基于导波的轨道车辆车轮辐板裂纹损伤识别及定位技术研究

• 作 者: 赵佳庆
• 出 处: 北京交通大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 车轮辐板 Lamb波 损伤检测 短时傅里叶变换 信号重构 遗传算法

随着交通事业不断进步,我国已成为轨道交通强国。轨道交通的兴起固然会带来巨大的社会效益及经济效益,但同时更应该重视车辆安全与运行过程中的安全问题。其中,车轮安全是轨道交通车辆安全的基础,车轮一旦出现问题,后果不堪设想。由车轮故障导致的重大事故严重性激发了业内对车轮损伤检测方法的研究。通过调查辐板裂纹故障,其中车轮辐板裂纹的产生可能会导致车轮崩裂,从而造成列车脱轨,后果极其严重,而且对其检测方法的研究较少。因此,本文针对车轮辐板裂纹提出了基于导波的损伤检测方法,对损伤进行检测识别及定位。本文的主要工作如下:(1)本文根据对导波研究及车轮辐板情况,选择了适用于板结构的Lamb波进行裂纹损伤检测。对Lamb群速度及相速度进行了计算,并求解了不同材料的频散曲线。对Lamb波的激励信号进行了优化选择,最终选择的激励信号为经过汉宁窗调制的正弦波窄带信号,波峰个数为5。利用短时傅里叶变换方法对实验采集到的Lamb波信号进行时频处理分析,通过对曲面钢板的研究表明,曲面的存在不会造成Lamb波的反射,波会在板中继续向前传播。采集了 19种不同大小的损伤对应的波形信号,以损伤反射波的能量幅值为损伤标识量,采用支持向量机的方法识别损伤大小。(2)本文针对车轮辐板的复杂情况,提出了基于最小差异性的损伤识别技术,对差异性指标函数进行了构造选取,结合遗传算法,通过对损伤反射波的重构来获取损伤的相关信息,从而采用几何定位方法实现损伤定位。利用铝板及钢板结构材料通过单一损伤反射实验及非单一损伤反射实验对重构算法进行了验证,结果显示重构信号与实测反射信号差异性较小,效果较好。对单一损伤反射情况进行了损伤定位实验,结果显示与实际情况相比误差较小。(3)通过前面的算法验证,本文将其应用到轨道车辆车轮辐板(含辐板孔)的裂纹损伤检测。通过试验比较不同激发频率的直达波幅值的大小,选择了260kHz为实验频率。对车轮辐板存在2cm裂缝损伤的情况进行了实验分析,对不同路径信号进行了短时傅立叶处理,结果表示计算传播距离与实际距离误差偏大。采用损伤信号重构方法进行损伤定位,结果表明虽存在一定的误差,但基本能够实现裂纹损伤的定位识别。最后提出了轨道车辆车轮辐板结构健康监测系统设计方案。图62幅,表19个,参考文献102篇。