CN204988573U - 一种高速列车车体应力测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速列车车体应力测试装置，包括应变传感器、温度传感器、控制器、数据采集器、交换机、远程服务器和近端调试机，所述的应变传感器和温度传感器通过铠装光缆与数据采集器连接，所述的数据采集器与控制器之间通过网线连接传输指令和数据。本实用新型中使用光纤光栅传感器测量应力，光纤能有效地避免传统电测试方法抗电磁干扰能力差的缺点，在高铁复杂电磁环境下能够较准确的获得应力信号，给后期数据处理带来方便。本实用新型数据采集器的每个通道通过使用一根光纤线可把多个同类型光纤光栅传感器串联起来，有效地改善布线难度，节省了列车设备舱空间。本实用新型可用来研究不同线路工况下车体应力渐变趋势。

Description

一种高速列车车体应力测试装置

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感技术、光纤信号解调、数据存储和监测数据远程传输，以及名义应力和结构应力的测试方法，特别是一种应用在高速列车上的车体应力测试装置及其工作方法。

背景技术

随着高速列车技术的快速发展，高速列车的速度也越来越快，国内高铁最高运营速度已达到350KM/h。许多设备吊挂在设备舱内，这些设备尺寸体积大，且承受的载荷相当复杂，既有车体结构牵连的振动载荷，也有设备本身的振动载荷；既有复杂的气动载荷，也有复杂的温度载荷。而且，这些载荷主要由焊接接头、螺栓组承担。当服役环境变糟时，其中任何一个焊缝、任何一个螺栓组的结构疲劳失效，都可能给动车组的服役安全带来灾难性的打击，其后果不堪设想。

在运行速度不断提高的同时，车体运行工况也更加复杂苛刻。由于高速列车车体为焊接结构，而焊缝的抗疲劳能力远低于母材，疲劳失效总是从焊缝上开始，因此，通过试验监测获得焊缝处的名义应力以及结构应力数据，进而依据相关标准评价其疲劳寿命，这对高速列车车体焊接结构的可靠性评估至关重要。

为了达到上述能力要求，人们也试图基于电信号、有源传感技术开展测试研究。以下专利均涉及车体应力测试技术：

1.一种光纤光栅传感应力测试装置(南阳二机石油装备(集团)有限公司，何军国)；专利号:CN200520005985。

2.管桩光纤光栅传感器测试系统(建研地基基础工程有限责任公司，秋仁东)；专利号:CN201220619757。

3.一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试方法(青岛理工大学，白晓宇)；专利号:CN201310474553。

4.一种非金属抗浮锚杆杆体应力测试装置(青岛理工大学，张明义)；专利号:CN201310474100。

5.煤矿井下一孔多点光纤光栅钻孔应力测试装置(煤炭科学技术研究院有限公司，欧阳振华)；专利号:CN201320633874。

6.一种水下压力综合试验装置(中国电子科技集团公司第三研究所，张晓灿)；专利申请号:CN201410658318。

7.路基沉降监测系统(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，张千里)。专利申请号:CN201410669316。

但已有技术面临着以下困难：

(1)由于车下设备舱吊座较多，监测系统需要大量应变传感器来构成一个复杂的网络系统，因此，一个车厢上的监测网络可能要有近百个传感器来构成，这必然要求有一个很大的走线安装空间，这会使本已空间狭小的设备舱更加拥挤，布线混乱，对维修人员正常的车下设备舱作业造成严重影响。

(2)更重要的是，由于高速列车运营过程中本身高强度的电磁场的存在，以及周围环境中电磁信号的干扰，使得传统电测量测试获得的信号误差非常大。

(3)高速列车车体应力测试需要长期测试车下典型吊挂设备在长大交路长期运营条件下(含不同速度、不同线路、不同季节)的动应力变化趋势，并结合轮对踏面磨耗形状变化分析动车组运用过程中的车下吊挂设备应力幅值变化规律，研究设备舱典型部位处的受力变化，获得车下悬挂结构的实际载荷谱，对车下悬吊设备及设备舱的可靠性进行评估。这就要求监测系统具有列车速度、运行线路、环境温度的数据采集功能，而传统的基于电信号、有源传感技术的测试系统不完全具备上述功能。

(4)传统的测量装置(电测量测试、光纤光栅)多为测试测点的名义应力，获得数据后基于IIW标准进行评估。IIW标准中只规定了部分焊接接头搭接形式，难以对高速列车众多的复杂焊接接头进行评估，对于其他未规定的焊缝形式则无有效的解决办法。作为焊接结构疲劳评估的有效方法结构应力法(ASME2007)，虽然已被用于轨道交通装备的疲劳寿命评估上，但是还未有采用光纤光栅技术的测试系统能够采集结构应力用于高速列车车体的可靠性评估。

现有的光纤光栅传感应力测试装置一般包括光纤光栅传感器阵列、光纤光栅解调器、光纤和计算机。通过测试点附近的传感器将测试信号传输至计算机进行分析，得出应力结果。但所得应力是测点的名义应力，需要基于相关标准(如IIW)进行评估。然而，IIW标准中只规定了部分焊接接头搭接形式，难以对高速列车众多的复杂焊接接头进行评估，对于其他未规定的焊缝形式则无有效的解决办法。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型要设计一种能够节省空间、抗电磁干扰、采集列车运行速度和环境温度数据，并能够测试测点名义应力及结构应力的高速列车车体应力测试装置及其工作方法。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种高速列车车体应力测试装置，包括应变传感器、温度传感器、控制器、数据采集器、交换机、网络硬盘、远程服务器、近端调试机、3G路由器和电源转换器，所述的应变传感器和温度传感器通过铠装光缆与数据采集器连接，所述的数据采集器与控制器之间通过网线连接传输指令和数据，所述的控制器、网络硬盘和3G路由器均通过网线连接到交换机实现数据的转移和分流，所述的控制器上设有USB接口，所述的近端调试机通过控制器上的USB接口或3G路由器的WIFI功能连接控制器进行软件的下载和设备调试，所述的远程服务器通过无线网络连接3G路由器；所述的电源转换器的输出端通过电缆分别与控制器、网络硬盘和交换机连接，电源转换器的输入端通过电缆连连接车上110V直流电源，实现110V到12V电源转换。所述的数据采集器配有GPS数据采集通道，外接GPS天线，数据采集器供电时，GPS数据会同步采集。

一种高速列车车体应力测试装置的工作方法，包括以下步骤：

A、布设传感器以及其他设备

测试中使用的应变传感器、温度传感器用铠装光缆连接起来，不同的传感器分开串接，即应变传感器与温度传感器不可连接在同一根光缆上，根据测试需要决定一根光缆上串接传感器的数量，但不宜过多。按照测试的实际需要，选择应力测试的种类，分别为名义应力与结构应力，不同种应力测试选用相应的传感器布设方案。

方案1：若测试焊缝处的结构应力，则在焊缝处布置4个应变传感器和1个温度传感器，应变传感器垂直于焊缝，在不影响应变测试的前提下，固定在靠近应变传感器的位置。

方案2：若测试焊缝处的名义应力，则只需在焊缝附近布设应变传感器以及温度传感器各1个。应变传感器应垂直于焊缝，温度传感器固定在靠近应变传感器的位置即可。

在上面的两种布设方案中，温度传感器既用来补偿附近的光纤光栅应变传感器，又用来获得环境温度，进而考评环境温度的变化对被测件的应力影响。

B、安装软件以及设备调试

操作人员通过控制器的USB接口或者3G路由器的WIFI功能将近端调试机与控制器连接，将相关软件系统下载至控制器中。在近端调试机通过软件对控制器进行相关参数的设置，设置内容包括试验采样频率设置、通过光波长和被测量的函数关系公式设置、根据需要设置保存文件的类型及大小、设置采样时间格式为绝对时间或相对时间、设置存储数据获取模式，所述的存储数据获取模式包括连续存储模式、周期性存储模式和触发式存储模式；所述的周期性存储模式包括每个存储间隔内的存储时间长度、存储间隔，所述的触发式存储模式包括触发后存储时间长度、预警触发和报警触发、丢失信息触发、自动重置扩展。设置完成后，对整个装置进行调试。

C、采集数据

当列车加电后，控制器启动，两分钟后网络硬盘启动，五分钟后数据采集器启动，控制器通过网线给予数据采集器指令，将各数采通道初始化并进行参数化设置，数据采集开始后，由各传感器产生的光纤信号经光缆传输至数据采集器，GPS数据同步进行采集，然后由网线传输至控制器，经交换机传输到网络硬盘进行存储，同时每5s产生一个数据缓冲文件，在无线网络通畅时，实时传输到远程服务器进行存储，若无线信号不稳定，则持续缓冲以保证数据不丢失。

D、远程检查与维护

由于工作环境恶劣，测试周期一般较长，为确保装置的正常工作，操作人员应定期进行现场检查和维护，通过远程服务器检查装置的运行情况。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、列车应力测试传统上运用电测应力技术，本实用新型中使用光纤光栅传感器测量应力，光纤能有效地避免传统电测试方法抗电磁干扰能力差的缺点，在高铁复杂电磁环境下能够较准确的获得应力信号，给后期数据处理带来方便。

2、列车应力测试传统上运用的电测应力技术，每布设一个传感器就要占用一个通道，每个传感器都需要单独布线，这会使本已空间狭小的设备舱更加拥挤，布线混乱，对铁路工人正常的车下设备舱作业造成严重影响。本实用新型中使用光纤光栅传感器测量应力，数据采集器的每个通道通过使用一根光纤线可把多个同类型光纤光栅传感器串联起来，有效地改善布线难度，节省了列车设备舱空间。

3、传统对于焊接结构进行应力疲劳测试的主要方法为“名义应力法”，这种方法只能评价传感器所在位置的情况，发明中既采用了“名义应力法”，也采用“结构应力法”对焊接结构进行应力疲劳评价，采用“结构应力法”可对整个焊接结构的应力疲劳进行评价，弥补了“名义应力法”的不足。可以基于相关标准(IIW和ASME2007标准)对测点的焊接可靠性进行评估，同时可以预测测点的疲劳寿命。

4、传统应力测试数据存储都是在本地，本实用新型中控制器设有USB2.0接口，可供硬盘数据存储。设有3G路由器可对采集系统进行操作，也可经3G路由器访问数据存储空间。设有远程服务器，可对上位机进行远程操作。因高铁运行线路相对固定，本实用新型获得的GPS数据可以准确地推测出试验列车的运行线路，可用来研究不同线路工况下车体应力渐变趋势。

附图说明

本实用新型共有附图2张，其中：

图1是本实用新型的装置框架结构示意图。

图2是实施过程中的传感器安装示意图。

1、电源转换器，2、交换机，3、网络硬盘，4、控制器，5、数据采集器，6、应变传感器，7、温度传感器，8、远程服务器，9、3G路由器，10、近端调试机，11、应变传感器安装点A，12、应变传感器安装点B，13、应变传感器安装点C，14、应变传感器安装点D，15、温度传感器安装点。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步地描述。如图1-2所示，一种高速列车车体应力测试装置，包括应变传感器6、温度传感器7、控制器4、数据采集器5、交换机2、网络硬盘3、远程服务器8、近端调试机10、3G路由器9和电源转换器1，所述的应变传感器6和温度传感器7通过铠装光缆与数据采集器5连接，所述的数据采集器5与控制器4之间通过网线连接传输指令和数据，所述的控制器4、网络硬盘3和3G路由器9均通过网线连接到交换机2实现数据的转移和分流，所述的控制器4上设有USB接口，所述的近端调试机10通过控制器4上的USB接口或3G路由器9的WIFI功能连接控制器4进行软件的下载和设备调试，所述的远程服务器8通过无线网络连接3G路由器9；所述的电源转换器1的输出端通过电缆分别与控制器4、网络硬盘3和交换机2连接，电源转换器1的输入端通过电缆连连接车上110V直流电源，实现110V到12V电源转换。所述的数据采集器5配有GPS数据采集通道，外接GPS天线，数据采集器5供电时，GPS数据会同步采集。

一种高速列车车体应力测试装置的工作方法，包括以下步骤：

A、布设传感器以及其他设备

测试中使用的应变传感器6、温度传感器7用铠装光缆连接起来，不同的传感器分开串接，即应变传感器6与温度传感器7连接在不同的光缆上，根据测试需要决定一根光缆上串接传感器的数量。按照测试的实际需要，选择应力测试的种类，分别为名义应力与结构应力，不同种应力测试选用相应的传感器布设方案。

方案1：若测试焊缝处的结构应力，则在焊缝处布置4个应变传感器6和1个温度传感器7，应变传感器6垂直于焊缝，在不影响应变测试的前提下，固定在靠近应变传感器6的位置。

方案2：若测试焊缝处的名义应力，则只需在焊缝附近布设应变传感器6以及温度传感器7各1个。应变传感器6应垂直于焊缝，温度传感器7固定在靠近应变传感器6的位置即可。

在上面的两种布设方案中，温度传感器7既用来补偿附近的光纤光栅应变传感器6，又用来获得环境温度，进而考评环境温度的变化对被测件的应力影响。

B、安装软件以及设备调试

操作人员通过控制器4的USB接口或者3G路由器9的WIFI功能将近端调试机10与控制器4连接，将相关软件系统下载至控制器4中。在近端调试机10通过软件对控制器4进行相关参数的设置，设置内容包括试验采样频率设置、通过光波长和被测量的函数关系公式设置、根据需要设置保存文件的类型及大小、设置采样时间格式为绝对时间或相对时间、设置存储数据获取模式，所述的存储数据获取模式包括连续存储模式、周期性存储模式和触发式存储模式；所述的周期性存储模式包括每个存储间隔内的存储时间长度、存储间隔，所述的触发式存储模式包括触发后存储时间长度、预警触发和报警触发、丢失信息触发、自动重置扩展。设置完成后，对整个装置进行调试。

C、采集数据

当列车加电后，控制器4启动，两分钟后网络硬盘3启动，五分钟后数据采集器5启动，控制器4通过网线给予数据采集器5指令，将各数采通道初始化并进行参数化设置，数据采集开始后，由各传感器产生的光纤信号经光缆传输至数据采集器5，GPS数据同步进行采集，然后由网线传输至控制器4，经交换机2传输到网络硬盘3进行存储，同时每5s产生一个数据缓冲文件，在无线网络通畅时，实时传输到远程服务器8进行存储，若无线信号不稳定，则持续缓冲以保证数据不丢失。

D、远程检查与维护

由于工作环境恶劣，测试周期一般较长，为确保装置的正常工作，操作人员应定期进行现场检查和维护，通过远程服务器8检查装置的运行情况。

本实用新型的安装和使用方法如下：

1、根据应力试验的要求，选择被测点，在被测点处安装光纤光栅传感器，若要获取被测点处的名义应力，需在测点处安装一个应变传感器6和一个温度传感器7(见图2中的应变传感器安装点A11和温度传感器安装点15)；若要获取被测点处的结构应力，需在测点处安装4个应变传感器6和一个温度传感器7(风图2中的应变传感器安装点A11、应变传感器安装点B12、应变传感器安装点C13、应变传感器安装点D14和温度传感器安装点15)。同种传感器通过铠装光缆串接，接通到数据采集器5的通道上，各设备按照图1所示的连接方式连接，控制器4、数据采集器5、交换机2、网络硬盘3固定在设备箱中并安装在高速列车车下设备舱，传输光缆根据具体情况的路线紧固在车下设备舱，GPS天线安装在列车裙板缝隙的支架上，3G路由器9紧固在车架上。电源转换器1接通车上110V直流电。然后进行控制器4的软件设置，将编纂无误的软件系统经近端调试机10(PC)通过网线下载至控制器4中，控制器4生成命令文件传输至数据采集器5，对各个数据采集通道进行设置。上述步骤完成后对本实用新型进行调试。本实用新型安装完毕。

2、在列车通电后，对本实用新型通电，控制器4、交换机2、路由器启动，网络硬盘32分钟后完全启动，数据采集器5五分钟后启动，控制器4通过网线给予数据采集器5指令，将各数采通道初始化并进行校核，校核完成后数据采集开始，由各传感器产生的光纤信号经光缆传输至数据采集器5，再由网线传输至控制器4，经交换机2传输到网络硬盘3进行存储，同时每5s产生一个数据缓冲文件，通过无线网络传输至远程服务器8进行存储，当无线信号不稳定时，缓冲持续，待网络通畅后进行远程传输。

3、数据采集完成，对应变数据进行温度补偿处理，计算中所用到的温度值均由温度传感器7采集得到。

4、根据测试需要，基于评估标准(IIW、ASME)对测点疲劳寿命进行评估。

Claims (1)

1.一种高速列车车体应力测试装置，其特征在于：包括应变传感器(6)、温度传感器(7)、控制器(4)、数据采集器(5)、交换机(2)、网络硬盘(3)、远程服务器(8)、近端调试机(10)、3G路由器(9)和电源转换器(1)，所述的应变传感器(6)和温度传感器(7)通过铠装光缆与数据采集器(5)连接，所述的数据采集器(5)与控制器(4)之间通过网线连接传输指令和数据，所述的控制器(4)、网络硬盘(3)和3G路由器(9)均通过网线连接到交换机(2)实现数据的转移和分流，所述的控制器(4)上设有USB接口，所述的近端调试机(10)通过控制器(4)上的USB接口或3G路由器(9)的WIFI功能连接控制器(4)进行软件的下载和设备调试，所述的远程服务器(8)通过无线网络连接3G路由器(9)；所述的电源转换器(1)的输出端通过电缆分别与控制器(4)、网络硬盘(3)和交换机(2)连接，电源转换器(1)的输入端通过电缆连连接车上110V直流电源，实现110V到12V电源转换；所述的数据采集器(5)配有GPS数据采集通道，外接GPS天线，数据采集器(5)供电时，GPS数据会同步采集。