CN104819756A - 负重轨道货运车称量系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种轨道车重量传感系统。该系统包括至少一个转换器，该转换器位于轨道车的承梁或侧架上。来自该转换器的信号被传输至接收器。

Description

负重轨道货运车称量系统

技术领域

本发明涉及轨道车称量系统，并且更具体地，本发明涉及负重轨道车称量系统。

背景技术

所期望的是能够获得轨道货运车或箱体式车中负载的重量。特别期望的是，能够在基于即时的情况获得轨道货运车或箱体式车中负载的重量，而不需要轨道车位于特定的位置处，例如，位于计量装置处。

还期望的是，能够将表示轨道车或箱体式车中负载的重量的信号传输至承梁，所述信号能够储存在该承梁中。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于测量轨道货运车或箱体式车中负载的重量、并将表示该重量的信号传输至接收器的方法和装置。

本发明包括用于测量轨道车的静态或动态负载的系统的多个实施例。在一个实施例中，将位移/应变式转换器对称地安装至支撑轨道车主体的转向架承梁上。在该实施例中，除了测量轨道车主体的重量，还测量横向负载和纵向负载失衡。无线传感器用于读取并传输所述转换器的输出内容。读取的内容被传送至本地的接收器，或远程位置。

附图说明

图1是典型的三段式转向架组件的视图，其包括承梁、侧架、轮轴、弹簧组以及侧支承件。

图2是本发明的实施例的视图，所述传感器/转换器对称地安装在轨道车转向架的承梁上。

图3是图2的实施例的细节视图，显示了转换器元件和传感元件。

图4是本发明的另一实施例的视图，所述传感器/转换器对称地安装在轨道车转向架的侧架上。

图5是图4中的实施例的细节视图，显示了所述转换器和传感器。

图6是所述转换器的弹性元件部分的实施例的视图。

图7是数据流自转换器传输至远程接收器的框图。

具体实施方式

在图1中显示了通常的三段式转向架系统。该系统包括承梁1，该承梁在两个横向隔开的侧架2a和侧架2b之间延伸。所述承梁1在其端部借助负载弹簧组3a和负载弹簧组3b被支撑。该承梁1包括中心板4和横向间隔开的侧支承件5a和侧支承件5b，用于支撑轨道车主体的重量。轮轴组件6a和轮轴组件6b在侧架2a和2b之间横向地延伸。

在图2中显示了本发明的第一实施例，其包括三段式转向架承梁1，以及无线应变/位移传感器7a至7c。该传感器7a至7c在通过使用分析/数字应力分析技术选定的位置处安装在承梁1上。此外，使用计算法确定的区域通过使用实验应力分析来验证，实验应力分析可以包括使用应变计和/或位移转换器。还将位置选择成使得焊接或类似技术的热加工保持在由美国铁路协会(AAR)规定的接受范围内。在优选的布局中，如图2所示，两个传感器7被安装到承梁1的斜向张紧部件上，不过多个其他的安装构造也是可行的。

如图3所示，各无线应变/位移传感器7包括应变/位移转换器8和无线传感单元9。在优选的实施例中，通过使用焊条电弧焊(SMAW)技术，所述应变/位移转换器8刚性地连接至承梁1，不过，可以使用其他的技术进行该连接，包括使用粘结剂、紧固件、或类似的方法。使用焊接接头使得应变/位移最直接地从铸件体传输至转换器8，并且最小化与非线性、滞后以及零点漂移关联的误差。所述转换器8产生与承梁1的安装表面上的位移/应变呈比例的电输出。该原理应用于本发明的所有的其他的实施例，并且在该情况中作为示例使用。

无线传感单元9直接与转换器8相互作用，起到读取并数字化来自转换器8的输出信号的主要作用。在优选的实施例中，无线传感单元9包括具有相关的模拟数字(A/D)变换器和信号处理装置的微处理器单元、电源以及无线传输器/接收器形式的通信单元。无线传感单元9还可以包括额外的传感元件，包括惯性传感器、温度传感器或压力传感器。这些额外的传感器可以用于对转换器8的数据的完整性进行判断和逻辑运算。例如，可以使用无线传感单元9中的逻辑运算来舍弃在转换器的操作温度界限外收集的转换器8的信号。该无线传感单元9与本地的通信管理器15进行通信，下文将对此进行描述。

在图4和5中显示了本发明的第二实施例，其包括三段式转向架侧架6，以及横向分隔开的无线转换器组件7d至7e，该无线转换器组件均包括应变/位移转换器8和无线传感单元9。该实施例以针对图2中第一实施例所描述的相同原理来进行操作，但主要的差别在于无线传感器7的位置不同。这些是本发明的优选的实施例，但是无线传感器7的位置和数量不局限于本文描述的这些实施例，并且这些实施例仅用作示例。在最通常的情况中，传感器7可以定位在轨道车辆上的任何位置，这些位置响应施加的负载而呈现应力/应变/位移的变化。

图6显示了仅用于示例的位移/应变转换器结构的总体视图。该转换器8包括弹性元件10(优选地是不锈钢)，该弹性元件具有的首要作用是，将来自翼片11a至11b的位移/应变传输至该弹性元件安装了应变计12a至12b的部分。其次，该弹性元件10设计成使得，在翼片11a至11b处输入的位移/应变在应变计12a至12b的位置处被机械放大。在该实施例中，弹性元件10设计成用于在将拉伸或压缩应变/位移施加在翼片11a至11b上的情况下弯曲。该示例使用了以惠斯登电桥方式布置的四个起作用的应变计，不过其他的弹性元件的几何形状可以包括更多个起作用的测量计。该转换器8产生与施加的输入电压以及在翼片11a至11b处输入的应变/位移呈比例的电输出信号。此外，转换器8包括温度探测器13，用于测量弹性元件10在应变计12a至12b位置处的温度。在优选的实施例中，温度探测器13是表面安装式电阻温度探测器(RTD)的形式，不过类似的探测器可以作为替代。

已经讨论了在图6中显示的优选的实施例，不过只要提供与安装表面的应变/位移成比例的电输出，就可以使用其他的转换器。示例包括线性变量差分转换器(LVDT)、振弦式换能器(VWT)以及布拉格光纤光栅应变传感器。所讨论的操作原理适用于上述转换器类型中的任何类型。

图7显示了本发明的组件的优选的实施例及其相互作用。在该实施例中，两个无线应变/位移传感器7安装至承梁1的斜向张紧部件上，如图2所示。来自单一承梁1上的横向隔开的转换器8的输出内容由无线传感单元9采样并处理。该处理包括放大来自转换器7的原始信号，过滤该信号以移除噪声信号，并且对各个数据点组求平均值以最小化采样误差。模拟数字变换器(A/D)以系统精度的至少1/5的分辨率将处理的信号转变成数字形式。数字化的输出内容随后经由无线传送操作14被传送至本地的通信管理器15(优选地安装在轨道车主体上)。该管理器15将来自各对传感器7的信号汇总，并且通过使用储存在管理器15的存储器中的密封型参数(sealed parameter)，对各转向架进行校准。来自各转向架的校准的输出内容被归纳，并且通过无线传送操作16被传送至本地的数字重量指示器17，或被远程传送至专用的计算机或工作站18。从自管理器15到远程接收器17至18的无线传送操作16能够通过使用不同方法实现，并且将在下文进行更详细的讨论。在优选的实施例中，数据通过蓝牙经无线传送操作16被传送至专用的数字重量指示器17。

如上文所述的，该优选的实施例使用通信管理器15中的密封校准参数将传感器数字数据转换成重量读数。在本发明中，将传感器7安装至轨道车的结构性支撑区域，该结构性支撑区域已被分析和实验性地证实为对施加的负载产生具有高度的可重复性的反应。然而，发现的是，施加的负载和应变/位移之间的关系中存在内在变量，这需要对各组件进行单独的校准。在优选的实施例中，这使得有必要对各个转向架组件进行校准。各转向架组件的校准能够通过使用专用的液压负载架来实现，该专用的液压负载架用于在转向架通过轮轴组件6a至6b被支撑在轨道上的同时，将负载施加至承梁1的中心板4和侧支承件5a至5b。该优选的方法是采用工业认可的校准规程(例如，ASTME74用于检查测试机器的力显示的测力设备的校准的标准操作规程)。在该优选的方法中，使用了至少5个升序或降序的校准点，并且重复了至少3次。使用这样的校准操作规程确保了针对于给定的转向架组件的重量读数的尽可能的最高精度。在组装轨道车辆之前，通过对转向架系统进行校准，该系统将测量轨道车的主体重量，而不是总轨道负载(GRL)。包括借助1或2个校准点在现场进行的校准方法的可选方法将具有大幅降低的静态准确性。然而，简化的现场校准可以在不要求最高精度的情况中使用。在用于监管输送的商业称量应用情况中，根据国家评价体系(NETP)的评估可能是必要的，该评估要求进行实验检验测试和现场检验测试两者。

参考图7，已经对转换器数据处理的最基本形式进行了描述。通常假设所描述的方法在静态或准静态条件下使用，这两者假设轨道车辆的惯性作用可以忽略。用于称量轨道车的所述优选的方法要求为处于平路上的非耦合条件，并且根据美国铁路协会(AAR)计量手册，所述轨道车处于完全地静止状态。然而，存在以下的情况：当所述轨道车处于非平路或在运动中时，可能需要重量的读数。在这些情况中，轨道车的运动或非平路状态的程度可以通过使用无线传感单元9中的上述的惯性传感器或通信管理器15中的类似的传感器来获得。因此可以基于惯性测量结果使用逻辑运算来对传感器数据的准确性做出判断。例如，惯性传感器可以用于指示5％的轨道等级(rail grade)，并且随后阻止传感器读数的输出，原因在于，这些读数已被视为对于给定的条件而言是不准确的。可替代的，校正算法可以用于基于处于非平路或运动的程度来调节重量读数。所述两个示例提供了相对而言对条件不敏感的粗略的称量方案。

关于轨道车的运动状态，由于通常假设为静态的条件，因此也通常假设并优选静态的环境条件。然而，普遍接受的是，基于应变计的转换器在温度变化的情况下，将表现出一定程度的零点输出漂移。在优选的实施例中，转换器8中的温度探测器13在每个转换器读数处被采样，以便在无线传感单元9中进行校正算法计算。虽然在一些情况中，较高级拟合可能是必要的，但在最简化的形式中，校正算法使用转换器8输出内容与温度之间的第一级线性关系。类似的方法可以用于针对上文描述的不同的转换器类型进行高度的校正，或热输出的校正。最高程度的校正通过在热处理室或类似固定装置中对整个转向架组件(具有传感器)进行校准来实现。在优选的实施例中，根据美国国家计量大会(NCWM)公开文件14和美国国家标准与技术研究院(NIST)手册44，温度校正提供了从-10至40℃的所需的系统精度(满量程的1％)。

在上文已对静态式重量测量和运动称量式重量测量两者进行了描述。此外，在使用过程中，在轮和轨道的界面处产生的瞬间的力通过弹簧组件3a至3b，从轮轴组件6a至6b被传输至侧架2a至2b内，并且被传输至承梁1中。本发明的两个实施例(图2和图3)将应变/位移传感器7结合在侧架2a至2b和/或承梁1上。这两个实施例中的各实施例进行了一定程度的轮和轨道的界面处的间接力测量。例如，具有车轮踏面擦伤形式的、位于踏面上的表面缺陷的轮，可能将周期性的瞬间的力引入转向架组件中，该力将被所述传感器7测量到。在将额外收益结合进轨道车的情况下，这样的测量可与轮冲击负载探测器(WILD)的测量类似。此外，由于弯曲、不稳定性或类似的条件而被引入转向架组件的力可以用传感器7进行测量。

如上文所述，无线传感单元9借助本地安装在轨道车辆车主体上的通信管理器15来传输并接受数据。该小范围的传输允许使用符合标准(例如，IEEE802.15.4)的低功率无线电，用于在2.4GHz的非授权频段下操作。在优选的实施例中，传感单元9能够是无线路由器，与所有其他的传感单元9进行通信，用于形成连通管理器15的冗余通信路径。管理器15还连续地监控并优化网络，动态地更改数据路径，并且在传感单元9输出、接收或停止工作时进行调节。此外，该优选的实施例借助128位的基于AES算法的密码，或本领域中公知的类似的方法来提供端对端的数据安全。可以使用类似的低功率的无线网络，并且数据传输不局限于本文讨论的方法。

在优选的实施例中，通信管理器15包括计算元件，例如微控制器、存储器、独立的电源以及传感器。传感器可以包括环境温度传感器、大气压力传感器、接近传感器或惯性传感器。此外，管理器15结合了多种通信方法，包括上述的无线传感器网络通信、蜂窝通信(全球移动通信系统(GSM)/通用分组无线服务技术(GPRS))通信、卫星通信以及蓝牙通信或无线局域网(WiFi)通信来用于本地通信。管理器15还可以结合无线传感单元9，用于沿火车形成管理器15的网络。在额外的管理器15位于车头或类似部位的情况下，可以在车头中对来自所有上述传感器的数据进行监控。可以使用不同的方法用于沿火车的通信。

管理器15还可以包括位置测量装置，例如全球定位系统(GPS)。该定位系统可以用于确定轨道车的速度和位置。速度和位置两者可以在计算程序中使用以调节无线传感单元9的采样率，或者全部地禁止数据输出。例如，当被存放在场地中时，可能并不关心轨道车的重量，这样，所述位置信息可以用于禁止采样和重量读数的输出，由此节省通信管理器15和无线传感单元9两者的能量。可替代地，在对轨道车进行装载时，可能每分钟都需要重量读数，这样，对管理器15而言，能够基于参数和用户的输入的组合调节传感器9的采样率是必要。在优选的实施例中，如需要，终端用户可以从本地的数字重量指示器17来对采样率进行调节，不过，在不同的环境中可能需要其他的自主方法。

在上文中已提到的是，无线应变/位移传感器7可以用于测量轨道/轮界面处的动态力。当与管理器15中的上文所述的惯性传感器或无线传感单元9组合时，关于所报告的转向架系统的状态，可获得更高的准确度。例如，承梁1中的周期性的横向力可以由传感器7探测，并且借助惯性传感器测量的相关的车辆主体的响应信号可以用于支持该结果。轮/轮轴的输入信号和车辆主体的响应之间的关系可以借助计算法和经验法来容易地确定。该信息可以用于在管理器15或无线传感单元9中形成传输功能，以精确地预测输入。

Claims (20)

1.一种用于测量轨道车负载的系统，所述系统包括：

被支撑在轨道轮、轮轴以及多个转向架上的轨道车主体，

各转向架包括承梁和两个侧架，

安装至所述承梁或所述侧架的多个转换器，所述多个转换器用于测量由所述轨道车主体支撑的重量，

与所述转换器关联的一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器用于采集、处理以及传输来自所述转换器的已处理的数据，

用于与所述传感器进行通信的接收器，并且所述接收器用于传输表示由所述轨道车主体支撑的重量的已处理的数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述转换器是应变型转换器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述转换器包括弹性元件，所述弹性元件机械式地连接至所述承梁或所述侧架中的一个或更多个。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述转换器包括多个应变计。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述弹性元件将在所述应变计处检测到的输入位移机械式地放大。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述应变计以一个或更多个惠斯登电桥回路的方式布置。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述转换器通过使用包括以下步骤的方法安装至所述承梁或所述侧架上的预定位置：

使用分析技术或数字技术的应力分析步骤，其中，在所述承梁或所述侧架上模拟典型的负载，并且基于应力响应选定转换器的位置；

实验型应力分析步骤，其中，将所述轨道车主体或承梁或侧架装备上合适的转换器，用于验证由应力分析所计算的应力。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，将所述转换器沿所述轨道车的横向方向或纵向方向对称地安装，以便确定所述轮、轮轴或转向架之间的静负载失衡。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，各传感器包括：

用于收集转换器读数的计算元件；

记忆存储元件；

用于传送并且接收数据的无线收发器，

温度探测器，所述温度探测器用于测量所述转换器的安装位置处的温度；

用于指示所述轨道车的运动状态的运动探测器；

惯性传感器，所述惯性传感器用于探测所述承梁和所述侧架的静态和动态的平移和旋转运动。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述计算元件用于控制所述转换器的采样，并且用于对所述转换器的读数进行分析。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述记忆存储元件用于存储所述转换器的读数、惯性传感器的读数或运动探测器的读数。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述无线收发器与所述传感器中的一个或更多个传感器通信，所述传感器中的全部传感器与所述接收器通信，使得开通多个通信路径以用于数据传输。

13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述运动探测器用于确定所述轨道车是否处于运动的状态，并且所述运动探测器用于针对静态条件或动态条件来改变对所述转换器的读数的分析。

14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述计算元件用于计算从所述温度探测器采集的读数的采集率。

15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述计算元件用于基于采集率和温度读数来调节所述转换器的读数。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器将同步的转换器数据传输至所述接收器。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接收器包括：

数据控制单元，所述数据控制单元用于从所述传感器中的一个或更多个传感器接收读数；

通信元件，所述通信元件用于将数据传输至远程位置；

计算元件，所述计算元件用于分析从所述传感器中的一个或更多个传感器接收的数据；

探测器，所述探测器用于确定所述轨道车的速度；以及

定位元件，所述定位元件用于确定所述轨道车的位置。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述数据控制单元对所述传感器上的计算元件进行编程以控制所述转换器的采样操作，以及控制数据应该被传输至所述接收器的速率。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述转换器用于测量在轨道和轮的界面处产生的瞬间力。

20.一种用于测量轨道车的负载的系统，所述系统包括：

支撑在轨道轮、两个轮轴以及多个转向架上的轨道车主体，

各转向架包括承梁和两个侧架，

安装至所述承梁或所述侧架的多个应变转换器，所述多个应变转换器用于测量由所述轨道车主体支撑的重量，

与所述转换器关联的一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器用于接收、处理以及传输来自所述转换器的已处理的数据，

用于与所述传感器通信的收发器，并且所述收发器用于传输表示由所述轨道车主体支撑的重量的已处理的数据，

其中，各传感器包括：

用于收集转换器读数的计算元件；

记忆存储元件；以及

用于发送并且接收数据的无线收发器。