一种转向架结构安全监测装置
阅读：323发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种转向架结构安全监测装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 转向架 结构安全监测装置，包括上位机、检测模 块 和多个压电 传感器 模块，其中，检测模块包括Lamb波 信号 发生单元、网络及控制单元和信号调理及采集单元，网络及控制单元分别连接上位机、Lamb波信号发生单元和信号调理及采集单元， 压电传感器 模块安装在转向架上，每个压电传感器模块均连接Lamb波信号发生单元和信号调理及采集单元，压电传感器模块包括信号采集线、压电陶瓷片和柔性 电路 板，信号采集线集成在柔性 电路板 内部。与 现有技术 相比，本发明能够直接安装在列车的转向架上，利用Lamb波对转向架进行实时的监测，实现了准确及时地发现转向架存在的问题，在监测时不会对列车的本身的安全运转产生影响，提高了经济性和便利性。，下面是一种转向架结构安全监测装置专利的具体信息内容。
1.一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，包括上位机、检测模块和多个压电传感器模块，其中，检测模块包括Lamb波信号发生单元、网络及控制单元和信号调理及采集单元，所述网络及控制单元分别连接上位机、Lamb波信号发生单元和信号调理及采集单元，所述的压电传感器模块安装在转向架上，每个压电传感器模块均连接Lamb波信号发生单元和信号调理及采集单元，所述压电传感器模块包括信号采集线、压电陶瓷片和柔性电路板，所述柔性电路板连接压电陶瓷片，信号采集线集成在柔性电路板内部。
2.根据权利要求1所述的一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，所述压电传感器模块还包括柔性电路薄膜层，该柔性电路薄膜层覆盖于压电陶瓷片和柔性电路板的外表面，使压电陶瓷片和柔性电路板固定于转向架上。
3.根据权利要求2所述的一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，所述的柔性电路薄膜层为环氧树脂胶包裹于柔性电路板的外部形成一层薄膜层。
4.根据权利要求1所述的一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，所述的柔性电路板为聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的可弯曲的轻薄塑料片。
5.根据权利要求4所述的一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，所述的柔性电路板厚度小于等于1mm。
6.根据权利要求1所述的一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，所述的压电传感器模块通过有线或无线方式连接Lamb波信号发生单元和信号调理及采集单元。
7.根据权利要求1所述的一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，所述的压电传感器模块离散分布安装于转向架之上。
8.根据权利要求1所述的一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，所述的上位机和网络及控制单元通过有线或无线连接。
9.根据权利要求1所述的一种转向架结构安全监测装置，其特征在于，所述的上位机还包括数据显示单元。
一种转向架结构安全监测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及列车运行安全监控领域，尤其是涉及一种转向架结构安全监测装 置。
背景技术
[0002] 转向架是连接车体和轨道的重要部件，在机车的牵引运行中起传递牵引力、制 动力、横向力及垂向力的作用，其机械性能的恶化轻则导致振动加剧、降低乘车舒 适度，重则引起列车运行失稳、脱轨翻车等严重安全事故。
[0003] 随着我国铁路迅速发展，保证列车运行安全则是首要任务，同时，随着人们越 来越依赖铁路出行，提高乘车舒适度的需求与日俱增。转向架的结构损伤直接影响 行车安全性与舒适性，因此，对转向架结构损伤状态的检测显得格外重要。
[0004] 目前，国内外对高速列车动车组仍然采用计划定期维修和状态修相结合的检修 制度，但是首先这种方式缺乏科学性，在这种检修制度下，检修人员不管电气设备 的初始状态、环境差异和运行状况，一律到期必修，对设备的安全运转产生影响； 其次，定期检修缺乏经济性，在铁路网越来越密集的今天，检修任务越来越繁杂， 采用定期检修的方法不仅会增加财力支出，还不能保证设备的完好无损，缩短了设 备的使用寿命，也很有可能导致设备完全损坏，造成一大笔损失；最后，定期检修 缺乏周期合理性，通常在这一检修模式中，可能会出现维修过度或维修不足的情况， 这种盲目的检修方式难以根除隐患，不能满足对电力设备安全可靠运行的要求。因 此需要一种能够实时方便对列车转向架进行检测的装置。
发明内容
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种转向架结构安全监测装置，包括上位机、检测模块和多个压电传感器模块， 其中，检测模块包括Lamb波信号发生单元、网络及控制单元和信号调理及采集单 元，所述网络及控制单元分别连接上位机、Lamb波信号发生单元和信号调理及采 集单元，所述的压电传感器模块安装在转向架上，每个压电传感器模块均连接Lamb 波信号发生单元和信号调理及采集单元，所述压电传感器模块包括信号采集线、压 电陶瓷片和柔性电路板，所述柔性电路板连接压电陶瓷片，信号采集线集成在柔性 电路板内部。
[0008] 进一步地，所述压电传感器模块还包括柔性电路薄膜层，该柔性电路薄膜层覆 盖于压电陶瓷片和柔性电路板的外表面，使压电陶瓷片和柔性电路板固定于转向架 上。
[0010] 进一步地，所述的柔性电路板为聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的可弯曲的轻 薄塑料片。
[0011] 进一步地，所述的柔性电路板厚度小于等于1mm。
[0012] 进一步地，所述的压电传感器模块通过有线或无线方式连接Lamb波信号发生 单元和信号调理及采集单元。
[0013] 进一步地，所述的压电传感器模块离散分布安装于转向架之上。
[0014] 进一步地，所述的上位机和网络及控制单元通过有线或无线连接。
[0015] 进一步地，所述的上位机还包括数据显示单元。
[0016] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0017] 1、本发明采用能够激发和采集Lamb波的压电传感器对转向架的结构进行检 测，根据Lamb波的传播模态，转向架内部结构的缺陷会导致Lamb波检测信号发 生变化，通过将检测到的表征结构运行状态的导波信号与结构未损伤时检测到的导 波信号传输至上位机进行比较，提取出损伤信号，然后通过对损伤信号的处理，即 可清晰地分析出损伤的位置，大小等信息，并在数据显示单元中用图像的方式显示 出来，提高了监测得安全性和稳定性。
[0018] 2、本发明装置能够直接安装在列车的转向架上，对转向架进行实时的监测， 实现了准确及时地发现转向架存在的问题，在监测时不会对列车的本身的安全运转 产生影响，提高了经济性和便利性。
[0019] 3、本发明将多个压电传感器模块组成包围转向架的传感器网络，对转向架结 构损伤进行检测，使用柔性电路板能够精确灵活地深入需要检查和监测得转向架区 域，对于不同的转向架，均配有与之对应的特制柔性电路板相配合，提高检测精确 性、实时性，总体上提高铁路运行效率，保证行车安全。
[0020] 4、柔性电路板是通过以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的一种具有高度可靠 性，绝佳曲挠性的可弯曲的轻薄塑料片，在其内部嵌入电路设计，形成可弯曲的挠 性电路。此种电路可随意弯曲、折迭重量轻，体积小，散热性好，安装方便，冲破 了传统的互连技术，能够配合各类转向架结构进行定制，使压电传感器模块方便快 捷地和列车转向架相配合，把压电传感器模块紧密固定在列车转向架上。另一方面， 厚度小于1mm的柔性电路板裹在列车转向架表面，不会影响列车的正常工作与运 行。
[0021] 5、本发明的柔性电路板通过柔性电路薄膜层进行粘接和固定，粘贴在列车转 向架上。把压电陶瓷片连接在柔性电路板上，信号采集线集成在柔性电路板中，减 少了信号线裸露在外部容易受到外部环境被损坏或者信号质量受影响的几率，同时， 本发明克服了传统压电传感器通常为裸压电陶瓷片，直接裸露地粘贴在需要测试的 地方，并通过软导线连接作为采集器或者激励器，降低性能和电气参数的一致性， 实用性较差的缺点。附图说明
[0022] 图1为本发明的结构示意图。
[0024] 附图标记：1、上位机，2、检测模块，3、压电传感器模块，4、转向架，21、 网络及控制单元，22、Lamb波信号发生单元，23、信号调理及采集单元，31、压 电陶瓷片，32、柔性电路板。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。
[0026] 如图1所示，本实施例提供了一种转向架结构安全监测装置，包括上位机1、 检测模块2和多个压电传感器模块3。检测模块2包括Lamb波信号发生单元22、 网络及控制单元21、信号调理及采集单元23，其中的网络及控制单元21分别连接 上位机1、Lamb波信号发生单元22和信号调理及采集单元23，上位机1和网络 及控制单元21通过有线或无线连接，上位机1中还包括一个用于显示数据的显示 单元。压电传感器模块3安装在转向架4上，并且，每个压电传感器模块3均连接 Lamb波信号发生单元22和信号调理及采集单元23。压电传感器模块3通过有线 或无线通讯方式连接Lamb波信号发生单元22和信号调理及采集单元23。
[0027] 如图2所示，压电传感器模块3包括压信号采集线、电陶瓷片、柔性电路板 32和柔性电路薄膜层。柔性电路薄膜层覆盖于压电陶瓷片31和柔性电路板32的 外表面，使压电陶瓷片31和柔性电路板32固定于转向架4上。柔性电路薄膜层为 环氧树脂胶包裹于柔性电路板32的外部形成的一层薄膜层。把柔性电路板32板用 信友6282双组份环氧树脂胶进行粘接和固定，粘贴在列车转向架4上。把压电陶 瓷片31连接在柔性电路板32上，把信号采集线集成在柔性电路板32内部，减少 信号线裸露在外部容易受到外部环境被损坏或者信号质量受影响的几率，另一方面， 可以把压电传感器牢牢固定在列车转向架4上。
[0028] 柔性电路板32为聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的可弯曲的轻薄塑料片。柔 性电路板32的厚度一般小于等与1mm，本实施例为采用1mm。此厚度下的柔性 电路板32裹在列车转向架4表面，不会影响列车的正常工作与运行。
[0029] 本实施例的基本原理为：采用压电传感器离散分布粘贴在转向架4上、对其 进行结构健康检测。Lamb波信号发生单元22和压电传感器模块3把电信号转换 为压力波，以Lamb波的形式在转向架4内部传输；然后将转向架4内传输的Lamb 波转换电信号，由信号调理及采集单元23进行采集，再通过网络及控制单元21 已wifi或者蓝牙通讯方式回传给上位机1。工作时，先将设定的激励信号加载到预 先安装在转向架4结构表面的压电传感模块上，压电传感器模块3一般以单模式为 主，其中的一部分模块发射一定形式和模式的Lamb波，在其他位置一部分压电传 感器模块3接收结构响应信号；由于Lamb波对结构损伤以及状态的变化较为敏感， 通过对比健康状态下的结构响应情况，就可以监测出结构中可能存在的损伤，借助 于先进的信号处理技术和方法，如椭圆算法、时间反转理论、相控阵技术等，可以 对损伤的位置、大小、区域和程度等进行进一步的分析，并以图像的形式显示出来。
[0030] 在上位机1中，软件框架主要设计工作体现在应用层，应用层的各功能模块按 照专业性划分为常规测试模块和专用技术模块，前者包括系统参数管理、自诊断、 数据采集与存储等模块。其余的专用技术模块中，监测通道控制模块主要是实现对 传感器网络中激励器和传感器的选通，形成合理有效的监测路径覆盖被监测结构； 监测数据管理模块可以方便用户实现历史数据的查询以及信息融合处理；数据处理 与融合模块主要是集成了Lamb波信号处理相关的算法，如信号变换、相控阵处理、 时间反转处理相关的算法；损伤监测与评估模块主要实现损伤因子参数的提取，损 伤诊断，辨识和评估等算法。
[0031] Lamb波是一种板壳类结构中传播的导波，最早由Horace Lamb在求解无限大 板中的超声波过程中发现的，其传播特殊性在于频散及多模特性，存在对称及反对 称两类模式，分别表示为S0,S1，S2…和A0,A1,A2…,其频散方程如下：
[0032]
[0033]
[0035] 利用数值法，即可求得相速度与频厚积(cp-fd)之间的关系，然后根据下式[0036]
[0037] 可以得出(cg-fd)之间的关系，结果如图3所示，其中虚线代表对称模式(S0)， 实线代表反对称模式(A0)，由图3可知，当频厚积小于1.5MHz.mm时只有基础 阶对称(S0)与反对称(A0)两种模式，从而减少导波模式的角度考虑，应优先考 虑此频厚积范围。当频厚积小于0.4MHz.mm时A0模式群速度受频厚积影响较大， 而当频厚积大于1.3MHz.mm时S0模式群速度受频厚积影响较大，为降低导波频散 特性，频厚积应选择在0.4-1.3MHz.mm范围内。
[0038] 为了通过回波信号时域信息准确识别各个损伤，任意两导波模式、任意两损伤 位置的飞行时间只差应大于激励信号的时间长度，即
[0039] min|ti,TOF-tj,TOF|≥n/f
[0040] 其中ti,TOF与tj,TOF为任意两不同模式或不同损伤位置的飞行时间，n为激励信号 周期数目，f为激励信号频率。为了尽量多地检测到结构中的损伤，需提高激励频 率以减少激励信号周期数目。这是采用汉宁窗调幅的5周正弦波、频厚积1-1.2MHz.mm较合适。
[0041] 在进行损伤实际检测定位中，为避免环境干扰等噪声的影响，首先利用连续小 波变换(CWT)对信号进行处理，然后根据激励信号的频率范围所对应的尺度进 行重构，以供后续分析。以检测结构与基准结构能量谱相关性之间的差异，判断结 构是否存在损伤。
[0042] 导波在结构中很多传播路径，对于第n条传感路径，激励信号能量谱An(ω)、 接受信号能量谱Cn(ω)以及频率响应函数Gn(ω)满足：
[0043] Gn(ω)＝Cn(ω)/An(ω)
[0044] 频率响应函数Gn(ω)与该路径有关的材料属性、传播距离、激励频率有关。如 果材料的连续性状态或线性状态发生改变，则Gn(ω)将随着变化。如果与此传感器 路径有关的结构材料为连续、线性的，则Gn(ω)可近似为一个常数。
[0045] 定义一个校对相关系数D以分析激励信号与接收的信号之间的相关性，基准状 态的校对相关系数Dbn与检测状态的校对相关系数Ddn分别为
[0046]
[0047]
[0048] 其中Abn(ω)为基准结构激励信号能量谱，Cbn(ω)为基准结构传感器所接收信 号能量谱，Adn(ω)为检测结构激励信号能量谱，Cdn(ω)为检测结构传感器所接收 信号能量谱，ω1为能量谱的开始频率，ω2为能量谱的截止频率。如果与此传感器 路径有关的材料为连续、线性的，频率响应函数可近似为一个常数，此时校对相关 系数Dbn和Ddn都可近似为一个趋近于0的常数。如果在此传感路径内存在缺陷， 引起材料不连续、非线性，此时Dbn和Ddn都将增加。
[0049] 该传感路径损伤指数为：
[0050] DIn＝|Dbn-Ddn|/Dbn
[0051] 如果该传感路径存在损伤，则导致材料非连续或非线性，引起DIn也相应增加。 如果没有损伤，则DIn为0。
[0052] Tn(x,y)＝[dan(x,y)+dsn(x,y)]/cn
[0053] dan(x,y)为任意一点(x,y)到激励源之间的距离，dsn(x,y)为该点到接收传感 器之间的距离，cn为Lamb传播的群速度。Lamb波在各向同性介质中的传播速度cn由材料的物理特性及Lamb波的频率决定的，与传感器的布局位置无关，因此可以 事先标定。当cn确定后，Tn可以通过传感器测得，则dan(x,y)+dsn(x,y)为定值。 构成一个分别以激励源、接收源为原点的椭圆，如图4所示，损伤发生在椭圆上面， 当测试S0-Si，S0-Sj时，将会有2个椭圆，最后会发生交点，最后确定损伤发生在 椭圆交点位置的概率较大。
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