（仪器科学与技术专业论文）基于振动技术的在役锚固螺杆紧固力矩检测研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文的主要研究对象是重庆市轻轨交通的在役锚固螺杆。它们是连接轻轨轨 道梁和墩的关键受力部件，它们的健康对轻轨的安全运行起着至关重要的影响。 轻轨在役锚固螺杆在安装时，采取了统一的预紧力矩对锚固螺杆进行拧紧， 但由于锚固螺杆加工缺陷、气候环境对锚固螺杆的腐蚀、锚固螺杆长期服役及复 杂的受力情况等因素都会对锚固螺杆的紧固力矩产生较大的影响。因此，需要对 锚固螺杆系统的紧固力矩进行监测。 作者从工程实际出发，根据跨坐式轨道交通这种特殊环境的特点及锚固螺杆 健康检测的需要，设计了对轻轨在役锚固螺杆振动信号的自动采集系统：在采集 系统的硬件结构设计方面，作者根据脉冲激振测试的要求，在激励方式上，结合 气动冲击技术的优越性，设计了基于气动冲击的激振装置；在拾振结构上，设计 了适应在役锚固螺杆现场特点的改进型的拾振器。在系统的软件设计方面，作者 使用当前流行的c c + + 语言，在v i s u a ls t u d i o n e t 开发环境下设计了基于数据采集 卡d a q 2 2 1 3 的采集程序。 在完成了对轻轨锚固螺杆信号的采集后，本文以现代振动信号的分析技术为 基础，通过对所测锚固螺杆振动信号的分析，完成了对锚固螺杆检测信号的有效 性的初步识别。 为了从锚固螺杆振动信号中提取能反映锚固螺杆所受紧固力矩状态的特征， 作者分析了当前振动信号分析的方法、特点，深入研究了小波分析在振动信号上 的应用以及信息熵的特点，最后从信号频段分解的思想出发，提取出能反映锚固 螺杆紧固力矩变化的特征因子。经过验证，这种方法能成功的应用于锚固螺杆所 受紧固力矩的检测。 关键词：锚固螺杆，紧固力矩，采集系统，有效性识别，小波包变换，信息熵 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h o s es c r e wa n c h o r sa s s e m b l e do nl j i g h t r a i lo fc h o n g q m ga r et h ek e yr e s e a r c h o b j e e l so ft h i sp a p e r s i n c et h e ya r et h em o s ti m p o r t a n tp a r tt oc o n n e c tp i e r sa n d 百r d e r s o f l i g h t r a i l t h e i rh e a l t ht ot h es a f eo p e r a t i o no f l i g h t r a i lp l a y st h ev i t a lf u n c t i o n t h el i g h t - r a i ls c r e wa n c h o r sw e r et i g h t e n e da tt h es a m et i g h t e n i n gt o r q u ew h e nm e y w e r ea s s e m b l e d h o w e v e r , d u et o m a c h i n i n gd e f c c l s ，r u s tc a u s e db yc l i m a t ef a c t o r s ， l o n g - t e r m s e r v i c e si n f l u e n c ea n dc o m p l i c a t e de f f e c to ft i m e - v a r y i n gl o a d ，t h e t i g h t e n i n g t o r q u eo f t h o s es c r e wa n c h o r sw i l lc h a n g e t h e r e f o r e ，am o n i t o r i n go p e r a t i o n m u s tb et a k e nt om a k es u r et h a ta i lt h o s es c r e wa n c h o r sw o r k si nn o r m a l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i ss p e c i a ls t r u c t u r e ，c r o s s s e a tt r a c kt r a f f i c ，a n d n e e d so ft h o s es c r e wa n c h o r s d e t e c t i o n , w ew o r k e do u ta l la u t od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t oc o l l e c tt h o s es c r e wa n c h o r s v i b r a t i o ns i g n a l s o nt h eh a r d w a r ea s p e c to f t h i ss y s t e m ， f o l l o w i n gt h es c h e m eo fi m p u l s e - i m p a c tv i b r a t i o nt e s t ，w ed e s i g n e dap r a c t i c a li m p a c t d e v i c eb a s e do np n e u m a t i ct e c h n o l o g ya n dak i n do fi m p r o v e da c c e l e r o m e t e rw h i c h c o u l dp r o p e r l yc o l l e c ta c c e l e r a t i o ns i g n a lo ft h o s ei n - s e r v i c es c r e wa n c h o r su n d e rt h a t s p e c i a le n v i r o n m e n t o nt h es o f t w a r ea s p e c to ft h i ss y s t e m ，r e l e v a n ts o f t w a r ew a sa l s o p r o g r a m m e du s i n gc c + + l a n g u a g ei nv i s u a ls t u d i o n e td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a f t e rt h i sa c q u i s i t i o na c t i o nw a sc o m p l e t e d ，i no r d e rt oa v o i du s i n gf a u l ts i g n a l st o a n a l y z ei t sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，is t u d i e dt h o s ev i b r a t i o ns i g n a l sa n df i g u r e do u ta f u n c t i o n a r ym e t h o dt od e c i d ei t sv a l i d i t yo f t h o s es i g n a l s a n a l y s i sa b o u tt h o s ei n s e r v i c es c r e wa n c h o r s t i g h t e n i n gt o r q u ei st h em a j o r r e s e a r c h i n t h i sp a p e r , s o ，ir e f e r e n c e dt ot h ec u r r e n tv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i sm e t h o d s ，a n d i n d e p t hs t u d i e dw a v e l e ta n a l y s i sa n di t sa p p l i c a t i o no nv i b r a t i o ns i g n a la n da d v a n t a g e o fi n f o r m a t i o ne n t r o p y f i n a l l y , b a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h ei m p u l s er e s p o n s eo f t h es c “耕a n c h o r sr e p r e s e n t e dt h et i g h t e n i n gt o r q u e , a n dw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r ma n d e n e r g ye n t r o p yt e c h n o l o g yw e r eu s e d ，t h ef u n c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i g h t e n i n g t o r q u ea n de n t r o p yb e c a m eo b v i o u se n o u g ht oi d e n t i f yt h et i g h t e n i n gt o r q u eo ft h e s e s c r e wa n c h o r s k e y w o r d s ：l i r g h t - r a i ls c r e wa n c h o r s ，t i g h t e n i n gt o r q u e ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , v a l i d i t yr e c o g n i t i o n ，w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m ，i n f o r m a t i o ne n t r o p y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 签字e l 期：年月日 导师签名。m 刁久 z 签字日期： d 7 年多月乒e l ， 重庆人学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 课题的提出 业已建成通车的重庆轻轨i i 号线一较( 较场口) 新( 新山村) 线和待建的i i i 号 线( 巴南区至机场) 是采用从国外引进的跨座式轨道交通制式技术，这在国内尚属 首次。这种技术的主要特点是：以梁代轨，这种桥梁不但具有传统桥梁的承载功能 作用，更重要的还具有列车行驶的轨道功能作用，通常称“p c ( p r e s t r e s s e dc o n c r e t e ) 轨道梁结构系统”。由此看出，p c 轨道梁结构系统不但具有列车行驶安全性必须要 求的刚度强度和空间受力工况要求，还须满足线路纵平面复杂的线形要求，在技术 上p c 轨道梁结构系统技术的安全可靠度，特别是在结构的设计寿命期内的安全可 靠度比一般桥梁要求更高。 如图1 1 和图1 2 a 所示，跨座式p c 轨道梁承拉铸钢支座是连接p c 轨道梁与 墩台的重要部件，它除了能够将p c 轨道梁上的荷载有效地传递到墩台上外，还必 须适应p c 轨道梁体的荷载与温度变化产生的纵向水平位移和角位移，保证p c 轨 道梁与墩台连接在设计的寿命期内安全可靠并且有足够的疲劳寿命要求。承拉铸钢 支座是连接p c 轨道梁与墩台的重要结构部件，结构部件的上端是浇筑在p c 轨道 梁体内的，而下端是靠四根长9 5 0 r a m 、直径为3 6 m m 的锚固螺杆固定在墩台上， 锚固螺杆的安装力矩为8 0 0 n m 。由于承拉铸钢支座安装结构的特殊性，一旦支座 被固定到墩台上之后，连接混凝土墩台和支座的锚固螺杆就固定在墩台内部的钢制 锚箱中。锚固螺杆的结构如图1 2 b 和图1 3 。所以，在日常轨道梁线路的运营安 全维护过程中就很难掌握它们在墩台锚箱内安全使用的变化情况，这是很难掌握 p c 轨道梁结构系统是否处在安全使用范围内的主要原因之一眩1 。再者，一方面 轻轨建设所使用的锚固螺杆在煅造和机加工及热处理过程中，在加工的各工艺流程 中虽然采取了严格的质量捡测措施，但是难免在个别锚固螺杆及其他受力构件中可 能存在加工缺陷，这为工程应用中留下了安全隐患；另一方面重庆地区的独特的自 然条件也对金属结构件的耐久性使用产生相应的影响。因此，如何掌握锚固螺杆在 锚箱内的疲劳、断裂、松动或腐蚀变化等情况是确保p c 轨道梁结构系统安全的关 键因素问题。正是由于锚固螺杆的工作环境处于混凝土和钢制锚箱的屏蔽下，一般 的射线检测已不可能，且其受力情况复杂，监测的数量庞大，所以一般的无损监测 方法难度大、效率低。依据以前掌握的资料，锚固螺杆在锚箱内的健康情况是未知 的，这就是严重的安全“隐患”一也即是说在过去p c 轨道梁结构系统运营过程中的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 定期维护检修技术已满足不了其安全性需要。所以，一套有效的健康检测系统对轻 轨的安全运行是极其重要的。 图1 1 锚阎螺杆安装结构 f i g 1 1a s s e m b l ys t r u c t u r eo f l i g h t - r a i ls c r e wa n c h o r 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 2 在役锚固螺杆状态 f i g 1 2 p h o t o so f ai n - s e r v i c el i g h t - r a i ls c n wa n c h o r 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 3 锚固螺杆结构示意图 f i g 1 3s k e t c h m a p o f l i g h t - r a i l s c r e w a n c h o r s 因此，在经过多方讨论和研究之后，决定研究开发能够在日常运行中用于检测 锚固螺杆的健康状态的监测系统。本项目目标是设计一套系统，巡回监测轻轨p c 轨道梁锚固螺杆的松动变化情况，实现对在线工作的锚固螺杆健康( 安全) 状况变化 及损伤情况的监测，评估p c 轨道梁结构系统或某一部份在运行中的健康状况，提 供预警及是否维修或更换零部件的报告及报警，主要研究锚固螺杆的紧固力矩及疲 劳变形与固有频率、几何位置变化与损伤情况，测量锚固螺杆系统振动信号、超声 波检测信号及图像位置信号等物理、几何量，采取与标准数据、历史数据( 前一次 测试数据1 以及周边数据作统计分析对比等相应的数学计算及分析方法，利用计算 机系统强大的计算能力和储存能力以及图像处理技术，给出每一个锚固螺杆健康 ( 安全) 状况的报告及评估。作为这项检测系统的一个重要分支，基于振动技术的承 拉铸钢支座锚固螺杆病害监测系统技术的开发和研究，成为本课题研究的主要方 向。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 2 课题的研究意义 重庆轻轨交通工程，是一个典型的城市高架轨道梁系统。这类交通结构具有以 下的特点：运输对象为人；列车开行密度大；列车上旅客密度大，旅客流通 大：地理位置特别：跨座式轨道交通绝大多数线路采用高架结构，平均高出地面 近1 0 m ，而且大部分的轨道梁都驾设在城市主要交通干线上，因此在这样一种人 员密集且处于交通枢纽的地域，一旦轨道梁发生安全事故，其后果是灾难性的。 综上所述，p c 轨道梁结构锚固螺杆系统健康监测对人民的生命财产安全、以 及国家的经济、科学实践都有着重要的作用。开发重庆市跨座式轨道交通系统的健 康监测系统具有重大的理论意义和现实意义，它不仅能保证轨道交通系统的安全运 营，填补跨座式p c 轨道梁结构系统安全监测的空白，还将推动学科的交叉发展， 创造出巨大的社会效益和经济价值。 本文通过对锚固螺柯振动检测的分析，对锚固螺杆的病害情况做出分析。轻轨 锚固螺杆是长、细的钢件，根据锚固螺杆的特点，可以把本文研究的检测方法与分 析方法应用于类似结构的振动检测当中，在许多大型工程结构中都使用了锚杆作为 连接部件，所以本文研究的方法具有较为广泛的推广价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 跨坐式轻轨轨道交通的研究现状 正如前面所述，重庆轻轨轨道交通所引进的跨坐式的轨道交通在国内尚属于第 一次。因此，在国内，这方面的健康研究还是空白。而且，在此种制式的轨道交通 的引进国一日本，由于其类似轨道并不像重庆这样的地形独特，日本对于跨坐式轨 道的安全检测仅局限于人工巡线检测锚固螺杆的方式，因此，重庆轻轨的轨道梁健 康检测必须在综合其他大型工程结构的健康检测以及重庆轻轨自身的特点来进行 分析。 一般工程健康检测方法主要分为静态检测方法和动力检测方法口 。静态检测 方法是通过直接测量结构的尺寸、材料强度和弹性模量，进行结构分析以确定结构 的工作性能与可靠性水平的方法。这方面的检测主要有外观检查、超声波、射线、 红外检测等无损或微破损检测。虽然静态检测方法结果较为可靠，但由于工程结构 体量大、构件复杂且屏蔽部位多，所以一般工程结构的检测选择较容易实现和量测 的动力响应测试。在结构动力检测方法中，振动测试和故障诊断是比较成熟的技术， 它通过测量结构的模态参数( 模态频率、模态振型、模态阻尼、模态刚度等) 的变 化来确定结构损伤的位置和程度“1 。 在国内外的桥梁等大型工程结构的健康检测方面，因为振动检测方法的应用比 较广泛，所以基于振动技术的结构健康监测( v i b r a t i o n b a s e ds t r u c t u r eh e a l t h 重庆大学硕士学位论文1 绪论 m o n i t o r i n g 简称v b s h m ) 应用的很多。在国内外的桥梁等大型工程结构的振动检 测上，一般是通过永久安装在桥体或工程结构体内的传感器来测量待测结构的振动 基本参数。例如：在江阴大桥安装加速度计、电子测距计、磁弹性测力仪、速度计 等对桥梁的振动参数进行实时测量；我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成的组合型特 大桥梁一润扬大桥上就安装了一套健康检测系统，该检测系统主要包括各种系列的 传感器、微机控制的数据采集系统和高速传输网络1 ；香港世界上第二长悬索桥 青马大桥上也安装者一个复杂的桥梁监测系统，该系统包括了完善的硬件部份、传 感器系统、数据采集及传输系统、数据管理系统等。在重庆市大佛寺大桥和红槽房 公路桥安装了光纤应变仪和激光挠度仪等。在国外，这类基于振动的结构健康检测 在各类道路桥梁等结构测试方面的应用就更加广泛了。处于多风和地震活跃带的日 本白鸟( h a k u c h o ) 大桥在梁体1 9 个位置安装了检测垂直方向运动的传感器。他们采 用现场环境振动测量的方法，同时，他们在数据分析、系统辨识方面都进行了一定 的研究h 】；葡萄牙里斯本的v a s c od eg a m m a 大桥，桥体安装了二个三轴向的强 运动记录仪，而且，在2 5 个不同位置处安装了三轴向运动“扫描”记录仪瞪1 ；连接 丹麦哥本哈根( c o p e n h a g e n ) 和瑞典马尔摩( m a l m o ) 的奥瑞桑德( o r e s u n d ) 拉索桥，该 桥下通铁路，上通4 车道机动车。桥上拉索固定连接端安装有检测静止载荷和动态 载荷的各种参数的检测系统”1 。 1 2 2 锚固螺杆检测的研究现状 针对锚固螺杆的检测，目前具有以下的几种方法： 拉拔法0 7 8 3 拉拔法是一种传统的锚杆锚固质量检测方法，通常是通过用千斤顶进行机械破 损性拉拔试验测量锚杆的抗拔力来评价锚柯的锚固质量。由于拉拔法是一种破坏性 试验，故常用于锚杆抗拔力的抽样检测，而不适合对轻轨线路上在役锚固螺杆的检 测。 微波探测法 微波是介于红外线与无线电波之间的电磁辐射，其频率范围大约为 3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ，相应的波长为1m li n m 。由于它具有波长短、频带宽以及 它与物质的相互作用的特点，据此发展了微波无损检测技术。微波无损检测方法 主要有下列十种：连续波穿透法、扫频波穿透法、脉冲调制波穿透法、连续波反 射法、扫频波反射法、脉冲调制波反射法、驻波干涉法、散射法、全息法以及c t 法等。它具有“非金属、非电量、非接触、非破坏”四种特点，对于声学传输性能不 良的非金属材料的检测以及非接触非电量测量是十分有用的。同时，该方法还可 以用于其它无损检测技术无法探测的材料和结构的完整性评估。但是由于趋肤效 应，它虽然可以检查金属表面裂纹及粗糙度，却无法贯穿金属件，因而不能检查 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 金属内部。由于微波在金属中不良的传输能力使得在锚固螺杆检测中应用该方法 受到了很大的限制，经过多次检验和试验，也证明该方法在锚固螺杆检测中无法 实施。 磁粉检测法 磁粉检测是用于检测铁磁性材料表面上或者近表面的裂纹以及其它缺陷。磁 粉检测对表面缺陷最灵敏，但对表面以下的缺陷随深度的增加检测灵敏度就会迅 速下降，在检测表面缺陷方面它比采用超声波或者射线检测方法的灵敏度高。其 基本原理如下：当材料或工件被磁化以后，若在工件表面或近表面存在裂纹等缺 陷，便会在该处形成一个磁场。此磁场将吸引、聚集检测过程中施加的磁粉，而 形成缺陷显示，因此磁粉检测首先要对被测工件加以外磁场进行磁化。在工件磁 化后，在工件表面上均匀喷洒微颗粒的磁粉，如果被测工件没有缺陷，则磁粉在 工件表面均匀分布。当工件上有缺陷时，由于缺陷内含有空气或非金属，其磁导 率远远小于工件的磁导率，由于磁阻的变化，位于工件表面或近表面的缺陷处产 生漏磁场，形成小磁场，则由于缺陷处堆积较多磁粉而被显示出来。 由于在锚固螺杆检测中，锚固螺杆在安装好之后，锚固螺杆的大部分位于锚 箱内，处于不可见状态，故不能对其进行磁化，所以磁粉检测方法在锚固螺杆检 测中无法实施。 射线检测法 射线探伤检测有x 射线、丫射线和中子射线等检测方法，它是利用各种射线源 对材料的透射性能及不同材料的射线的衰减程度的不同，使底片感光成黑度不同 的图像来观察的，其主要方法有透视照相法、电离检测法、x 射线荧光屏观察法 和电视观察法以及正在发展中的x 射线计算机层析摄像等。它们的基本原理相同， 都是利用射线通过物质时的衰减规律，即当射线通过物质时，由于射线与物质的 相互作用发生吸收和散射而衰减。其衰减程度，则会根据其被通过部位的材质、 厚度、和存在的缺陷的性质不同而异，因而在被检测工件的另一面就形成辐射线 强度不均匀的分布图，通过一定方式将这种不均匀的射线强度进行照相或转变， 使其变为电信号指示、记录或显示，就可以评定被检测工件内部质量，达到无损 检测的目的。 射线检测具有生产成本较高、安装复杂、检测周期长、对人体有害等缺点， 再考虑到现场工作环境的限制，检测仪器的安装难度很大。 超声波检测9 川0 1 相对第种的射线检测，超声波同样具有界面反射的变化，且超声波方向性 好、穿透能力强、能量高和对人体无害等优点，被广泛应用于金属材料内部裂纹 检测中。超声波具有像光波一样良好的方向性，经过专门的设计可以定向发射， 7 重庆丈学硕士学位论文1 绪论 并按照该方向传播，因此可在锚固螺杆中进行有效的探测。近年来，经过巧妙的 设计，超声检测工作灵活性、精确度得到了大幅度提高。超声波在大多数介质中 都具有较强的穿透能力，例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米，由于轻 轨锚固螺杆的长、细的特点，需要对超声波装置进行改进，但超声波的方法是可 以用于检测锚固螺杆的裂纹等内部损伤的。 振动检测法 采用振动检测法时，一般必须对被测系统施加一个振动激励信号，信号采集 主要针对如下两方面：一是获取激振信号的回波；二是获取被测系统的振动响应 信号。 在岩土工程中，为了检测锚杆的锚固质量，人工锤击锚杆端部发射弹性应力 波，应力波在向锚杆底端传播的过程中，当砂浆充填不均匀、不密实时，将产生 反射和透射，通过反射波的波幅和相位特征及相应的传播时间即可判定锚杆的长 度和缺陷的位置及程度刀。在桩基的无损检测中，也常采用这种方式。由振动的 动力学理论可知，每个物体在振动时都有它固定的频率和模态，固有频率和模态 是由振动系统本身的特性所决定的，它决定于振动系统本身的质量、刚度及其分 布，只有在系统结构变化或系统部件出现故障时才会改变，目前，在机械设备的 故障检测中通常是获取设备的振动信号，通过系统固有频率的变化分析设备是否 存在故障及故障类型。对于本文所研究的锚固螺杆系统，螺母的松动、锚固螺杆 与锚箱接触处的腐蚀变化都会引起锚固螺杆所受紧固力矩的变化，从而导致锚固 螺杆系统的固有频率发生变化，因此，可以采用振动检测法，通过分析锚固螺杆 系统固有频率的变化情况，监测锚固螺杆系统的松紧状况、安装工况是否发生变 化以及系统主要构件是否出现损伤等。 1 3 本文的研究目的和研究内容 1 3 1 本文的研究目的 为了保障p c 轨道结构系统在营运过程中的安全，除了科学的设计和严把工程 的施工和加工质量关外，进行营运过程中的定期维护检修以及结构的健康安全状况 监测和评价，掌握其健康状况的变化情况具有非常重大的理论意义和现实意义。重 庆轨道交通运营工作者也注意到了锚固螺杆结构的重要性，从而决定研究开发一个 健康监测系统，对连接墩台和轨道梁的主要部件的锚固螺杆进行健康监测。作为这 项检测系统的一个重要分支，基于振动技术的承拉铸钢支座锚固螺杆健康安全监测 系统技术的开发和研究，成为本课题研究的主要目的。前面提到在桥梁等大型结构 的振动检测中，一般是通过永久安装在桥体的传感器来测量振动参数，而重庆轻轨 i i 号线、i 号线全部建成后约有总里程8 0 余公里，将使用8 2 0 0 余个p c 轨道梁， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 承拉铸钢支座8 2 0 0 余对，锚固螺杆6 5 6 0 0 余根，显然，在如此众多的墩台或承拉 铸钢支座里安装传感器是不现实的。因此，为了实现通过分析锚固螺杆的振动信息 来识别锚固螺杆的健康状况，还需要设计一套能自动采集振动数据的数据采集系 统，通过安置在巡检车上的这套系统来对振动数据进行流水线式的采集。 1 3 2 本文的研究内容 根据本文的研究方向以及研究目的，本文的研究内容主要有以下几个方面： 设计基于数据采集卡a d l i n kd a q 一2 2 1 3 的图形化数据采集、分析系统。 设计能实现数据自动采集的实验装置。 研究能对采集的信号的有效性进行识别的方法。 根据当前基于振动测试的故障、损伤识别方法，探讨适合轻轨锚固螺杆振 动信号分析的方法。 根据锚固螺杆系统的刚度变化、质量变化与系统频率变化的关系，研究这 些因素和锚固螺杆系统的紧固力变化的关系，由此分析出适当的对结构松紧进 行评定的方法。 根据信号的脉冲响应函数和系统结构的关系，探讨从脉冲响应信号方面提 取有用特征来识别系统结构的变化。 1 3 3 本文章节组织 第一章绪论部分。介绍本文的研究背景、研究意义和研究内容，概述了当前 国内外在轻轨健康检测方面的研究现状。 第二章振动测试原理及实验研究。介绍锚固螺杆振动测试的可行性，并结合 实验进行验证。 第三章振动测试数掘采集系统的设计。阐述采集系统的硬件选择设计和应用 于p c 机上的软件系统的设计思路并结合案例实际进行介绍。 第四章锚固螺杆振动信号的分析方法。结合当前针对故障、损伤检测的振动 分析方法，介绍各种方法的优缺点，并就轻轨振动检测的实际得出可行的分析方法。 第五章锚固螺杆紧固力矩识别研究。以采集得到的振动信号为素材，从信号 的预处理和信号真实性分析，到根据信号对锚固螺杆的松紧状况进行的识别方法。 第六章结论与展望。 9 重庆丈学硕士学位论文2 振动测试原理及实验研究 2 振动测试原理及实验研究 2 1 引言 随着生产技术的发展，动力结构有向大型化、高速化、复杂化和轻量化发展的 趋势，由此而来的基于振动技术的结构健康检测在机械、航空、航天、船舶、车 辆、建筑和水利技术部门占有越来越重要的地位 1 1 g 而且，随着电子技术、传感 器技术、计算机技术以及数字信号处理的发展，振动测试与分析实际上已形成为 一门多科性学科，并深入到各科技、生产领域，成为解决结构设计、设备运行、 产品测试及课题研究中有关振动问题的不可缺少的手段”。 2 2 振动基本原理 振动是指物体经过它的平衡位置所作的往复运动或系统的物理量在其平均值 ( 或平衡值) 附近的来回运动n 。根据振动的动力学理论，每个稳定的物理系统 在振动时都有固定的频率和模态，这些振动频率也就是系统振动的固有频率。固 有频率是由振动系统本身的特性所决定的，是振动系统一项重要的固有参数，它 由系统本身的质量、刚度、阻尼决定，不会随时问和外力环境而有所变化5 们。 2 2 1 基本模型简介 以弹簧质量系统为力学模型，研究单自由度系统的振动具有非常普遍的实际意 义，因为工程上许多问题经过简化，用单自由度系统的理论就能得到满意的结果。 而且对于多自由度系统和无限自由度系统的振动，在特殊坐标系中分析时，显示 出单自由度系统类似的性质。因此，单自由度系统的分析是复杂振动系统分析的 基础。 单自由度无阻尼系统n 7 3 1 8 1 对于一个s d o f ( s i n g l ed e g r e eo ff r e e d o m 单自由度) 无阻尼自由振动的弹簧质 量系统，其示意图如图2 1 ( a ) 所示，图2 1 ( b ) 是系统的受力分析。 系统的运动微分方程为： m 粤：一觑( 2 1 a ) 出2 、 1 0 重庆大学硕士学位论文2 振动测试原理及实验研究 用能量法可以计算出系统振动的固有频率为： 。幸 i m ；o l 占 ( a )( b ) 图2 1 单自由度无阻尼弹簧一质量系统等效模型和受力情况 f i g 2 1e q u i v a l e n tm o d e la n df o r c ea n a l y s i so f u n - d a m p e d s p r i n g - m a s ss y s t e mo ns d o f 1 f k 忙瓦、i ( 2 1 b ) 。幸牛 l m l m ( a )( b ) 图2 2 单自由度有阻尼弹簧一质量系统等效模型和受力情况 f i g 2 2e q u i v a l e n tm o d e la n df o r c ea n a l y s i so f d a m p e d s p r i n g - m a s ss y s t e mo ns d o f 单自由度有阻尼系统1 7 3 1 对于一个单自由度有阻尼自由振动系统， 统的受力情况。 系统的运动微分方程为： d 2 x。d x m 万一舡吖瓦 系统振动的固有频率为： 1 6 如图2 2 ( a ) 所示，图2 2 0 ) 是这个系 陀2 a ) 重庆丈学硕士学位论文2 振动测试原理及实验研究 v 一2 r r v 生m ，v l 一嘉 ( 2 2 b ) 多自由度系统1 7 3 m 3 对多自由度系统，设系统自由度为，l ，则有，l 阶固有频率。系统的运动微分方 程用矩阵表示为： 心+ k x = 0 ( 2 3 a ) 由系统运动微分方程求解可得1 1 阶固有频率为： 瓜 叶2 j 茸 产l ，2 ，n 其中，k 。表示第i 阶主刚度或第i 阶模态刚度，吖。表示第i 阶主质量或第i 阶 模态质量。 由式( 2 1 b ) 、( 2 2 b ) 和( 2 3 b ) 可以看出，系统振动的固有频率也只与系统本身的 质量和结构有关，即：系统的固有频率将随刚度影响系数的增大而增大，随质量 的增大而减少1 。而且根据第一章的介绍，本文所研究的锚固螺杆系统结构比较 复杂，不是单自由度系统，而是一个多自由度系统，所以其振动时就会呈现出多 个固有频率。 2 2 2 锚固螺杆的振动模型 考虑锚固螺杆的直径与长度的比例，可以将其简化为杆的模型。杆可视为无 穷多个自由度的系统，其振型是一条连续曲线，接下来将分析杆在不同情形下的 振动情况1 1 1 ： 杆的纵向振动 对长为，单位长度的质量为p ，横截面积为s ，材料的弹性模量为e 的均质 等截面细直杆，其纵向自由振动微分方程为： 塑：生生 ( 2 4 1 a t z 0 28 x i 把杆两端固定时将边界条件代入式( 2 4 ) ，可解出振动固有频率： v r 专仔。1 2 ( 2 5 ) 对于杆的纵向受迫振动，只要在式( 2 4 ) 中考虑到纵向分布力q ( x , t ) 即可，其振 动微分方程为： 窘= 等生+ 面1 俐x , t 8 x 2 ( 2 6 ) 萨2 7 一+ 面4 l ju m j 杆的横向振动2 0 1 1 1 7 重庆大学硕士学位论文2 振动测试原理及实验研究 嗣长刀f ，腴亘苗腰刀p ，慎碱【i 【j 秘刀d ，利科刚仞氏佯仕俣里刀丘，一师凼 定，另一端与质点为m 的质点连接的均质等截面细直杆，在初始激励下作横向振 动时，其横向振动涉及到四阶微分方程，位移函数y ( x , t ) 满足： 坐：一告石a 2 y ( 2 7 ) 一a x 4 丽矿 剐 儿。- o ，乱= o ；。o 酬2 y 。= 。 ( 2 s ) e s k 2 苏，i 捌+ 0 玉2 y ：i 。= 。 ( 2 9 ) y i i = 0 = - 船) ，剖乒贴) ( 2 1 0 ) 其中七2 = 三p 2 嬲，称作截面的回旋半径。 设上述波动方程的解为y = y ( x ) e 铂“，将它代入式( 2 7 ) ( 2 1 0 ) 得： 等娟咖4y ，小鑫 ( 2 1 1 ) - o ， 矧。_ o ( 2 1 2 ) 罂i ：o( 2 1 3 ) d x 2i ：4 。 e s k 2 出，l 。_ m 4 n 2 v 2 y l 捌= 。 ( 2 1 4 ) 耐厍 y p ( 2 1 5 ) 就是杆横向振动的频率。 通过上述对杆的横向、纵向振动分析可知，杆的振动频率只与其本身的性质， 如杆长、横截面积、质量和材料弹性模量等有关。所以对锚固螺杆频率的识别， 可以反映锚固螺杆系统的本质。 重庆人学硕士学位论文 2 振动测试原理及实验研究 2 3 锚固螺杆的实验研究幢2 1 如绪论所述，轻轨p c 轨道梁及其支座系统的结构相当复杂( 见图1 1 1 3 ) ： 它包括墩台、轨道梁、支座( 由上摆和下摆组成) 以及锚固螺杆和螺母( 包括防松螺 母和紧固螺母) 。而实验研究对象往往是实际工程对象的简化，由于锚固螺杆的重 要作用，所以我们的研究对象主要是锚固螺杆系统，因此为方便实验研究工作的 开展，自建了如图2 3 所示的实验台： 图2 3 实验研究对象 f i g 2 3e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho b j e c t 通过对此实验墩台的研究，分析出能应用到轻轨现场环境的数据采集方法和可 行的分析方法。 2 3 1 测试方案的选择 测试的基本任务是获取有用信息。一般情况下，一个振动测试系统的组成可用 图2 4 表示： 图2 4 测振系统框图 f i g 2 4d i a g r a mo f v i b r a t i o nm e a s u r es y s t e m 整个测试过程大体上可以分为以下五个环节：激励源、传感器、信号调理、信 1 9 重庆大学硕七学位论文2 振动测试原理及实验研究 号处理和信号的显示与存储。激励源：向被测对象输入能量，以激发出能充分表 征有关信息又便于检测的信号。传感器：能够感受规定的被测量并按一定规律转 换成同一种或另一种输出信号( 一般为电信号) 的器件或装置。信号调理：将传 感器输出信号转换成便于传输和处理的规范信号。因为传感器输出信号一般是微 弱且混有噪音的信号，不便于处理、传输或记录，所以一般要经过去噪、滤波和 调制等处理。信号处理：将经过预处理的信号作进一步分析、处理，提取被测对 象的特征信息。这个环节是整个系统的重点，是测试的意义所在。信号显示与存 储：将处理结果显示或存储下来，供进一步分析。当然，测试系统的组成与研究 目的有关，并不一定都包括以上所有环节。 在本项目的研究中，为了研究锚固螺杆的动态特性，需要对其施加一定的外力， 激励其振动，以便获得相应的响应。因此，激励是锚固螺杆振动测试中不可缺少 的环节。 振动测试中，常用的激振方式有：稳态正弦激振、瞬态激振和随机激振l l j 。 稳态正弦激振方式是由扫频信号发生器发出正弦信号，通过功率放大器和激振 器对被测对象施加稳定的单一频率正弦激励力。应该注意的是，为测得整个频率 范围内的频率响应，必须逐渐地改变正弦激振力的频率，这一过程称为频率扫描 或扫描过程。在扫描过程中，应采用足够缓慢的扫描速度，以保证分析仪器有足 够的响应时间以及被测对象已经处于稳定的振动状态。 瞬态激振方式有三种：快速正弦扫描、脉冲激振和阶跃松弛。快速正弦扫描所 用的激振器及测试仪器与稳态正弦激振的基本相同，只是要求信号发生器能在整 个测试频段内作快速扫描。脉冲激振是以一个力脉冲作用在被测对象上，同时测 量冲击力和被测对象的响应。阶跃松弛是在被测对象上突加或突卸一个常力。 随机激振方法也有三种：纯随机，伪随机和周期随机。自然界中风、车辆行驶 等外界随机作用激励桥梁振动就是随机激振的一种。考虑到轻轨测试必须在夜间 进行( 白天轻轨在运行期间无法进行检测作业) ，此时若使用随机激振的方式则缺 乏激励源，因此只能采用瞬态激振的方式。由于固有频率的存在，当使用固有频 率的外力去激励系统，系统会产生共振，其响应幅度会较大而且响应时间较长。 当所施加的外力的振动频率与系统的固有频率不同是，系统所作的受迫振动在当 外力消失后，会因为阻尼作用而迅速衰减至零。因此，可以尝试用各种不同频率 的外力去激励系统，然后观察系统的响应来了解锚固螺杆系统的固有频率。这样 似乎可以采用扫频的方法来测量锚固螺杆系统的固有频率。但是，由于锚固螺杆 系统是多自由度系统，具有多个固有频率，而且各个固有频率相互叠加，因此即 使扫频测量出一个比较大的振动响应，也不能完全确定这个频率就是锚固螺杆的 固有频率。而且锚固螺杆系统的频率范围不确定，扫频时频率间隔也不容易控制， 所以实验扫频的方式来测量锚固螺杆的固有频率的方案是不行的。 脉冲激振采用的激振器是脉冲锤，其内部安装有力传感器，用它敲击系统后， 2 0 重庆大学硕士学位论文2 振动测试原理及实验研究 由于碰撞而形成一个激励信号，这个力信号脉冲( 该力信号在理想情况下为占信号) 在时间轴上具有良好的局部性，根据傅立叶变换的理论可以知道它在频率域是一 个均匀的常值信号一即是各种等概率的不同频率成分的叠加。所以若以此脉冲信 号作为激励源来激励锚固螺杆系统就是以各种等概率的频率成分来激励锚固螺杆 系统，因此当脉冲信号的作用力消失后，系统的振动也就呈现着各高、低频的固 有频率的组合而成的振动谱。 阶跃松弛激振相对而言更适合一些笨重的大型结构如桩基测试等。由于脉冲激 振方式测试方便、迅速，所用设备少，成本合适，激振器对被测系统附加的约束 小的可操作性更强、环境安装条件更简单。再考虑到现场测试环境和测试要求， 决定选择脉冲激振的方式，即冲击法激励来进行锚固螺杆系统的检测。 2 3 2 检测方案的实验验证 根据2 3 1 中得出的结论，锚固螺杆的检测将实验脉冲激振的方式来采集锚固 螺杆的振动信息。为了进一步确定传感器的安装位置和力锤的激励位置，我们进 行了各种可行方案的比较性实验。例如在锚固螺杆的顶端位置、杆中位置、杆尾 位置三个位置安装传感器，比较这些点所测量得到的锚固螺杆信号。文献【2 2 】实验 研究表明，锚固螺杆各部位振动的频谱基本相似，即锚固螺卡t 端头部分测得的振 动信号完全能够反映锚固螺杆系统的振动情况。 最后，在综合锚固螺杆信号采集的合理性和轻轨现场的安装条件，我们确定 了如图2 5 所示的测量装置的安装方法，根据此实验装置，我们进行了一系列实验： 包括锚固螺杆的固有频率特性时不变性的验证实验、锚固螺杆固有频率随自身质 量的增加而减小的规律验证实验、锚固螺杆固有频率随系统刚度的增加而增加的 规律验证实验。另外，为了得到锚固螺杆频率的先验知识和确保测试方案的可靠 性，还在锚固螺杆空载情况下的频率分布、螺母力矩变化和锚固螺杆内部裂纹与 固有频率的影响关系等方面进行了实验。 锚精 惜圈i 杆 图2 5 测量装置示意图 f i g 2 5s k e t c hm a po f m e a s u r e m e n td e v i c e 2 1 重庆大学硕士学位论文3 振动测试数据采集系统设计 3 振动测试数据采集系统的设计 3 1 健康检测总体方案及振动子系统介绍 3 1 1 锚固螺杆健康检测总体方案简介 绪论中指出过，轻轨在白天是正常运营时间，无法进行巡线检测，所以检测 只能在夜间进行，而且必须使用特定的检测工程车作为轨道行进的交通工具。这 样就给检测的仪器设备的安装和操作带来了诸多不便，因此，为方便检测工作， 减少工作量，提高监