機車車體結構健康監測技術研究*

曾燕軍， 金希紅， 何永強

(1 大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室， 湖南株洲 412001；2 中車株洲電力機車有限公司 產品研發中心， 湖南株洲 412001)

當前我國鐵路正沿著客運高速化和貨運重載化兩個方向飛速發展，機車運行安全性和穩定性相對以往需要更可靠的保證。機車車體整體結構和鉤緩系統均屬于車體專業機械結構部件，也都是鐵路機車車輛的關鍵部件，在列車運行過程中承擔傳遞牽引力、制動力的作用。鉤緩系統還承擔緩和及衰減牽引力與制動力變化的作用，具有連接、牽引和緩沖等功能。車體整體結構和鉤緩系統的結構健康將直接影響機車運行的安全性和穩定性。從多年來各路局反饋的信息來看，雖然機車車體整體結構基本沒有出現過失效問題，但是鉤緩系統機械結構失效問題層出不窮，開裂、磨損等問題時有發生，加上鉤緩系統在結構上的不易拆卸以及定期檢修維護的修程修制，對機車運行產生了較大的不利影響。因此，為了解決這些問題，確保機車安全與穩定的運行，我們需要開發出一種機車車體結構健康監測技術。

近年來，基于超聲導波原理的缺陷檢測技術開始被應用于機械結構的結構健康監測，利用集成在結構內部或表面的壓電傳感器(發射和接收超聲)，實時在線獲取與結構健康狀態相關的信息，結合理論模型與先進信號處理技術，對這些健康狀態信息進行深度分析和運用，實時監測結構的健康狀態，可準確而及時地進行結構的檢修維護，甚至可預測結構的剩余壽命。

1 超聲監測理論基礎

1.1 超聲導波

超聲導波是由于超聲波在介質中的不連續交界面間產生多次往復反射，并進一步產生復雜的干涉和幾何彌散而形成的機械波。超聲導波在各向同性彈性固體介質中的波動方程見式(1)。在固體介質中傳播時，超聲導波與普通體波不同，它與Lamb波相類似在固體介質的表面和邊界上進行傳播。超聲導波具有頻散特性，它的速度并不僅取決于傳播介質特性，還與傳播介質的厚度、導波頻率有關。超聲導波具有單點激勵、全截面覆蓋，遠距離傳播等特點，并且超聲導波的傳播特性對結構的材料屬性和結構內應力的變換非常敏感。因此，超聲導波可以作為一種缺陷識別方法用于結構的監測。

ρü=f+(λ+2μ)(·U)-μ*(*U)

(1)

λ、μ為彈性體的拉梅常數(也叫拉梅模量)；

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

1.2 監測原理

超聲導波監測基本原理如圖1 所示，首先將設定的超聲激勵信號施加到壓電傳感器上(壓電材料具有正反壓電效應，適合做壓電傳感器)，激發出一定形式和模式的超聲導波，然后在其他位置通過預埋的壓電傳感器接收結構響應信號；由于超聲導波對結構的損傷以及狀態變化較為敏感，通過對比正常狀態下的結構響應情況，就可以監測出結構中可能存在的損傷，并可以確定損傷的位置、大小、區域和程度等。

圖1 超聲導波結構監測基本原理

2 超聲監測技術路線

2.1 技術路線概述

根據上述超聲監測理論，結構健康監測需要建立一個完整的監測系統，技術路線可采用層級架構，如圖2所示。構架主要分為物理層，數據層，信息層和應用層。物理層主要由結構健康相關數據監測傳感器和環境參數傳感器(用于輔助分析)組成；數據層由各數據采集儀或信號采集卡組成；信息層由監測服務器、數據庫、存儲磁盤等組成；應用層由結構健康監測系統、健康評價系統及智能決策系統組成。上述層級設計有以下優勢：(1)在硬件和軟件上各層次之間互相獨立，且每一層的各個組成模塊構成一個獨立的系統，能完成獨立的功能；(2)減少了層次之間的依賴性，便于系統故障的診斷和提高系統的運行平穩性；(3)層次之間可采用標準化的軟硬件接口，可在軟硬件成本最小的情況下應用于不同的監測需求，方便后期的系統的擴展和維護；(4)統一的系統架構下，對于不用的監測對象只需更換結構健康監測傳感器和各環境參數監測傳感器，并設置好相關系統環境參數，就可以快速搭建新的監測系統。

圖2 超聲導波監測系統技術路線

2.2 硬件平臺搭建

結構健康監測系統涉及到的硬件設備主要有：前端的傳感器、數據采集設備(包括信號發生與功率放大、信號采集、信號調制、數據存儲)、數據處理設備、數據傳輸設備以及遠程監控設備(包括本地監控室監控、大數據遠程監控)。結合監測技術路線規劃，結構健康監測系統框架可構建如圖3。

2.3 軟件平臺說明

結構健康監測系統涉及到的功能任務主要有：系統自我管理和自我診斷、系統應用環境管理、信號發生驅動管理、信號采集驅動管理、信號通道管理、數據采集、數據處理、數據存儲、數據融合及結果監測(損傷評估)、深度學習、智能決策、人機交互界面等。根據這些功能任務，可將結構健康監測軟件系統劃分為物理層、應用層以及人機界面共3大部分，如圖4 所示。其中物理層主要是傳感器的底層驅動，這部分一般可由傳感器供應商提供；結構健康監測軟件系統主要體現在應用層和人機交互界面。需要說明的是人機交互界面主要體現系統參數的輸入和用戶要求指令的輸入，以及監測、評估結果的輸出。

圖3 結構健康監測硬件系統框架

圖4 結構健康監測軟件系統框架

3 超聲監測試驗驗證

機車車體包括車體整體結構和鉤緩系統等結構受力部件。車體整體結構作為金屬焊接結構，在機車設計中其服役壽命一般設計為30年甚至更長，在其服役的前期大部分時間里結構不會有問題，而一般傳感器壽命都達不到30年之久，因此車體結構新設計中設置結構健康監測系統在成效上來說不經濟，除非在服役即將達到設計壽命階段時增設結構健康監測系統；而鉤緩系統受力結構件通常是鑄件和鍛件，在日常服役中因運動受疲勞載荷而容易產生裂紋、磨損、腐蝕等損傷，在其中設置結構健康監測系統可較好的實時監測結構的健康狀態，從而準確而及時地進行結構的檢修維護，降低檢修維護成本，極大的提高機車整體運行的效益。選取鉤緩系統設置結構健康監測系統為例，對結構健康監測技術進行深入研究。

3.1 監測系統搭建

根據上面所述技術路線，鉤緩結構健康在線監測系統組成包括前端的傳感器，數據采集設備和遠程監控軟件等，如圖5所示。傳感器安裝在鉤緩的監測點區域，包括超聲傳感器、運動傳感器(包括位移、加速度等)和應變傳感器以及環境參數傳感器。數據采集設備安裝在鉤緩附近，傳感器通過連接線接入數據采集設備，數據采集設備通過以太網接入列車現有網絡。數據通過網絡傳入列車監控室和遠程監控中心。

圖5 鉤緩結構健康在線監測系統結構

3.1.1系統硬件

數據采集與分析設備采用定制的采集設備 BroadScan D110C。BroadScan D110C支持多路超聲掃描與采集，同時可以連接多種傳感器，內帶數據存儲與處理功能，可以直接聯網。

超聲傳感器使用 Broadsens 的BHU200T和BHU500傳感器，帶防水和防腐蝕設計，能保證傳感器在惡劣環境下長期有效的工作。BHU200T是雙晶超聲傳感器，利用超聲波的反射回波計算出超聲波的傳播時間，通過超聲波的波速和傳播時間計算出被測結構的厚度，因此可以監測被測結構的磨損量。

運動和應變傳感器用來監測車鉤運動狀態，間接地監測緩沖器的健康狀況。運動和應變傳感器使用Broadsens的MSS100，通過數據線直接連接到數據采集設備。該傳感器可以測量車鉤的應變和加速度。通過監測車鉤的應變情況，來監測緩沖器的壓縮力；通過監測車鉤加速度，計算出車鉤和緩沖器的行程和運動規律。結合緩沖器的受力和行程參數等，通過機器學習的方法來監測緩沖器的健康狀況。

各傳感器通過M8連接器連接到對應的數據采集設備D110C上的接口，通過M12-3pin接口連接110 V DC到D110C上，同時通過M12-4pin接口連接以太網線到D110C上。

3.1.2控制軟件

控制軟件為Broadsens公司為鉤緩結構健康在線監測系統量身定制，可以通過HTTP操作。使用者可以通過標準網站界面登陸，實現實時監測多傳感器狀態；可以設置參數獲取數據，如抽樣率、信號路徑(激發或收取頻道)、激發電壓值、激發信號頻率等。圖6所示為多數碼傳感器時間—歷史曲線監測界面，可以實現增加或刪除數碼傳感器。

3.1.3系統功能

按以上硬件方案和控制軟件搭建鉤緩結構健康在線監測系統，可以實現以下功能：(1)周期性采集傳感器數據；(2)多路聲波發射與超聲波接收功能；(3)在線超聲波檢測結構損傷；(4)以太網連接和無線連接；(5)本地數據存儲和本地數據分析；(6)實時報警。

圖6 控制軟件監測界面

3.2 試驗過程

搭建上述鉤緩結構健康在線監測系統后，在實驗室進行了車鉤模擬損傷試驗、鉤尾框尾部厚度磨損試驗、緩沖器失效模擬試驗等。試驗時，首先在沒有損傷的情況下采集基準信號，圖7中黃色的波形圖為4個接收傳感器接收到的超聲波信號；然后采集模擬損傷后測試信號，圖8中左側紅色的波形圖為傳感器測試信號-基準信號所得的差分信號，該信號就是超聲波在經過損傷區域時由損傷處反饋回來的信號，右側波形圖為經過濾波將信號中的高頻噪聲分量去除后的信號。

依據采集的信號，經過專門的算法可進行損傷定位，即通過計算4個接收傳感器接收到損傷處傳回來的超聲波信號的差異，可精確定位出損傷所在的區域。如圖9所示：左邊的實物圖為傳感器附近模擬損傷片放置的位置，右邊的3D模擬圖根據計算出的損傷位置坐標進行缺陷實時顯示。一旦探測到結構的某個區域產生了缺陷，系統即可精確顯示出缺陷所在位置并發出報警信息。

圖7 原始接收信號波形圖

圖8 傳感器差分信號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 試驗結果

試驗共獲得了上百組試驗數據，經過專業數據處理，得到了大量試驗結果，根據試驗結果，我們可以看出：

(1)通過模擬損傷試驗，鉤緩結構健康在線監測系統可以判斷出損傷的有無，也可以精準判斷出損傷的位置。

(2)通過厚度監測試驗，鉤尾框底部和緩沖器摩擦部位的監測結果顯示可以監測到一個穩定的厚度值。

(3)通過緩沖器模擬試驗，結合運動、應變傳感器和數據采集以及機器學習的分析軟件，能夠識別出緩沖器所承載的不同壓縮力，可建立力-時間歷程曲線，通過進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。

但同時我們也應該注意：

(1)由于是模擬損傷試驗和實際的損傷有一定的差別，有待進一步在實際損傷試驗中驗證；模擬損傷的大小、類別以及擴展速度等的判斷和評估還需要后期的深度學習和智能決策才能做到；同時離線試驗環境也有別于正式的車輛線路環境，有待于進一步對系統驗證和提高。

(2)試驗中緩沖器的壓縮力(幾百公斤)相對于實際應用當中的緩沖器的壓縮力(幾十噸)來說是非常小的，但監測系統具有相當高的靈敏度和信噪比，具有很高的應變分辨能力。在實際應用當中，應力信號會非常強，監測系統分辨出緩沖器壓縮力的細微變化需要進一步的在線驗證；試驗中緩沖器的加速度信息沒有充分利用，對緩沖器失效的分析沒有起到應有的作用。

4 結論及建議

從理論基礎、技術路線、試驗驗證等方面，對機車車體結構健康超聲導波監測技術進行了深入研究，并提出了一種超聲導波監測系統軟硬件構架的應用技術。采用了層級架構，建立了由超聲導波傳感器和環境參數傳感器組成的物理層、由數據采集儀設備組成的數據層、由監測服務器、數據庫、存儲磁盤等組成的信息層以及由結構健康監測系統、健康評價系統及智能決策系統等組成的應用層，最后進行了系統功能試驗驗證。結果表明，車體結構健康超聲導波監測技術可以準確、高效地實現實時在線結構健康監測，為車體鉤緩系統裂紋、磨損、腐蝕等損傷及失效問題提供了一條有效的解決思路；在新造車體整體結構上應用該技術雖然不經濟，但在服役即將到期的車體整體結構上應用該技術也可以監測其健康狀態，從而準確而及時地進行結構的檢修維護。總體來說，車體結構健康超聲導波監測技術可實現機車車體實時健康監測，降低機車車體檢修維護成本，極大的提高機車整體運行的效益。