一种动车组车体枕梁的损伤监测装置及其监测结构的制作方法

本实用新型涉及车辆结构监测技术领域，具体涉及一种动车组车体枕梁的损伤监测装置及其监测结构。

背景技术：

目前，动车组运维普遍采用“运用检修+高级检修”的计划性维修辅以“在线监测”的安全保障体系，前者广泛运用超声、渗透等无损监测技术，后者主要监测电压、速度、温度等反映车辆运行指标的物理参数。

结构健康监测技术，通过分析传感网络采集到的信号，提取结构信息，判断结构的状态和完整性的技术，能够实时、在线、自动监测结构退化或损伤。国内外对结构健康监测技术在轨道车辆关键零部件结构的应用研究涉及的关键技术包括压电智能监测技术、声发射技术、光纤光栅状态监测技术、信号处理与状态识别技术、智能诊断与健康评估技术等。压电智能监测技术作为结构健康监测技术的一种，能够进行区域监测，易于与结构融合，在复合材料和金属结构损伤监测中应用广泛。

但现有技术中，通过压电换能器对结构损伤进行监测的方法中，由于监测环境多处于室内，环境条件相对稳定，因此没有考虑到温度对监测结果的影响，但温度的变化会使得结构出现热胀冷缩的现象，影响待监测结构内的波的传播，进而影响结构损伤监测的精度。

枕梁位于动车组车体的底架上，是车体承载的关键部件，为保障动车组运行的安全可靠，对枕梁的结构健康进行监测就显得尤为必要。动车组在运行过程中，由于外界环境温度的变化或者如列车运行时的处于工作状态的电器部件发热使得枕梁与动车组在停止状态下的枕梁的温度差别较大，因此，若采用压电换能器对枕梁进行损伤监测而不考虑温度的因素，其监测结果将存在较大的偏差，存在较大的安全隐患。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种动车组车体枕梁的损伤监测装置及其监测结构，通过压电换能器对枕梁的待监测区域进行监测，同时，增设了温度传感器，采用温度补偿的方式，削弱由于温度变化较大所产生的影响，提高监测结果的准确性，避免存在安全隐患。

为解决上述技术问题，本实用新型所提供的动车组车体枕梁的损伤监测装置的监测结构包括设于枕梁的待监测区域表面的监测单元；所述监测单元包括：温度传感器，用于监测所述待监测区域的温度，以对监测结果进行温度补偿；多个压电换能器，用于激发所述待监测区域表面以产生信号或采集信号，用于采集信号的所述压电换能器和与其对应的用于激发所述待监测区域表面以产生信号的所述压电换能器之间形成监测路径，且各所述监测路径包络所述待监测区域。

其中，待监测区域为枕梁的关键区域，如焊接区域、受力易发生集中的区域等，枕梁可包括多个待监测区域，各待监测区域的表面均设有监测单元。监测单元包括多个压电换能器，压电换能器既能作为作动器，用于激发所述待监测区域表面，利用其逆压电效应将电压激励信号转变为在枕梁结构传播的应力Lamb波(兰姆波)，即产生信号，同时，压电换能器又能作为传感器，用于采集信号，利用其压电效应将机械振动信号转变为电压信号输出，作为传感器的压电换能器和与其相对应的作为作动器的压电换能器之间能够形成监测路径，该监测路径近似椭圆形，具有一定的面积。同时，同一个压电换能器既可同时作为作动器和传感器，因此多个压电换能器之间可形成多条监测路径，并且多条监测路径将形成包络待监测区域的监测网，该监测网能够全面覆盖待监测区域，以对待监测区域的结构损伤情况进行全面监测。

同时，该监测单元还包括温度传感器，当压电换能器采集当前信号时，温度传感器同步采集当前温度，根据当前温度确定基准数据库内与该当前温度对应的当前基线信号，通过当前信号和当前基线信号计算损伤指数，判断该待监测区域的结构损伤情况。也就是说，在计算损伤指数时，对基线信号进行了温度补偿，有效地削弱由于温度变化较大对于压电换能器对损伤监测的影响，即便是环境温度发生改变，也不会影响监测结果的准确性，提高损伤监测结果的准确性，避免存在安全隐患。

可选地，各所述监测单元均包括聚酰亚胺薄膜，所述压电换能器和所述温度传感器均内嵌于所述聚酰亚胺薄膜中。

可选地，所述聚酰亚胺薄膜与所述待监测区域粘接固定。

可选地，所述待监测区域包括：

第一待监测区域，位于所述枕梁的腹板与贯通管之间的焊接区域；

第二待监测区域，位于所述枕梁的下盖板与中心销安装座之间的焊接区域；

第三待监测区域：位于所述腹板与牵引梁之间的焊接区域；

第四待监测区域：位于所述腹板与枕内纵梁之间的焊接区域。

可选地，设于所述第一待监测区域的所述监测单元中，所述压电换能器沿焊缝的上侧、左侧和右侧设于所述腹板。

可选地，设于所述第二待监测区域的所述监测单元中，所述压电换能器沿焊缝周向设有两圈，设于远离所述中心销安装座的外圈的压电换能器用于激发第二待监测区域以产生信号，设于靠近所述中心销安装座的内圈的压电换能器用于采集信号。

可选地，设于所述外圈的压电换能器的数量少于设于所述内圈的压电换能器的数量。

可选地，所述监测单元还包括三向加速度传感器，用于监测所述待监测区域的振动加速度，以对监测结果进行振动加速度补偿。

可选地，还包括湿度传感器，用于监测湿度情况，以对监测结果进行湿度补偿。

另外，本实用新型还提供了一种动车组车体枕梁的损伤监测装置，其包括如上所述的监测结构和控制器；所述控制器的内部存有基线信号与温度对应的基准数据库，其分别通过导线与所述温度传感器及各所述压电换能器连接，用于控制各所述压电换能器激发所述待监测区域以产生信号或采集当前信号，并通过基线法结合所述温度传感器所监测的当前温度对应的基线信号分析所述待监测区域的损伤情况。

控制器用于存储基准数据库，并控制作为作动器的压电换能器以特定的激励频率激发待监测区域以产生信号，并在控制作为传感器的压电换能器采集信号的同时，控制温度传感器采集当前温度，结合当前温度确定基准数据库内与该当前温度对应的基线信号，最后通过当前信号和当前基线信号计算损伤指数，判断该待监测区域的结构损伤情况。

该损伤监测装置与上述监测结构所取得的技术效果类似，为节约篇幅，在此不再赘述。

附图说明

图1是本实用新型实施例所提供的动车组枕梁的损伤监测装置的监测结构的安装结构示意图；

图2是图1中第一监测单元的结构示意图；

图3是图1中第二监测单元的结构示意图；

图4是图1中第三监测单元的结构示意图；

图5是图1中第四监测单元的结构示意图；

图6是图1中第五监测单元的结构示意图。

附图1-6中，附图标记说明如下：

1-枕梁，11-腹板，12-贯通管，13-下盖板，14-中心销安装座，15-牵引梁，16-枕内纵梁；

211-第一监测单元，212-第二监测单元，221-第三监测单元，222-第四监测单元，23-第五监测单元；24-压电换能器，25-聚酰亚胺薄膜。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1-6，图1是本实用新型实施例所提供的动车组枕梁的损伤监测装置的监测结构的安装结构示意图；图2是图1中第一监测单元的结构示意图；图3是图1中第二监测单元的结构示意图；图4是图1中第三监测单元的结构示意图；图5是图1中第四监测单元的结构示意图；图6是图1中第五监测单元的结构示意图。

本实用新型实施例提供了一种动车组车体枕梁1的损伤监测装置及其监测结构，该损伤监测装置包括监测结构和控制器，其中，如图1所示，监测结构包括设于枕梁1的待监测区域表面的监测单元，其中，待监测区域为枕梁1的关键区域，如焊接区域、受力易发生集中的区域等，枕梁1可包括多个待监测区域，各待监测区域的表面均设有监测单元。

监测单元包括温度传感器(图中未示出)和多个压电换能器24，控制器的内部存有基线信号与温度对应的基准数据库，其分别通过导线与温度传感器及各压电换能器24连接，其用于控制各压电换能器24激发待监测区域以产生信号或采集当前信号，并通过基线法结合温度传感器所监测的当前温度对应的基线信号分析待监测区域的损伤情况。

具体的，压电换能器24既能作为作动器，用于激发待监测区域表面，利用其逆压电效应将电压激励信号转变为在枕梁1结构传播的应力Lamb波(兰姆波)，即产生信号，同时，压电换能器24又能作为传感器，用于采集信号，利用其压电效应将机械振动信号转变为电压信号输出，作为作动器的压电换能器24和与其相对应的作为传感器的压电换能器24之间能够形成监测路径，该监测路径近似椭圆形，具有一定的面积。同时，同一个压电换能器24既可同时作为作动器和传感器，因此多个压电换能器24之间可形成多条监测路径，并且多条监测路径将形成包络待监测区域的监测网，该监测网能够全面覆盖待监测区域，以对待监测区域的结构损伤情况进行全面监测。

本实施例中，各压电换能器24的相对位置需要设定，而对于温度传感器的具体位置不做要求，只要其能准确监测待监测区域的温度即可。

控制器控制作为作动器的压电换能器24以特定的激励频率激发待监测区域以产生信号，并在控制作为传感器的压电换能器24采集信号的同时，同步控制温度传感器采集当前温度，并根据当前温度确定基准数据库内与该当前温度对应的当前基线信号，通过当前信号和当前基线信号计算损伤指数，判断该待监测区域的结构损伤情况。也就是说，在计算损伤指数时，对基线信号进行了温度补偿，有效地削弱由于温度变化较大对于压电换能器24对损伤监测的影响，即便是环境温度发生改变，也不会影响监测结果的准确性，提高损伤监测结果的准确性，避免存在安全隐患。

在上述实施例中，各监测单元均包括聚酰亚胺薄膜25，压电换能器24和温度传感器均内嵌于聚酰亚胺薄膜25中。安装时，先将压电换能器24和温度传感器布置于聚酰亚胺薄膜25中，各压电换能器24的位置及间距均固定后，将聚酰亚胺薄膜25固定于待监测区域表面即可，安装方便。聚酰亚胺薄膜25的化学性质稳定，其耐高温、耐腐蚀，且阻燃效果较好，而压电换能器24、温度控制器需通过导线与位于外侧的控制器连接，聚酰亚胺薄膜25的设置在便于走线的设计的同时，可对导线以及压电换能器24、温度传感器起到一定的防护作用。

本实施例中，将嵌有压电换能器24和温度传感器的聚酰亚胺薄膜25通过粘接的方式固定于待监测区域的表面，以便对其进行监测。当然，在本实施例中，对其固定方式并不做限制，也可以通过其它连接方式固定，如螺纹连接、铆接等，但通过粘接的方式固定相对于其它方式固定来说，不会对枕梁1结构做出改动，保证枕梁1结构的完整性，进而不会影响其强度和刚度。

在上述实施例中，枕梁1的待监测区域包括但不限于以下四个待监测区域：第一待监测区域：位于枕梁1的腹板11与贯通管12之间的焊接区域；第二待监测区域：位于枕梁1的下盖板13与中心销安装座14之间的焊接区域；第三待监测区域：位于腹板11与牵引梁15之间的焊接区域；第四待监测区域：位于腹板11与枕内纵梁16之间的焊接区域；各待监测区域分别设有监测单元。

其中，各待监测区域的监测单元中分别设有多个压电换能器24，并且多个压电换能器24之间形成的多条监测路径能够形成包络该待监测区域的监测网，并全面覆盖待监测区域，以便对各待监测区域的结构损伤情况进行全面的监测。因此，对于各待监测区域的压电换能器24的数量不做要求，理论上，数量越多监测的结果越全面，但若压电换能器24的间距过小，则不同的Lamb波可能会发生串扰的情况，因此，可根据各待监测区域的情况如能够布置压电换能器24的面积大小等情况进行具体设置。

枕梁1的上方与空气弹簧座连接，当该枕梁1承受空气弹簧座对其施加向下的压力时，枕梁1的上表面将发生弯曲，此时腹板11与贯通管12焊接处上侧焊缝的应力将大于下侧焊缝的应力。因此，设于第一待监测区域的监测单元设于压电换能器24沿焊缝的上侧、左侧和右侧设于腹板11上，也就是说，本实施例中的第一待监测区域为枕梁1腹板11和贯通管12之间的焊缝的中上部，其中，"上侧"是指该动车组枕梁1在安装过程中朝向车体的上方的一侧，以确保对应力集中较大的焊缝的监测。当然，在本实施例中，也可以将第一待监测区域设为腹板11与贯通管12之间的全部焊缝，即监测单元中的压电换能器24沿焊缝的周向布置。将压电换能器24沿焊缝的上侧、左侧和右侧设置的方案相对于沿焊缝的周向设置的方案来说，可在保证监测要求的情况下，减少压电换能器24的数量，降低成本。

本实施例中，设于第一待监测区域的监测单元包括第一监测单元211和第二监测单元212，第一监测单元211设于腹板11朝向牵引梁15的一侧，如图2所示，根据焊缝的位置及此处的具体结构进行布置；第二监测单元212设于腹板11朝向枕内纵梁16的一侧，同样是根据焊缝的位置及此处的具体结构进行布置，如图3所示。并且，第一监测单元211的数量为两个，关于中心销安装座14的前后方向的轴向对称，第二监测单元212的数量为两个，关于中心销安装座14的前后方向的轴向对称，其中，"前后方向"是指车体的前后方向。

下盖板13与中心销安装座14之间为搭接焊，本实施例中，沿焊缝的周向设有两圈压电换能器24，靠近焊缝的一圈为内圈(如图4和图5中的I所示)，远离焊缝的一圈为外圈(如图4和图5中的O所示)，设于外圈的压电换能器24作为作动器，发出Lamb波，该Lamb波经焊接区域反射，设于内圈的压电换能器24作为传感器，接收Lamb波，控制器通过分析所接收到的信号与与其对应的基线信号的变化，评估该第二待监测区域是否出现损伤以及损伤程度。

由于该第二待监测区域处的结构限制，焊缝朝向牵引梁15和枕内纵梁16处不便于压电换能器24的设置，因此，将设于第二待监测区域的监测单元也分为两部分，第三监测单元221和第四监测单元222。如图1所示，下盖板13的左右两侧设有第三监测单元221，下盖板13朝向牵引梁15的一侧设有第四监测单元222。具体的，第三监测单元221如图4所示，该第三监测单元221的A部分设于下盖板13上，B部分设于枕内纵梁16上，而第四监测单元222设于牵引梁15上。

作为传感器的压电换能器24和与其相对应的作为作动器的压电换能器24之间形成监测路径，其中，一个作动器可以对应一个传感器，也可以对应多个传感器，因此本实施例中，设于外圈的压电传感器的数量少于设于内圈的压电传感器的数量，也就是说，一个作动器(设于外圈的压电换能器24)可与两个或三个传感器(设于内圈的压电换能器24)对应，以第四监测单元222为例，如图5所示，作动器a对应传感器a1、a2和a3，作动器b对应传感器b1和b2，作动器c对应传感器c1和c2。当然，在本实施例中，各作动器所对应的传感器的数量也可以设置为相同，在此不做具体要求，只要能保证监测路径能够包络待监测区域即可。同时，将外圈的压电换能器24的数量减少，可在保证监测要求的情况下，减少压电换能器24的数量，降低成本。

设于第三待监测区域的监测单元为第五监测单元23，基于与第一监测单元211和第二监测单元212相同的压电换能器24的布置方法，该第五监测单元23的具体布置情况如图6所示，而第四待监测区域的监测单元布置情况与第三待监测区域的第五监测单元23相同。

上述实施例的监测单元还包括振动加速度传感器，用于监测所述待监测区域的振动情况，以对监测结果进行振动加速度补偿，避免由于待监测区域受振动应想较大发生变形等情况影响Lamb波的传播，进而保证监测结果的准确性。该三项加速度传感器也内嵌于聚酰亚胺薄膜25中。

另外，监测结构还包括湿度传感器，用于监测湿度情况，由于湿度可能影响压电换能器24的导电性能，因此，对监测结果进行湿度补偿，以削弱湿度对监测结果的影响，提高监测结果是准确性。同时，湿度还有可能影响聚酰亚胺薄膜25与枕梁1的粘接情况，设置湿度传感器有利于监测二者的粘接情况。

由于枕梁1的各待监测区域的振动情况可能不同，因此，各监测单元均包括一个振动加速度传感器，而各待监测区域的湿度则差别不大，因此，该监测结构可仅设有一个湿度传感器。另外，本实施例中，对于振动加速度传感器和湿度传感器的具体设置位置不做要求。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。