轨道车辆关键部件状态测试装置、系统及方法
阅读说明：本技术 轨道车辆关键部件状态测试装置、系统及方法 (Device, system and method for testing states of key components of railway vehicle ) 是由 高世萍 王光君 梁建英 彭畅 鞠增业 于 2021-05-06 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种轨道车辆关键部件状态测试装置、系统及方法,确定轨道车辆结构,分析车辆结构各部分服役条件,确定被测点和相应的被测参数；按照被测点和被测参数,确定采集模块类型、数量和布设位置,形成布设方案；获取布设方案中的各采集模块的采集数据,对采集数据进行分类处理,得到测试结果；对测试结果进行分析,去除测试结果中不符合要求的采集模块,优化布设方案,利用优化后的布设方案对轨道车辆关键部件进行状态测试。本发明能够实现对关键结构的运行状态进行监控,及时发现异常信息,保证轨道车辆的安全运行。(The utility model provides a rail vehicle key component state testing device, system and method, confirm rail vehicle structure, analyze each part service condition of vehicle structure, confirm measured point and corresponding measured parameter; determining the type, the number and the layout position of the acquisition modules according to the measured points and the measured parameters to form a layout scheme; acquiring the acquired data of each acquisition module in the layout scheme, and classifying the acquired data to obtain a test result; and analyzing the test result, removing the acquisition modules which do not meet the requirements in the test result, optimizing the layout scheme, and performing state test on the rail vehicle key components by using the optimized layout scheme. The invention can realize monitoring of the running state of the key structure, discover abnormal information in time and ensure the safe running of the rail vehicle.)
技术领域
本公开属于轨道车辆测试
技术领域
，具体涉及一种轨道车辆关键部件状态测试装置、系统及方法。背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
背景技术
信息，不必然构成在先技术。近几年，光纤光栅传感作为一种崭新的技术快速发展起来。光纤光栅传感器因其光敏性，使其具备动态监测范围宽、灵敏度高等特点，此外，其光信号传输距离长，抗电磁干扰强从而克服了传统传感器的缺陷。随着光纤光栅制作工艺的不断改进，使得光纤光栅具有体积小、质量轻、结构设计灵活、封装工艺易于操作、同时可以实现温度、应变、位移等多参数的检测，也可以实现分布式测量的特点，因此光纤光栅传感技术成为设备关键结构状态实时监测的理想手段。
然而，据发明人了解，轨道车辆由于结构复杂、关键部件种类多，现有的光纤光栅检测系统，并不能适用于上述复杂情况，不能满足轨道车辆的载荷动应力应变检测需求。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种轨道车辆关键部件状态测试装置、系统及方法，本公开针对轨道车辆关键结构部件的状态监测需求，构造状态测试系统，对轨道车辆关键承力结构部件在轨道车辆运行状态下的实时动应力、温度、载荷等信息进行监测，能够实现对关键结构的运行状态进行监控，及时发现异常信息，保证轨道车辆的安全运行。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
本公开的第一目的是提供一种轨道车辆关键部件状态测试方法，包括以下步骤：
确定轨道车辆结构，分析车辆结构各部分服役条件，确定被测点和相应的被测参数；
按照被测点和被测参数，确定采集模块类型、数量和布设位置，形成布设方案；
获取布设方案中的各采集模块的采集数据，对采集数据进行分类处理，得到测试结果；
对测试结果进行分析，去除测试结果中不符合要求的采集模块，优化布设方案，利用优化后的布设方案对轨道车辆关键部件进行状态测试。
作为可选择的实施方式，确定轨道车辆结构，分析车辆结构各部分服役条件，确定被测点的方式选用以下几种方式中的至少一种：
(1)通过对轨道车辆承载部件仿真计算分析，将静应力超过设定阈值的部位考虑为易失效部位，作为被测点；
(2)通过分析连接部位的局部结构，将存在超过预定阈值应力集中的部位考虑为易失效部位，作为被测点；
(3)根据承载结构的振动特性，结合线路激扰情况确定结构上动态变形集中的部位，结合车辆运行中可能承受超过阈值的动载荷的部位，考虑为易失效部位，作为被测点；
(4)获取同类型轨道车辆在以往疲劳试验和运用中曾出现过疲劳裂纹的部位，考虑为易失效部位，作为被测点。
作为进一步的限定，确定被测点和相应的被测参数的具体过程包括：根据被测点的选用路径，确定该被测点的被测参数为载荷或/和动应力相关参数。
作为可选择的实施方式，按照被测点和被测参数，确定采集模块类型、数量和布设位置包括以下要求：
(1)针对静应力超过设定阈值的部位和超过预定阈值应力集中的部位，布置光纤应变传感器；
(2)针对动态变形集中部位、超过设定阈值动载荷部位和曾出现过疲劳裂纹的部位，布置光纤应变传感器和光纤加速度传感器；
(3)每个测试部位均布置光纤温度传感器；
(4)相距距离小于设定值的传感器之间布置为串联形式。
作为可选择的实施方式，形成布设方案时，针对温度和应变测量范围需要，利用串联式多参量光纤光栅传感器阵列进行测试，所述阵列包括安装在各被测点的温度传感器、应变传感器和加速度传感器。
作为可选择的实施方式，形成布设方案时，针对轨道车辆检测环境要求，对各传感器和连接光缆进行封装和保护。
作为进一步的限定，保护措施包括：用固定件将光缆进行初步固定，用保护涂料对光缆、传感器进行多次涂覆保护；
在传感器外侧设置保护套。
作为可选择的实施方式，对采集数据进行分类处理的过程包括对温度传感器、应变传感器和加速度传感器的若干种采集数据进行分别处理。
作为进一步的限定，对于温度传感器的采集数据，利用移动平均滤波器进行低通滤波，将波长值转化为温度值；
对于应变传感器的采集数据，将波长值转化为应变值，计算测试部位的主应变值，结合材料弹性模量，将应变值转化为应力值，进行阈值比较，判断当前结构的载荷状态；
对于加速度传感器的采集数据，将波长值转化为加速度，利用巴特沃斯高通滤波器进行高通滤波，进行阈值比较，判断轨道车辆运行是否产生过载振动，进行频谱分析，获得振动频率分布曲线。
作为可选择的实施方式，对测试结果进行分析，优化布设方案的具体措施包括以下措施中的至少一种：
分析失效采集模块的失效原因，去除失效采集模块或选择类型和防护方式相匹配的采集模块进行对应位置的替换安装；
去除应变或振动信号小于设定阈值部位处的采集模块；
在出现结构损伤或应力集中的未检测部位，增设采集模块；
针对被测位置的信号数值范围，替换采集范围、精度或/和灵敏度相匹配的采集模块进行采集。
本公开的第二目的是提供一种轨道车辆关键部件状态测试装置，包括：
被测点确定模块，被配置为确定轨道车辆结构，分析车辆结构各部分服役条件，确定被测点和相应的被测参数；
初步布设模块，被配置为按照被测点和被测参数，确定采集模块类型、数量和布设位置，形成布设方案；
测试结果获取模块，被配置为获取布设方案中的各采集模块的采集数据，对采集数据进行分类处理，得到测试结果；
分析优化模块，被配置为对测试结果进行分析，去除测试结果中不符合要求的采集模块，优化布设方案。
本公开的第三目的是提供一种轨道车辆关键部件状态测试系统，包括采集系统和上述测试装置，所述采集系统包括多个采集模块，所述采集模块按照所述测试装置确定的优化后布设方案进行布设，并进行轨道车辆关键部件状态测试。
本公开的第四目的是提供一种轨道车辆关键部件状态测试系统，包括采集系统和工控机，所述采集系统包括多个采集模块，所述采集模块与工控机连接，所述工控机被配置为执行上述方法，按照优化后的布设方案采集相关位置处的采集模块的参数。
所述系统还包括定位模块，用于获取轨道车辆的运行位置信息和/或速度信息。
所述采集模块是温度传感器、应变传感器和加速度传感器中的至少一种，与多通道解调仪连接，所述多通道解调仪与工控机连接。
所述温度传感器、应变传感器和加速度传感器为光纤光栅传感器。
所述采集模块包括光纤光栅和柔性保护外壳，所述柔性保护外壳用于保护位于其内侧的光纤光栅，所述柔性保护外壳设置有涂层。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开基于光纤光栅传感技术的结构状态实时在线检测技术研究，能够实现对轨道交通装备的关键部件进行服役载荷和动应力检测。
本公开利用优化方法，可以构建适应工程化应用的轨道车辆关键结构状态实时在线监测系统，可以有针对性的对于必要测试区域进行重点测试，得到最优布设方案，解决高速轨道车辆关键部件结构复杂难以部署、电磁干扰等恶劣环境影响等问题。
本公开通过对轨道车辆承载部件仿真计算分析，将静应力较大的部位考虑为易失效部位，这些部位静应力较大，可能成为抵抗疲劳破坏的薄弱部位，针对动态变形集中部位、较大动载荷部位和曾出现过疲劳裂纹的部位，布置光纤应变传感器和光纤加速度传感器，每个测试部位均布置光纤温度传感器，能够有效采集轨道车辆承载部位相应信息，保证状态分析的准确性。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本实施例的轨道车辆关键部件载荷动应力在线监测系统架构；
图2是本实施例的轨道车辆关键部件载荷及动应力测试流程示意图。
具体实施方式
：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
如图1所示，本实施例提供了一种适用于轨道车辆的载荷及动应力测试系统，围绕高速轨道车辆的载荷动应力应变检测需求，基于光纤光栅传感网络技术，搭建高速轨道车辆关键部件载荷及动应力在线监测系统，监测系统由解调仪、多通道光纤传感器、控制计算机和定位模块组成，其中多通道光纤传感器安装在被测对象表面，解调仪、计算机和定位模块位于车厢内部，传感器与解调仪之间采用铠装光缆连接。
当然，针对轨道车辆检测环境，所述传感器的封装和光缆布设方式具备防振、防尘、防水功能。
在本实施例中，围绕关键部件检测指标需求及传感器布置方案，设计专用光纤光栅传感器与集成网络。
研究光纤光栅测量的交叉敏感机制，设计光纤光栅动态应变传感器，该传感器由光纤光栅和橡胶保护外壳组成，其中光纤光栅为敏感元件，橡胶保护外壳起到保护作用；
针对温度、应变等测量范围需求，采用满足高低温、大应变范围的串联式多参量光纤光栅传感器阵列，该阵列包括温度传感器、应变传感器和加速度传感器，分别用来检测温度、应变和加速度信息；
针对轨道车辆检测环境，设计具备防振、防尘、防水功能的传感器封装和光缆布设方式，保护方式为：首先，用捆线扎板和扎带将光缆进行初步固定；然后，用RTV单组份室温硫化硅橡胶对光缆、传感器进行涂覆保护，需要进程三次涂覆，每次涂层厚度为1～3mm。
考虑轨道车辆运行环境振动强、温度变化大等特点，光纤光栅解调仪选用全静态、高速、多通道、高精度的，以实现应变及载荷信息的高速高精度采集。
与此同时，在部分实施例中，还包括定位模块，利用GPS/北斗/GLONASS定位技术，实现轨道车辆运行位置信息、速度信息的实时获取，为轨道车辆结构应力及载荷状态的分析提供多维数据支撑。
当然，在其他实施例中，定位模块可以选用其他定位技术的相应模块，只要能够获取轨道车辆运行位置信息、速度信息即可。
控制计算机用于实现数据采集、预处理、显示和存储等功能，该软件系统高速采集应变、温度、载荷、定位和速度等多参量信息，并对对数据进行预处理和可视化曲线显示，同时实时保存当前的多参量数据，为后续数据库构建和数据离线处理提供数据基础。
根据监测系统需求，控制计算机具有可视化的人机交互平台，可以实现数据的实时读取、处理、显示与存储，利用控制计算机与解调仪的通讯，实时控制解调仪参数，并获取传感器中心波长数据；控制计算机与GPS/北斗定位模块通讯，实时获取轨道车辆位置与运行速度信息；在人机交互平台的显示器上实时显示轨道车辆关键部件动应力数据、轨道车辆位置和速度信息，并进行曲线显示；控制计算机具备数据实时保存功能，数据保存为txt或x l s格式。
在部分实施例中，传感器也可以选用其他类型的传感器，在本实施例中，传感器选用光纤光栅传感器的优点在于，光纤光栅传感器因其光敏性，使其具备动态监测范围宽、灵敏度高等特点，此外，其光信号传输距离长，抗电磁干扰强从而克服了传统传感器的缺陷。随着光纤光栅制作工艺的不断改进，使得光纤光栅具有体积小、质量轻、结构设计灵活、封装工艺易于操作、同时可以实现温度、应变、位移等多参数的检测，也可以实现分布式测量的特点。
本实施例利用测试系统，对轨道车辆关键承力结构部件在轨道车辆运行状态下的实时动应力、温度、载荷等信息进行监测，对关键结构的运行状态进行监控，及时发现异常信息，保证轨道车辆的安全运行。
如图2所示，具体传感器位置的设置，以及测试过程包括以下步骤：
(1)轨道车辆易失效部位判断：
通过仿真和实际轨道车辆运营经验，确定已失效部位，包括以下4类易失效部位：
①通过对轨道车辆承载部件仿真计算分析，将静应力较大的部位考虑为易失效部位，这些部位静应力较大，可能成为抵抗疲劳破坏的薄弱部位；
②通过分析连接部位的局部结构，将存在较大应力集中的部位考虑为易失效部位；
③根据承载结构的振动特性，结合线路激扰情况确定结构上动态变形较集中的部位，结合车辆运行中可能承受较大动载荷的部位，考虑为易失效部位；
④调查分析结构在疲劳试验和实际运用中曾出现过疲劳裂纹的部位，把这些部位考虑为易失效部位。
(2)传感器布置：
基于易发损伤部位的结构特点、结构重要程度，结合光纤光栅传感技术特点，合理设计传感器布置方式。
①针对静应力较大的部位和较大应力集中的部位，布置光纤应变传感器；
②针对动态变形集中部位、较大动载荷部位和曾出现过疲劳裂纹的部位，布置光纤应变传感器和光纤加速度传感器；
③每个测试部位均布置光纤温度传感器。
④位置相近安装的传感器可布置为串联形式，减少光缆走线。
(3)信号分析：
根据结构检测指标需求、传感器布置方式和传感器自身特点，进行检测信号预处理和分析，方法包括：
①温度传感器信号处理，处理方法为：首先，利用移动平均滤波器进行低通滤波，数据长度可设置为1s；然后，根据传感器计算公式，将波长值转化为温度值；
②应变传感器信号处理，处理方法为：首先，根据应变传感器计算公式，将波长值转化为应变值；然后，计算测试部位的主应变值；再次，结合材料弹性模量，将应变值转化为应力值；最后，进行阈值比较，判断当前结构的载荷状态。
③加速度传感器信号处理，处理方法为：首先，根据加速度传感器计算公式，将波长值转化为加速度；其次，利用巴特沃斯高通滤波器进行高通滤波，截止频率设置范围1～100Hz；再次，进行阈值比较，判断轨道车辆运行是否产生过载振动；最后，进行频谱分析，获得振动频率分布曲线。
(4)根据实测数据分析结果对传感器系统进行修正或调整
利用开发的载荷动应力应变检测系统，针对在线运营高速轨道车辆进行线路运行试验，测试车辆关键承载部件的载荷及动应力数据并进行分析，根据分析结果对系统进行修正或调整，方法为：
①传感器失效：分析传感器失效原因，根据失效原因，选择合适的传感器类型和防护方式进行替换安装。
②传感器布置优化：对在长期测试中应变及振动信号比较小的部位，在后续的系统设计中可以去掉该测试部位；在长期测试中，在未检测部位若出现结构损伤或应力集中的，应将该部位增设为检测部位。
③传感器指标优化。根据被测传感器数值范围，进一步优化传感器指标，针对具体检测部位，在后续的系统设计中选择合适测量范围、精度和灵敏度的传感器。
④系统指标优化。根据被测信息的频率范围和数值范围，对数据采集的时机和采集频率进行优化。
综上，本实施例以轨道车辆关键承载部件载荷与动应力响应研究目标，将先进的结构健康监测与安全评估理念与技术引入到高速轨道交通装备领域，采用光纤光栅传感技术，研发车载传感器、解调设备、数据处理与通讯软件等，解决高速轨道车辆关键部件结构复杂难以部署、电磁干扰等恶劣环境影响等问题，构建适用于高速轨道车辆关键结构状态在线监测相关的方法、系统与技术体系。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。