基于Lamb 波的轉(zhuǎn)向架焊縫裂紋檢測(cè)技術(shù)研究

阮騰達(dá)

（廈門交測(cè)智能科技有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)是列車檢修的重要內(nèi)容之一。列車最重要的部件是走行部件，走行部起承載車體的作用，也因其直接與鋼軌接觸而受到的振動(dòng)最大，容易發(fā)生疲勞損傷。走行部焊接著多種支架、吊座等結(jié)構(gòu)件，這些結(jié)構(gòu)件根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)，特殊定制，均為不規(guī)則的異形件，生產(chǎn)過程可能存在焊接缺陷，運(yùn)行過程中可能存在局部應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)裂紋損傷，嚴(yán)重者影響行車安全，因此在地鐵列車架修及大修中均需要對(duì)構(gòu)架重要部件進(jìn)行焊縫檢測(cè)。據(jù)某主機(jī)廠公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在國(guó)產(chǎn)化西門子轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中，發(fā)現(xiàn)存在裂紋的占比8.22%，主要集中在端梁彎角、電機(jī)吊座焊接處等部位[1]。

目前列車走行部構(gòu)件的疲勞可靠性研究通常采用模擬計(jì)算、臺(tái)架試驗(yàn)和線路上的運(yùn)行試驗(yàn)等傳統(tǒng)模式，這些研究方法難以及時(shí)跟蹤設(shè)備的損傷程度，缺乏耦合復(fù)雜環(huán)境下的走行部機(jī)械構(gòu)件損傷的智能辨識(shí)方法與技術(shù)，難以及時(shí)滿足列車車輛安全運(yùn)營(yíng)的迫切需求?；趥鹘y(tǒng)檢測(cè)方法的計(jì)劃修難以在線診斷列車運(yùn)營(yíng)過程中的結(jié)構(gòu)損傷，而依靠人工檢查手段難以發(fā)現(xiàn)深層次的隱患，不能保障鐵路列車安全運(yùn)營(yíng)的要求。

因此，研究復(fù)雜情況下轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生機(jī)制、演化規(guī)律、辨識(shí)方法與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效智能感知與缺陷識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)的研究突破，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車機(jī)械結(jié)構(gòu)病害的檢測(cè)，判斷損傷的程度和位置，并對(duì)其進(jìn)行增長(zhǎng)速率預(yù)測(cè)，對(duì)列車走行部進(jìn)行主動(dòng)在線無損檢測(cè)和健康狀態(tài)評(píng)估，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

1.1 研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）是利用無損傳感技術(shù)，通過信號(hào)分析，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的目的，該技術(shù)的核心是一個(gè)連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)，最終目的是提供結(jié)構(gòu)損壞或退化的早期預(yù)警。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在航空航天研究及應(yīng)用較為廣泛。民航飛機(jī)由于運(yùn)用了大量的復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)也被視為提高飛機(jī)可靠性和降低維護(hù)成本的關(guān)鍵[2]。波音公司和空客公司在多個(gè)機(jī)型上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)結(jié)構(gòu)損傷探索與應(yīng)用[3]。

在軌道交通領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)還處在理論研究和仿真實(shí)驗(yàn)階段。在鐵路車輛檢修中，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫探傷以磁粉檢測(cè)為主。磁粉檢測(cè)技術(shù)結(jié)果顯示直觀、費(fèi)用低、檢測(cè)速度快，但需要?jiǎng)冸x表面的涂裝，而脫漆作業(yè)在構(gòu)架探傷中耗時(shí)耗力，無論采用打磨方式或是脫漆劑，都會(huì)對(duì)作業(yè)環(huán)境有較大負(fù)面影響。

1.2 Lamb 波

Lamb 波是一種特殊的超聲應(yīng)力波，通過檢測(cè)在結(jié)構(gòu)表面幾個(gè)點(diǎn)處的導(dǎo)波，可以有效檢測(cè)出大面積范圍的損傷。如果結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部有缺陷，Lamb 波會(huì)在損傷處反射，可以根據(jù)接收波的反射信息來分析損傷程度和損傷定位。

Lamb 波檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）Lamb 波在發(fā)射傳感器與接收傳感器之間建立傳播路徑，傳播速度快、能量衰減小，對(duì)早期結(jié)構(gòu)損傷表現(xiàn)出高敏感度，廣泛應(yīng)用于裂紋檢測(cè)。通過lamb 波的方式檢測(cè)焊縫裂紋，操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)時(shí)間短，可以檢測(cè)到列車結(jié)構(gòu)中許多常規(guī)檢測(cè)手段無法接觸到的位置[1]。

（2）當(dāng)前超聲檢測(cè)難以對(duì)設(shè)備邊緣的損傷缺陷進(jìn)行檢測(cè)。Lamb 波與傳統(tǒng)超聲波最大的不同在于在傳播時(shí)結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，聲壓、聲強(qiáng)在設(shè)備整個(gè)橫截面上近似相等，聲場(chǎng)能遍及整個(gè)設(shè)備[4]，即利用Lamb 波可以在不影響設(shè)備正常使用的情況下完成檢測(cè)工作，擴(kuò)大檢測(cè)范圍，提高設(shè)備的安全性，因此具有良好的應(yīng)用前景。

Lamb 波的研究和應(yīng)用也是起源于航空領(lǐng)域。在不同厚度、密度、力學(xué)性能的復(fù)合材料監(jiān)測(cè)中，lamb 波能夠有效表征材料基礎(chǔ)特性。國(guó)內(nèi)在Lamb 波領(lǐng)域的研究起步較晚，大多仍處在理論研究階段，在鐵路領(lǐng)域更是處于探索階段。

2 Lamb 波在轉(zhuǎn)向架焊縫裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用

利用Lamb 波在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方面的特性，作者在列車走行部結(jié)構(gòu)易損部位布設(shè)一種基于Lamb 波的分布式柔性傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用人工智能、損傷定位等方法研究多種損傷辨識(shí)技術(shù)，將傳感器網(wǎng)絡(luò)收集信號(hào)作為分析源，進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。

2.1 技術(shù)路線

首先是進(jìn)行列車走行部中Lamb 波傳播行為探究，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)布置及激勵(lì)條件優(yōu)化，將基于Lamb 波的柔性傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)在走行部機(jī)械結(jié)構(gòu)表面，研究基于Bayesian 理論的無參考信號(hào)主動(dòng)Lamb 波損傷定位，探索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)智能辨識(shí)方法，最終形成列車走行部機(jī)械構(gòu)件主動(dòng)巡查智能探傷系統(tǒng)，技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 智能探傷系統(tǒng)技術(shù)路線

2.2 基于Lamb 波的構(gòu)架損傷探測(cè)技術(shù)

2.2.1 走行部中Lamb 波傳播行為探究

Lamb 波對(duì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的橫截面形狀，厚度和材料特性（泊松比，拉伸模量和密度）敏感。由于設(shè)備各部分截面形狀和尺寸大小的不同，Lamb 波在其中傳播的頻率和速度也存在差異。同時(shí)Lamb 波經(jīng)過列車設(shè)備結(jié)構(gòu)特征時(shí)（如扣件、焊縫）具有泄漏傾向，并且受結(jié)構(gòu)邊緣和各部件之間的粘合條件產(chǎn)生反射，形成明顯不同的傳播模式。因此需要選擇出一種適用于列車走行部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)模式并確定其靈敏度。將考慮以下因素選取各部分的檢測(cè)波模式：

（1）每種模式在設(shè)備的一個(gè)部分唯一存在，很少泄露到其他部分。

（2）每種模式的位移分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)探測(cè)范圍中，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備橫截面100%覆蓋。

（3）位移模式彼此相似，可以使用類似的傳感器裝置來生成和接收每個(gè)波模。

通過數(shù)值分析方法探究列車走行部中的Lamb 波傳播行為及傳播特性。分析模態(tài)形狀，固有頻率和波長(zhǎng)潛在振動(dòng)模式等信息，預(yù)測(cè)最佳的波模式激勵(lì)，確定結(jié)構(gòu)各部分理想的波模式/頻率組合，以便最大程度提升損傷探測(cè)的敏感度。

2.2.2 分布式柔性傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

將壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)固定在走行部結(jié)構(gòu)表面上，不影響轉(zhuǎn)向架的任何結(jié)構(gòu)。傳感器布置采用對(duì)稱方式，輪詢掃查，做到不拆解情況下的無損探傷，檢測(cè)精度能達(dá)到毫米級(jí)。

2.2.3 激勵(lì)信號(hào)

采用基于Lamb 波反演法獲取波速，研究轉(zhuǎn)向架不同部位Lamb 波的傳播特性，以此為基礎(chǔ)確定激勵(lì)信號(hào)。根據(jù)Lamb 波的頻散方程和曲線，可分別得到相速度與頻厚積、群速度與頻厚積的關(guān)系。為了方便后續(xù)的缺陷程度估計(jì)及定位，一般采用單一模式的lamb 波信號(hào)。在選取激勵(lì)信號(hào)時(shí)，在簡(jiǎn)單的正弦信號(hào)中選取合適的窗函數(shù)，定義信號(hào)的中心頻率、信號(hào)幅值、周期數(shù)等參數(shù)[5]（圖2）。

圖2 常見激勵(lì)信號(hào)時(shí)域圖和頻域圖

2.2.4 激勵(lì)信號(hào)的接收與處理

在信號(hào)接收時(shí)，由于列車運(yùn)行過程中具有復(fù)雜的內(nèi)部與外部環(huán)境，載荷、速度、邊界等條件會(huì)使相應(yīng)信號(hào)特征變復(fù)雜，通常需要進(jìn)行去噪。在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，由于輪軌噪聲多數(shù)接收信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)，采用局部平均法進(jìn)行預(yù)處理，而若是靜態(tài)檢測(cè)，回波信號(hào)是平穩(wěn)信號(hào)的情況下，多采用滑動(dòng)平均濾波來進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，減少噪聲的隨機(jī)影響[6]。當(dāng)材料有缺陷時(shí)，發(fā)射信號(hào)會(huì)在缺陷損傷處發(fā)生部分散射，故波傳到接收端會(huì)發(fā)生延遲。基于最大值法和互相關(guān)函數(shù)法，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換，利用所求得的信號(hào)包絡(luò)提取缺陷回波，預(yù)估信號(hào)的延遲時(shí)間，這對(duì)于定位缺陷位置十分重要（圖3）。

圖3 接收原始信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)對(duì)比

2.3 基于人工智能的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)智能辨識(shí)

2.3.1 基于損傷指數(shù)的損傷程度評(píng)估

損傷識(shí)別是結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)辨識(shí)的重要環(huán)節(jié)。通過DI 傷指數(shù)來識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷程度，包含定性分析和定量分析。首先將DI 值與閾值對(duì)比，如果超過閾值，表示結(jié)構(gòu)存在損傷缺陷。然后建立DI 值與損傷尺寸之間的關(guān)系，通過曲線擬合來進(jìn)行定量分析。在建立聯(lián)系時(shí)需要同材料特性的樣件進(jìn)行小樣本收集，模擬損傷，多次實(shí)驗(yàn)獲取DI 值，將獲取的樣本集進(jìn)行曲線擬合，獲取DI 與損傷之間的曲線函數(shù)。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)分析中，選取被監(jiān)測(cè)區(qū)域中每個(gè)激勵(lì)傳感路徑上的DI 最大值，根據(jù)校準(zhǔn)曲線計(jì)算出損傷大小。

2.3.2 基于貝葉斯理論的損傷定位

在列車走行部上部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，提取各傳感器監(jiān)測(cè)通道損傷散射信號(hào)傳播時(shí)間與直達(dá)波傳播的時(shí)間之差作為數(shù)據(jù)，利用基于Bayesian 理論獲得列車結(jié)構(gòu)損傷位置和波速等未知參數(shù)的聯(lián)合后驗(yàn)概率分布，在后驗(yàn)分布中對(duì)未知參數(shù)進(jìn)行采樣估計(jì)，最終獲得轉(zhuǎn)向架機(jī)械構(gòu)件損傷位置[7]。

2.4 列車走行部機(jī)械構(gòu)件主動(dòng)巡查智能探傷系統(tǒng)

建立列車走行部機(jī)械構(gòu)件主動(dòng)巡查智能探傷系統(tǒng)。設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)源、功率放大、多通道快速切換、傳感信號(hào)調(diào)理、傳感信號(hào)高速采集等模塊，完成激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)采集及數(shù)據(jù)分析處理工作。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)收發(fā)均形成一條傳播路徑，每條路徑都能計(jì)算出損傷指數(shù)，系統(tǒng)通過激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的相關(guān)性分析來獲取[8]，通過優(yōu)化激勵(lì)信號(hào)和接收信號(hào)的參數(shù)，增強(qiáng)算法抗干擾能力，降低“假損傷”誤判，消除定位誤差，以實(shí)現(xiàn)較精確的損傷定位。

軟件界面顯示損傷發(fā)生概率、產(chǎn)生位置等信息，通過軟硬件結(jié)合的形式，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)損傷探測(cè)，提高列車檢修的自動(dòng)化和信息化水平，達(dá)到提升效率、降低運(yùn)維成本、降低單位產(chǎn)值能耗的目標(biāo)。

3 結(jié)論

超聲Lamb 波是一種特殊的超聲應(yīng)力波，對(duì)結(jié)構(gòu)初期的輕微損傷非常敏感，可應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架焊縫裂紋檢測(cè)中。該技術(shù)利用柔性貼膜材料能夠與列車走行部結(jié)構(gòu)表面緊密貼合的特性，在走行部結(jié)構(gòu)表面形成一種緊密集成的類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分布式多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間主動(dòng)互發(fā)Lamb 波進(jìn)行探測(cè)，在保證不影響走行部任何結(jié)構(gòu)和正常使用的情況下進(jìn)行無損探傷，其對(duì)結(jié)構(gòu)初期的輕微損傷敏感，檢測(cè)精度達(dá)到毫米級(jí)。利用多種分布式結(jié)構(gòu)損傷智能辨識(shí)技術(shù)，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康信息，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的可能失效，提供列車走行部主動(dòng)診斷控制及維修所需實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，并借助無線下傳通道隨時(shí)跟蹤走行部狀態(tài)，降低日常列檢工作強(qiáng)度和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)列車智能主動(dòng)感知結(jié)構(gòu)安全與綠色低碳運(yùn)維保障。