一種高速列車車體應力測試裝置及其工作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖光柵傳感技術、光纖信號解調、數據存儲和監測數據遠程傳輸，以及名義應力和結構應力的測試方法，特別是一種應用在高速列車上的車體應力測試裝置及其工作方法。
【背景技術】
[0002]隨著高速列車技術的快速發展，高速列車的速度也越來越快，國內高鐵最高運營速度已達到350KM/h。許多設備吊掛在設備艙內，這些設備尺寸體積大，且承受的載荷相當復雜，既有車體結構牽連的振動載荷，也有設備本身的振動載荷；既有復雜的氣動載荷，也有復雜的溫度載荷。而且，這些載荷主要由焊接接頭、螺栓組承擔。當服役環境變糟時，其中任何一個焊縫、任何一個螺栓組的結構疲勞失效，都可能給動車組的服役安全帶來災難性的打擊，其后果不堪設想。
[0003]在運行速度不斷提高的同時，車體運行工況也更加復雜苛刻。由于高速列車車體為焊接結構，而焊縫的抗疲勞能力遠低于母材，疲勞失效總是從焊縫上開始，因此，通過試驗監測獲得焊縫處的名義應力以及結構應力數據，進而依據相關標準評價其疲勞壽命，這對高速列車車體焊接結構的可靠性評估至關重要。
[0004]為了達到上述能力要求，人們也試圖基于電信號、有源傳感技術開展測試研究。以下專利均涉及車體應力測試技術:
[0005]1.一種光纖光柵傳感應力測試裝置(南陽二機石油裝備(集團)有限公司，何軍國);專利號:CN200520005985o
[0006]2.管粧光纖光柵傳感器測試系統(建研地基基礎工程有限責任公司，秋仁東)；專利號:CN201220619757o
[0007]3.一種靜壓高強預應力混凝土管粧粧身應力測試方法(青島理工大學，白曉宇)；專利號:CN201310474553。
[0008]4.一種非金屬抗浮錨桿桿體應力測試裝置(青島理工大學，張明義)；專利號:CN201310474100o
[0009]5.煤礦井下一孔多點光纖光柵鉆孔應力測試裝置(煤炭科學技術研究院有限公司，歐陽振華);專利號:CN201320633874。
[0010]6.一種水下壓力綜合試驗裝置(中國電子科技集團公司第三研究所，張曉燦)；專利申請號:CN201410658318o
[0011]7.路基沉降監測系統(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，張千里)。專利申請號:CN201410669316o
[0012]但已有技術面臨著以下困難:
[0013](I)由于車下設備艙吊座較多，監測系統需要大量應變傳感器來構成一個復雜的網絡系統，因此，一個車廂上的監測網絡可能要有近百個傳感器來構成，這必然要求有一個很大的走線安裝空間，這會使本已空間狹小的設備艙更加擁擠，布線混亂，對維修人員正常的車下設備艙作業造成嚴重影響。
[0014](2)更重要的是，由于高速列車運營過程中本身高強度的電磁場的存在，以及周圍環境中電磁信號的干擾，使得傳統電測量測試獲得的信號誤差非常大。
[0015](3)高速列車車體應力測試需要長期測試車下典型吊掛設備在長大交路長期運營條件下(含不同速度、不同線路、不同季節)的動應力變化趨勢，并結合輪對踏面磨耗形狀變化分析動車組運用過程中的車下吊掛設備應力幅值變化規律，研究設備艙典型部位處的受力變化，獲得車下懸掛結構的實際載荷譜，對車下懸吊設備及設備艙的可靠性進行評估。這就要求監測系統具有列車速度、運行線路、環境溫度的數據采集功能，而傳統的基于電信號、有源傳感技術的測試系統不完全具備上述功能。
[0016](4)傳統的測量裝置(電測量測試、光纖光柵)多為測試測點的名義應力，獲得數據后基于IIW標準進行評估。IIW標準中只規定了部分焊接接頭搭接形式，難以對高速列車眾多的復雜焊接接頭進行評估，對于其他未規定的焊縫形式則無有效的解決辦法。作為焊接結構疲勞評估的有效方法結構應力法(ASME2007)，雖然已被用于軌道交通裝備的疲勞壽命評估上，但是還未有采用光纖光柵技術的測試系統能夠采集結構應力用于高速列車車體的可靠性評估。
[0017]現有的光纖光柵傳感應力測試裝置一般包括光纖光柵傳感器陣列、光纖光柵解調器、光纖和計算機。通過測試點附近的傳感器將測試信號傳輸至計算機進行分析，得出應力結果。但所得應力是測點的名義應力，需要基于相關標準(如IIW)進行評估。然而，IIW標準中只規定了部分焊接接頭搭接形式，難以對高速列車眾多的復雜焊接接頭進行評估，對于其他未規定的焊縫形式則無有效的解決辦法。

【發明內容】

[0018]為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種能夠節省空間、抗電磁干擾、采集列車運行速度和環境溫度數據，并能夠測試測點名義應力及結構應力的高速列車車體應力測試裝置及其工作方法。
[0019]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0020]一種高速列車車體應力測試裝置，包括應變傳感器、溫度傳感器、控制器、數據采集器、交換機、網絡硬盤、遠程服務器、近端調試機、3G路由器和電源轉換器，所述的應變傳感器和溫度傳感器通過鎧裝光纜與數據采集器連接，所述的數據采集器與控制器之間通過網線連接傳輸指令和數據，所述的控制器、網絡硬盤和3G路由器均通過網線連接到交換機實現數據的轉移和分流，所述的控制器上設有USB接口，所述的近端調試機通過控制器上的USB接口或3G路由器的WIFI功能連接控制器進行軟件的下載和設備調試，所述的遠程服務器通過無線網絡連接3G路由器；所述的電源轉換器的輸出端通過電纜分別與控制器、網絡硬盤和交換機連接，電源轉換器的輸入端通過電纜連連接車上IlOV直流電源，實現IlOV到12V電源轉換。所述的數據采集器配有GPS數據采集通道，外接GPS天線，數據采集器供電時，GPS數據會同步采集。
[0021]一種高速列車車體應力測試裝置的工作方法，包括以下步驟:
[0022]A、布設傳感器以及其他設備
[0023]測試中使用的應變傳感器、溫度傳感器用鎧裝光纜連接起來，不同的傳感器分開串接，即應變傳感器與溫度傳感器不可連接在同一根光纜上，根據測試需要決定一根光纜上串接傳感器的數量，但不宜過多。按照測試的實際需要，選擇應力測試的種類，分別為名義應力與結構應力，不同種應力測試選用相應的傳感器布設方案。
[0024]方案1:若測試焊縫處的結構應力，則在焊縫處布置4個應變傳感器和I個溫度傳感器，應變傳感器垂直于焊縫，在不影響應變測試的前提下，固定在靠近應變傳感器的位置。
[0025]方案2:若測試焊縫處的名義應力，則只需在焊縫附近布設應變傳感器以及溫度傳感器各I個。應變傳感器應垂直于焊縫，溫度傳感器固定在靠近應變傳感器的位置即可。
[0026]在上面的兩種布設方案中，溫度傳感器既用來補償附近的光纖光柵應變傳感器，又用來獲得環境溫度，進而考評環境溫度的變化對被測件的應力影響。
[0027]B、安裝軟件以及設備調試
[0028]操作人員通過控制器的USB接口或者3G路由器的WIFI功能將近端調試機與控制器連接，將相關軟件系統下載至控制器中。在近端調試機通過軟件對控制器進行相關參數的設置，設置內容包括試驗采樣頻率設置、通過光波長和被測量的函數關系公式設置、根據需要設置保存文件的類型及大小、設置采樣時間格式為絕對時間或相對時間、設置存儲數據獲取模式，所述的存儲數據獲取模式包括連續存儲模式、周期性存儲模式和觸發式存儲模式；所述的周期性存儲模式包括每個存儲間隔內的存儲時間長度、存儲間隔，所述的觸發式存儲模式包括觸發后存儲時間長度、預警觸發和報警觸發、丟失信息觸發、自動重置擴展。設置完成后，對整個裝置進行調試。
[0029]C、采集數據
[0030]當列車加電后，控制器啟動，兩分鐘后網絡硬盤啟動，五分鐘后數據采集器啟動，控制器通過網線給予數據采集器指令，將各數采通道初始化并進行參數化設置，數據采集開始后，由各傳感器產生的光纖信號經光纜傳輸至數據采集器，GPS數據同步進行采集，然后由網線傳輸至控制器，經交換機傳輸到網絡硬盤進行存儲，同時每5s產生一個數據緩沖文件，在無線網絡通暢時，實時傳輸到遠程服務器進行存儲，若無線信號不穩定，則持續緩沖以保證數據不丟失。
[0031]D、遠程檢查與維護
[0032]由于工作環境惡劣，測試周期一般較長，為確保裝置的正常工作，操作人員應定期進行現場檢查和維護，通過遠程服務器檢查裝置的運行情況。
[0033]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0034]1、列車應力測試傳統上運用電測應力技術，本發明中使用光纖光柵傳感器測量應力，光纖能有效地避免傳統電測試方法抗電磁干擾能力差的缺點，在高鐵復雜電磁環境下能夠較準確的獲得應力信號，給后期數據處理帶來方便。
[0035]2、列車應力測試傳統上運用的電測應力技術，每布設一個傳感器就要占用一個通道，每個傳感器都需要單獨布線，這會使本已空間狹小的設備艙更加擁擠，布線混亂，對鐵路工人正常的車下設備艙作業造成嚴重影響。本發明中使用光纖光柵傳感器測量應力，數據采集器的每個通道通過使用一根光纖線可把多個同類型光纖光柵傳感器串聯起來，有效地改善布線難度，節省了列車設備艙空間。
[0036]3、傳統對于焊接結構進行應力疲勞測試的主要方法為“名義應力法”，這種方法只能評價傳感器所在位置的情況，發明中既采用了 “名義應力法”，也采用“結構應力法”對焊接結構進行應力疲勞評價，采用“結構應力法”可對整個焊接結構的應力疲勞進行評價，彌補了“名義應力法”的不足。可以基于相關標準(IIW和ASME2007標準)對測點的焊接可靠性進行評估，同時可以預測測點的疲勞壽命。
[0037]4、傳統應力測試數據存儲都是在本地，本發明中控制器設有USB2.0接口，可供硬盤數據存儲。設有3G路由器可對采集系統進行操作，也可經3G路由器訪問數據存儲空間。設有遠程服務器，可對上位機進行遠程操作。因高鐵運行線路相對固定，本發明獲得的GPS數據可以準確地推測出試驗列車的運行線路，可用來研究不同線路工況下車體應力漸變趨勢。
【附圖說明】
[0038]本發明共有附圖2張，其中:
[0039]圖1是本發明的裝置框架結構示意圖。
[0040]圖2是實施過程中的傳感器安裝示意圖。
[0041]1、電源轉換器，2、交換機，3、網絡硬盤，4、控制器，5、數據采集器，6、應變傳感器，7、溫度傳感器，8、遠程服務器，9、3G路由器，10、近端調試機，11、應變傳感器安裝點A，12、應變傳感器安裝點B，13、應變傳感器安裝點C，14、應變傳感器安裝點D，15、溫度傳感器安裝點。
【具體實施方式】