2017遠(yuǎn)東論文精選：鋼軌損傷的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

最近十幾年，我國(guó)對(duì)列車連續(xù)實(shí)施了6次大的提速，這在世界鐵路史上也很罕見。但是，列車提速的同時(shí)也帶來了很大的安全隱患。而且，隨著高速列車行車密度的增加和運(yùn)行速度的提高，以及重載貨運(yùn)線路載重量的增加，鋼軌損傷和故障發(fā)生的概率也大量增加，這些損傷如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)引起列車的運(yùn)行故障，造成不可估量的損失。

目前，對(duì)鋼軌的檢測(cè)已經(jīng)逐漸形成了一個(gè)新的研究方向。鋼軌的檢測(cè)目前采用的主要技術(shù)有超聲、電磁、磁粉、渦流等，但是這些方法還很難對(duì)軌道的特殊部位(如軌腰、軌底、道岔軌頭等)實(shí)現(xiàn)完全檢測(cè)，同時(shí)大多數(shù)的無損檢測(cè)方法也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)部位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

是利用現(xiàn)場(chǎng)的無損傳感技術(shù)，通過對(duì)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化、制定延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命策略的目的。

近些年來，隨著科技發(fā)展以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜化、智能化，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)也向著結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、損傷定位等的方向發(fā)展。目前，基于Lamb波的損傷檢測(cè)方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)都是以布置的傳感器能準(zhǔn)確采集和傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)和前提的，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集都是采用有線傳感器的方法來實(shí)現(xiàn)的，這種方法往往使得監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布線量大、安裝和維護(hù)費(fèi)用高、可靠性差。隨著傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)也得到了發(fā)展，并能夠克服有線傳感網(wǎng)絡(luò)的布線量大、維護(hù)費(fèi)用高等不足，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。

南京航空航天大學(xué)和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究人員合作，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于鋼軌的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)搭建了鋼軌損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

基本原理

整個(gè)系統(tǒng)為主動(dòng)式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在鋼軌軌腰上粘貼壓電陣列，對(duì)其中一個(gè)壓電片進(jìn)行激勵(lì)，導(dǎo)波在鋼軌上傳播時(shí)遇到缺陷后，其散射特性和頻譜特性等都會(huì)發(fā)生改變，在另外的壓電片接收點(diǎn)接收的波形也會(huì)發(fā)生改變，提取出其中的差異規(guī)律即可對(duì)損傷進(jìn)行分析。就算結(jié)構(gòu)僅有非常微小的變化，接收點(diǎn)的探測(cè)信號(hào)的變化都會(huì)以一定規(guī)律展現(xiàn)出來。同時(shí)，鋼軌作為波導(dǎo)彈性介質(zhì)，具有良好的聲導(dǎo)特性，導(dǎo)波在鋼軌中也可以傳播很長(zhǎng)的距離。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

整個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由5個(gè)部分組成：

• 供電系統(tǒng)
• 壓電陣列
• 傳感器節(jié)點(diǎn)
• 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)
• PC機(jī)
  

無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

仿真試驗(yàn)

仿真部分主要分為二維截面和三維結(jié)構(gòu)的分析，分析對(duì)象為道岔中容易發(fā)生損傷的尖軌。對(duì)試驗(yàn)鋼軌進(jìn)行測(cè)量，再結(jié)合國(guó)家鋼軌標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋼軌的建模，并在軌頭處添加損傷位置。

尖軌模型

損傷及PZT的布置示意

在仿真試驗(yàn)中，鋼軌軌腰處相距10cm處設(shè)置了接收點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)，激勵(lì)點(diǎn)上加Lamb波激勵(lì)信號(hào)。對(duì)激勵(lì)點(diǎn)施加相同激勵(lì)信號(hào)的情況下，分別對(duì)兩點(diǎn)之間無損傷，寬0.4cm、高0.1cm、長(zhǎng)度分別為2、3、4、6cm損傷的情況進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，得到的結(jié)果如下圖所示：

不同長(zhǎng)度損傷接收信號(hào)

在圖中的橢圓虛線標(biāo)注的地方可以明顯發(fā)現(xiàn)：無損以及其他不同長(zhǎng)度損傷的接收信號(hào)在此處有明顯的差異，無損傷情況下的接收信號(hào)的幅值小于有損傷情況下的幅值；而在有損傷情況下的接收信號(hào)中，其信號(hào)的幅值隨著損傷長(zhǎng)度的增大而增大，這為損傷的判別提供了依據(jù)。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)所選用的鋼軌長(zhǎng)度約為1m，在鋼軌軌腰的位置用耦合劑粘貼了兩個(gè)壓電片，在兩個(gè)壓電片中間位置的軌頭上同樣用耦合劑粘貼不同長(zhǎng)度的損傷，損傷材料為復(fù)合材料。在上圖中的相應(yīng)位置處依次標(biāo)記了傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、DSP、調(diào)理電路以及PC(計(jì)算機(jī))，整個(gè)試驗(yàn)的條件與仿真試驗(yàn)的條件相同。

試驗(yàn)采用基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)損傷識(shí)別方法的波傳播檢測(cè)法，使用兩片壓電片，一片作為發(fā)送器，另一片作為接收器，發(fā)送器產(chǎn)生Lamb波并沿著結(jié)構(gòu)傳播，Lamb波在傳播過程中遇到各類缺陷或者損傷會(huì)發(fā)生波形的變化，然后通過壓電效應(yīng)，在接收器上接收到電信號(hào)，最后通過分析處理此電信號(hào)，提取出能夠用來識(shí)別損傷的信號(hào)。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，給左邊的壓電片一個(gè)40kHz頻率的Lamb波激勵(lì)信號(hào)，右邊的壓電片接收相應(yīng)的信號(hào)。對(duì)不粘貼損傷、粘貼2、3、4、6cm損傷的情況分別進(jìn)行試驗(yàn)。

將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過消除串?dāng)_及噪聲信號(hào)后的處理結(jié)果如下圖所示，對(duì)比其中的不同損傷條件下接收信號(hào)的幅值。在橢圓虛線標(biāo)注出來的位置上，不同損傷幅值大小出現(xiàn)明顯的區(qū)別，其所有損傷信號(hào)幅值變化的趨勢(shì)基本與仿真試驗(yàn)的趨勢(shì)相同，在幅值具體大小上存在差別，這與硬件自身的精度有關(guān)。

不同損傷試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步分析每種損傷的情況，對(duì)采集到的噪聲、無損傷和2、3、4、6cm損傷的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，通過觀察其頻譜圖來分析其中的差別。

不同損傷的快速傅里葉變換結(jié)果

在圖(a)的干擾信號(hào)頻譜中可以看出：干擾信號(hào)主要為低頻諧波信號(hào)以及一個(gè)頻率約為40kHz的串?dāng)_(在重構(gòu)信號(hào)曲線時(shí)應(yīng)該將干擾信號(hào)濾除)。

圖(b)~(f)中，在頻率40kHz左右都有一個(gè)較大的幅值，這與試驗(yàn)所用的激勵(lì)Lamb波頻率相同。在其余無損傷和添加人工損傷信號(hào)的頻譜圖中，在最高頻率處的幅值都隨著添加損傷長(zhǎng)度的增加而不斷減小，說明長(zhǎng)度越長(zhǎng)的損傷對(duì)信號(hào)的散射越強(qiáng)，這使得接收到的信號(hào)越弱。通過對(duì)不同頻譜的分析可以用來判斷損傷程度的大小。

為了直觀顯示不同長(zhǎng)度損傷的接收幅值大小，通過MATLAB軟件對(duì)得到的損傷信號(hào)在40kHz處的峰值幅值進(jìn)行擬合，從擬合的曲線可以更直觀地觀察出接收信號(hào)的幅值與損傷長(zhǎng)度變化的關(guān)系。

不同長(zhǎng)度損傷幅值擬合曲線

試驗(yàn)驗(yàn)證了不同長(zhǎng)度的損傷對(duì)接收信號(hào)的影響，結(jié)果表明：該硬件試驗(yàn)系統(tǒng)可以用來判別不同長(zhǎng)度的損傷，并且和預(yù)期的仿真試驗(yàn)結(jié)果基本相符。

本文作者：王文皞，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究工作。

節(jié)選自《無損檢測(cè)》2017年第39卷第11期