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[官方发布] 2017远东论文精选:钢轨损伤的无线传感网络监测系统

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发表于 2017-12-4 16:01:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
最近十几年,我国对列车连续实施了6次大的提速,这在世界铁路史上也很罕见。但是,列车提速的同时也带来了很大的安全隐患。而且,随着高速列车行车密度的增加和运行速度的提高,以及重载货运线路载重量的增加,钢轨损伤和故障发生的概率也大量增加,这些损伤如果不能被及时发现,可能会引起列车的运行故障,造成不可估量的损失。

timg (2).jpg

目前,对钢轨的检测已经逐渐形成了一个新的研究方向。钢轨的检测目前采用的主要技术有超声、电磁、磁粉、涡流等,但是这些方法还很难对轨道的特殊部位(如轨腰、轨底、道岔轨头等)实现完全检测,同时大多数的无损检测方法也无法实现对检测部位的实时监控。

结构健康监测

是利用现场的无损传感技术,通过对包括结构响应在内的结构系统特性进行分析,达到检测结构损伤或退化、制定延长结构寿命策略的目的。

近些年来,随着科技发展以及结构设计的复杂化、智能化,结构健康监测也向着结构损伤检测、损伤定位等的方向发展。目前,基于Lamb波的损伤检测方法已经被广泛应用于结构健康监测中。结构健康监测的实现都是以布置的传感器能准确采集和传输实时数据为基础和前提的,传统的结构健康监测系统数据的采集都是采用有线传感器的方法来实现的,这种方法往往使得监测网络布线量大、安装和维护费用高、可靠性差。随着传感技术、无线通信技术的发展,无线网络传感技术也得到了发展,并能够克服有线传感网络的布线量大、维护费用高等不足,在实际应用中具有重要的意义。
南京航空航天大学和纽卡斯尔大学的研究人员合作,将无线传感网络技术应用于钢轨的结构健康监测中,结合物联网和结构健康监测技术搭建了钢轨损伤监测系统。

基本原理

整个系统为主动式结构健康监测系统,通过在钢轨轨腰上粘贴压电阵列,对其中一个压电片进行激励,导波在钢轨上传播时遇到缺陷后,其散射特性和频谱特性等都会发生改变,在另外的压电片接收点接收的波形也会发生改变,提取出其中的差异规律即可对损伤进行分析。就算结构仅有非常微小的变化,接收点的探测信号的变化都会以一定规律展现出来。同时,钢轨作为波导弹性介质,具有良好的声导特性,导波在钢轨中也可以传播很长的距离。

结构健康监测系统

整个结构健康监测系统由5个部分组成:
  • 供电系统
  • 压电阵列
  • 传感器节点
  • 协调器节点
  • PC机

无损检测2017111.jpg
无线结构健康监测系统框图

仿真试验

仿真部分主要分为二维截面和三维结构的分析,分析对象为道岔中容易发生损伤的尖轨。对试验钢轨进行测量,再结合国家钢轨标准进行钢轨的建模,并在轨头处添加损伤位置。


无损检测2017112.jpg
尖轨模型
无损检测2017113.jpg
损伤及PZT的布置示意

在仿真试验中,钢轨轨腰处相距10cm处设置了接收点和激励点,激励点上加Lamb波激励信号。对激励点施加相同激励信号的情况下,分别对两点之间无损伤,宽0.4cm、高0.1cm、长度分别为2、3、4、6cm损伤的情况进行试验,对获得的数据进行相应处理,得到的结果如下图所示:

无损检测2017116.jpg
不同长度损伤接收信号

在图中的椭圆虚线标注的地方可以明显发现:无损以及其他不同长度损伤的接收信号在此处有明显的差异,无损伤情况下的接收信号的幅值小于有损伤情况下的幅值;而在有损伤情况下的接收信号中,其信号的幅值随着损伤长度的增大而增大,这为损伤的判别提供了依据。

无损检测2017114.jpg
试验现场

试验现场所选用的钢轨长度约为1m,在钢轨轨腰的位置用耦合剂粘贴了两个压电片,在两个压电片中间位置的轨头上同样用耦合剂粘贴不同长度的损伤,损伤材料为复合材料。在上图中的相应位置处依次标记了传感器节点、协调器节点、DSP、调理电路以及PC(计算机),整个试验的条件与仿真试验的条件相同。

试验采用基于Lamb波的结构健康监测技术损伤识别方法的波传播检测法,使用两片压电片,一片作为发送器,另一片作为接收器,发送器产生Lamb波并沿着结构传播,Lamb波在传播过程中遇到各类缺陷或者损伤会发生波形的变化,然后通过压电效应,在接收器上接收到电信号,最后通过分析处理此电信号,提取出能够用来识别损伤的信号。

在现场试验中,给左边的压电片一个40kHz频率的Lamb波激励信号,右边的压电片接收相应的信号。对不粘贴损伤、粘贴2、3、4、6cm损伤的情况分别进行试验。

将得到的数据经过消除串扰及噪声信号后的处理结果如下图所示,对比其中的不同损伤条件下接收信号的幅值。在椭圆虚线标注出来的位置上,不同损伤幅值大小出现明显的区别,其所有损伤信号幅值变化的趋势基本与仿真试验的趋势相同,在幅值具体大小上存在差别,这与硬件自身的精度有关。

无损检测2017115.jpg
不同损伤试验结果

为了进一步分析每种损伤的情况,对采集到的噪声、无损伤和2、3、4、6cm损伤的信号进行快速傅里叶变换(FFT),通过观察其频谱图来分析其中的差别。

无损检测2017117.jpg
不同损伤的快速傅里叶变换结果

在图(a)的干扰信号频谱中可以看出:干扰信号主要为低频谐波信号以及一个频率约为40kHz的串扰(在重构信号曲线时应该将干扰信号滤除)。

图(b)~(f)中,在频率40kHz左右都有一个较大的幅值,这与试验所用的激励Lamb波频率相同。在其余无损伤和添加人工损伤信号的频谱图中,在最高频率处的幅值都随着添加损伤长度的增加而不断减小,说明长度越长的损伤对信号的散射越强,这使得接收到的信号越弱。通过对不同频谱的分析可以用来判断损伤程度的大小。

为了直观显示不同长度损伤的接收幅值大小,通过MATLAB软件对得到的损伤信号在40kHz处的峰值幅值进行拟合,从拟合的曲线可以更直观地观察出接收信号的幅值与损伤长度变化的关系。


无损检测2017110.jpg

不同长度损伤幅值拟合曲线


试验验证了不同长度的损伤对接收信号的影响,结果表明:该硬件试验系统可以用来判别不同长度的损伤,并且和预期的仿真试验结果基本相符。

本文作者:王文皞,南京航空航天大学硕士研究生,主要从事结构健康监测研究工作。
节选自《无损检测》2017年第39卷第11期


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