曾燕軍， 金希紅， 何永強(qiáng)

(1 大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南株洲 412001；2 中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心， 湖南株洲 412001)

當(dāng)前我國(guó)鐵路正沿著客運(yùn)高速化和貨運(yùn)重載化兩個(gè)方向飛速發(fā)展，機(jī)車運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性相對(duì)以往需要更可靠的保證。機(jī)車車體整體結(jié)構(gòu)和鉤緩系統(tǒng)均屬于車體專業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，也都是鐵路機(jī)車車輛的關(guān)鍵部件，在列車運(yùn)行過程中承擔(dān)傳遞牽引力、制動(dòng)力的作用。鉤緩系統(tǒng)還承擔(dān)緩和及衰減牽引力與制動(dòng)力變化的作用，具有連接、牽引和緩沖等功能。車體整體結(jié)構(gòu)和鉤緩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康將直接影響機(jī)車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。從多年來(lái)各路局反饋的信息來(lái)看，雖然機(jī)車車體整體結(jié)構(gòu)基本沒有出現(xiàn)過失效問題，但是鉤緩系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)失效問題層出不窮，開裂、磨損等問題時(shí)有發(fā)生，加上鉤緩系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的不易拆卸以及定期檢修維護(hù)的修程修制，對(duì)機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生了較大的不利影響。因此，為了解決這些問題，確保機(jī)車安全與穩(wěn)定的運(yùn)行，我們需要開發(fā)出一種機(jī)車車體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。

近年來(lái)，基于超聲導(dǎo)波原理的缺陷檢測(cè)技術(shù)開始被應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，利用集成在結(jié)構(gòu)內(nèi)部或表面的壓電傳感器(發(fā)射和接收超聲)，實(shí)時(shí)在線獲取與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)的信息，結(jié)合理論模型與先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)這些健康狀態(tài)信息進(jìn)行深度分析和運(yùn)用，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，可準(zhǔn)確而及時(shí)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的檢修維護(hù)，甚至可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

1 超聲監(jiān)測(cè)理論基礎(chǔ)

1.1 超聲導(dǎo)波

超聲導(dǎo)波是由于超聲波在介質(zhì)中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射，并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的機(jī)械波。超聲導(dǎo)波在各向同性彈性固體介質(zhì)中的波動(dòng)方程見式(1)。在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，超聲導(dǎo)波與普通體波不同，它與Lamb波相類似在固體介質(zhì)的表面和邊界上進(jìn)行傳播。超聲導(dǎo)波具有頻散特性，它的速度并不僅取決于傳播介質(zhì)特性，還與傳播介質(zhì)的厚度、導(dǎo)波頻率有關(guān)。超聲導(dǎo)波具有單點(diǎn)激勵(lì)、全截面覆蓋，遠(yuǎn)距離傳播等特點(diǎn)，并且超聲導(dǎo)波的傳播特性對(duì)結(jié)構(gòu)的材料屬性和結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的變換非常敏感。因此，超聲導(dǎo)波可以作為一種缺陷識(shí)別方法用于結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。

ρü=f+(λ+2μ)(·U)-μ*(*U)

(1)

λ、μ為彈性體的拉梅常數(shù)(也叫拉梅模量)；

ρ表示密度；f是源函數(shù)(即外界施加的激振)；U表示位移；為散度；·為梯度；*為旋度。

1.2 監(jiān)測(cè)原理

超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)基本原理如圖1 所示，首先將設(shè)定的超聲激勵(lì)信號(hào)施加到壓電傳感器上(壓電材料具有正反壓電效應(yīng)，適合做壓電傳感器)，激發(fā)出一定形式和模式的超聲導(dǎo)波，然后在其他位置通過預(yù)埋的壓電傳感器接收結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)；由于超聲導(dǎo)波對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷以及狀態(tài)變化較為敏感，通過對(duì)比正常狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，就可以監(jiān)測(cè)出結(jié)構(gòu)中可能存在的損傷，并可以確定損傷的位置、大小、區(qū)域和程度等。

圖1 超聲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)基本原理

2 超聲監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

2.1 技術(shù)路線概述

根據(jù)上述超聲監(jiān)測(cè)理論，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需要建立一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，技術(shù)路線可采用層級(jí)架構(gòu)，如圖2所示。構(gòu)架主要分為物理層，數(shù)據(jù)層，信息層和應(yīng)用層。物理層主要由結(jié)構(gòu)健康相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器和環(huán)境參數(shù)傳感器(用于輔助分析)組成；數(shù)據(jù)層由各數(shù)據(jù)采集儀或信號(hào)采集卡組成；信息層由監(jiān)測(cè)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、存儲(chǔ)磁盤等組成；應(yīng)用層由結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)及智能決策系統(tǒng)組成。上述層級(jí)設(shè)計(jì)有以下優(yōu)勢(shì)：(1)在硬件和軟件上各層次之間互相獨(dú)立，且每一層的各個(gè)組成模塊構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，能完成獨(dú)立的功能；(2)減少了層次之間的依賴性，便于系統(tǒng)故障的診斷和提高系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性；(3)層次之間可采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件接口，可在軟硬件成本最小的情況下應(yīng)用于不同的監(jiān)測(cè)需求，方便后期的系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)；(4)統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)下，對(duì)于不用的監(jiān)測(cè)對(duì)象只需更換結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器和各環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器，并設(shè)置好相關(guān)系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)，就可以快速搭建新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖2 超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)路線

2.2 硬件平臺(tái)搭建

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到的硬件設(shè)備主要有：前端的傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備(包括信號(hào)發(fā)生與功率放大、信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ))、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以及遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備(包括本地監(jiān)控室監(jiān)控、大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控)。結(jié)合監(jiān)測(cè)技術(shù)路線規(guī)劃，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架可構(gòu)建如圖3。

2.3 軟件平臺(tái)說(shuō)明

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到的功能任務(wù)主要有：系統(tǒng)自我管理和自我診斷、系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境管理、信號(hào)發(fā)生驅(qū)動(dòng)管理、信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)管理、信號(hào)通道管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合及結(jié)果監(jiān)測(cè)(損傷評(píng)估)、深度學(xué)習(xí)、智能決策、人機(jī)交互界面等。根據(jù)這些功能任務(wù)，可將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)劃分為物理層、應(yīng)用層以及人機(jī)界面共3大部分，如圖4 所示。其中物理層主要是傳感器的底層驅(qū)動(dòng)，這部分一般可由傳感器供應(yīng)商提供；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)主要體現(xiàn)在應(yīng)用層和人機(jī)交互界面。需要說(shuō)明的是人機(jī)交互界面主要體現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的輸入和用戶要求指令的輸入，以及監(jiān)測(cè)、評(píng)估結(jié)果的輸出。

圖3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)框架

圖4 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)框架

3 超聲監(jiān)測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)車車體包括車體整體結(jié)構(gòu)和鉤緩系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)受力部件。車體整體結(jié)構(gòu)作為金屬焊接結(jié)構(gòu)，在機(jī)車設(shè)計(jì)中其服役壽命一般設(shè)計(jì)為30年甚至更長(zhǎng)，在其服役的前期大部分時(shí)間里結(jié)構(gòu)不會(huì)有問題，而一般傳感器壽命都達(dá)不到30年之久，因此車體結(jié)構(gòu)新設(shè)計(jì)中設(shè)置結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在成效上來(lái)說(shuō)不經(jīng)濟(jì)，除非在服役即將達(dá)到設(shè)計(jì)壽命階段時(shí)增設(shè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；而鉤緩系統(tǒng)受力結(jié)構(gòu)件通常是鑄件和鍛件，在日常服役中因運(yùn)動(dòng)受疲勞載荷而容易產(chǎn)生裂紋、磨損、腐蝕等損傷，在其中設(shè)置結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可較好的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，從而準(zhǔn)確而及時(shí)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的檢修維護(hù)，降低檢修維護(hù)成本，極大的提高機(jī)車整體運(yùn)行的效益。選取鉤緩系統(tǒng)設(shè)置結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

根據(jù)上面所述技術(shù)路線，鉤緩結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成包括前端的傳感器，數(shù)據(jù)采集設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件等，如圖5所示。傳感器安裝在鉤緩的監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域，包括超聲傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器(包括位移、加速度等)和應(yīng)變傳感器以及環(huán)境參數(shù)傳感器。數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在鉤緩附近，傳感器通過連接線接入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過以太網(wǎng)接入列車現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳入列車監(jiān)控室和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

圖5 鉤緩結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.1系統(tǒng)硬件

數(shù)據(jù)采集與分析設(shè)備采用定制的采集設(shè)備 BroadScan D110C。BroadScan D110C支持多路超聲掃描與采集，同時(shí)可以連接多種傳感器，內(nèi)帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理功能，可以直接聯(lián)網(wǎng)。

超聲傳感器使用 Broadsens 的BHU200T和BHU500傳感器，帶防水和防腐蝕設(shè)計(jì)，能保證傳感器在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期有效的工作。BHU200T是雙晶超聲傳感器，利用超聲波的反射回波計(jì)算出超聲波的傳播時(shí)間，通過超聲波的波速和傳播時(shí)間計(jì)算出被測(cè)結(jié)構(gòu)的厚度，因此可以監(jiān)測(cè)被測(cè)結(jié)構(gòu)的磨損量。

運(yùn)動(dòng)和應(yīng)變傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)車鉤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，間接地監(jiān)測(cè)緩沖器的健康狀況。運(yùn)動(dòng)和應(yīng)變傳感器使用Broadsens的MSS100，通過數(shù)據(jù)線直接連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該傳感器可以測(cè)量車鉤的應(yīng)變和加速度。通過監(jiān)測(cè)車鉤的應(yīng)變情況，來(lái)監(jiān)測(cè)緩沖器的壓縮力；通過監(jiān)測(cè)車鉤加速度，計(jì)算出車鉤和緩沖器的行程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)合緩沖器的受力和行程參數(shù)等，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)監(jiān)測(cè)緩沖器的健康狀況。

各傳感器通過M8連接器連接到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備D110C上的接口，通過M12-3pin接口連接110 V DC到D110C上，同時(shí)通過M12-4pin接口連接以太網(wǎng)線到D110C上。

3.1.2控制軟件

控制軟件為Broadsens公司為鉤緩結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)量身定制，可以通過HTTP操作。使用者可以通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)站界面登陸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多傳感器狀態(tài)；可以設(shè)置參數(shù)獲取數(shù)據(jù)，如抽樣率、信號(hào)路徑(激發(fā)或收取頻道)、激發(fā)電壓值、激發(fā)信號(hào)頻率等。圖6所示為多數(shù)碼傳感器時(shí)間—?dú)v史曲線監(jiān)測(cè)界面，可以實(shí)現(xiàn)增加或刪除數(shù)碼傳感器。

3.1.3系統(tǒng)功能

按以上硬件方案和控制軟件搭建鉤緩結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)周期性采集傳感器數(shù)據(jù)；(2)多路聲波發(fā)射與超聲波接收功能；(3)在線超聲波檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷；(4)以太網(wǎng)連接和無(wú)線連接；(5)本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和本地?cái)?shù)據(jù)分析；(6)實(shí)時(shí)報(bào)警。

圖6 控制軟件監(jiān)測(cè)界面

3.2 試驗(yàn)過程

搭建上述鉤緩結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了車鉤模擬損傷試驗(yàn)、鉤尾框尾部厚度磨損試驗(yàn)、緩沖器失效模擬試驗(yàn)等。試驗(yàn)時(shí)，首先在沒有損傷的情況下采集基準(zhǔn)信號(hào)，圖7中黃色的波形圖為4個(gè)接收傳感器接收到的超聲波信號(hào)；然后采集模擬損傷后測(cè)試信號(hào)，圖8中左側(cè)紅色的波形圖為傳感器測(cè)試信號(hào)-基準(zhǔn)信號(hào)所得的差分信號(hào)，該信號(hào)就是超聲波在經(jīng)過損傷區(qū)域時(shí)由損傷處反饋回來(lái)的信號(hào)，右側(cè)波形圖為經(jīng)過濾波將信號(hào)中的高頻噪聲分量去除后的信號(hào)。

依據(jù)采集的信號(hào)，經(jīng)過專門的算法可進(jìn)行損傷定位，即通過計(jì)算4個(gè)接收傳感器接收到損傷處傳回來(lái)的超聲波信號(hào)的差異，可精確定位出損傷所在的區(qū)域。如圖9所示：左邊的實(shí)物圖為傳感器附近模擬損傷片放置的位置，右邊的3D模擬圖根據(jù)計(jì)算出的損傷位置坐標(biāo)進(jìn)行缺陷實(shí)時(shí)顯示。一旦探測(cè)到結(jié)構(gòu)的某個(gè)區(qū)域產(chǎn)生了缺陷，系統(tǒng)即可精確顯示出缺陷所在位置并發(fā)出報(bào)警信息。

圖7 原始接收信號(hào)波形圖

圖8 傳感器差分信號(hào)及其濾波后的波形圖

圖9 模擬損傷位置圖和損傷部位3D顯示圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共獲得了上百組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過專業(yè)數(shù)據(jù)處理，得到了大量試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，我們可以看出：

(1)通過模擬損傷試驗(yàn)，鉤緩結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以判斷出損傷的有無(wú)，也可以精準(zhǔn)判斷出損傷的位置。

(2)通過厚度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，鉤尾框底部和緩沖器摩擦部位的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示可以監(jiān)測(cè)到一個(gè)穩(wěn)定的厚度值。

(3)通過緩沖器模擬試驗(yàn)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)、應(yīng)變傳感器和數(shù)據(jù)采集以及機(jī)器學(xué)習(xí)的分析軟件，能夠識(shí)別出緩沖器所承載的不同壓縮力，可建立力-時(shí)間歷程曲線，通過進(jìn)一步的智能分析可獲取緩沖器是否失效或即將失效的信息。

但同時(shí)我們也應(yīng)該注意：

(1)由于是模擬損傷試驗(yàn)和實(shí)際的損傷有一定的差別，有待進(jìn)一步在實(shí)際損傷試驗(yàn)中驗(yàn)證；模擬損傷的大小、類別以及擴(kuò)展速度等的判斷和評(píng)估還需要后期的深度學(xué)習(xí)和智能決策才能做到；同時(shí)離線試驗(yàn)環(huán)境也有別于正式的車輛線路環(huán)境，有待于進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)驗(yàn)證和提高。

(2)試驗(yàn)中緩沖器的壓縮力(幾百公斤)相對(duì)于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的緩沖器的壓縮力(幾十噸)來(lái)說(shuō)是非常小的，但監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有相當(dāng)高的靈敏度和信噪比，具有很高的應(yīng)變分辨能力。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)力信號(hào)會(huì)非常強(qiáng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分辨出緩沖器壓縮力的細(xì)微變化需要進(jìn)一步的在線驗(yàn)證；試驗(yàn)中緩沖器的加速度信息沒有充分利用，對(duì)緩沖器失效的分析沒有起到應(yīng)有的作用。

4 結(jié)論及建議

從理論基礎(chǔ)、技術(shù)路線、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面，對(duì)機(jī)車車體結(jié)構(gòu)健康超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并提出了一種超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件構(gòu)架的應(yīng)用技術(shù)。采用了層級(jí)架構(gòu)，建立了由超聲導(dǎo)波傳感器和環(huán)境參數(shù)傳感器組成的物理層、由數(shù)據(jù)采集儀設(shè)備組成的數(shù)據(jù)層、由監(jiān)測(cè)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、存儲(chǔ)磁盤等組成的信息層以及由結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)及智能決策系統(tǒng)等組成的應(yīng)用層，最后進(jìn)行了系統(tǒng)功能試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)健康超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確、高效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，為車體鉤緩系統(tǒng)裂紋、磨損、腐蝕等損傷及失效問題提供了一條有效的解決思路；在新造車體整體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用該技術(shù)雖然不經(jīng)濟(jì)，但在服役即將到期的車體整體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用該技術(shù)也可以監(jiān)測(cè)其健康狀態(tài)，從而準(zhǔn)確而及時(shí)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的檢修維護(hù)?？傮w來(lái)說(shuō)，車體結(jié)構(gòu)健康超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)車車體實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)，降低機(jī)車車體檢修維護(hù)成本，極大的提高機(jī)車整體運(yùn)行的效益。