CN106596025B - 基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法及系统 - Google Patents

基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法及系统，涉及悬挂设备稳定性检测技术领域，通过对悬挂风机预埋钢板施加脉冲激励，分别对激励和响应的时域信号进行处理，根据单自由度结构幅频特性和相频特性计算出特征频率，建立基于多阶特征频率的稳定性识别模型，采用该检测方法在检测公路隧道悬挂风机基础稳定性时，根据m次试验的前n阶特征频率对应的传递函数幅值加权融合计算结果判断基础稳定性。该检测方法在检测过程完全不影响设备的运行，无需卸下庞大的风机，操作简单，准确检测出预埋基础的稳定性状况，原理简单，试验结果直观可靠，符合保障公路隧道安全运行的需要。

Description

基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法及 系统
技术领域
本发明涉及悬挂设备稳定性检测技术领域，特别涉及一种基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法和系统。
背景技术
随着我国公路交通的迅速发展，公路隧道大量修建。到2013年底，我国公路隧道已突破万座大关。公路隧道普遍设置有机械通风装置，而其中95％以上采用了悬挂式射流通风，所以悬挂的射流风机预埋基础的稳定性得到了人们的高度重视。
如图1所示，射流风机的安装方式一般是先在隧道拱顶预埋钢板，钢板与预埋钢筋焊接连接，然后将风机安装支架焊接在钢板上。由于风机较重，且在运行中会产生一定的震动，对基础稳定性难免产生不良影响，所以有必要定期对预埋件基础的稳定性进行检测。
现有的风机预埋基础健康性检测方法，一般有以下2种方法：(1)作抗拉拔试验；(2)采用无损探伤(超声波或磁粉探伤)。
而现有的检测方法均存在缺陷：(1)作抗拉拔试验，由于风机体型较大，一般直径均在一米多，在风机已安装的条件下抗拔试验操作非常困难，且观测也非常困难。如果将风机卸下再作抗拔试验，工作量较大，试验周期也过长。(2)采用无损探伤，主要检测预埋钢板与安装支架之间连接的可靠性，实际上对预埋钢板与预埋钢筋之间连接的可靠性检测较为困难，且不能检测预埋钢筋和混凝土之间结合的松动情况。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题之一在于提供一种基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法，该方法在检测过程中完全不影响设备的运行，操作简单，能准确检测出悬挂风机基础的稳定性，试验结果直观可靠，符合保障公路隧道安全运行的需要。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：本发明提供了一种基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法，具体包括以下步骤：
S1：利用激励装置对悬挂风机预埋钢板施加脉冲激励，分别采集激励和响应时域信号，同一预埋钢板进行m次试验，m为整数；
S2：对所述m次试验激励和响应的时域信号进行信号处理得到处理结果；
S3：根据所述处理结果判断出基础的稳定性状态。
进一步，所述S2中信号处理具体步骤包括：
S201：对激励和响应时域信号进行加窗处理，然后分别计算出m次试验的传递函数和相干函数；
S202：根据单自由度结构幅频特性和相频特性曲线求解第j次试验预埋板的前n阶特征频率集Wj＝(w1j,w2j,…,wnj)，j＝1,2,…,m，n为整数。
进一步，所述S2中信号处理具体步骤还包括：S203：建立基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型；
S204：根据所述基础稳定性识别模型求解预埋基础健康性检测结果。
进一步，S203中，基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型采用传递函数幅值加权融合方法，其计算公式为：其中，i为特征频率阶数i＝1,2,…,n；j为试验次数，j＝1,2,…,m；W传递函数幅值加权融合计算结果；ki为权值，wij为第j次试验，预埋板第i阶特征频率所对应的传递函数幅值。
进一步，所述S3中，所述根据所述处理结果判断出基础的稳定性状态方法为：其中，W为传递函数幅值加权融合计算结果；λ1、λ2为基础稳定性计算模型参数；Q为基础稳定性检测结果，Q＝1，预埋基础健康状态等级达一级，预埋基础整体健康状态良好，无松动；Q＝2，预埋基础健康状态等级达二级，预埋基础整体健康状态良好，部分测点松动；当Q＝3，预埋基础健康状态等级达三级，预埋基础整体健康状态较差，松动。
本发明还包括一种基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测系统，包括激励装置，用于敲击预埋钢板产生脉冲激励信号；加速度传感器，用于采集预埋钢板的响应信号；数据采集仪，分别对激励信号和响应信号进行信号处理；通信模块，用于传输数据；控制器，用于接收数据采集仪的输出数据判断预埋基础的稳定性。
进一步，所述数据采集仪的具体工作步骤包括：a.对激励和响应的时域信号进行加窗处理，然后计算出传递函数和相干函数；b.根据单自由度结构幅频特性和相频特性曲线求解特征频率。
进一步，所述数据采集仪的具体工作步骤还包括：c.建立基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型；d.根据所述基础稳定性识别模型求解预埋基础健康性检测结果。
进一步，所述基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型采用传递函数幅值加权融合方法，其计算公式为：其中，i为特征频率阶数，i＝1,2,…,n；j为试验次数，j＝1,2,…,m；W传递函数幅值加权融合计算结果；ki为权值，wij为第j次试验，预埋板第i阶特征频率所对应的传递函数幅值。
进一步，控制器判断出基础的稳定性状态的方法为：其中，W为传递函数幅值加权融合计算结果；λ1、λ2为基础稳定性计算模型参数；Q为基础稳定性检测结果，Q＝1，预埋基础健康状态等级达一级，预埋基础整体健康状态良好，无松动；Q＝2，预埋基础健康状态等级达二级，预埋基础整体健康状态良好，部分测点松动；当Q＝3，预埋基础健康状态等级达三级，预埋基础整体健康状态较差，松动。
本发明的有益效果：
基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法，采用敲击预埋基础的方式产生脉冲激励，采集脉冲激励和响应时域信号并进行处理来检测预埋基础稳定性。采用该检测方法在检测公路隧道悬挂风机基础稳定性时，检测过程完全不影响设备的运行，无需卸下庞大的风机，操作简单，准确检测出预埋基础的稳定性状况，原理简单，试验结果直观可靠，符合保障公路隧道安全运行的需要。
基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测系统，通过力传感器和加速度传感器采集冲激激励和预埋钢板的振动信息，经过数据采集仪对激励信号和响应信号的幅频特性曲线和相频特性曲线分析求取特征频率，控制器再根据特征频率进行建模计算，得到检测结果，判断出基础的稳定性。该检测系统操作简单，准确检测出预埋基础的稳定性状况，试验结果直观可靠，检测过程不影响风机的运行，符合保障公路隧道安全运行的需要。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1是公路隧道风机安装结构示意图。
图2是本发明检测方法的工作流程图。
图3为本发明检测方法中S2具体工作流程图。
图4是本发明检测方法的单自由度结构传递函数幅频特性图和相频特性图。
图5是本发明检测系统的结构示意图。
图中，A0为预埋钢筋、A1为预埋钢板、A2为安装支架、A3为射流风机。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。以下是传递函数幅值加权融合方法仅为基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，该模型的各种改动和变型而不脱离基于传递函数求取多阶特征频率构建基础稳定性识别模型都属于本发明保护范围。
如图1所示，公路隧道悬挂风机的预埋件包括设置在混凝土结构中的预埋钢筋A0，焊接在预埋钢筋A0上的预埋钢板A1，以及焊接在预埋钢板A1的安装支架A2，在所述安装支架A2上用螺栓固定射流风机A3。
如图2、3所示，本发明的基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法，具体包括以下步骤：
将加速度传感器紧贴预埋钢板安装，通过带有力传感器的冲击锤敲击预埋钢板产生冲激脉冲，力传感器采集激励x(t)时域信号，加速度传感器采集响应y(t)时域信号。
对激励x(t)时域信号加力窗处理，对响应y(t)时域信号加指数窗处理。加力窗用于去除冲击信号的噪声，理想情况下，冲击信号在很短的一段时间里是非零的，其余全为零。任何冲击信号以后的数据都被认为是噪声。力窗保留了冲击信号而使其它样点数据为零，以此去掉噪声。指数窗加到响应时域信号上以减少响应的频率泄漏，提高信号信噪比。然后对加窗处理后的激励x(t)时域信号和响应y(t)时域信号分别进行傅里叶变换，得到X(w)和Y(w)，并通过计算公式(1)、(2)计算出传递函数H(w)和相干函数R(w)。
式(1)中，H(w)为传递函数，X(w)为激励x(t)的傅里叶变换，Y(w)为响应y(t)的傅里叶变换。式(2)中，R(w)为相干函数，Gx(w)为激励x(t)的单边自谱密度函数，Gy(w)为响应y(t)的单边自谱密度函数，Gxy(w)为激励x(t)和响应y(t)的单边互谱密度函数。根据相干函数R(w)的幅值可判断试验质量，相干函数R(w)幅值越大，说明激励信号和响应信号的噪声污染较小，试验质量越好。相干函数R(w)的幅值大于0.75时试验质量较好。
同一预埋钢板进行m次试验，m为整数，试验位置均匀分布于预埋钢板上。根据单自由度结构幅频特性和相频特性曲线求解第j次试验预埋板的第i阶特征频率wij，i＝1,2,…,n，n为整数，j＝1,2,…,m。如图4所示，幅频特性曲线极大值且相频特性曲线拐点(相位角)对应的频率即为特征频率；
建立基于多阶特征频率的稳定性识别模型，计算基础稳定性检测结果。模型采用传递函数幅值加权融合方法，其计算公式如下：
式(3)中，其中，i为特征频率阶数，i＝1,2,…,n；j为试验次数，j＝1,2,…,m；在实际应用中，m和n根据经验值取值，本实施方式中，m＝3,n＝5；W传递函数幅值加权融合计算结果；ki为权值，wij为第j次试验，预埋板第i阶特征频率所对应的传递函数幅值。
基础稳定性识别计算方法如下：
式(4)中，Q为基础稳定性检测结果，Q＝1，预埋基础健康状态等级达一级，预埋基础整体健康状态良好，无松动；Q＝2，预埋基础健康状态等级达二级，预埋基础整体健康状态良好，部分测点松动；当Q＝3，预埋基础健康状态等级达三级，预埋基础整体健康状态较差，松动。λ1、λ2为基础稳定性计算模型参数，其值标定步骤如下：
1)取r次风机预埋基础振动原始数据，构建模型参数标定样本集，样本集中原始数据对应的风机预埋基础状态须包括Q＝1、Q＝2和Q＝3三种状态，样本预埋基础状态由人工识别获得。
2)设上述样本集中包含预埋基础Q＝1状态样本x个，分别计算其传递函数幅值加权融合结果WQ＝1，记为(W1,W2,…Wx)。
3)设上述样本集中包含预埋基础Q＝2状态样本y个，分别计算其传递函数幅值加权融合结果WQ＝2，记为(Wx+1,Wx+2,…Wx+y)。
4)设上述样本集中包含预埋基础Q＝3状态样本r-x-y个，分别计算其传递函数幅值加权融合结果WQ＝3，记为(Wx+y+1,Wx+y+2,…Wr)。
4)根据上述传递函数幅值加权融合结果W计算结果，其分布如下：
设(W1,W2,…Wx)中值最大的为(Wx+1,Wx+2,…Wx+y)中值最小的为值最大的为(Wx+y+1,Wx+y+2,…Wr)中值最小的为
5)由上可知：当样本空间r足够大时，其值近似于临界值即可将其作为模型参数λ1；
其值近似于临界值即可将其作为模型参数λ2。该模型参数标定方法简单可行，并可在后续的实验中根据稳定性识别结果不断地修正参数。
基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法，采用敲击预埋基础的方式产生脉冲激励，采集脉冲激励和响应信号并分析处理来检测预埋基础稳定性。该检测方法在检测时，检测过程完全不影响设备的运行，无需卸下庞大的风机，操作简单，准确检测出预埋基础的稳定性状况，原理简单，试验结果直观可靠，符合保障公路隧道安全运行的需要。
如图5所示，本发明还包括一种基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测系统，包括激励装置，用于敲击预埋钢板产生脉冲信号；加速度传感器，用于采集预埋钢板的响应信号；数据采集仪，分别对脉冲信号和响应信号进行信号处理；通信模块，用于传输数据；控制器，用于接收数据采集仪的输出数据判断预埋基础的稳定性。激励装为带有力传感器的冲击锤。数据采集仪分别与力传感器、加速度传感器和通信模块连接，通信模块与控制器连接。冲击锤敲击预埋钢板产生脉冲激励，力传感器采集产生的脉冲激励x(t)信号，安装在预埋钢板上的加速度传感器采集钢板的响应y(t)信号，数据采集仪分别采集力传感器和加速度传感器输出的信号进行相频曲线分析，求取特征频率。
数据采集仪工作的具体步骤包括：对激励x(t)时域信号加力窗处理，对响应y(t)时域信号加指数窗处理。加力窗用于去除冲击信号的噪声，理想情况下，冲击信号在很短的一段时间里是非零的，其余全为零。任何冲击信号以后的数据都被认为是噪声。力窗保留了冲击信号而使其它样点数据为零，以此去掉噪声。指数窗加到响应时域信号上以减少响应的频率泄漏，提高信号信噪比。然后对加窗处理后的激励x(t)时域信号和响应y(t)时域信号分别进行傅里叶变换，得到X(w)和Y(w)，并通过计算公式(1)、(2)计算出传递函数H(w)和相干函数R(w)，
式(1)中，H(w)为传递函数，X(w)为激励x(t)的傅里叶变换，Y(w)为响应y(t)的傅里叶变换。式(2)中，R(w)为相干函数，Gx(w)为激励x(t)的单边自谱密度函数，Gy(w)为响应y(t)的单边自谱密度函数，Gxy(w)为激励x(t)和响应y(t)的单边互谱密度函数。根据相干函数R(w)的幅值可判断试验质量，相干函数R(w)幅值越大，说明激励信号和响应信号的噪声污染较小，试验质量越好。相干函数R(w)的幅值大于0.75时试验质量较好。
同一预埋钢板进行m次试验，m为整数，试验位置均匀分布于预埋钢板上。根据单自由度结构幅频特性和相频特性曲线求解第j次试验预埋板的第i阶特征频率wij，i＝1,2,…,n，j＝1,2,…,m。如图4所示，幅频特性曲线极大值且相频特性曲线拐点(相位角)对应的频率即为特征频率；
数据采集仪根据特征频率，建立基于多阶特征频率的稳定性识别模型，计算基础稳定性检测结果。基于多阶特征频率的稳定性识别模型采用传递函数幅值加权融合方法，其计算公式如下：
式(3)中，其中，i为特征频率阶数，i＝1,2,…,n；j为试验次数，j＝1,2,…,m；在实际应用中，m和n根据经验值取值，本实施方式中，m＝3,n＝5；W传递函数幅值加权融合计算结果；ki为权值，wij为第j次试验，预埋板第i阶特征频率所对应的传递函数幅值。
控制器中判断基础稳定性的公式如下：
式(4)中，Q为基础稳定性检测结果，Q＝1，预埋基础健康状态等级达一级，预埋基础整体健康状态良好，无松动；Q＝2，预埋基础健康状态等级达二级，预埋基础整体健康状态良好，部分测点松动；当Q＝3，预埋基础健康状态等级达三级，预埋基础整体健康状态较差，松动。λ1、λ2均为基础稳定性计算模型参数，其值标定步骤如下：
1)取r次风机预埋基础振动原始数据，构建模型参数标定样本集，样本集中原始数据对应的风机预埋基础状态须包括Q＝1、Q＝2和Q＝3三种状态，样本预埋基础状态由人工识别获得。
2)设上述样本集中包含预埋基础Q＝1状态样本x个，分别计算其传递函数幅值加权融合结果WQ＝1，记为(W1,W2,…Wx)。
3)设上述样本集中包含预埋基础Q＝2状态样本y个，分别计算其传递函数幅值加权融合结果WQ＝2，记为(Wx+1,Wx+2,…Wx+y)。
4)设上述样本集中包含预埋基础Q＝3状态样本r-x-y个，分别计算其传递函数幅值加权融合结果WQ＝3，记为(Wx+y+1,Wx+y+2,…Wr)。
4)根据上述传递函数幅值加权融合结果W计算结果，其分布如下：
设(W1,W2,…Wx)中值最大的为(Wx+1,Wx+2,…Wx+y)中值最小的为值最大的为(Wx+y+1,Wx+y+2,…Wr)中值最小的为
6)由上可知：当样本空间r足够大时，其值近似于临界值即可将其作为模型参数λ1；
其值近似于临界值即可将其作为模型参数λ2。该模型参数标定方法简单可行，并可在后续的实验中根据稳定性识别结果不断地修正参数。
该检测系统操作简单，准确检测出预埋基础的稳定性状况，试验结果直观可靠，检测过程不影响风机的运行，符合保障公路隧道安全运行的需要。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1：利用激励装置对悬挂风机预埋钢板施加脉冲激励，分别采集激励和响应时域信号，同一预埋钢板进行m次试验，m为整数；
S2：对所述激励和响应的时域信号进行信号处理得到处理结果；
S3：根据所述处理结果判断出基础的稳定性状态，所述S2中信号处理具体步骤包括：
S201：分别对激励和响应时域信号进行加窗处理，然后分别计算出m次试验的传递函数和相干函数；
S202：根据单自由度结构幅频特性和相频特性曲线求解第j次试验预埋板的前n阶特征频率集Wj＝(w1j,w2j,…,wnj)，j＝1,2,…,m，n为整数；所述S2中信号处理具体步骤还包括：S203：建立基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型；
S204：根据所述基础稳定性识别模型求解预埋基础健康性检测结果；所述S203中，基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型采用传递函数幅值加权融合方法，其计算公式为：其中，i为特征频率阶数i＝1,2,…,n；j为试验次数，j＝1,2,…,m；W传递函数幅值加权融合计算结果；ki为权值，wij为第j次试验预埋板第i阶特征频率所对应的传递函数幅值。
2.如权利要求1所述的基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测方法，其特征在于：所述S3中，所述根据所述处理结果判断出基础的稳定性状态方法为：其中，W为传递函数幅值加权融合计算结果；λ1、λ2均为基础稳定性计算模型参数；Q为基础稳定性检测结果，Q＝1，预埋基础健康状态等级达一级，预埋基础整体健康状态良好，无松动；Q＝2，预埋基础健康状态等级达二级，预埋基础整体健康状态良好，部分测点松动；当Q＝3，预埋基础健康状态等级达三级，预埋基础整体健康状态较差，松动。
3.一种基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测系统，其特征在于：包括激励装置，用于敲击预埋钢板产生脉冲激励信号；加速度传感器，用于采集预埋钢板的响应信号；数据采集仪，分别对激励信号和响应信号进行信号处理；通信模块，用于传输数据；控制器，用于接收数据采集仪的输出数据并判断预埋基础的稳定性，所述数据采集仪的具体工作步骤包括：a.对激励和响应的时域信号进行加窗处理，然后计算出传递函数和相干函数；
b.根据单自由度结构幅频特性和相频特性曲线求解特征频率；所述数据采集仪的具体工作步骤还包括：c.建立基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型；
d.根据所述基础稳定性识别模型求解预埋基础健康性检测结果；所述基于多阶特征频率的基础稳定性识别模型采用传递函数幅值加权融合方法，其计算公式为：其中，i为特征频率阶数，i＝1,2,…,n；j为试验次数，j＝1,2,…,m；W传递函数幅值加权融合计算结果；ki为权值，wij为第j次试验，预埋板第i阶特征频率所对应的传递函数幅值。
4.如权利要求3所述的基于冲激响应的公路隧道悬挂风机基础稳定性检测系统，其特征在于：所述控制器判断出基础的稳定性状态方法为：其中，W为传递函数幅值加权融合计算结果；λ1、λ2为基础稳定性计算模型参数；Q为基础稳定性检测结果，Q＝1，预埋基础健康状态等级达一级，预埋基础整体健康状态良好，无松动；Q＝2，预埋基础健康状态等级达二级，预埋基础整体健康状态良好，部分测点松动；当Q＝3，预埋基础健康状态等级达三级，预埋基础整体健康状态较差，松动。
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