术


我国现阶段，采集轨道区间、站内股道、道岔、平面交叉及道口区段的车辆在线信号，从而驱动轨道闭塞信号联锁的设备，依然是以“轨道电路”为主。轨道电路的优点是结构简单、成本低廉。但缺点是会造成轨道电路分路不良，俗称“压不死”和两轨道相互短路，输出占用信号，出现“红光带”。对于高速铁路来说，还存在着钢枕问题，使两轨道无法相互绝缘。

光纤光栅计光纤光栅计轴技术的提轴技术的提出出


电磁计轴技术电磁计轴技术

计轴技术是通过传感器和计算机统计过车轴数，检测相应的线路或区段是否有列车占用或列车已出清的技术，其作用等同于轨道电路。但国内外的电磁感应计轴技术还存在以下问题：① 电磁感应原理易受电磁干扰，如雷电；甚至工务人员的铁制物品，如小车、水桶、铁锹等干扰，均能错误计轴。② 由于 A/D 转换设备必须安装在测点旁，可靠性差。③ 对于长距离计轴，信号远传困难，在无人值守的地点，设备易被盗。④ 设备结构复杂，成本高。⑤ 目前国内在铁路上所使用的电磁计轴器大多被国外公司垄断，故障后有些电路板甚至需送国外维修，周期长，费用高。


阿尓卡特的计轴传感器阿尓卡特的计轴传感器


阿尓卡阿尓卡特的信号特的信号 A/A/DD 转换器（转换器（被黄帽子所被黄帽子所保护）。保护）。 AA/D/D 转换设备转换设备必须安装在必须安装在测点旁，必测点旁，必须供电，所须供电，所以技术要求以技术要求高，故障率高，故障率也高。也高。


光纤光栅计轴的原理光纤光栅计轴的原理光纤光栅传感器具有精确度高、稳定性好、现场无电和防电磁干扰等特点光纤光栅传感器具有精确度高、稳定性好、现场无电和防电磁干扰等特点，被广泛的应用于应力和温度测量工程中。武汉理工大学光纤传感中心在姜德，被广泛的应用于应力和温度测量工程中。武汉理工大学光纤传感中心在姜德生院士的带领下，在光纤传感技术的工程应用上取得了瞩目的成绩，列车光纤生院士的带领下，在光纤传感技术的工程应用上取得了瞩目的成绩，列车光纤光栅计轴技术就是其中之一。光栅计轴技术就是其中之一。采用布喇格光纤光栅（采用布喇格光纤光栅（ Fiber Bragg Grating, FBGFiber Bragg Grating, FBG ）和啁啾光纤光栅（）和啁啾光纤光栅（ FiFiber Chirped Grating, FCGber Chirped Grating, FCG ）的计轴传感器，原理是将）的计轴传感器，原理是将 FBGFBG 或或 FCGFCG 传感器安传感器安装在钢轨形变最大的位置，车轮通过此段钢轨产生的应变引起装在钢轨形变最大的位置，车轮通过此段钢轨产生的应变引起 FBGFBG 的中心波的中心波长或长或 FCGFCG 的强度发生改变。经解调后得到动态应变曲线，统计其应变脉冲峰的强度发生改变。经解调后得到动态应变曲线，统计其应变脉冲峰，即为对应的轮轴数，简言之为“应变，即为对应的轮轴数，简言之为“应变 -- 计轴”技术。计轴”技术。光纤光栅计轴传感器可以有机械夹持的方法，也可以用点焊的方法固定在光纤光栅计轴传感器可以有机械夹持的方法，也可以用点焊的方法固定在钢轨上。钢轨上。


计计轴轴的的现现场场试试验验

0707 年年 22 月月 11 日纸坊站试验计轴日纸坊站试验计轴


0707 年年 77 月在纸坊实地考察月在纸坊实地考察 6DG6DG 计轴点，作安装准备。计轴点，作安装准备。


光纤光栅计轴的光纤光栅计轴的系统框图和结构系统框图和结构


0707 年年 88 月纸坊站的京广下行线的月纸坊站的京广下行线的 6DG6DG ，安装的，安装的 66个波长和强度合装的计轴传感器个波长和强度合装的计轴传感器


在纸坊站的京广线下行正线的在纸坊站的京广线下行正线的 11个道岔（个道岔（ 6DG6DG ），）， 60kg/m60kg/m 轨；轨；侧线的侧线的 2DG2DG ，， 50kg/m50kg/m 轨；轨； 16DG 16DG ，， 50kg/m50kg/m 轨；轨； 2-18WG2-18WG ，， 4343kg/mkg/m 轨，共安装了轨，共安装了 2222个计轴传感器。个计轴传感器。


在 6DG 的送端的对面也试验安装过光纤光栅计轴装置，共 4 个，扩充其计轴信号


现场光纤焊接现场光纤焊接


研究生研究生在安装纸在安装纸坊站坊站 33033303工厂侧道工厂侧道，轨道电，轨道电路信号经路信号经常“分路常“分路不良” 的不良” 的道岔（道岔（ 22DGDG ）。）。


我们还在江岸西货车分解编组驼峰现场进行停、倒车的试验和信号处理程序的验证。


经查：东风 8B型机车轴重 25t ，单轮重 12.5t


满载货车轴重 20t ，单轮重 10t


空载平板货车轴重 4.5t ，单轮重 2.25t


类似汽车的铁路工程车轴重 2t ，单轮重 1t


使用此装使用此装置进行传感置进行传感头计轴的应头计轴的应力范围、灵力范围、灵敏度的试验敏度的试验。在传感器。在传感器的安装位置的安装位置，上述最轻，上述最轻负荷时产生负荷时产生的应变足够的应变足够满足测量需满足测量需求求。


机械室的解调仪表机械室的解调仪表波长解调仪表的解调速波长解调仪表的解调速

度可以满足度可以满足 200km/h200km/h 的速度的速度通过列车的监测。通过列车的监测。

强度解调仪表可以满足强度解调仪表可以满足400km/h400km/h 的速度通过列车的的速度通过列车的监测。监测。


武昌－长沙武昌－长沙动车组波长解动车组波长解调计轴曲线调计轴曲线（（ 3232 轴，轴， 165165km/hkm/h ））


武昌－长沙动车组强度解调计轴曲线（武昌－长沙动车组强度解调计轴曲线（ 3232 轴，轴， 170km/170km/hh ））


光纤光栅计轴技术测得的轻车夹在光纤光栅计轴技术测得的轻车夹在重车里的通过波形重车里的通过波形


0707 年年 1212 月月 1414 日检测到有单轴和三轴的工程车日检测到有单轴和三轴的工程车。。


光纤光栅计轴技术不但能检测过车的速度和轴光纤光栅计轴技术不但能检测过车的速度和轴数，还具有过车车轮健康状态监测的功能。将来可数，还具有过车车轮健康状态监测的功能。将来可以结合检测和记录过车的车厢号，给车辆部门过车以结合检测和记录过车的车厢号，给车辆部门过车车轴健康状况的清单。车轴健康状况的清单。


计轴界面计轴界面左上部分是左上部分是光纤光栅波长光纤光栅波长记录。记录。左下部分是该左下部分是该道岔所处在的道岔所处在的状态，“空闲状态，“空闲”，或“占用”，或“占用”。”。右边是计轴右边是计轴的历史记录。的历史记录。

66 组数字分别组数字分别表示表示 66 个计轴个计轴传感器的测量传感器的测量结果。结果。当列车全数驶离该当列车全数驶离该 DGDG ，所记录的相邻，所记录的相邻 44 组计轴数必须一致，该组计轴数必须一致，该 DGDG 才能清空才能清空。否则按照“故障导向安全”的原则，显示“占用”。历史记录的第。否则按照“故障导向安全”的原则，显示“占用”。历史记录的第 77 项是项是由“渡端”驶向“送端”的，其余的列车都是由“受端”驶向“送端”的。由“渡端”驶向“送端”的，其余的列车都是由“受端”驶向“送端”的。


城市轨道交通（简称城轨）具有运量大、快捷、安全、准点、环保等特点，对于缓解城市交通拥堵、改善城市大气环境具有十分重要的意义。大力发展城市轨道交通，成为各国的共识。我国已将其做为解决城市交通问题的一项重要政策措施。根据经济迅速发展和城市化进程加快的趋势，明确提出了 " 发展大城市轨道交通" 。目前，我国已有 40多个在建和筹建城市轨道交通系统。


我国铁路和城轨计轴市场大都被国外大公司如西门子、阿尔卡特、劳伦茨、迪芬巴赫等分享。仅举西门子公司的信号系统在中国城轨的应用为例，西门子垄断了广州地铁 1 、 2 、 4 、 5 、 8 号线、上海辛闵轻轨线、北京地铁 10 号线 (含奥运支线 ) 、深圳地铁 1 、 4 号线一期工程、深圳地铁 1 号线延伸线、南京地铁 1 、 2 号线等项目。北京地铁一号线引进了英国西屋信号公司的列车自动控制 (ATC) 设备。联锁系统采用国产继电器联锁设备，区间自闭的轨道电路采用 FS-2500 无绝缘轨道电路。上海地铁一号线引进美国 GRS 公司的 ATC 系统设备。上海地铁二号线引进了美国 US&S 公司的 ATC 系统设备。联锁系统采用 MICRLOK 计算机联锁设备。区间采用 AF-900 数字式音频无绝缘轨道电路完成列车检测和信息的传输。沈阳轻轨、武汉轻轨等引进西班牙阿尔卡特的 ATC 设备。… …，等等。


上海地铁的阿尔卡特电磁计轴


武汉轻轨的阿尔卡特电磁计轴


有些城轨选用异性轨，而且没有轨枕。需采用不同的安装方法


对于无枕钢轨，采用有限元方法分析了其受力情况，发现在腹板处可以产生较大的压应力


使用电焊机，可以固定光纤光栅应变片，垂直安放。右图是在钢结构表面的光栅安装情况


采用武广客专监测高速道岔应变和温度的光纤装置封装和保护技术


城轨计轴器的安装槽


在武汉轻轨硚口此道岔安装光纤光栅计轴装置


在武汉轻轨硚口道岔安装光纤光栅计轴装置


在武汉轻轨硚口道岔的宗关方向安装的 2 个光纤光栅计轴装置， 60kg/m 轨


在武汉轻轨硚口道岔的黄埔路方向安装的 2个光纤光栅计轴装置， 60kg/m 轨


在武汉轻轨硚口道岔的车库渡线上安装的 2个光纤光栅计轴装置， 50kg/m 轨


现场光纤和可直接埋地的铠装光缆的接续箱


信号楼机械室的光纤光栅计轴仪表柜


16 轴轻轨列车的经过信号


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