高速動(dòng)車組車體智能涂層監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

滕樂天

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

隨著運(yùn)營速度提升和數(shù)量的增加，如何有效預(yù)防高速動(dòng)車組運(yùn)營期間安全事故的發(fā)生，是設(shè)計(jì)和維護(hù)期間重點(diǎn)考慮的問題。加強(qiáng)對(duì)列車關(guān)鍵部件的監(jiān)控，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前對(duì)有故障趨勢(shì)的部件進(jìn)行維修與更換，可有效提高列車運(yùn)行安全。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一種有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)Ω咚倭熊囓圀w及構(gòu)件實(shí)施損傷監(jiān)測(cè)和識(shí)別，通過分析規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳感器上傳的數(shù)據(jù)判斷高速列車車體及構(gòu)件隨運(yùn)營時(shí)間及環(huán)境的變更產(chǎn)生的變化，篩選故障敏感特征值并通過程序計(jì)算推斷高速列車關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保證列車安全運(yùn)營。

目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展速度勢(shì)頭迅猛，包括光線法、聲發(fā)射、應(yīng)變片、渦流檢測(cè)、智能涂層等，其中智能涂層監(jiān)測(cè)技術(shù)(ICMS)可直接有效地觀察到結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，并可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)利用智能涂層所具有的變電阻性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，其原理為當(dāng)涂層涂裝完畢后，在系統(tǒng)內(nèi)可得到一個(gè)穩(wěn)定的電阻值；當(dāng)被監(jiān)測(cè)部件產(chǎn)生損傷或損傷擴(kuò)展時(shí)，智能涂層隨部件受損，電阻值產(chǎn)生變化，經(jīng)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，分析推斷出損傷的數(shù)量及形態(tài)，建立電阻值與損傷狀態(tài)之間的關(guān)系，通過電阻值的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。智能涂層監(jiān)測(cè)技術(shù)可對(duì)部件狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，在損傷初生期及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并對(duì)損傷位置進(jìn)行檢測(cè)，使整個(gè)部件在運(yùn)營使用過程中處于可監(jiān)測(cè)狀態(tài)，為高速列車的安全、維護(hù)提供可靠依據(jù)；與其他結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，具有準(zhǔn)確度高、覆蓋面廣、適用復(fù)雜結(jié)構(gòu)、安全、性價(jià)比高等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

本文在高速列車車體枕梁上預(yù)制損傷，在模擬實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)的基礎(chǔ)上，增大加載載荷并提高加載頻率，進(jìn)行為期10天的臺(tái)架加速試驗(yàn)，然后采用ICMS技術(shù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探索驗(yàn)證ICMS技術(shù)在高速列車行業(yè)的應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

我們采用ICMS技術(shù)對(duì)高速列車車體枕梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探索其在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用方向，為全面監(jiān)測(cè)高速列車安全性能提供合理解決方案。枕梁作為主要承載構(gòu)件，采用鋁合金材料制成，為車體中的典型構(gòu)件，因此選用車體枕梁為試驗(yàn)對(duì)象。

試驗(yàn)采用的加載設(shè)備為結(jié)構(gòu)件靜強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)臺(tái)；測(cè)試設(shè)備選用ICMS損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由1個(gè)LJQ-1A損傷監(jiān)測(cè)處理器；8個(gè)LCQ-1A損傷監(jiān)測(cè)采集器；10組共64個(gè)通道LGQ-X損傷監(jiān)測(cè)傳感器；一套試驗(yàn)電纜總成；一套監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)等組成。

試驗(yàn)采用的主要參數(shù)如表1所示。

表1 ICMS試驗(yàn)參數(shù)

(1)車體枕梁監(jiān)測(cè)部位布局。

在車體枕梁中選取10個(gè)部位，預(yù)制損傷，編碼為8個(gè)區(qū)域，圖號(hào)分別為1T-8T，如圖1所示。

圖1 損傷監(jiān)測(cè)部位分布圖

圖2 四、五單元傳感器

(2)ICMS系統(tǒng)傳感器分布。

按照部位和區(qū)域的不同要求，將傳感器進(jìn)行安裝固定，并按照線路圖(如圖6所示)連接，并進(jìn)行ICMS的安裝調(diào)試，確保系統(tǒng)運(yùn)行良好。

①1T、2T、3T區(qū)域傳感器分布(如圖2所示)。

1T、2T、3T區(qū)域傳感器每組分別由6片四單元傳感器和2片五單元傳感器組成。例：1T-1和1T-8為五單元傳感器，1T-2——1T-7為四單元傳感器。2T、3T區(qū)域傳感器組排列同1T。

②4T、5T區(qū)域傳感器分布(如圖3所示)。

4T、5T區(qū)域傳感器組分別由上下兩個(gè)4片六單元傳感器組成。

③6T區(qū)域傳感器分布(如圖4所示)。

6T區(qū)域傳感器組分為上下2個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，上下兩組分別由4個(gè)傳感器組成。

圖3 6單元傳感器

圖4 R28—1單元×4傳感器

④7T、8T區(qū)域傳感器(如圖5所示)。

7T、8T區(qū)域傳感器組分為左右2個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每個(gè)區(qū)域由8個(gè)3單元傳感器組成。

⑤ICMS損傷檢測(cè)系統(tǒng)線路圖(如圖6所示)。

圖5 R40—3單元傳感器

圖6 疲勞試驗(yàn)點(diǎn)系統(tǒng)連接圖

(a)8T區(qū)域損傷形貌

(b)損傷擴(kuò)展曲線(1.5mm-3.5mm)

將ICMS系統(tǒng)調(diào)試并確認(rèn)運(yùn)行良好，為減少監(jiān)測(cè)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率，在模擬實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)的基礎(chǔ)上，增大加載載荷并提高加載頻率，進(jìn)行為期10天的臺(tái)架加速試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在貼裝傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)，在8T區(qū)域監(jiān)測(cè)到預(yù)制損傷的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，損傷最終形貌如圖7(a)所示，該區(qū)域預(yù)制損傷由1.5mm生長(zhǎng)至3.5mm的擴(kuò)展曲線如圖7(b)所示，擴(kuò)展時(shí)間為13.25小時(shí)，損傷平均擴(kuò)展速率為0.15mm/h。

2 結(jié)果分析

ICMS損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的8個(gè)區(qū)域，經(jīng)探傷檢查發(fā)現(xiàn)8T區(qū)域產(chǎn)生的損傷與探傷檢測(cè)結(jié)果相吻合。結(jié)果證明：該系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)車體枕梁預(yù)制損傷的擴(kuò)展變化趨勢(shì)。根據(jù)不同部位和區(qū)域的預(yù)制損傷擴(kuò)展速率不同，可以推斷預(yù)制損傷擴(kuò)展形式并采取針對(duì)性的預(yù)防維護(hù)措施。在現(xiàn)階段采用的目視觀察的基礎(chǔ)上，提供了具備自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能的手段，有利于及時(shí)準(zhǔn)確的判定損傷產(chǎn)生的時(shí)機(jī)及變化趨勢(shì)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

在保證安全運(yùn)營的要求下，對(duì)高速動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的損傷進(jìn)行ICMS法監(jiān)測(cè)，收集、處理、分析數(shù)據(jù)，評(píng)估車體壽命，為車體損傷監(jiān)測(cè)提供可靠的技術(shù)支持；構(gòu)建車體安全性評(píng)價(jià)和試驗(yàn)預(yù)測(cè)方法，為高速動(dòng)車組的檢測(cè)維修提供依據(jù)，從理論和方法兩個(gè)方面為高速動(dòng)車組檢修標(biāo)準(zhǔn)的制定提供支持，研究出更適合我國現(xiàn)階段運(yùn)營狀況的高速動(dòng)車組檢修方法。

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