CN102549406A - 用于监控轨道车辆的行驶状态的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控轨道车辆的行驶状态的方法，其中，通过至少一个提供一个相应测量信号的传感器(2)检测至少一个表明该轨道车辆的至少一个轮对的振动状态的特征的测量变量，如轮对的运动、速度或者加速度或者作用到该轮对上的力。根据本发明的方法提出以下步骤：识别出在测量信号的随时间变化过程中的至少一个重大事件或者多个重大事件的组合，其中，测量变量超过一个预定的最小值，以及识别出这个重大事件发生的事件时间点，从这个事件时间点开始从测量信号的随时间变化过程中形成频率特性，其中，形成从这个事件时间点开始后一段被定义的持续时间(t_a)内的频率特性，将形成的频率特性与至少一个存储的参考频率特性进行比较，根据形成的频率特性与至少一个存储的参考频率特性的偏差情况评估轮对的振动状态。

Description

用于监控轨道车辆的行驶状态的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于监控轨道车辆的行驶状态的根据权利要求1和权利要求12的前序部分所述的一种方法和一种装置，其中，通过至少一个提供一个相应测量信号的传感器检测至少一个表明该轨道车辆的至少一个轮对的振动状态的特征的测量变量，如轮对的运动、速度或者加速度或者作用到该轮对上的力。

背景技术

当今，在轨道车辆交通中越来越多地使用诊断-和监控系统，利用它们检测轨道车辆的构件和组件的状态变化，从而识别出这些构件和组件的问题。尤其是在轨道车辆的轮对中，在运行安全性方面，探测到损坏和裂隙是很重要的。

根据本领域的EP 1 274 979 B1，监控至少一个车辆组件的振动状态，为此检测至少一个振动信号、进行一次傅里叶变换并且与至少一个参考值进行比较，其中，针对至少一个特性值(频率特性值、阻尼特性值、振幅特性值)对配属于该车辆组件的一个自振组件的频率峰值进行监控。换句话说，根据已知的文献，车辆组件经过一种模态分析，并且为了识别出损坏，在车载诊断的范畴中对如固有频率和阻尼这样的模态参数进行监控。然而，已知的方法却无差别地对测量信号的随时间变化过程进行评估。尤其是在完全不同的边界条件下行驶时，在例如不同的静摩擦-或滑动摩擦的情况下，共同对获得的信号进行评估。

据此，从傅里叶变换中得出的特性值、例如固有频率及其最大振幅的值会发生较大偏差，这就加大了明确并且可靠评估出频率特性的难度。尤其是激励频谱在运行时是不同的，以至于在任何单独的时间点都不清楚涉及的车辆组件的自振在所测信号上占多大份额。

尽管已知的方法提出，将从测量中得出的频率特性与和行驶路段相关的参考频率特性(新建路段、老旧路段、扩建路段)进行比较，但是这种做法带有一些缺点。因为一方面必须考虑对于所有在常规运行状态中的轨道车辆可以行驶的路段。另一方面，就不能由于外部影响改变行驶路段的特性，或者参考数据必须总是保持在最新状态。然而这就需要不适当的高投入，因此在实践中可能不能遵守采用已知方法的前提条件。

因此，用于对轨道车辆组件进行诊断-和状态监控的已知方法建立在连续并且持续地测量和评估测量变量的基础之上。其中，测量变量的边界条件却在持续变化。对从时间信号中检测的频率特性进行分析的投入非常大，因为必须在与行驶路段相关的参考信号的帮助下对边界条件的影响进行评估。

发明内容

相应地，本发明的目的在于，这样进一步改进一种此类的方法或者一种此类的装置，即，使该方法或该装置的信号处理技术的投入更小、并且能更可靠地发现轨道车辆的轮对上的损坏和问题。

该目的通过权利要求1或者权利要求12所述的特征来实现。

本发明提出一种方法和一种装置，其中，该装置设计用于执行该方法的以下步骤：

-识别出在测量信号的随时间变化过程中的至少一个重大事件或者多个重大事件的组合，其中，测量变量超过一个预定的最小值，以及识别出这个重大事件发生的事件时间点，

-从这个事件时间点开始从测量信号的随时间变化过程中形成频率特性，其中，形成从这个事件时间点开始后一段被定义的持续时间内的频率特性，

-将形成的频率特性与至少一个存储的参考频率特性进行比较，

-根据形成的频率特性与至少一个存储的参考频率特性的偏差情况评估轮对的振动状态。

该评估的目的则在于，根据该轮对的一个可能变化的或者明显的振动状态推断出被监控的轮对的损坏。

根据本发明的解决方案的优点尤其在于，计算方面的投入相对较低，这是因为不用连续不断地对一个测量信号的整个时间变化过程进行傅里叶-变换和分析，而是只对系统对于个别重大事件的应答进行傅里叶-变换和分析。由于预先对重大个别事件作出了定义，因此仅仅形成或者分析那些很可能提供关于被监控的轮对的状态的可靠的说明的频率特性，并且该频率特性尤其是指出了在轮对上的裂隙形成的情况。

这些重大事件，例如在轮对的加速度很高、也就是说超过一个预定的最低值的情况下轮对发生垂直的振动激励，会导致以下后果，即，使轮对被激励形成完全可以识别到的自振动。在垂直方向上有足够高的撞击激励时，例如由于轨道严重不平坦，轮对在短时间内几乎完全脱离了轨道，使得当时被行驶的行驶路段对自振特性的影响被估计为很小。尤其是轮对就可以几乎自由地以它的独有的自振性能发生振动。因此，根据本发明的方法的确可以与行驶路段无关地起作用。尤其是可以取消投入高地检测和存储与行驶路段相关的参考数据。

基本的发明理念即在于，只有在发生重大个别事件以后才进行频率特性和频率分析。重大个别事件在这里被定义为下述事件，即，其中，由至少一个传感器接收到的时间信号(如路径信号、速度信号、加速度信号、受力信号或压力信号)在事件时间点超过或者低于一个各自预设的阈值，或者具有另一个独特的特征。

换句话说，在轨道车辆的要进行监控的轮对中，借助于一个或者多个传感器持续不断地对表明轮对的振动状态的特征的变量的测量信号进行检测。但是，直到该测量信号超过一个预定的最小值时，才形成相应的频率特性或者频率分析。通过在将重大个别事件的发生作为时间起点以及紧接着与至少一个参考频率特性进行一次对比之后在一段定义的持续时间内进行频率分析，能够在计算方面的投入仅很小的情况下可靠地推断出轮对的变化和损坏。

例如当一个轮对的转轴具有裂隙时，那么该轮对的动态柔性就增加，这就在系统较“软弱”，系统的固有频率相对于轴未损坏时更小，以及阻尼通常更大这些现象中表现出来。此外，固有频率的频率峰值、也就是说频率特性中固有频率的振幅更大。这种自振形式的特性值可以从与参考频率特性进行比较的形成的频率特性中读出。

由于从表明各个测量值的特征的信号的某个一定的最小振幅开始，就把注意力集中到已定义的个别事件上，从而确保了，轮对总是受到类似的边界条件的影响。其中如下地选择最小值，即可以期待足够次数的重大事件。然而对轮对的较小激励(它们反正不可能激励自振)却仍然不考虑在内，使得在评估信号时的计算方面的投入相对于现有技术大幅降低。

通过在从属权利要求中所述的措施，可以对权利要求1和权利要求12中所述的发明进行有利的改进和改善。

特别优选的是，将轮对在垂直方向上的加速度考虑作为表明轨道车辆的轮对的振动状态的特征的测量变量，其中，通过测得的轮对的加速度超过一个被定义的最小值来识别出在加速度的随时间变化过程中的一个重大事件。那么设想的前提是，轮对暂时几乎不与轨道接触，并且由此几乎可以自由振动，由此，可以不受干扰地形成自振形式，也就是说不必与邻接的结构发生影响到轮对的刚性和阻尼的接触。例如，对于垂直加速度的预定最小值为至少10g(10m/s²)。利用一个这种用于垂直加速度的预定的最小值来确定事件时间点，从这个事件时间点开始形成并且分析频率特性，或者说将其与至少一个参考频率特性进行比较，尤其是能够可靠地探测到轮对(车轮和/或轴)中的裂隙。

此外，特别优选地通过一次快速傅里叶变换(FFT)从测量信号的随时间变化过程中产生频率特性。借此能够以具有合理的计算技术方面的投入达到可靠的结果。

例如，被定义的持续时间(在这段时间内形成测量信号的随时间变化的频率特性)是恒定不变的时间段，例如在5到500毫秒之间。因为一个这种相对较短的时间窗口就足以进行一次有说服力的傅里叶变换，并且得到一个有说服力的频率特性，从中可以看出或者说确定这些模态参数，如固有频率、固有频率ωe的振幅、阻尼度De以及动态刚性S(ω)或者动态柔性N(ω)。

可替换地，被定义的持续时间(在这段时间内形成测量信号的随时间变化的频率特性)从事件时间点开始，并且当振动的有特定特征的特性、如振动衰减的特定的量出现时或者当另一个或下一个重大事件发生时，持续时间结束。因此，在这种情况下，持续时间虽然被定义了起点和终点，但是却不总是一样长。

此外建议的是，参考频率特性是期望的频率特性，它通过模型计算法计算出来或者基于示范性的样本轮对产生。可替换地，参考频率特性可以是在轨道车辆运行期间从测量变量的随时间变化过程中形成的、被监控的轮对的频率特性，或者是被监控的轮对或者多个其它轮对的多个频率特性的平均值。同样地，为了在时间上进行统计性评估，可以将该频率特性与在轨道车辆运行期间从测量变量的随时间变化过程中形成的、被监控的轮对的多个参考频率特性进行比较。

因此，轮对的这样获得的参考频率特性是一种独特的“轮对手印(Radsatz-Fingerabdruck)”，为每个轮对优选地特殊地确定它们的参考频率特性，并且为了进行分析而存储起来，用于与参考数据进行比较，并且紧接着从比较结果出发进行评估或者说计算。所有这些方法都适用于通过计算或者借助统计性分析检测这个或者这些参考频率特性的数据。

形成的频率特性与至少一个参考频率特性进行的比较优选地借助至少一个模态参数得以实现，如固有频率ωe、固有频率的的振幅ωe、阻尼度(Lehrsche

)De或者柔性N或刚性S。

在将形成的频率特性与至少一个参考频率特性进行比较时，优选地考虑到轮对的当前磨损状态的影响和轮对的当前转速。由此能够利用较少的信号处理投入进一步改进输出结果的准确度。

附图说明

下面，连同对本发明的一个优选实施例的说明，借助附图更详尽地示出其它的、改进本发明的措施。图中示出：

图1是一种用于监控轨道车辆的行驶状态的装置的示意性框图，其符合一个优选的实施方式，

图2是轨道车辆的被监控的轮对的加速度-时间-图表，其作为发生一次重大事件的结果；

图3是参考频率特性的加速度-频率-图表。

具体实施方式

在符合规定的运行状态下，轨道车辆的轮对在有轨行驶路段上滚动。根据轨道车辆的行驶速度和状态，轮对受到一次振动激励。这次振动激励导致轮对或者说它们的部件发生振动，一方面是在空间中的绝对振动，并且另一方面是相对于邻接结构或者相互之间的相对振动。一个轮对在此典型地由两个通过一根轴连接的车轮组成，如图1所示。

根据图1，在一辆(在此未进一步示出的)轨道车辆的一个轮对1上安放了一个或者多个传感器2，它们优选地作为加速度传感器检测该轮对1或者它的一个部件例如在垂直方向上的加速度并且产生相应测量信号。

通过检测传感器2的测量值，并且将其传输到信号检测单元3上，在那里会形成该轮对的垂直加速度的一个随时间变化的加速度过程。信号检测单元3还识别出这个随时间变化的加速度过程中的所谓的“重大事件”，以及所属的事件时间点t₀。

在测量信号的随时间变化过程中发生的“重大事件”要被理解为这样一种事件，其中测量变量或者测量信号超过一个预定的最小值。在所示情况下，例如继续监控这些测量信号，看所测得的垂直加速度是否超过一个加速度最小值a_min或者一个加速度最小振幅a_min。例如，为垂直加速度的预定的加速度最小值a_min至少为+10g或者-10g(m/s²)。在所示情况下，重大事件最大加速度MAX₁(根据它判定轮对在垂直方向上是正在加速还是正在减速)可以是正数或者负数，并且它的数值大于一个最小振幅a_min，如图2所示。

例如当被监控的轮对行驶过一个接缝或者轨道行驶路段的一段不平坦路段，并且由此特别是激励形成一个超过一个特定范围的垂直振动时，就是这种情况，正如图2中所示的那样。当预定的最小值a_min足够大时，可以认为，轮对1被激励进行明显可以探测到的和谐自振，其具有独特的固有频率ωe。由于材料的阻尼效果，以及通过与邻接的结构的连接方式达到的阻尼效果，被激励的自振的振动振幅随着时间衰减，如图2的加速度时间信号的变化曲线所示，或者由另一个重大事件重新激发出自振。

可替换地，可以检测任何其它的变量或者多个其它变量的组合作为时间信号，它适合用来表明轮对以自振形式进行的振动的特征作为对一个陌生激励的应答。作为测量变量在此除了垂直加速度之外例如还可以考虑任意方向的加速度、运动路径和/或轮对的速度或者它的部件。同样也可以考虑的是，轮对的振动产生动态力或者压力，就可以通过一个力接收器或压力接收器对它们进行测量，并且可以表示为随时间变化的力信号或压力信号。对于选择测量变量或者选择多个测量变量的组合方式至关重要的是，要能够尽量最好地表示出被监控的轮对的特性、自振情况。

紧接着，频率分析单元4从加速度信号的随时间变化过程中(从事件时间点开始，经过一段被定义的持续时间ta)形成频率特性。优选地，被定义的持续时间ta表明从事件时间点t₀开始后一段恒定不变的时间段，例如从事件时间点t₀后5到500毫秒之间，正如例如从图2中得出的那样。

可替换地，被定义的持续时间(在这段时间内形成测量信号的随时间变化的频率特性)从事件时间点t₀开始，当振动的一个有特定特征的特性(如振动衰减了一个特定的量)出现时，或者另一个或下一个重大事件发生时，持续时间结束。

例如通过将时间信号进行一次傅里叶变换来形成频率特性。然后从这个频率特性中可以以已知的方式确定出由重大事件激励的自振的特性值，也就是说自振的几何形式(在存在许多传感器的情况下，它们被安置分布在整个轮对上)；还以已知的方式确定出属于这个自振形式的模态参数：固有频率ωe、固有频率ωe的振幅、阻尼度De以及刚性Se或柔性Ne。在此，不必确定出自振的全部特性值，几个可能就足够了。

此外设有比较单元5，用于将从时间信号中形成的频率特性与至少一个存储在存储器单元7中的参考频率特性进行比较。其中，参考频率特性是一个期望的频率特性，它通过模型计算法计算出来或者在一个示范性的样本轮对的基础上产生，例如借助一次实验性模态分析。可替换地，参考频率特性也可以是在轨道车辆运行期间从测量变量的随时间变化过程中事先形成的、被监控的轮对的频率特性，或者它表明被监控的轮对或者多个其它轮对的多个频率特性的平均值。同样地，为了在这段时间进行统计性评估，这个从符合图2的时间变化曲线中形成的频率特性也可以与多个在轨道车辆的之前的运行期间从测量变量的随时间变化过程中形成的被监控的轮对的频率特性进行比较。

图3中示出了一个这种参考频率特性，它在频率为大约0.27kHz时均具有最大值，这个最大值表示轮对的其中一个固有频率ωe。从运行中获得的测量值中形成的频率特性与所述参考频率特性进行的比较优选地借助至少一个模态参数得以实现，如固有频率ωe、固有频率ωe的振幅、阻尼度De或者柔性Ne或刚性Se。

当对轮对的力激励是撞击形式时，这理想化地表示一种质量为m的单质量振动器，它通过一个弹簧刚性为c并且带有阻尼效果为D的减震器的弹簧连接在车厢上，在单振过程后进行一个稳态的、正弦形式的振动，其固有频率为：

${\mathrm{\ω}}_e=\sqrt{\frac{c}{m}}---\left(1\right)$

并且阻尼度为：

$D_e=\frac{d}{2\sqrt{c\·m}}---\left(2\right)$

以及动态柔性(含有真实和虚拟部分)为：

$N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1/c}{1+j\·2\·D\·\mathrm{\ω}/\mathrm{\ωe}-{(\mathrm{\ω}/\mathrm{\ωe})}^2}---\left(3\right)$

如果其中一个模态参数或者多个模态参数大幅偏离，也就是说偏离于参考频率特性的相应值的一个最小值，那么这意味着被监控的轮对损坏，尤其是意味着轴中或者车轮中出现了裂隙。

例如当轮对的轴有裂隙时，那么动态柔性N(ω)就增加，这就在系统较“软弱”且系统的固有频率ωe相对于轴未损坏时更小，以及阻尼度De更大这些现象中表现出来。此外，固有频率ωe的频率峰值、也就是频率特性中固有频率ωe的最大振幅更大。

从时间信号中形成的频率特性的特性值相对于存储的参考频率特性的偏差程度通过评估单元6进行评估。其中，也可以考虑到轮对的当前磨损状态的影响和轮对的当前转速。

信号检测单元3、频率分析单元4、比较单元5、评估单元6以及用于参考频率特性的存储器单元7例如可以作为组合的信号检测-和评估装置8在一个唯一的微型电脑中实现。

为了形成从时间上事先接收到的时间信号中形成的频率特性的平均值，信号检测-和评估装置8还可以包括一个在这里未详细示出的取平均值单元，它对被监控的轮对或者多个其它轮对的多个频率特性求平均值，并且从中形成一个参考频率特性。

参考标号表

1       轮对

2       传感器

3       信号检测单元

4       频率分析单元

5       比较单元

6       评估单元

7       存储器单元

8       信号检测-和评估装置8

MAX₁    加速度最大值

t_a      持续时间

a_min    最小振幅

Claims (15)

1.一种用于监控轨道车辆的行驶状态的方法，其中，通过至少一个提供一个相应测量信号的传感器(2)检测至少一个表明所述轨道车辆的至少一个轮对的振动状态的特征的测量变量，如所述轮对的运动、速度或者加速度或者作用到所述轮对上的力，其特征在于以下步骤：

-识别出在所述测量信号的随时间变化过程中的至少一个重大事件或者多个重大事件的组合，其中，所述测量变量超过或低于一个预定的阈值，以及识别出所述重大事件发生的事件时间点，

-从所述事件时间点开始从所述测量信号的随时间变化过程中形成频率特性，其中，形成从所述事件时间点开始后一段被定义的持续时间(t_a)内的频率特性，

-将所述形成的频率特性与至少一个存储的参考频率特性进行比较，

-根据所述形成的频率特性与所述至少一个存储的参考频率特性的偏差情况评估所述轮对的所述振动状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述轮对(1)在垂直方向上的加速度考虑作为表明所述轨道车辆的所述轮对的所述振动状态的特征的所述测量变量，其中，通过所测得的所述轮对(1)的加速度超过一个被定义的最小值(a_min)来识别出在加速度的随时间变化过程中的一个重大事件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为垂直加速度定义的最小值(a_min)为至少10g。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过一次快速傅里叶变换(FFT)从所述测量信号的随时间变化过程中产生所述频率特性。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述被定义的持续时间内形成所述测量信号的随时间变化过程的频率特性，所述被定义的持续时间(t_a)是恒定不变的时间段。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述被定义的持续时间内形成所述测量信号的随时间变化过程的频率特性，所述被定义的持续时间(t_a)从所述事件时间点开始，并且当振动的有特定特征的特性、如振动衰减的特定的量出现时或者当另一个或下一个重大事件发生时，所述被定义的持续时间结束。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考频率特性是期望的频率特性，所述期望的频率特性通过模型计算法计算出来或者基于示范性的样本轮对产生。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考频率特性是在所述轨道车辆运行期间从所述测量变量的随时间变化过程中形成的、被监控的所述轮对(1)的至少一个频率特性，或者是被监控的所述轮对(1)或者多个其它轮对的多个频率特性的平均值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，为了在时间上进行统计性评估，将所述频率特性与在所述轨道车辆运行期间从所述测量变量的随时间变化过程中形成的、被监控的所述轮对(1)的多个参考频率特性进行比较。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据至少一个模态参数、如固有频率、阻尼度或者柔性，来实现将形成的频率特性与所述至少一个参考频率特性进行比较。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在将所述频率特性与所述至少一个参考频率特性进行比较时，考虑到了所述轮对的当前磨损状态的影响和所述轮对(1)的当前的转速。

12.一种用于监控轨道车辆的行驶状态的装置，其中，通过至少一个提供一个相应测量信号的传感器(2)检测至少一个表明所述轨道车辆的至少一个轮对(1)的振动状态的特征的测量变量，如所述轮对的运动、速度或者加速度或者作用到所述轮对上的力，其特征在于信号检测-和评估装置(8)，所述信号检测-和评估装置这样设计，即所述信号检测-和评估装置至少执行以下步骤：

--识别出在所述测量信号的随时间变化过程中的至少一个重大事件或者多个重大事件的组合，其中，所述测量变量超过一个预定的最小值，以及识别出所述重大事件发生的事件时间点，

-从所述事件时间点开始从所述测量信号的随时间变化过程中形成频率特性，其中，形成从所述事件时间点开始后一段被定义的持续时间(t_a)内的频率特性，

-将所述形成的频率特性与至少一个存储的参考频率特性进行比较，

-根据所述形成的频率特性与所述至少一个存储的参考频率特性的偏差情况评估所述轮对的所述振动状态。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述信号检测-和评估装置至少包括以下部分：

-信号检测单元(3)，所述信号检测单元识别出在所述测量信号的随时间变化过程中的重大事件以及所属的事件时间点，

-频率分析单元(4)，所述频率分析单元从所述事件时间点开始从所述测量信号的随时间变化过程中经过所述被定义的持续时间(t_a)形成频率特性，

-比较单元(5)，用于将所述形成的频率特性与所述至少一个存储的参考频率特性进行比较，

-评估单元(6)，用于根据所述形成的频率特性与所述至少一个存储的参考频率特性的偏差情况评估所述轮对的所述振动状态。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述信号检测-和评估装置(8)还包括取平均值单元，所述取平均值单元对被监控的所述轮对或者多个其它轮对的多个频率特性取平均值，并且从中形成所述参考频率特性。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个传感器(2)设计用于检测所述轮对(1)在垂直方向上的加速度。

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