一种枕梁损伤监测方法、系统及装置与流程

本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种枕梁检测方法、系统及装置。

背景技术：

随着地铁运行速度的提高和承载能力的提升，对地铁车辆运行的安全性和可靠性提出了更高的要求。车体枕梁是连接车体底架和转向架的重要部件，承受较大的作用力和全车的重量，并通过上下心盘将重量传递给走行部，它同时还承受着垂向、纵向和扭转等交变载荷的作用，应力状况复杂，主要承载运行车辆载荷和车辆牵引力，复杂的应力状况及工作环境使得疲劳损伤成为枕梁的主要失效形式，其主要的表现形式是疲劳裂纹，疲劳裂纹的产生使枕梁的承载能力减弱，容易引发车辆事故，因此，为保证地铁车辆的行车安全，对车体枕梁损伤状态的检测方法研究是确保地铁运行安全的关键技术之一。

目前，各车辆段主要对地铁关键部件进行日常维修和定期检修，来确保列车的行车安全，主要采用的是无损检测技术，如电磁探伤、超声波探伤等，这些技术可以探测到结构的表面或内部的缺陷，从而保证结构的健康状态，但探测的都是在枕梁已发生明显故障后所探测的结果，且只是单一的监测枕梁是否发生故障，而不能探测到结构内部早期的损伤，不能精确判断损伤的位置与损伤严重程度等。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术不能精确判断枕梁损伤的位置与损伤严重程度的问题，提供一种枕梁损伤监测方法。

本发明采用的技术方案：

一种枕梁损伤监测方法，包括：

获取监测信号；

对所述监测信号进行第一次处理后与第一阈值进行比较，判断所述枕梁是否损伤；

若枕梁损伤，则对所述监测信号进行第二次处理后与第二阈值进行比较，若大于所述第二阈值，获取所述枕梁发生损伤时的数据区间，根据所述数据区间判断所述枕梁的损伤程度；

若枕梁损伤，则获取枕梁发生损伤时各部位对应的频率，将损伤时各部位对应的频率与正常枕梁各部位对应的频率进行比较，判断所述枕梁发生损伤的位置。

进一步地，判断所述枕梁是否损伤的方法包括：

利用时域特征参数函数处理所述监测信号，输出所述监测信号的时域特征参数的分析结果，所述时域特征参数包括均方根、正峰值、反峰值和峰峰值；

将选取的时域特征参数与所述第一阈值进行比较；

若选取的时域特征参数中有超过所述第一阈值时，则判断所述枕梁损伤。

进一步地，判断所述枕梁的损伤程度的方法包括：

利用经验模态分析法输出所监测信号的声音特性，然后对所述监测信号进行波形细化分析，输出时谱图波形；

将所述时谱图波形的变化趋势与所述第二阈值比较；

若所述时谱图波形超出所述第二阈值，则判定为损伤，然后通过emd的时域显示确定所述枕梁损伤发生时间，并结合时谱图波形和所述第二阈值确定所述枕梁发生损伤时的监测信号的频率范围；

将所述监测信号的频率范围与所述正常枕梁的监测信号频率范围进行对比，确定所述枕梁的损伤程度。

进一步地，判断所述枕梁发生损伤的位置的方法包括：

通过hilbert变换定义出任意时刻的瞬时频率，瞬时相位及瞬时幅度，找到短信号和复杂信号的瞬时参数，输出监测信号的解析信号；

通过小波包对所述监测信号进行分解和重构，结合小波包的时频显示和所述解析信号模组成的包络频谱，输出所述枕梁各部位发生损伤时对应的频率；

将损伤时对应频率与正常枕梁对应频率进行比较，确定枕梁的损伤位置。

进一步地，一种枕梁损伤监测方法还包括：

利用快速傅里叶变换处理所述监测信号，将时域信号转换为频域信号，并输出频谱图波形；

通过功率谱分析法输出所述枕梁监测信号波形的整体趋势，生成整体频谱图波形，可有效避免监测信号漏掉重要的特征信息；

将整体频谱图波形与第四阈值比较；

当整体频谱图波形超过第四阈值，进一步确定所述枕梁发生损伤。

本发明为了解决现有技术不能精确判断枕梁损伤的位置与损伤严重程度的问题，提供一种枕梁损伤监测系统。

一种枕梁损伤监测系统，包括：

信号获取模块，用于获取监测信号；

损伤判定模块，用于判定所述枕梁是否发生损伤；

损伤程度判断模块，用于判断所述枕梁的损伤程度；

损伤位置判断模块，用于判断所述枕梁的损伤位置。

进一步地，所述损伤判定模块包括：

时域特征参数分析单元，用于处理所述监测信号，输出所述监测信号的时域特征参数；

时域特征参数比较单元，用于将所述时域特征参数与第一阈值进行比较；

损伤判断单元，用于根据时域特征参数比较单元的结果判断枕梁是否损伤；

进一步地，所述损伤程度判断模块包括：

经验模态分析单元，用于所述监测信号进行波形细化，输出时谱图波形；

时谱图波形比较单元，用于将所述时谱图波形的变化趋势与所述第二阈值比较；

损伤程度判断单元，用于所述时谱图波形比较单元的比较结果判断所述枕梁的损伤程度；

进一步地，损伤位置判断模块包括：

hilbert变换模块单元，用于输出所述监测信号的解析信号；

小波包分解单元，用于输出枕梁各部位发生损伤时对应的频率；

损伤位置判断单元，用于将损伤时对应频率与正常枕梁对应频率进行比较，确定枕梁的损伤位置。

本发明为了解决现有技术不能精确判断枕梁损伤的位置与损伤严重程度的问题，提供一种枕梁损伤监测装置。

一种枕梁损伤监测装置，包括：

声发射传感器，所述声发射传感器安装在枕梁上；

声发射采集卡，所述声发射采集卡连接所述声发射传感器，接收所述声发射传感器传输的监测信号；

上位机，所述上位机分析所述监测信号，判断所述监测信号是否损伤、损伤程度及损伤位置。

进一步地，枕梁损伤监测装置还包括：

前置放大电路，所述前置放大电路连接所述声发射传感器，将所述声发射传感器监测信号进行放大，然后输出给所述声发射采集卡；

信号调理电路，所述信号调理电路连接所述声发射采集卡，对所述监测信号去噪并传输给所述上位机。

进一步地，枕梁损伤监测装置还包括传感器安装座，所述传感器安装座通过螺钉固定在所述枕梁上，所述声发射传感器设置在所述传感器安装座内，所述传感器安装座设置有开口，所述声发射传感器的一端通过所述开口连接所述枕梁，所述声发射传感器的另一端连接弹性元件，所述弹性元件固定在所述传感器安装座的底部。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过对监测信号分别进行多次处理，并将处理后的信号与正常枕梁的阈值进行比较，从而判断枕梁是否故障、故障的程度以及故障的位置，解决了本发明采用现有技术无法精确判断损伤位置及损伤程度的问题，本发明提高了枕梁故障监测的精确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的枕梁损伤监测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的判断枕梁是否损伤的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的判断枕梁损伤程度的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的判断枕梁损伤位置的方法流程图；

图5为本发明实施例提供的进一步确认枕梁是否损伤的方法流程图；

图6为本发明实施例提供的枕梁损伤监测装置的原理框图；

图7为本发明实施例提供的传感器安装座的示意图；

图8为本发明实施例提供的四阶高通滤波电路的电路图；

图9为本发明实施例提供的四阶低通滤波电路的电路图。

图中，1为枕梁，2为传感器安装座，21为螺钉，22为弹簧，3为声发射传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例提供一种枕梁1损伤监测方法的流程图，该监测方法通过声发射传感器3监测枕梁1的声波信号，然后经前置放大器放大后输出给声发射采集卡，之后传输至上位机对监测信号进行分析，具体地，本实施例提供的技术方案是基于labview设计，该枕梁1损伤监测方法包括：

获取监测信号；

对监测信号进行第一次处理后与第一阈值进行比较，判断枕梁1是否损伤；

若枕梁1损伤，则对监测信号进行第二次处理后与第二阈值进行比较，若大于第二阈值，获取枕梁1发生损伤时的数据区间，根据数据区间判断枕梁1的损伤程度；

若枕梁1损伤，则获取枕梁1发生损伤时各部位对应的频率，将损伤时各部位对应的频率与正常枕梁1各部位对应的频率进行比较，判断枕梁1发生损伤的位置。

进一步地，如图2所示，本实施例中判断枕梁1是否损伤的方法包括：

利用时域特征参数函数处理所述监测信号，输出所述监测信号的时域特征参数的分析结果，所述时域特征参数包括均方根、正峰值、反峰值和峰峰值；

将时域特征参数与第一阈值进行比较；

若选取的时域特征参数中有超过所述第一阈值时，则判断所述枕梁1损伤，则判断枕梁1损伤。

进一步地，如图3所示，本实施例中判断枕梁1的损伤程度的方法包括：

利用经验模态分析法对监测信号进行波形细化，输出时谱图波形；

具体地，利用经验模态分析法(emd)设计一段emd降噪程序，对所述监测信号进行进一步的降噪，滤除外界声音的干扰，得到所监测信号的声音特性，并对所述监测信号进行更好地波形细化分析，输出时谱图波形；

将时谱图波形的变化趋势与第二阈值比较；

若时谱图波形超出第二阈值，则判定为损伤，然后通过emd的时域显示确定所述枕梁1损伤发生时间，并结合时谱图波形和所述第二阈值确定所述枕梁1发生损伤时的监测信号的频率范围；

将监测信号的频率范围与正常枕梁1的数据进行对比，确定枕梁1的损伤程度。

进一步地，如图4所示，判断枕梁1发生损伤的位置的方法包括：

通过hilbert变换定义出任意时刻的瞬时频率，瞬时相位及瞬时幅度，找到短信号和复杂信号的瞬时参数，输出监测信号的解析信号；

具体地，通过希尔伯特(hilbert)变换使监测信号产生90°的相移，定义出任意时刻的瞬时频率，瞬时相位及瞬时幅度，找到短信号和复杂信号的瞬时参数，输出所述监测信号的解析信号，解析信号的实部即为监测信号的本体，虚部是通过希尔伯特变换得到的，并以解析信号的模作为监测信号的包络；

通过小波包对监测信号进行分解和重构，结合小波包的时频显示和解析信号模组成的包络频谱，输出枕梁1各部位发生损伤时对应的频率；

将损伤时对应频率与正常枕梁1对应频率进行比较，确定枕梁1的损伤位置。

优选地，如图5所示，为了进一步验证上述枕梁1损伤判断正确，本实施例还提供了另一种判断枕梁1是否损伤的方法，以便更精确的判断枕梁1是否存在损伤，具体地，本实施例提供的另一种判断枕梁1是否损伤的方法包括：

利用傅里叶变换处理监测信号，输出频谱图波形；

通过功率谱分析法输出枕梁1信号波形的整体趋势，生成整体频谱图波形；

将整体频谱图波形与第四阈值比较；

当频频谱图波形超过第四阈值，进一步确定枕梁1发生损伤。

本实施例提供了一种枕梁1损伤监测系统，用于上述的枕梁1损伤监测方法，包括：

信号获取模块，用于获取监测信号；

损伤判定模块，用于判定枕梁1是否发生损伤；

损伤程度判断模块，用于判断枕梁1的损伤程度；

损伤位置判断模块，用于判断枕梁1的损伤位置。

进一步地，损伤判定模块包括：

时域特征参数分析单元，用于处理监测信号，输出监测信号的时域特征参数；

时域特征参数比较单元，用于将时域特征参数与第一阈值进行比较；

损伤判断单元，用于根据时域特征参数比较单元的结果判断枕梁1是否损伤；

进一步地，损伤程度判断模块包括：

经验模态分析单元，用于监测信号进行波形细化，输出时谱图波形；

时谱图波形比较单元，用于将时谱图波形的变化趋势与第二阈值比较；

损伤程度判断单元，用于时谱图波形比较单元的比较结果判断枕梁1的损伤程度；

进一步地，损伤位置判断模块包括：

hilbert变换模块单元，用于输出监测信号的解析信号；

小波包分解单元，用于输出枕梁1各部位发生损伤时对应的频率；

损伤位置判断单元，用于将损伤时对应频率与正常枕梁1对应频率进行比较，确定枕梁1的损伤位置。

进一步地，本实施例提供的枕梁1损伤监测系统还包括枕梁1损伤确认模块，该枕梁1损伤确认模块包括：

傅里叶变换单元，用于处理监测信号，输出频谱图波形；

功率谱分析单元，用于输出枕梁1监测信号波形的整体趋势，生成整体频谱波形，将整体频谱波形与第四阈值比较，当频谱图的波形也超过第四阈值时，可进一步确认枕梁1已发生故障。

本实施例还提供了一种枕梁1损伤监测装置，用于上述的枕梁1损伤监测方法，包括：

声发射传感器3，声发射传感器3安装在枕梁1上；

声发射采集卡，声发射采集卡连接声发射传感器3，接收声发射传感器3传输的监测信号；

上位机，上位机分析监测信号，判断监测信号是否损伤、损伤程度及损伤位置。

进一步地，本实施例提供的枕梁1损伤监测装置还包括：

前置放大电路，前置放大电路连接声发射传感器3，将声发射传感器3监测信号进行放大，然后输出给声发射采集卡；

信号调理电路，信号调理电路连接声发射采集卡，对监测信号去噪并传输给上位机。

具体地，本实施例提供的前置放大器安装在声发射传感器3的后端，作用在于传输过程中提高传感器3所监测到的电压信号的信噪比，将信号进行放大，前置放大器具有三个可选择档位，分别为20db、40db和60db。

进一步地，如图7所示，本实施例提供的枕梁1损伤监测装置还包括传感器3安装座2，传感器3安装座2通过螺钉21固定在枕梁1上，声发射传感器3设置在传感器3安装座2内，传感器3安装座2设置有开口，声发射传感器3的一端通过开口连接枕梁1，声发射传感器3的另一端连接弹性元件，弹性元件固定在传感器3安装座2的底部，以便保证声发射传感器3与枕梁1接触面的稳定性以及便于可靠的接收监测信号，并且保证声发射传感器3在监测过程中保持相对静止。

具体地，本实施例中弹性元件采用弹簧22，当然也可以采用其他材料，对此不做过多限制。

进一步地，本实施例提供的声发射传感器3采用高灵敏度的压电陶瓷传感器3，选用型号为r15a，其频率范围在50khz至400khz，其中谐振频率为150khz。

进一步地，本实施例提供的信号调理电路包括四阶高通滤波电路和四阶低通滤波电路。

具体地，图8示出了本实施例提供的四阶高通滤波电路的电路图，该四阶高通滤波电路作用在于设定一个最低声波信号临界值，低于该临界值的监测信号将被阻隔、减弱，而高于该临界值的监测信号将通过信号调理电路进入枕梁1损伤监测系统。

具体地，图9示出了本实施例提供的四阶低通滤波电路，该四阶低通滤波电路作用在于设定一个最高声波信号临界值，高于该临界值的声波信号将被阻隔、减弱，而低于该临界值的信号将通过调理电路进入枕梁1损伤监测系统。

综上，本实施例提供的枕梁1损伤监测方法、系统及装置不仅可以监测枕梁1是否损伤，还可以判断枕梁1的损伤程度以及损伤位置，提高了枕梁1损伤监测的精确度，便于技术人员进行检修。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。