高速动车组车体智能涂层监测技术应用研究

滕乐天

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

随着运营速度提升和数量的增加，如何有效预防高速动车组运营期间安全事故的发生，是设计和维护期间重点考虑的问题。加强对列车关键部件的监控，对其工作状态进行预测，提前对有故障趋势的部件进行维修与更换，可有效提高列车运行安全。结构健康监测是一种有效的状态监测技术，能够对高速列车车体及构件实施损伤监测和识别，通过分析规定时间内传感器上传的数据判断高速列车车体及构件随运营时间及环境的变更产生的变化，筛选故障敏感特征值并通过程序计算推断高速列车关键部件的结构状态，保证列车安全运营。

目前，结构健康监测技术发展速度势头迅猛，包括光线法、声发射、应变片、涡流检测、智能涂层等，其中智能涂层监测技术(ICMS)可直接有效地观察到结构健康状态，并可以实现实时在线监测，受到广泛关注。该技术利用智能涂层所具有的变电阻性质，实现对结构健康状态的监测，其原理为当涂层涂装完毕后，在系统内可得到一个稳定的电阻值；当被监测部件产生损伤或损伤扩展时，智能涂层随部件受损，电阻值产生变化，经数据采集和计算，分析推断出损伤的数量及形态，建立电阻值与损伤状态之间的关系，通过电阻值的变化，实现对部件的实时监测。智能涂层监测技术可对部件状态进行实时观察，在损伤初生期及时发现，并对损伤位置进行检测，使整个部件在运营使用过程中处于可监测状态，为高速列车的安全、维护提供可靠依据；与其他结构健康监测技术相比，具有准确度高、覆盖面广、适用复杂结构、安全、性价比高等特点，具有良好的应用前景。

本文在高速列车车体枕梁上预制损伤，在模拟实际运营状态的基础上，增大加载载荷并提高加载频率，进行为期10天的台架加速试验，然后采用ICMS技术对其进行监测，探索验证ICMS技术在高速列车行业的应用前景。

1 试验内容

我们采用ICMS技术对高速列车车体枕梁进行监测，探索其在轨道交通领域的应用方向，为全面监测高速列车安全性能提供合理解决方案。枕梁作为主要承载构件，采用铝合金材料制成，为车体中的典型构件，因此选用车体枕梁为试验对象。

试验采用的加载设备为结构件静强度及疲劳试验台；测试设备选用ICMS损伤监测系统，该系统由1个LJQ-1A损伤监测处理器；8个LCQ-1A损伤监测采集器；10组共64个通道LGQ-X损伤监测传感器；一套试验电缆总成；一套监测分析系统等组成。

试验采用的主要参数如表1所示。

表1 ICMS试验参数

(1)车体枕梁监测部位布局。

在车体枕梁中选取10个部位，预制损伤，编码为8个区域，图号分别为1T-8T，如图1所示。

图1 损伤监测部位分布图

图2 四、五单元传感器

(2)ICMS系统传感器分布。

按照部位和区域的不同要求，将传感器进行安装固定，并按照线路图(如图6所示)连接，并进行ICMS的安装调试，确保系统运行良好。

①1T、2T、3T区域传感器分布(如图2所示)。

1T、2T、3T区域传感器每组分别由6片四单元传感器和2片五单元传感器组成。例：1T-1和1T-8为五单元传感器，1T-2——1T-7为四单元传感器。2T、3T区域传感器组排列同1T。

②4T、5T区域传感器分布(如图3所示)。

4T、5T区域传感器组分别由上下两个4片六单元传感器组成。

③6T区域传感器分布(如图4所示)。

6T区域传感器组分为上下2个对称结构，上下两组分别由4个传感器组成。

图3 6单元传感器

图4 R28—1单元×4传感器

④7T、8T区域传感器(如图5所示)。

7T、8T区域传感器组分为左右2个对称结构，每个区域由8个3单元传感器组成。

⑤ICMS损伤检测系统线路图(如图6所示)。

图5 R40—3单元传感器

图6 疲劳试验点系统连接图

(a)8T区域损伤形貌

(b)损伤扩展曲线(1.5mm-3.5mm)

将ICMS系统调试并确认运行良好，为减少监测时间，提高试验效率，在模拟实际运营状态的基础上，增大加载载荷并提高加载频率，进行为期10天的台架加速试验，结果发现：在贴装传感器监测区域范围内，在8T区域监测到预制损伤的扩展状态，损伤最终形貌如图7(a)所示，该区域预制损伤由1.5mm生长至3.5mm的扩展曲线如图7(b)所示，扩展时间为13.25小时，损伤平均扩展速率为0.15mm/h。

2 结果分析

ICMS损伤监测系统监测的8个区域，经探伤检查发现8T区域产生的损伤与探伤检测结果相吻合。结果证明：该系统能及时准确地发现车体枕梁预制损伤的扩展变化趋势。根据不同部位和区域的预制损伤扩展速率不同，可以推断预制损伤扩展形式并采取针对性的预防维护措施。在现阶段采用的目视观察的基础上，提供了具备自动监测功能的手段，有利于及时准确的判定损伤产生的时机及变化趋势，具有良好的工程应用前景。

3 结论

在保证安全运营的要求下，对高速动车组实际运行过程中产生的损伤进行ICMS法监测，收集、处理、分析数据，评估车体寿命，为车体损伤监测提供可靠的技术支持；构建车体安全性评价和试验预测方法，为高速动车组的检测维修提供依据，从理论和方法两个方面为高速动车组检修标准的制定提供支持，研究出更适合我国现阶段运营状况的高速动车组检修方法。

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