CN108458858A - 一种火车车钩结构健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火车车钩结构健康监测系统，该结构健康监测系统包括一个或多个安装到火车车钩或与火车车钩集成的传感器；一个数据采集单元，用于控制传感器工作方式和接收传感器发送的信号或数据；一个处理单元，在所接收的信号或数据基础上确定车钩的结构健康状况。结构健康监测系统可以在火车运行时连续或周期性地执行，也可以在火车停用的情况下进行离线检查。检测方法可以是被动式的，传感器在没有产生激励信号的情况下收集信号；也可以是主动式的，使用一些传感器作为激励器向结构发送激励信号，其他传感器或激励器本身收集结构响应信号。

Description

一种火车车钩结构健康监测系统

技术领域

本发明涉及构件结构健康监测技术领域，具体涉及一种火车车钩结构健康监测系统。

背景技术

车钩是连接火车车厢的一种连接结构，该结构失效可能会导致事故，有时会带来灾难性损失。特别是重载火车和高速列车的车钩长期承受强力推拉。因此，确保车钩的结构处于健康状态至关重要。车钩最为常见的结构损伤为裂缝，磨损和金属疲劳。目前对于车钩的检查主要通过定期维护中的离线检修来执行，维护方法主要为目视检查。由于车钩结构的很大一部分隐藏在车身下面，经常需要拆卸车钩来进行检查，非常耗时费力。在某些情况下，当损伤发生在结构内部时，目视检查将无法查出隐匿损伤。因此，市场急需高效率、准确性高且节省人力的车钩损伤检查系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火车车钩结构健康监测系统，用以解决现有的车钩检测技术存在检测效率低、检测准确率低和检测工人劳动强度大的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种火车车钩结构健康监测系统，所述火车车钩结构健康监测系统包括：

安装于火车车钩或集成到车钩上的一个或多个传感器；

用于控制所述传感器并接收所述传感器发送的信号或数据的数据采集单元；

用于根据接收所述数据采集单元发送的信号或数据，判断车钩的结构健康状况的处理单元。

优选的，所述数据采集单元通过至少一个所述传感器向车钩发送激励信号，并通过至少一个所述传感器采集车钩的回应。

优选的，一个或多个所述传感器作为车钩的一部分装嵌于车钩的结构内部。

优选的，一个或多个所述传感器通过环氧树脂、夹具、胶水或螺钉安装于车钩上。

优选的，所述传感器为压电传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、电磁超声换能器、光纤传感器、位移传感器、位置传感器、温度传感器、力传感器、扭矩传感器、振动传感器中的一种或多种组合。

优选的，所述数据采集单元与一个或多个所述传感器集成于一个设备中。

优选的，所述数据采集单元与所述处理单元集成于一个设备中。

优选的，一个或多个所述传感器与所述数据采集单元之间通过有线或无线方式进行通讯。

优选的，所述数据采集单元与所述处理单元之间通过有线或无线方式进行通讯。

优选的，一个或多个所述传感器由所述数据采集单元供电。

优选的，一个或多个所述传感器由电池供电。

优选的，所述电池由能量收集电路进行充电。

优选的，所述数据采集单元由电池供电。

优选的，所述电池由能量收集电路进行充电。

优选的，所述处理单元由电池供电。

优选的，所述电池由能量收集电路进行充电。

优选的，所述火车车钩结构健康监测系统还包括一个远程管理控制台，用于向数据采集单元和/或处理单元发送指令，对数据采集单元和/或处理单元进行协调，并通过网络接收数据采集单元和/或处理单元发送的数据和/或结构健康结果。

本发明具有如下优点：本发明的火车车钩结构健康监测系统具有检测效率高，检测准确率高，可大大降低检测工人劳动强度大的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1中火车车钩结构健康监测系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1中数据采集单元的结构示意图。

图3为本发明实施例5中火车车钩结构健康监测系统使用一个超声传感器时的监测原理图。

图4为本发明实施例5中火车车钩结构健康监测系统使用两个超声传感器时的监测原理图。

图5为本发明实施例6中火车车钩结构健康监测系统使用一组传感器时的监测原理图。

图6为不同形状盒体的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，该火车车钩结构健康监测系统包括一个或多个传感器101、数据采集单元102和处理单元103。在本实施例中，火车车钩结构健康监测系统用于检测火车车钩结构的健康，但是不限制于此，还可用于检测其他构件。火车车钩结构健康监测系统可以在火车处于运行状态时，实时连续地或者周期性地执行检测，也可在火车停用的情况下进行离线检查。传感器101用于发出激励信号或接收响应信号，检测方式可以是主动模式、被动模式或主动与被动混合模式，在被动模式下，传感器101只收集信号而不向车钩发出激励信号，再将信号发送至数据采集单元102，该信号可以是火车车钩的温度、压力、加速度等；在主动模式下，其中一部分传感器101作为激励器，主动向车钩的结构发送激励信号，而其余传感器101或用作激励器的传感器101本身共同收集车钩结构的响应信号，再将信号发送至数据采集单元102。

传感器101既可以通过环氧树脂、夹具、胶水、螺钉或其他方法安装于车钩上，也可直接作为车钩的一部分内嵌于其中。传感器101可以是压电传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、电磁超声换能器(EMAT)、磁力传感器、光纤传感器、位移传感器、位置传感器、温度传感器、力传感器、扭矩传感器、振动传感器中的一种，也可以是上述具有不同传感能力的传感器101的组合。

传感器101、数据采集单元102与处理单元103均可以是独立的设备；也可以将多个传感器101与数据采集单元102集成于一个设备中，使处理单元103成为一个单独的设备；也可以将数据采集单元102与处理单元103集成于一个设备中，使得多个传感器101集成于一个设备或多个设备；也可以将多个传感器101、数据采集单元102、和处理单元103集成于一个设备中。

数据采集单元102用于控制传感器101并接收传感器101发送的信号或数据，数据采集单元102与多个传感器101之间通过有线或无线方式进行通讯，当以有线方式通讯时，连接线可以是但不限于屏蔽线、非屏蔽线、同轴电缆、双绞线、USB电缆、以太网电缆或其他连接线；当以无线方式通讯时，其无线通讯模式可以是但是不限于ZigBee、Lora、Wi-Fi或移动数据网络。传感器101与数据采集单元102之间传输的信号或数据可以是模拟信号，也可以是数字信号。

如图2所示，数据采集单元102包括信号调节电路201和A/D转换器202，信号调节电路201与A/D转换器202电连接。信号调节电路201用于放大信号电平并对信号进行滤波处理，A/D转换器202用于将接收到的模拟信号转化成数字信号。进一步的，数据采集单元102还可以包括数据处理模块203，数据处理模块203与A/D转换器202电连接，数据处理模块203用于对数字信号进行处理和特征提取。进一步的，如果数据采集单元102需要支持主动模式检测，数据采集单元102还可以包括D/A转换器204和激励模块205，D/A转换器204分别与激励模块205、数据处理模块203电连接，D/A转换器204可将数字信号转化成模拟信号，激励模块205可产生激励信号并将信号发送至用作激励器的传感器。进一步的，数据采集单元102还包括与数据处理模块203电连接的存储模块206，存储模块206可对信号或数据进行存储。进一步的，数据采集单元102还包括与数据处理模块203电连接的通讯模块207，通讯模块207用于与传感器101或处理单元103实现通讯。进一步的，数据采集单元102还包括第一多路选择器208，第一多路选择器208分别与信号调节电路201、数据处理模块203电连接，第一多路选择器208用以从多个传感器101选择一个传感器101接受信号。进一步的，数据采集单元102还包括第二多路选择器209，用以从多路激励器中选择一个激励器发送信号，第二多路选择器209分别与激励模块205、数据处理模块203电连接。

处理单元103用于根据数据采集单元102发送的信号或数据，判断车钩的结构健康状况，如是否有裂缝或者磨损等。处理单元103与数据采集单元102之间可以通过有线或无线方式进行通讯，当以有线方式通讯时，连接线可以是但不限于USB电缆、以太网电缆、CAN、RS485或其他连接线。当以无线方式通讯时，其无线通讯模式可以是但不限于ZigBee、Wi-Fi、Lora、Z-wave、蓝牙或移动数据网络。

传感器101、数据采集单元102和处理单元103均可以独立使用内置电池；多个传感器101也可以由数据采集单元102供电；进一步的，为了能对每个独立设备的电池进行充电，还可以在每个独立设备中增加一个能量收集电路，以便在火车运行时收集能量，能量收集电路可使用压电传感器，将来自火车振动或运动的机械能转换城电能来收集能量。

实施例2

在本实施例中，传感器101为加速度传感器、陀螺仪传感器、位置传感器、位移传感器、或(和)磁力传感器，用来测量火车运行时车钩的运动状态；当车钩存在损伤时，车钩的运动将有不同表现并产生不同的表现特征，例如，在频域中，损伤部分的频率响应可能与正常频率响应不同。通过检查时域和频域中的信号变化，可以识别潜在的损伤，例如，当缓冲器失效时，火车车钩移动的状态与正常时不同。

实施例3

在本实施例中，传感器101为温度传感器，温度传感器用来监测一些关键部位的温度变化，例如当由于金属疲劳而使火车车钩的钩舌接近破损阶段时，钩舌区域的温度会升高。当然温度传感器不一定要直接安装在目标区域内，此时可以采用红外温度传感器来监测温度变化。

实施例4

在本实施例中，传感器101为应力传感器或载荷传感器，用来监测火车车钩的载荷。当载荷超出一定范围，火车车钩就会接近破损阶段。应力或载荷，结合加速度或位置参数，也被用来计算缓冲器的状态。

实施例5

在本实施例中，传感器101为压电传感器或电磁超声换能器(EMAT)。

如图3所示，用一个超声传感器301来检测火车车钩中的裂缝304，数据采集单元102产生激励信号并将激励信号发送到超声传感器301，数据采集单元102可以安装于车钩上，也可以安装于附近的其他地方，激励信号可以是脉冲或兰姆波信号，超声传感器301将电子信号转换成机械波302，穿过车钩的表面和内部，再由同一个超声传感器301接收反射波303并将其转换回电信号。

如图4所示，用两个不同的超声传感器301来检测火车车钩中的裂缝304，一个超声传感器301将电子信号转换成机械波302，另外一个超声传感器301接收从裂缝304反射回来的发射波303，并将其转换回电信号。

实施例6

在本实施例中，多个传感器101构成网状网络并覆盖目标区域，当目标车钩处于正常的结构健康状态时，波形被用作基准；当出现裂纹或其他类型的损伤时，波形将与基准不同，通过分析波形的变化，可以确定裂纹的位置和大小。

也可以把一组传感器101封装在一个盒体401内，用来监测火车车钩的某个区域。在无法将传感器101安装在监测部位附近的情况下可以采用这种配置，

如图5所示，例如为了监测车钩头部内部区域，可以将传感器组放置在非接触的区域中。在此类情况下，至少有一个传感器101用作激励器402，至少一个传感器101用作接收器403。

如图6所示，盒体401的形状可以是圆形，矩形或任何其他形状。

实施例7

本实施例中，将温度传感器安装到火车车钩上，来收集用于校准的温度信息。由于结构响应受温度影响，因此采用温度测量来获得不同温度水平下的结构响应，从而更精准地检测损伤。温度传感器可以是但不限于电阻温度检测器(RTD)、热电偶或基于半导体的传感器。

实施例8

在本实施例中，火车车钩结构健康监测系统还包括远程管理控制台，用于向数据采集单元102和/或处理单元103发送指令，对数据采集单元102和/或处理单元103进行协调，并通过网络接收其发送的数据和/或结构健康结果。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (17)

1.一种火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述火车车钩结构健康监测系统包括：

安装于火车车钩或集成到车钩上的一个或多个传感器；

用于控制所述传感器并接收所述传感器发送的信号或数据的数据采集单元；

用于根据接收所述数据采集单元发送的信号或数据，判断车钩的结构健康状况的处理单元。

2.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述数据采集单元通过至少一个所述传感器向车钩发送激励信号，并通过至少一个所述传感器采集车钩的回应。

3.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，一个或多个所述传感器作为车钩的一部分装嵌于车钩的结构内部。

4.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，一个或多个所述传感器通过环氧树脂、夹具、胶水或螺钉安装于车钩上。

5.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述传感器为压电传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、电磁超声换能器、光纤传感器、位移传感器、位置传感器、温度传感器、力传感器、扭矩传感器、振动传感器中的一种或多种组合。

6.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述数据采集单元与一个或多个所述传感器集成于一个设备中。

7.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述数据采集单元与所述处理单元集成于一个设备中。

8.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，一个或多个所述传感器与所述数据采集单元之间通过有线或无线方式进行通讯。

9.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述数据采集单元与所述处理单元之间通过有线或无线方式进行通讯。

10.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，一个或多个所述传感器由所述数据采集单元供电。

11.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，一个或多个所述传感器由电池供电。

12.根据权利要求11所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述电池由能量收集电路进行充电。

13.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述数据采集单元由电池供电。

14.根据权利要求13所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述电池由能量收集电路进行充电。

15.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述处理单元由电池供电。

16.根据权利要求15所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述电池由能量收集电路进行充电。

17.根据权利要求1所述的火车车钩结构健康监测系统，其特征在于，所述火车车钩结构健康监测系统还包括一个远程管理控制台，用于向数据采集单元和/或处理单元发送指令，对数据采集单元和/或处理单元进行协调，并通过网络接收数据采集单元和/或处理单元发送的数据和/或结构健康结果。