專利名稱：一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置，主要用于在車輛行車過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)構(gòu)架因隨遇沖擊所激發(fā)的廣義共振及該廣義共振引發(fā)的裂紋之開(kāi)、閉沖擊，通過(guò)識(shí)別其相對(duì)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架裂紋等嚴(yán)重危及安全的故障診斷。
背景技術(shù)：
車輛構(gòu)架是介于承載乘客、貨物的車廂與車輪之間的主要支承部件，由于工況惡劣，幾乎不可避免地要發(fā)生裂紋，進(jìn)而斷裂，引起嚴(yán)重事故。因此需要在裂紋發(fā)展到斷裂之前識(shí)別裂紋，及時(shí)維修，防止故障擴(kuò)展引發(fā)事故。對(duì)于車輛的構(gòu)架裂紋的現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法，主要依靠維修工人“死看死守”，即頻繁地在停車狀況下通過(guò)肉眼觀察或者利用磁探傷、渦流探傷、超聲波探傷、著色檢查等技術(shù)手段，以及通過(guò)定期試驗(yàn)時(shí)遍貼應(yīng)變片進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)來(lái)識(shí)別裂紋。磁探傷的原理是在鋼鐵制造的機(jī)器表面撒鐵粉，用強(qiáng)電磁鐵的磁極(如N、S極) 跨在可能裂紋的兩側(cè)，利用裂紋處必然切斷磁鐵的磁力線所需通過(guò)的由鋼鐵機(jī)器材料構(gòu)成的磁路，而使得磁力線向機(jī)器表面發(fā)散，并將鐵粉吸引到裂紋處以形成補(bǔ)充磁路的自然規(guī)律和現(xiàn)象，通過(guò)人眼可到的鐵粉聚集處，識(shí)別隱含著的裂紋；該技術(shù)不適用于非鐵磁材料的機(jī)器，例如鋁合金機(jī)器、也不適于弱磁性的(如多種不銹鋼)材料的機(jī)器，與操作者是否對(duì)裂紋部位作了檢查及熟練程度相關(guān)，不能有效、快捷、準(zhǔn)確地識(shí)別隱患。渦流探傷的原理是對(duì)平面電感線圈施加高頻電流，線圈產(chǎn)生交變磁力線，將線圈沿著機(jī)器表面移動(dòng)，磁力線耦合入機(jī)器的金屬材料，在金屬材料料中產(chǎn)生渦流，則線圈的電流增大；如果線圈移動(dòng)到的材料淺層存在裂紋，則材料中渦流減小，線圈中的電流也減小， 通過(guò)該電流減小來(lái)識(shí)別裂紋；該技術(shù)的缺點(diǎn)是不能識(shí)別更深的裂紋，還受到機(jī)器表面是否平坦、光滑以及人工操作是否得當(dāng)?shù)南拗?。超聲波探傷的原理是，用超聲波發(fā)聲探頭緊貼著機(jī)器表面，通過(guò)耦合劑將短暫的超聲波輻射到機(jī)器中，或者在機(jī)器的其他位置用超聲波接收探頭檢測(cè)超聲波，通過(guò)發(fā)現(xiàn)超聲波透射能力變小來(lái)識(shí)別可能在發(fā)射與接受探頭之間的機(jī)器存在的裂紋；或者通過(guò)與發(fā)射探頭組合在一起的接收探頭，在停止發(fā)射后接收到的、發(fā)射波的回波較之其他部位檢測(cè)時(shí)提前到達(dá)而發(fā)現(xiàn)前方可能存在的裂紋；該方法更要求機(jī)器表面光滑以便發(fā)射、接收探頭偶合，還受到小裂紋、近距離的裂紋不易發(fā)現(xiàn)、識(shí)別等困擾。著色檢查的原理是對(duì)可能存在表面裂紋的機(jī)器作表面清洗，涂上帶深色的滲透液，該滲透液有極強(qiáng)的順著金屬表面(特別是裂紋)流動(dòng)的能力，然后擦去機(jī)器表面的滲透液，涂抹白漆，如果某處存在的裂紋此前滲入了滲透液，則該滲透液將反向流出到白漆層并使之染色，通過(guò)白漆上的染色位置和分布形狀，識(shí)別裂紋是否存在及分布形狀；該技術(shù)只能識(shí)別穿透到表面的裂紋，只能用于核實(shí)所懷疑的裂紋，而不便普遍、經(jīng)常使用。遍貼應(yīng)變片進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的原理是在機(jī)器表面估計(jì)可能產(chǎn)生裂紋的部位貼大量的應(yīng)變片，在機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果某片應(yīng)變片所覆蓋的裂紋張開(kāi)，則應(yīng)變片的電阻材料被拉伸、變長(zhǎng)，通過(guò)檢測(cè)該微小的、相對(duì)其他應(yīng)變片增大的電阻增量，來(lái)識(shí)別可能存在的裂紋；該技術(shù)所需的應(yīng)變片數(shù)量巨大，而且所貼位置必須估計(jì)得十分準(zhǔn)確，否則無(wú)效；還因?yàn)闄C(jī)器表面在振動(dòng)或工作中也會(huì)存在無(wú)裂紋時(shí)的在彈性范圍內(nèi)的拉伸或壓縮，也會(huì)引起應(yīng)變片電阻增量，故其檢測(cè)準(zhǔn)確度受到限制。因此，現(xiàn)有的諸多裂紋檢測(cè)技術(shù)，在監(jiān)測(cè)頻度、實(shí)施難易、代價(jià)程度、對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的限制(如停止使用)、使用的傳感器數(shù)量等方面存在著不足，迫切需要研究一種能彌補(bǔ)上述不足的節(jié)約傳感器數(shù)量、適合于惡劣運(yùn)行環(huán)境、在線運(yùn)行中隨時(shí)可以準(zhǔn)確地進(jìn)行頻繁監(jiān)測(cè)的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的諸多裂紋檢測(cè)技術(shù)在監(jiān)測(cè)頻度、實(shí)施難易、代價(jià)程度、對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的限制(如停止使用)、使用的傳感器器數(shù)量多等方面存在著不足，現(xiàn)在提出一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置。一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法，所述方法包括第一步，對(duì)構(gòu)架進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)該構(gòu)架進(jìn)行監(jiān)測(cè)振動(dòng)沖擊的復(fù)合傳感器的測(cè)點(diǎn)選擇；第二步、利用測(cè)點(diǎn)位置獲取的外部隨機(jī)沖擊激發(fā)構(gòu)架模態(tài)的廣義共振與該廣義共振所激發(fā)的廣義共振沖擊進(jìn)行識(shí)別裂紋的相對(duì)積計(jì)算；第三步、利用測(cè)點(diǎn)位置獲取的廣義共振的模態(tài)頻率(FOX)經(jīng)過(guò)窄帶濾波、量化相對(duì)積以及置信度計(jì)算等處理進(jìn)行裂紋預(yù)警的判斷。所述的對(duì)該構(gòu)架進(jìn)行監(jiān)測(cè)的振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器的測(cè)點(diǎn)選擇步驟包括(1)對(duì)機(jī)械構(gòu)架作模態(tài)分析，獲取構(gòu)架的各種共振模態(tài)的特征頻率FO(I) FO(M)，及其對(duì)應(yīng)的共振模態(tài)之應(yīng)力最大因而易發(fā)生裂紋的部位AOl AOM ；(2)針對(duì)機(jī)器構(gòu)架受到的主要外力作用所能激發(fā)的廣義共振最大的模態(tài)之對(duì)應(yīng)易發(fā)生裂紋部位如AOl AOM中的Α0Χ、Α0Υ……Α0Ζ，以每個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器能夠監(jiān)測(cè)到最多的易發(fā)生裂紋部位的振動(dòng)和沖擊為首要條件，以使用振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器數(shù)量最少為次要條件，確定傳感器測(cè)點(diǎn)和傳感器數(shù)量N ；(3)其中傳感器測(cè)點(diǎn)的首要條件的確定原則是如果傳感器安裝在易發(fā)生裂紋部位所獲得振動(dòng)和沖擊最大量值分別為100%，則在合格的測(cè)點(diǎn)所獲得易發(fā)生裂紋部位的振動(dòng)和沖擊必須達(dá)到最大量值的10%及以上。在所述的識(shí)別裂紋的相對(duì)積計(jì)算中，利用外部隨機(jī)沖擊激發(fā)構(gòu)架模態(tài)的廣義共振波形與所述的該廣義共振所激發(fā)的沖擊的開(kāi)閉沖擊波形作時(shí)間一一對(duì)應(yīng)的乘法處理，得到相對(duì)積輸出波形，其中正的脈沖即是閉合相對(duì)積，負(fù)的脈沖即是開(kāi)裂相對(duì)積。所述的裂紋預(yù)警的判斷包括如下步驟(1)根據(jù)測(cè)點(diǎn)所能涉及的廣義共振的模態(tài)頻率(FOX)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)作帶寬為X Y 與模態(tài)頻率FOX乘積的窄帶濾波，其中X = 0. 93 0. 99，Y = 1. 00 1. 03，得到振動(dòng)濾波
信號(hào)；(2)選擇“振動(dòng)濾波”信號(hào)中相對(duì)最大值A(chǔ)發(fā)生時(shí)間T前后的、波形幅度單調(diào)下降到最大值的(O. 01 0. 10)的時(shí)間Ta和Tb間的波形段，對(duì)該波形段按照最大值的Z倍做整形，其中Z的取值范圍建議為0. 05 0. 1，即瞬時(shí)幅度大于最大值的Z倍者量化為1，瞬時(shí)幅度小于最大值-ζ倍者量化為-1，其余量化為0，得到“振動(dòng)量化”波；(3)對(duì)于對(duì)應(yīng)時(shí)間段的開(kāi)閉沖擊波形按照最大值的Z倍做整形，其中Z的取值范圍建議為0. 05 0. 1，即瞬時(shí)幅度大于最大值的Z倍者量化為1，其余量化為0，得到“沖擊量化”波，如附圖3;(4)對(duì)“振動(dòng)量化”波與“沖擊量化”波作“量化相對(duì)積”，即對(duì)相關(guān)時(shí)間段內(nèi)各時(shí)間的“振動(dòng)量化”波與“沖擊量化” 一一相對(duì)應(yīng)求積得到“量化相對(duì)積”波；(5)對(duì)所得到的“量化相對(duì)積”做FFT分析，對(duì)頻率等于帶寬為X Y與模態(tài)頻率 FOX乘積范圍內(nèi)的最高主頻譜線的幅度，除以帶寬為X Y與模態(tài)頻率FOX乘積以外其它頻譜線的最高幅度得到“置信度”，若該“置信度”達(dá)到1. 41倍及以上，則判定為“裂紋預(yù)警”。利用上述任何一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)裝置，還包括振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器 (1-1 1-N)、振動(dòng)沖擊處理器( 和裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3，所述的監(jiān)測(cè)裝置還包括裂紋分析診斷軟件；所述的振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器1-1 1-N，用于監(jiān)測(cè)構(gòu)架可能引發(fā)裂紋的振動(dòng)模態(tài)內(nèi)因在外部隨機(jī)激勵(lì)作用下產(chǎn)生的機(jī)械廣義共振，和該機(jī)械廣義共振等因素引起的裂紋在振動(dòng)中因進(jìn)一步開(kāi)裂的聲發(fā)射沖擊及開(kāi)裂的裂紋在振動(dòng)中短暫閉合所產(chǎn)生的閉合沖擊；振動(dòng)沖擊處理器O)，用于對(duì)所述振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-N)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)沖擊信號(hào)分離為振動(dòng)信號(hào)和沖擊共振解調(diào)信號(hào)；裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3，用于對(duì)振動(dòng)沖擊處理器輸出的振動(dòng)沖擊信號(hào)進(jìn)行同步采樣及支持裂紋識(shí)別診斷軟件進(jìn)行裂紋診斷；安裝在構(gòu)架上的多個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-N)連接到振動(dòng)沖擊處理器2 的輸入端mi、lN2……1NN，振動(dòng)沖擊處理器2對(duì)每個(gè)傳感器的信號(hào)分離出廣義共振的振動(dòng)信號(hào)V1、V2……VN和開(kāi)閉沖擊的沖擊共振解調(diào)信號(hào)II、12……IN，再輸出到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的AD轉(zhuǎn)換器輸入端ADVl、ADV2……ADVN和ADI1、ADI2……ADIN，由裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的軟件控制AD轉(zhuǎn)換器對(duì)至少每一個(gè)測(cè)點(diǎn)之傳感器的廣義共振信號(hào)和開(kāi)閉沖擊信號(hào)同步采樣，將上述采集的廣義共振信號(hào)和開(kāi)閉沖擊信號(hào)送到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的裂紋分析診斷軟件進(jìn)行裂紋分析診斷。根據(jù)一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置所構(gòu)建的診斷系統(tǒng)，利用構(gòu)架結(jié)構(gòu)不可避免地具有的，雖然設(shè)計(jì)者令其避開(kāi)了與構(gòu)架所承載的旋轉(zhuǎn)機(jī)器的不平衡振動(dòng)頻率的共振，但不可避免地必然受到外界隨機(jī)振動(dòng)特別是沖擊激勵(lì)而發(fā)生的廣義共振的模態(tài)頻率作為識(shí)別裂紋的頻率參照，利用該廣義共振因?yàn)榫哂性谕獠糠峭l因素激勵(lì)下產(chǎn)生頻率為模態(tài)頻率的大幅度振動(dòng)并易于因此而引起構(gòu)架在此模態(tài)下應(yīng)立集中部位發(fā)生疲勞裂紋的自然規(guī)律，以及進(jìn)而引發(fā)已有裂紋在該廣義共振作用下發(fā)生裂紋繼續(xù)開(kāi)裂的聲發(fā)射沖擊和裂紋閉合的碰撞、摩擦沖擊的自然規(guī)律，以提取隨機(jī)沖擊激發(fā)的廣義共振及該廣義共振誘發(fā)同步的裂紋開(kāi)閉沖擊之因果對(duì)應(yīng)關(guān)系為途徑，實(shí)現(xiàn)了裂紋的識(shí)別。較之前人的技術(shù)途徑，具有使用傳感器數(shù)量少，識(shí)別裂紋準(zhǔn)確度高，能夠?qū)\(yùn)用中的構(gòu)架實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)檢測(cè)，為防止因構(gòu)架裂紋、斷裂所致的重大事故開(kāi)辟了新的技術(shù)途徑的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)裝置框圖2為隨機(jī)沖擊激發(fā)構(gòu)架廣義共振進(jìn)而引發(fā)裂紋開(kāi)閉沖擊及相對(duì)積處理示意圖；圖3為裂紋分析診斷軟件對(duì)信號(hào)作量化處理過(guò)程的示意圖；圖4為裂紋分析診斷軟件對(duì)信號(hào)量化相對(duì)積識(shí)別置信度示意圖；圖5為裂紋分析診斷軟件分析一個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)中裂紋信息及原因的流程圖；圖6為一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)裝置框圖；圖7為在構(gòu)架上安裝振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器的位置示意圖；圖8-1為可引發(fā)中梁裂紋的構(gòu)架廣義共振模態(tài)之一主視圖；圖8-2為可引發(fā)中梁裂紋的構(gòu)架廣義共振模態(tài)之一俯視圖；圖8-3為可引發(fā)中梁裂紋的構(gòu)架廣義共振模態(tài)之一右視圖；圖8-4為可引發(fā)中梁裂紋的構(gòu)架廣義共振模態(tài)之一立體圖；圖9-1為可引發(fā)中梁裂紋的構(gòu)架廣義共振模態(tài)之二主視圖；圖9-2為可引發(fā)中梁裂紋的構(gòu)架廣義共振模態(tài)之二俯視圖；圖9-3為可引發(fā)中梁裂紋的構(gòu)架廣義共振模態(tài)之二右視圖；圖9-4為可引發(fā)中梁裂紋的構(gòu)架廣義共振模態(tài)之二立體圖；圖10為裂紋分析診斷軟件分離處理得到裂紋特征信息之一；圖11為裂紋分析診斷軟件分離處理得到裂紋特征信息之二 ；圖12為構(gòu)架頻繁出現(xiàn)故障預(yù)警并偶有2級(jí)報(bào)警的統(tǒng)計(jì)；圖13為裂紋分析診斷軟件診斷發(fā)現(xiàn)裂紋的照片。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明提出的一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置。構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)裝置，含有可以監(jiān)測(cè)構(gòu)架可能引發(fā)裂紋的振動(dòng)模態(tài)內(nèi)因在外部隨機(jī)激勵(lì)作用下產(chǎn)生的機(jī)械廣義共振，和該機(jī)械廣義共振等因素引起的裂紋在振動(dòng)中因進(jìn)一步開(kāi)裂的聲發(fā)射沖擊及開(kāi)裂的裂紋在振動(dòng)中短暫閉合所產(chǎn)生的閉合沖擊的多個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-N)，對(duì)多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)的振動(dòng)沖擊信號(hào)分離為振動(dòng)信號(hào)和沖擊共振解調(diào)信號(hào)的振動(dòng)沖擊處理器2，和對(duì)振動(dòng)沖擊處理器輸出的振動(dòng)沖擊信號(hào)進(jìn)行同步采樣及含有根據(jù)監(jiān)測(cè)方法構(gòu)建的裂紋識(shí)別診斷軟件的裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3組成的車輛構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)裝置，如附圖1。裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3中含有以車輛構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法所支持的裂紋分析診斷軟件。安裝在構(gòu)架上的多個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-N)連接到振動(dòng)沖擊處理器 2的輸入端mi、1N2……1NN，振動(dòng)沖擊處理器2對(duì)每各個(gè)傳感器的信號(hào)分離出名為“廣義共振”的振動(dòng)信號(hào)V1、V2……VN和名位“開(kāi)閉沖擊”的沖擊共振解調(diào)信號(hào)II、12……IN，再輸出到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的AD轉(zhuǎn)換器輸入端ADVl、ADV2……ADVN和ADI1、ADI2…… ADIN,由裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的軟件控制AD轉(zhuǎn)換器對(duì)至少每一個(gè)測(cè)點(diǎn)之傳感器的 “廣義共振”和“開(kāi)閉沖擊”同步采樣，將所有采集的“廣義共振”和“開(kāi)閉沖擊”信號(hào)送到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的裂紋分析診斷軟件進(jìn)行裂紋分析診斷。所述振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器，可以使用本發(fā)明人發(fā)明的公開(kāi)號(hào)為CN101162182的發(fā)明專利《一種磁性安裝的振動(dòng)沖擊傳感器》；公開(kāi)號(hào)為CN101368869的發(fā)明專利《一種檢測(cè)振動(dòng)沖擊的廣義共振復(fù)合傳感器》；公開(kāi)號(hào)為CN201034720的實(shí)用新型《一種同時(shí)檢測(cè)水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)與沖擊的復(fù)合傳感器》，或使用獨(dú)立的振動(dòng)傳感器和沖擊傳感器。所述振動(dòng)沖擊處理器2，可以使用本發(fā)明人的公開(kāi)號(hào)為CN201484439U實(shí)用新型 《一種軌道交通車輛走行部及鋼軌故障車載在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)》。所述裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)硬件可以使用本發(fā)明人的公開(kāi)號(hào)為CN201484439U實(shí)用新型《一種軌道交通車輛走行部及鋼軌故障車載在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)》。一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法，多個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-N)的測(cè)點(diǎn)選擇方法為，首先對(duì)機(jī)械構(gòu)架作模態(tài)分析，掌握構(gòu)架的各種共振模態(tài)的特征頻率FO (1) FO (M)，及其對(duì)應(yīng)的共振模態(tài)之應(yīng)力最大因而易發(fā)生裂紋的部位AOl Α0Μ，然后針對(duì)機(jī)器構(gòu)架受到的主要外力作用所能激發(fā)的廣義共振最大的模態(tài)之對(duì)應(yīng)易發(fā)生裂紋部位如AOl AOM中的 Α0Χ, AOY……Α0Ζ，以每個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器能夠監(jiān)測(cè)到最多的易發(fā)生裂紋部位的振動(dòng)和沖擊為首要條件，以使用振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器數(shù)量最少為次要條件，確定傳感器測(cè)點(diǎn)和傳感器數(shù)量N ；其中傳感器測(cè)點(diǎn)的首要條件的確定原則是如果傳感器安裝在易發(fā)生裂紋部位所獲得振動(dòng)和沖擊分別為100%，則在合格的測(cè)點(diǎn)所獲得易發(fā)生裂紋部位的振動(dòng)和沖擊必須達(dá)到10%及以上。這是因?yàn)?，所述?gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置不是直接憑借振動(dòng)和沖擊的量值識(shí)別裂紋，而是憑借外部隨機(jī)沖擊激發(fā)構(gòu)架模態(tài)的廣義共振與該廣義共振所激發(fā)的廣義共振沖擊的相對(duì)積識(shí)別裂紋，如附圖2，構(gòu)架受到機(jī)械“隨機(jī)沖擊”，相關(guān)模態(tài)發(fā)生“廣義共振”， 由于廣義共振通常是構(gòu)架類型機(jī)械中的最大振動(dòng)，對(duì)于構(gòu)架的破壞作用最大，因此可因?yàn)閺V義共振對(duì)應(yīng)的拉伸形變(如負(fù)半波)使機(jī)械的表面或裂紋深部繼續(xù)拉裂產(chǎn)生生發(fā)射沖擊波，成為“開(kāi)裂沖擊”;而當(dāng)向相反方向振動(dòng)(如正半波)使已經(jīng)開(kāi)裂的裂紋閉合時(shí)，裂紋兩邊的材料相互碰撞發(fā)生沖擊，成為“閉合沖擊”;傳感器不能區(qū)分“開(kāi)裂沖擊”和“閉合沖擊”， 經(jīng)過(guò)振動(dòng)沖擊處理器2只能分離、處理為“開(kāi)閉沖擊”；其特征在于由裂紋分析診斷軟件對(duì) “廣義共振”波形與“開(kāi)閉沖擊”波形作時(shí)間一一對(duì)應(yīng)的乘法處理，便得到“相對(duì)積”輸出波形，其中正的脈沖即是“閉合相對(duì)積”，負(fù)的脈沖即是“開(kāi)裂相對(duì)積”。由于構(gòu)架上不僅存在由機(jī)械隨機(jī)沖擊所引發(fā)的機(jī)械模態(tài)內(nèi)因所致的廣義共振，也存在其他的常態(tài)振動(dòng)，他們與廣義共振疊加在一起后，只要達(dá)到足以使裂紋進(jìn)一步撕裂或是裂紋閉合的程度，也將引起裂紋開(kāi)閉沖擊，因此，機(jī)械上出現(xiàn)的沖擊，不都是廣義共振引發(fā)的沖擊，機(jī)械上的振動(dòng)也不都是廣義共振所引起的振動(dòng)，以致對(duì)傳感器在測(cè)點(diǎn)所檢測(cè)得到的振動(dòng)和沖擊直接作相對(duì)積處理的結(jié)果不能作為裂紋存在的證明。為了剔除常態(tài)振動(dòng)和沖擊的對(duì)于識(shí)別裂紋的影響，為了通過(guò)確定發(fā)生振動(dòng)沖擊相對(duì)積的模態(tài)以確定故障裂紋所發(fā)生的部位，所述構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置，裂紋分析診斷軟件根據(jù)測(cè)點(diǎn)所能涉及的廣義共振的模態(tài)頻率F0X，對(duì)振動(dòng)信號(hào)作帶寬為(X Y) · FOX的窄帶濾波，其中X = 0. 93 0. 99，Y = 1. 00 1. 03，得到“振動(dòng)濾波”信號(hào)；選擇“振動(dòng)濾波”信號(hào)中相對(duì)最大值A(chǔ)發(fā)生時(shí)間T前后的、波形幅度單調(diào)下降到最大值的(0.01 0. 10)的時(shí)間Ta和Tb間的波形段，對(duì)該波形段按照最大值的Z倍做整形，其中Z的取值范圍建議為0. 05 0. 1，即瞬時(shí)幅度大于最大值的Z倍者量化為1，瞬時(shí)幅度小于最大值-Z倍者量化為-1，其余量化為0，得到“振動(dòng)量化”波；對(duì)于對(duì)應(yīng)時(shí)間段的開(kāi)閉沖擊波形按照最大值的Z倍做整形，其中 Z的取值范圍建議為0. 05 0. 1，即瞬時(shí)幅度大于最大值的Z倍者量化為1，其余量化為0， 得到“沖擊量化”波，如附圖3 ；對(duì)“振動(dòng)量化”波與“沖擊量化”波作“量化相對(duì)積”，即對(duì)相關(guān)時(shí)間段內(nèi)各時(shí)間的“振動(dòng)量化”波與“沖擊量化” 一一相對(duì)應(yīng)求積得到“量化相對(duì)積”波； 對(duì)所得到的“量化相對(duì)積”做FFT分析，對(duì)頻率等于(X Y) · FOX范圍內(nèi)的最高主頻譜線的幅度，除以(X Y) -FOX以外其它頻譜線的最高幅度得到“置信度”，若該“置信度”達(dá)到 1. 41倍，則判定為“裂紋預(yù)警”，如附圖4。對(duì)某一個(gè)測(cè)點(diǎn)的傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)上述裂紋分析診斷軟件的流程圖如附圖5。實(shí)施例1，車輛構(gòu)架裂紋在線診斷系統(tǒng)一種根據(jù)構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置構(gòu)建的車輛構(gòu)架裂紋在線診斷系統(tǒng)，含有安裝在車輛轉(zhuǎn)向架上的多個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-4)，對(duì)多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)的振動(dòng)沖擊信號(hào)分離為振動(dòng)信號(hào)和沖擊共振解調(diào)信號(hào)的振動(dòng)沖擊處理器2，和對(duì)振動(dòng)沖擊處理器輸出的振動(dòng)沖擊信號(hào)進(jìn)行同步采樣及含有根據(jù)監(jiān)測(cè)方法構(gòu)建的裂紋識(shí)別診斷軟件的裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3組成的車輛構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)裝置，如附圖1，其特征在于裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3中含有以車輛構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法所支持的裂紋分析診斷軟件。安裝在構(gòu)架上的多個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-4)連接到振動(dòng)沖擊處理器2的輸入端1N1、 1N2……1N4，振動(dòng)沖擊處理器2對(duì)每個(gè)傳感器的信號(hào)分離出名為“廣義共振”的振動(dòng)信號(hào) VU V2……V4和名為“開(kāi)閉沖擊”的沖擊共振解調(diào)信號(hào)II、12……14，再輸出到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的AD轉(zhuǎn)換器輸入端ADVl、ADV2……ADV4和ADI1、ADI2……ADI4，由裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的軟件控制AD轉(zhuǎn)換器對(duì)至少每一個(gè)測(cè)點(diǎn)之傳感器的“廣義共振”和 “開(kāi)閉沖擊”同步采樣，將所有采集的“廣義共振”和“開(kāi)閉沖擊”信號(hào)送到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的裂紋分析診斷軟件進(jìn)行裂紋分析診斷。 所述振動(dòng)沖擊處理器2含有4個(gè)振動(dòng)低通濾波器VLPl VLP4和4個(gè)沖擊共振解調(diào)處理器IFDl IFD4，其中，VLPl、IFDl的輸入端并聯(lián)于INl，接受振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器-1 的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)分離、處理后的振動(dòng)、沖擊信號(hào)經(jīng)VI、Il輸出到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器輸入端ADVl、ADIl ；VLP2、IFD2的輸入端并聯(lián)于IN2，接受振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器-2的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)分離、處理后的振動(dòng)、沖擊信號(hào)經(jīng)V2、I2輸出到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器輸入端ADV2、ADI2 ；VLP3、IFD3的輸入端并聯(lián)于IN3，接受振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器-3的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)分離、處理后的振動(dòng)、沖擊信號(hào)經(jīng)V3、I3輸出到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器輸入端ADV3、ADI3 ；VLP4、IFD4的輸入端并聯(lián)于IN4，接受振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器-4的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)分離、處理后的振動(dòng)、沖擊信號(hào)經(jīng)V4、I4輸出到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器輸入端ADV4、ADI4 ；如附圖6。另一種實(shí)施途徑是，省去振動(dòng)沖擊處理器2，由裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的軟件控制AD轉(zhuǎn)換器對(duì)各個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器的信號(hào)進(jìn)行高速采樣，用軟件實(shí)現(xiàn)上述振動(dòng)沖擊處理器2的處理功能，分解出相應(yīng)的“廣義共振”和“開(kāi)閉沖擊”信號(hào)送到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的裂紋分析診斷軟件進(jìn)行裂紋分析診斷。絕大多數(shù)的軌道交通車輛為4軸車，前兩條軸與前構(gòu)架組裝為前轉(zhuǎn)向架，后兩條軸與后構(gòu)架組裝為后轉(zhuǎn)向架，前后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架、構(gòu)架、車輪完全相同。例如某型轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)如附圖7所示，含有左右縱梁11、12、兩條中梁15和兩條小縱梁16組合的構(gòu)架。由于構(gòu)架本身沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生振動(dòng)，但因其本身存在著容易被外部沖擊激勵(lì)而發(fā)生強(qiáng)大振動(dòng)并進(jìn)而疲勞損壞的薄弱環(huán)節(jié)，即以各種振動(dòng)模態(tài)表現(xiàn)的的廣義共振；車輪與軌道接縫的沖擊等原因激發(fā)的構(gòu)架各種廣義共振便成為構(gòu)架的主要振動(dòng)和引起破裂故障的主要原因。其中由于若干振動(dòng)模態(tài)決定了每一條中梁15的中部是振動(dòng)幅度最大處，并在電動(dòng)機(jī)14和齒輪箱13吊座與中梁15結(jié)合部出現(xiàn)最大應(yīng)力而易于發(fā)生裂紋，同樣在小縱梁16兩端與中梁15結(jié)合部也易于發(fā)生裂紋；例如，能引發(fā)中梁15發(fā)生裂紋并擴(kuò)展的構(gòu)架振動(dòng)模態(tài)分析的頻率為 FOl = 36. 39Hz、F02 = 52. 72Hz，如圖 8-1、圖 8-2、圖 8-3、圖 8-4、圖 9-1、圖 9-2、圖 9-3、圖9-4。為了檢測(cè)外力激發(fā)的這些模態(tài)的廣義共振及其引發(fā)的裂紋開(kāi)閉沖擊，在中梁 15的中部安裝振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器1-1、1_2，在另一個(gè)轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架中梁15中部安裝振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器1-3、1-4如附圖7。裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3所含的裂紋分析診斷軟件進(jìn)行、分析診斷時(shí)，分離出振動(dòng)和沖擊共振解調(diào)信號(hào)；對(duì)振動(dòng)信號(hào)以包含模態(tài)頻率FOl = 36. 39Hz的窄帶(34至38Hz) 濾波器濾波后的“振動(dòng)濾波”信號(hào)之最大值附近時(shí)間段的波形和對(duì)應(yīng)時(shí)間段的“開(kāi)閉沖擊” 波形如附圖10，以及它們的量化相對(duì)積為+0.討和-0. 32，通過(guò)FFT分析證明他們的頻譜主譜線均為36. 1Hz，并且符合置信度要求，診斷為構(gòu)架中梁15存在圖8-1、圖8_2、圖8_3、圖 8-4的模態(tài)下發(fā)生沖擊的裂紋。裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的裂紋分析診斷軟件進(jìn)行、分析診斷時(shí)，分離出振動(dòng)和沖擊共振解調(diào)信號(hào)以及振動(dòng)濾波信號(hào)與沖擊的相對(duì)積如附圖11 ；對(duì)振動(dòng)信號(hào)以包含模態(tài)頻率F01 = 52. 72Hz的窄帶(51至55Hz)濾波器濾波后的“振動(dòng)濾波”信號(hào)之最大值附近的時(shí)間段波形和對(duì)應(yīng)時(shí)間段的“開(kāi)閉沖擊”以及它們的量化相對(duì)積為+0. 46和-0. 45，通過(guò)FFT分析證明他們的頻譜主譜線均為52. 3Hz，并且符合置信度要求，診斷為構(gòu)架中梁15 存在圖9-1、圖9-2、圖9-3、圖9-4的模態(tài)下發(fā)生沖擊的裂紋。裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3的裂紋分析診斷軟件進(jìn)行、分析診斷時(shí)，對(duì)其他樣本分析的統(tǒng)計(jì)如附圖12，表明該構(gòu)架頻繁出現(xiàn)故障預(yù)警并偶有2級(jí)報(bào)警。對(duì)中梁15進(jìn)行著色檢查，發(fā)現(xiàn)中梁15與電動(dòng)機(jī)14吊掛結(jié)合部出現(xiàn)裂紋如附圖 13。證明基于隨機(jī)沖擊激勵(lì)的構(gòu)架廣義共振與所引發(fā)的裂紋開(kāi)閉沖擊相對(duì)積識(shí)別技術(shù)可靠、準(zhǔn)確地識(shí)別了裂紋的能力。
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權(quán)利要求
1.一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述方法包括第一步，對(duì)構(gòu)架進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而對(duì)該構(gòu)架進(jìn)行監(jiān)測(cè)振動(dòng)沖擊的復(fù)合傳感器的測(cè)點(diǎn)選擇；第二步、利用測(cè)點(diǎn)位置獲取的外部隨機(jī)沖擊激發(fā)構(gòu)架模態(tài)的廣義共振與該廣義共振所激發(fā)的沖擊進(jìn)行識(shí)別裂紋的相對(duì)積計(jì)算；第三步、利用測(cè)點(diǎn)位置獲取的廣義共振的模態(tài)頻率(FOX)經(jīng)過(guò)窄帶濾波、量化相對(duì)積以及置信度計(jì)算處理進(jìn)行裂紋預(yù)警的判斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的對(duì)該構(gòu)架進(jìn)行監(jiān)測(cè)的振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器的測(cè)點(diǎn)選擇包括(1)對(duì)機(jī)械構(gòu)架作模態(tài)分析，獲取構(gòu)架的各種共振模態(tài)的特征頻率(FO(I) FO(M))， 及其對(duì)應(yīng)的共振模態(tài)之應(yīng)力最大因而易發(fā)生裂紋的部位(A01 Α0Μ)；(2)針對(duì)機(jī)器構(gòu)架受到的主要外力作用所能激發(fā)的廣義共振最大的模態(tài)之對(duì)應(yīng)易發(fā)生裂紋部位(A01 AOM中的Α0Χ、Α0Υ……Α0Ζ)，以每個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器能夠監(jiān)測(cè)到最多的易發(fā)生裂紋部位的振動(dòng)和沖擊為首要條件，以使用振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器數(shù)量最少為次要條件，確定傳感器測(cè)點(diǎn)和傳感器數(shù)量(N)；(3)其中傳感器測(cè)點(diǎn)的首要條件的確定原則是如果傳感器安裝在易發(fā)生裂紋部位所獲得振動(dòng)和沖擊最大量值分別為100%，則在合格的測(cè)點(diǎn)所獲得易發(fā)生裂紋部位的振動(dòng)和沖擊必須達(dá)到最大量值的10%及以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法，其特征在于在所述的識(shí)別裂紋的相對(duì)積計(jì)算中，利用外部隨機(jī)沖擊激發(fā)構(gòu)架模態(tài)的廣義共振波形與所述的該廣義共振所激發(fā)的沖擊的開(kāi)閉沖擊波形作時(shí)間一一對(duì)應(yīng)的乘法處理，得到相對(duì)積輸出波形，其中正的脈沖即是閉合相對(duì)積，負(fù)的脈沖即是開(kāi)裂相對(duì)積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述的裂紋預(yù)警的判斷包括如下步驟(1)根據(jù)測(cè)點(diǎn)所能涉及的廣義共振的模態(tài)頻率(FOX)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)作帶寬為(X Y)與模態(tài)頻率(FOX)乘積的窄帶濾波，其中X = 0. 93 0. 99Hz, Y = 1. 00 1. 03Hz，得到振動(dòng)濾波信號(hào)；(2)選擇振動(dòng)濾波信號(hào)中相對(duì)最大值(A)發(fā)生時(shí)間T前后的、波形幅度單調(diào)下降到最大值的(0.01 0. 10)的時(shí)間Ta和Tb間的波形段，對(duì)該波形段按照最大值的Z倍做整形，其中Z的取值范圍建議為0. 05 0. 1，即瞬時(shí)幅度大于最大值的Z倍者量化為1，瞬時(shí)幅度小于最大值-ζ倍者量化為-1，其余量化為0，得到振動(dòng)量化波；(3)對(duì)于對(duì)應(yīng)時(shí)間段的開(kāi)閉沖擊波形按照最大值的Z倍做整形，其中Z的取值范圍建議為0. 05 0. 1，即瞬時(shí)幅度大于最大值的Z倍者量化為1，其余量化為0，得到?jīng)_擊量化波；(4)對(duì)振動(dòng)量化波與沖擊量化波作量化相對(duì)積，即對(duì)相關(guān)時(shí)間段內(nèi)各時(shí)間的振動(dòng)量化波與沖擊量化波一一相對(duì)應(yīng)求積得到量化相對(duì)積波；(5)對(duì)所得到的量化相對(duì)積做FFT分析，對(duì)頻率等于帶寬為(X Y)與模態(tài)頻率(FOX) 乘積范圍內(nèi)的最高主頻譜線的幅度，除以帶寬為(X Y)與模態(tài)頻率(FOX)乘積以外其它頻譜線的最高幅度得到置信度，若該置信度達(dá)到1. 41倍及以上，則判定為“裂紋預(yù)警”。
5.利用上述任何一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)裝置，包括振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器 (1-1 1-N)、振動(dòng)沖擊處理器(2)和裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)，其特征在于 所述的監(jiān)測(cè)裝置還包括裂紋分析診斷軟件；所述的振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-N)，用于監(jiān)測(cè)構(gòu)架可能引發(fā)裂紋的振動(dòng)模態(tài)內(nèi)因在外部隨機(jī)激勵(lì)作用下產(chǎn)生的機(jī)械廣義共振，和該機(jī)械廣義共振等因素引起的裂紋在振動(dòng)中因進(jìn)一步開(kāi)裂的聲發(fā)射沖擊及開(kāi)裂的裂紋在振動(dòng)中短暫閉合所產(chǎn)生的閉合沖擊；振動(dòng)沖擊處理器O)，用于對(duì)所述振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-N)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)沖擊信號(hào)分離為振動(dòng)信號(hào)和沖擊共振解調(diào)信號(hào)；裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)，用于對(duì)振動(dòng)沖擊處理器輸出的振動(dòng)沖擊信號(hào)進(jìn)行同步采樣及支持裂紋識(shí)別診斷軟件進(jìn)行裂紋診斷；安裝在構(gòu)架上的多個(gè)振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器(1-1 1-N)連接到振動(dòng)沖擊處理器O)的輸入端(1N1、1N2……1NN)，振動(dòng)沖擊處理器( 對(duì)每個(gè)傳感器的信號(hào)分離出廣義共振的振動(dòng)信號(hào)(V1、V2……VN)和開(kāi)閉沖擊的沖擊共振解調(diào)信號(hào)(11、12……IN)，再輸出到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)的AD轉(zhuǎn)換器輸入端(ADVUADV2……ADVN和ADI1、ADI2……ADIN)， 由裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)的軟件控制AD轉(zhuǎn)換器對(duì)至少每一個(gè)測(cè)點(diǎn)之傳感器的廣義共振信號(hào)和開(kāi)閉沖擊信號(hào)同步采樣，將上述采集的廣義共振信號(hào)和開(kāi)閉沖擊信號(hào)送到裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)的裂紋分析診斷軟件進(jìn)行裂紋分析診斷。
全文摘要
一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置，主要用于在車輛行車過(guò)程中通過(guò)檢測(cè)構(gòu)架因隨遇沖擊所激發(fā)的廣義共振及該廣義共振引發(fā)的裂紋之開(kāi)、閉沖擊，通過(guò)識(shí)別其相對(duì)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架裂紋等嚴(yán)重危及安全的故障診斷。對(duì)構(gòu)架進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而對(duì)該構(gòu)架進(jìn)行監(jiān)測(cè)的振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器的測(cè)點(diǎn)選擇；利用測(cè)點(diǎn)位置獲取的外部隨機(jī)沖擊激發(fā)構(gòu)架模態(tài)的廣義共振與該廣義共振所激發(fā)的廣義共振沖擊進(jìn)行識(shí)別裂紋的相對(duì)積判斷；利用測(cè)點(diǎn)位置獲取的廣義共振的模態(tài)頻率經(jīng)過(guò)窄帶濾波、量化相對(duì)積以及置信度計(jì)算等處理進(jìn)行裂紋預(yù)警的判斷，以及利用上述任何一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)裝置，包括振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器、振動(dòng)沖擊處理器和裂紋分析診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01M17/08GK102156051SQ201110026708
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者唐德堯, 王智, 陳湘, 黃貴發(fā) 申請(qǐng)人:唐德堯