高速列车转向架声发射动态监测机理及实验研究

Bogie stiffness is the key assembly of High-speed train, which touch to working quality and security of train directly. Acoustic Emission (AE) technique is presented for dynamic monitoring of bogie stiffness here. The researches will be achieved about dynamic monitoring mechanism and experiment, and aim at solving the key problems as below: firstly, the spreading mechanism of the AE signal is researched in the key assembly of bogie stiffness. Finite element simulation is carried out after mechanics model of bogie stiffness is established, and the spreading rule and trait of the signal are analysed, and then the distributing positions of receiving sensors are located, which make for effective monitoring to bogie stiffness; Secondly, the problems about extraction of AE signals and location of AE sources are researched. The dynamic signals from the sensors in the complicated working condition are analysed, and the noise is removed by data processing and the AE signals is obtained according to the trait of the AE signal and noise, and then the AE source is located by time revesal focusing; Finally, the problem about quantification for damage in the frame is researched. The obtained AE signals are characterized by some character parameters, and the corresponding relationship between these parameters and degree of damage is established by research of theory and experiments, and the estimation about damage quantification of the frame can be achieved douring the course of dynamic monitoring. It is possible that the key tequnique in the field is translated into independent and innovative technnology through researching the project, and the research has important and scientific significance and applied value.

转向架是高速列车中最关键的部件，直接关系到列车运行品质和行车安全。本项目提出采用声发射检测方法对转向架进行动态安全监测，将开展动态监测机理和实验研究，旨在解决以下关键问题：首先研究转向架关键承力部件的声发射信号传播机理，通过建立转向架的力学模型，进行有限元仿真，分析信号传播规律和特点，确定接收传感器分布位置，便于对转向架实施有效监测；其次要研究声发射信号提取和声源定位问题，在复杂运行环境中，将传感器获得的动态信号进行分析，根据声信号和各种干扰噪声的信号特点，通过数据处理去除噪声，提取声发射信号，并通过时间反转聚焦处理，实现对声源定位；最后研究结构损伤的定量问题，将提取出的声发射信号用各种特征参数进行表征，通过理论和实验研究建立各种特征参数与损伤程度间的对应关系，实现监测过程中的结构损伤定量评定。本项目的研究具有在该领域的关键技术上形成自主创新技术的可能，具有重要学术意义和应用价值。

转向架是高速列车中最关键的部件，直接关系列车运行品质和行车安全。本课题针对列车转向架动态安全监测的需要，提出应用声发射检测技术到该结构的安全监测中。首先建立转向架有限元模型，通过有限元仿真研究了声发射信号在转向架中传播机理，确定了重点检测区域传感器分布位置，并分析了接收信号成分；然后采用数据处理方法对检测信号进行前期处理，经过对小波分析方法和EMD分解方法的比较，发现EMD分解方法不仅能提高检测信号信噪比，而且能够更好的保留信号的特征成分，实现对声发射信号的准确提取；此后提出了一种基于时间反转增强的定位方法，结合时间反转理论和声发射检测特点，推导出实现该方法的理论依据，通过仿真实验实现了对声源的准确定位，在实验模拟测试中应用了该方法，实验结果也验证了该方法的有效性，定位精度比现有声发射仪器时差定位方法更高；同时根据转向架结构特征，分析了实际管板焊接立体结构中声发射源的定位方法，通过分析该结构的加工形状特征，结合声发射被动检测特性，实现了在该立体结构上的初步声源定位方法，实验验证了该方法的有效性；最后研究了转向架设计钢材的力学实验，分别进行了静态拉伸和弯曲、动态疲劳实验，在静态拉伸和弯曲实验中，通过时频分析找出了各个损伤阶段的声发射信号特征，同时通过经历图法，建立了声发射特征参数累积图与损伤扩展间的内在联系，实现了声发射特征参数对损伤各个阶段的表征方法。通过疲劳实验，总结了三种不同损伤影响因素在力学上和声发射信号上对钢材Q345产生的影响变化规律。同时通过疲劳试验探讨了声发射特征参数与钢材Q345疲劳裂纹扩展参数间的关系，建立一个损伤定量数学模型，为钢材Q345的寿命评估和损伤定量评价提供重要参考依据。本次研究是高速列车转向架声发射检测技术的初步探索，其中很多研究内容和结果可以应用到实际监测中，为实现转向架声发射动态监测提供参考依据。