CN106573614B - 在构件工作期间的应力监控 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定在构件工作期间构件的工作应力的方法，具有如下方法步骤：a)为至少n个彼此不同的、预设的工作模式，检测在构件工作期间关于预设的测量变量的测量值，其中n≥2，所述测量变量不等于构件的要确定的工作应力；b)为n个工作模式中的每个工作模式，以与测量值的预设的关联关系确定m个有效运算数W₁至W_m，其中m≥2且m≤n；c)为n个工作模式中的每个工作模式，检测在构件工作之后工作应力的测量值；d)列出并且求解具有n个方程的方程组，使得得到m个加权系数a₁至a_m，借助于所述m个加权系数对m个有效运算数W₁至W_m进行加权，其中用于每个工作模式的加权的有效运算数的总和等于工作应力的为相应的工作模式检测到的测量值；e)提供用于借助于所获得的加权系数确定在构件工作期间的工作应力的计算规则。

Description

在构件工作期间的应力监控

技术领域

本发明涉及一种用于确定在构件工作期间构件的工作应力的方法和一种用于执行所述方法的轨道车辆。

背景技术

对于许多构件、尤其对于交通工具的构件而言，直接检测工作应力是不可行的。工作应力的间接估算还由于复杂的、通常非线性的影响系数而变得困难。对于这种构件，在周期性检查中检测工作应力。

因此，例如在以规定的、定期的维护间隔进行维护工作期间对轨道车辆的制动盘和制动衬块或制动衬片进行检测。在特殊的事件之后、例如从高速中进行紧急制动之后能够执行另外的检测，因为可能需要目视检验以检查制动器的裂纹或变形。另一方面，在受压小的制动器的情况下可以放弃制动器的定期检查或者相应地调整维护间隔。

发明内容

本发明基于的目的是，提出一种用于检测在构件工作期间构件的工作应力的方法。

所述目的通过本发明的主题来实现。本发明的改进方案和设计方案在如下描述中得到。

根据本发明的用于确定在构件工作期间构件的、尤其交通工具构件的工作应力的方法包括如下方法步骤：

a.为至少n个不同的、预设的工作模式检测在构件工作期间关于预设的测量变量的测量值，其中适用：n≥2，其中预设的测量变量不等于构件的要确定的工作应力；

b.为n个预设的工作模式中的每个工作模式，以与测量值的预设的关联关系确定m个有效运算数W₁至W_m，其中适用：2≤m≤n；

c.为n个预设的工作模式中的每个工作模式，分别检测在构件工作之后的工作应力的测量值，其中适用：n≥2；

d.列出并且求解具有n个方程的方程组，使得得到m个加权系数a₁至a_m，借助于这m个加权系数对n个有效运算数W₁至W_m进行加权，其中n个工作模式中的每个工作模式的加权的有效运算数的总和等于工作应力的为相应的工作模式检测到的测量值，其中适用：n≥m≥2；

e.提供用于借助所获得的加权系数确定在构件工作期间的工作应力的计算规则；m和n是自然数。

具体实施方式

尤其在调整阶段期间执行方法步骤a，而相反在工作阶段期间提供根据方法步骤e的用于确定在构件工作期间构件的工作应力的计算规则。也就是说，在调整阶段期间为至少n个不同的工作模式检测在构件工作期间预设的测量变量的测量值。提供计算规则，以便在随后的工作阶段期间确定工作应力，而不直接和立即地、尤其通过测量检测所述工作应力。

构件尤其是交通工具的、尤其轨道车辆的构件。交通工具用于运输人员和/或货物。除了陆上交通工具以外，也涉及水上交通工具、航空和航天交通工具以及包括其混合形式。

构件的工作应力包括构件的磨损。如果磨损被确定为工作应力，那么该构件也能够称作磨损件。本体的连续的质量损耗、尤其在其表面上的质量损耗称作磨损，所述质量损耗通常由于机械的原因引起。磨损偶尔也称作耗损。磨损是构件损坏和与其相关联的机器和设备失效的主要原因中的一个。磨损件是可替换的构件，其在常规使用中承受一定的磨损。

构件的工作应力原则上是可测量的。然而通常不可在构件工作期间测量。因此，工作应力通过测量变量给出。

在方法步骤a中，检测测量变量的测量值，其直接地或间接地影响工作应力。测量变量用于描绘影响系数或耗损系数。所述影响系数直接或间接影响工作应力，但不等于工作应力。然而，为了借助于影响变量的测量值来确定、尤其为了间接地估算工作应力，必要时需要不同的数学运算，所述影响变量由测量变量给出。

首先，预设各个有效运算数以表征工作应力。有效运算数不必直接是测量的对象——所述有效运算数不强制性是测量变量。所述有效运算数也能够经由物理已知的或固定的数学关系从测量变量中确定，适用所述测量变量的直接测量。有效运算数根据预设的计算规则从至少一个影响系数中确定。因此，有效运算数与所提到的测量值相关并且经由预设的计算规则或数学公式确定。

因此，借助于预设的函数和根据本发明的一个改进方案借助于预设的数学运算确定有效运算数，其中关于预设的测量变量在方法步骤a中检测到的测量值用作为数学运算的运算数。其他运算数必要时能够采用恒定值，尤其与相应的工作模式相关地预设所述恒定值。改进地，仅常数和在方法步骤a中检测到的测量值用作为用于确定有效运算数的运算数。

如果构件例如是轨道车辆的制动器的、尤其液压的或压缩气体运行的制动器的制动盘、制动衬块或制动衬片，那么连续地或离散地以预设的测量频率测量轨道车辆的瞬时速度和/或轨道车辆的制动器的制动缸中的制动压力和/或制动距离和/或制动时间，进而借助于相应适当的感测器检测关于这些测量变量的测量值。第一有效运算数于是例如能够通过如下方式确定：形成制动压力的测量值的平方在制动距离上的积分。对于第二有效运算数而言，能够将轨道车辆的瞬时速度和制动压力的乘积在制动距离上进行积分。第三有效运算数能够从制动压力在制动距离上的积分中得出。在m＝3个有效运算数时，必须预设至少n＝3个彼此不同的工作模式，为所述工作模式检测关于预设的测量变量的测量值并且为所述工作模式检测工作应力。第一工作模式于是例如包括在行驶接近停靠站时从预设的速度中进行正常制动。而第二工作模式能够包括从高速中进行紧急或快速制动。第三工作模式于是例如包括从低速中进行紧急制动或快速制动，如当人员在轨道车辆停车之前不久到达停靠站的站台上时，例如能够出现所述紧急制动或快速制动。

但是也能够仅细微地区分工作模式。因此，能够在预设的时间间隔或预设的距离内，例如从地点B至另一地点C，在构件常规工作时确定第一工作模式的测量值，所述常规工作具有多个适度制动和少数快速制动。在构件常规工作时从地点C至地点B的反向的路径能够用作为第二工作模式，即使在非常类似的工作条件下也如此。重要的是，构件以彼此分开的且不同的工作模式工作并且检测和随后评估测量值。工作模式也能够仅通过不同的环境条件彼此区分，只要也在测量值检测环境条件并且将所述环境条件用于确定有效运算数。因此，例如能够考虑气候条件的影响。作为测量值于是例如检测温度或空气湿度。有效运算数如上文所述以与测量值预设的、尤其固定的关联关系来确定，所述测量值在预设的时间内、例如在构件以相应的工作模式常规工作所经过的持续时间内检测到。根据一个设计方案实例，仅借助于所检测到的测量值和常数以及数学运算来确定有效运算数。

随后，为了在方法步骤d中列出方程组，用加权系数对有效运算数加权，其中每个有效运算数与加权系数相乘。因此，加权系数的数量等于有效运算数的数量。这对于每个工作模式单独地实现。于是对于每个工作模式，将加权的有效运算数的总和与为相应的工作模式检测到的用于工作应力的测量值设为相等。因此，在n个工作模式的情况下得到n个方程。

如果用z表示为每个工作模式分别直接检测到的工作应力，那么所述方程组能够如下表示：

a₁*W₁₁+a₂*W₁₂+...+a_n*W_1m＝z₁

a₁*W₂₁+a₂*W₂₂+...+a_n*W_2m＝z₂

a₁*W_n1+a₂*W_n2+...+a_n*W_nm＝z_n

随后，对方程组求解并且得到用于加权系数a₁至a_m的值。在对方程组求解时，肯定能够出现一个加权系数变为零的情况。通常，加权系数a₁至a_m采用实数集合中的值，例如正有理数的集合中的值。

改进地，借助于等价变换对方法步骤d中的方程组进行求解。所述等价变换被视为是广泛已知的。

不仅用于确定工作应力的计算规则，而且用于有效运算数的计算规则以及加权系数的确定的值都存储在存储器中，以便将其提供用于在工作阶段期间的后续的评估。

根据本发明的另一改进方案，在方法步骤e之后跟随有如下方法步骤：

f.检测在构件工作期间关于预设的测量变量的测量值，所述测量变量不等于构件的要确定的工作应力；

g.以与测量值的预设的关联关系确定有效运算数W₁至W_m；

h.借助于所提供的计算规则利用所获得的加权系数确定在构件工作期间构件的工作应力。

在工作阶段期间执行方法步骤f，所述工作阶段跟随调整阶段。方法步骤a和f中的预设的测量变量是相同的。

能够借助于一个或多个相同的构件执行调整阶段，而在工作阶段中使用其他与调整阶段的构件相同的构件。因此，包括加权系数的所确定的计算规则不仅适用于单个的构件，而且适用于由相同构件组成的组中的所有构件。因此，在方法步骤f之前能够将所述构件用相同构件的共同的组中的构件替换。在上文提到的实例中，在调整阶段中，例如借助于第一制动衬片执行方法步骤a至e。随后，将第一制动衬片由与第一制动衬片不同的、然而出自相同地构成的制动衬片的共同的组中的第二制动衬片替换，借助于所述第二制动衬片执行方法步骤f至h。

根据改进方案，在方法步骤h中，能够输出所确定的在构件工作期间构件的工作应力。例如，能够为交通工具驾驶员显示所述工作应力或者将所述工作应力传送给中央控制中心并且在那显示以用于进一步的处理和评估。所确定的工作应力的输出也能够与所确定的工作应力相关地进行。如果所述工作应力超过预设的阈值，那么显示所述工作应力和/或必要时发出警报信号。在阈值之下则不输出所确定的工作应力和/或必要时的警报信号。在构件工作期间在工作阶段期间能够连续地或离散地以预设的时间间隔确定工作应力。所述确定也能够与预设的事件相关地进行，例如在从高速中进行紧急制动之后进行确定。

根据本发明的一个实施方式，在方法步骤a中，在构件工作期间能够检测关于k个预设的测量变量的测量值，其中k是大于或大于等于m的自然数，进而适用：k≥m。替选地，也能够从较小数量的测量变量中形成较大数量的有效运算数。那么将适用k≤m。

用于执行根据本发明的方法的根据本发明的轨道车辆包括：至少一个用于检测关于预设的测量变量的测量值的感测器、至少一个用于接收和输出加权系数的存储器和至少一个用于在构件工作期间借助于提供的计算规则确定工作应力的评估单元、尤其微控制器。至少一个感测器适合于检测关于预设的测量变量的测量值并且相应地构成。

此外，本发明提出一种用于执行根据本发明的方法的计算机程序产品。计算机程序产品包括软件编码，所述软件编码适当地构成为，当其在适当的、尤其根据本发明的轨道车辆所具有的数据处理设备上执行时，执行根据本发明的方法。此外，本发明所基于的目的通过计算机可读的数据载体实现，在所述数据载体上存储有根据本发明的计算机程序产品。在此，轨道车辆同样能够包括计算机可读的数据载体，尤其用于接收和输出交通工具的加权系数的存储器包括所述数据载体。

本发明允许大量的实施方式。所述实施方式将根据下面的实例详细阐述，然而不应视为局限于此。

轨道车辆的制造商制造一队结构相同的轨道车辆中的第一轨道车辆。所述第一轨道车辆包括压缩气体运行的制动设备。在其制成之后，所述第一轨道车辆在试验路段上进行不同的行驶试验。

在此，所述第一轨道车辆以不同的工作模式工作。在调整阶段中，为了确定制动衬片的工作应力，首先为每个工作模式检测关于预设的测量变量的测量值。在此，测量变量不等于制动衬片的要确定的工作应力。在此，作为制动衬片的工作应力，在预设的工作模式中，在轨道车辆每次工作之后检测制动衬片的厚度的减少。用于工作应力的其他的实例能够是制动盘的耗损或裂纹深度，然而也能够是制动盘的瞬时工作温度。而作为在工作期间的测量变量，例如预设瞬时的交通工具速度、制动距离或时间以及在制动缸中的瞬时压力。

首先，交通工具在调整阶段期间因此以预设的第一工作模式工作，在工作期间检测关于预设的影响系数的测量值，并且在工作之后测量工作应力。随后，交通工具在调整阶段期间以另一与第一工作模式不同的、预设的第二工作模式工作，在工作期间检测关于预设的影响系数的测量值并且在工作之后测量工作应力。

在交通工具以三个不同的工作模式工作之后，现在存在三个测量值用于减小制动衬片的厚度，以及对于每个工作模式存在关于瞬时交通工具速度v和关于瞬时制动缸压力p的多个测量值。在此，瞬时交通工具速度v和瞬时制动缸压力p是制动距离s的函数(p＝p(s)且p＝p(s))或者是时间t的函数(p＝p(t)且p＝p(t))。

同样，在此情况下，对于三个工作模式中的每个工作模式以与关于瞬时交通工具速度v的和关于瞬时制动缸压力p的测量值的预设的关联关系确定最多三个有效运算数。在此得到如下方程的运算数：

现在，对于每个工作模式能够列出用于计算工作应力的方程。为此，对于三个工作模式中的每个工作模式，借助于加权系数a₁至a₃对相应的有效运算数W₁至W₃加权，使得制动衬片的厚度的对于每个工作模式分别直接检测到的减小等于加权的有效运算数的总和。制动衬片的厚度的减小在下文中用z表示。因此，通常对于每个工作模式应适用：

z＝a₁*W₁+a₂*W₂+a₂*W₂。

如上文已经详述的，在n个工作模式中通常相应地得出方程组：

a₁*W₁₁+a₂*W₁₂+...+a_n*W_1m＝z₁

a₁*W₂₁+a₂*W₂₂+...+a_n*W_2m＝z₂

a₁*W_n1+a₂*W_n2+...+a_n*W_nm＝z_n

并且在此情况下：

在此，在指数方面也考虑三个不同的工作模式。在此，第一工作模式设有具有预设的小的晃动和从平均的预设速度直至静止的预设的平均制动加速度的制动。所述制动需要制动距离s₁。所述制动引起制动盘的厚度的减小z₁。在此，第二工作模式设有具有预设的大的晃动和从高的预设的速度直至静止的预设的大的制动加速度的制动。所述制动需要制动距离s₂并且引起制动盘的厚度的减小z₂。而第三工作模式在此设有具有预设的大的晃动和从低的预设的速度直至静止的预设的大的制动加速度的制动，所述制动需要制动距离s₃并且引起制动盘的厚度的减小z₃。在第一工作模式的制动的情况下，瞬时速度用v₁表示。在第一工作模式的制动的情况下，在制动缸中的瞬时压力用p₁表示。类似地，在第二和第三工作模式的制动的情况下瞬时速度以及瞬时制动压力用v₂以及v₃和p₂以及p₃表示。

然而，工作模式也能够包括多个相同的制动。交通工具于是多次地加速至预设的速度并且以预设的方式和方法制动。之后，才测量工作应力、在此即为制动衬片的厚度的减小。优点是更高的说服力。如果x是每个工作模式的依次执行的制动的数量，其中x是大于一的自然数，那么——在不进一步调整指数的情况下——方程组的方程如下所示：

为了确定加权系数，现在对上面列出的方程组求解，使得得到加权系数a₁至a₃的值。

随后，将加权系数的值以及提到的计算规则存储在制造商的一队结构相同的轨道车辆中的每个轨道车辆的计算机可读的数据载体中。在将轨道车辆交付给顾客之后，所述轨道车辆被投入运行。轨道车辆的工作阶段包括在顾客的正常工作中的现在跟随的行驶，所述行驶包含制动器的常规的工作。

轨道车辆分别配设有彼此不同的、然而结构上相同的制动器。尽管如此，能够借助于所存储的数据和借助于在工作期间在工作阶段中检测到的关于预设的测量变量的测量值来确定工作应力。将制动衬片用结构相同的制动衬片替换也是不重要的。

在交通工具中的一个交通工具的跟随调整阶段的工作阶段中，首先在构件工作期间检测关于预设的测量变量的测量值，所述测量变量不等于构件的要确定的工作应力。随后，以与测量值的预设的关联关系确定有效运算数W₁至W_m，以及借助于所提供的计算规则利用所获得的加权系数确定在构件工作期间构件的工作应力。为此，从存储器或计算机可读的数据载体中读取计算规则和加权系数以用于进一步处理，并且将其在评估单元中处理。

本发明的优点尤其是，通过根据本发明的方法能够在工作阶段中间接地估算在构件工作期间构件的工作应力，而不用直接检测所述工作应力，尤其当在工作中不能测量工作应力的情况下，即在不能直接检测工作应力的情况下如此。在构件工作期间测量耗损系数或影响系数作为预设的测量变量对此是足够的。工作应力的模型以此为基础。因此，在构件工作期间在所述工作阶段中，根据本发明的方法不包括直接检测工作应力。所述模型描绘各个有效运算数对在不同的工作模式中的工作应力的影响。为了确定参数，在调整阶段仅至少两个不同的工作模式工作，并且将关于预设的测量变量的测量值标明并且根据模型评估。所述模型在数学方面通过预设的计算规则描述。这能够通过将调整阶段和工作阶段分开实现。在调整阶段中，创建和存储所述模型，在工作阶段中使用所述模型。

在超过工作应力的预设的极限值时，能够输出信号、例如警报，进而及时地在构件可能发生故障之前进行警告。代替输出信号，也能够将所确定的工作应力进一步处理，例如用于计划检查或甚至用于调整检查间隔。此外，对构件的仍然期望的使用寿命的估算是可行的，并且在构件寿命期间在一定程度上持续的应力检验是可行的。

通过经验确定计算规则的加权系数，也能够考虑环境条件的影响、例如气候的影响。因为构件能够在不同的环境条件下常规地工作，所以也能够检测关于外部条件的测量值，例如关于构件的环境的空气温度或空气湿度的测量值，以及也能够相应地与所检测到的关于环境条件的测量值相关地确定有效运算数。

所确定的计算规则具有对于在结构相同的交通工具中的结构相同的构件组中的构件的适用性并且能够扩展到同类的交通工具。因此，仅需要一个调整阶段。这尤其在工作应力只能非常耗费地被检测到时是有利的。在该调整阶段期间该构件在不同的工作模式中工作本身也不必对相同的构件执行，而是仅使用结构相同的构件组中的一个构件执行，工作阶段中的构件那么也来自所述组。

借助于根据本发明的方法也能够确定构件的最优的工作模式。为此，方法包括相应的、跟随方法步骤e的方法步骤。

因此，也能够容易地确定不同的制造商的构件的不同的工作应力。

由于也仅能够细微区分工作模式，例如在路径距离、持续时间或环境条件方面进行区分，在调整阶段期间不必模拟特殊的工作条件，尤其不必执行特定的行驶程序。在通常的检修行驶中监控相应的测量值是足够的。

Claims (10)

1.一种用于确定在构件工作期间所述构件的工作应力的方法，其特征在于具有如下方法步骤：

a.在调整阶段中，为至少n个彼此不同的、预设的工作模式，检测在所述构件工作期间关于预设的测量变量的测量值，其中n≥2，所述测量变量不等于所述构件的要确定的所述工作应力；

b.为n个所述工作模式中的每个工作模式，以与所述测量值的预设的关联关系确定m个有效运算数W₁至W_m，其中m≥2且m≤n；

c.为n个所述工作模式中的每个工作模式，检测在所述构件工作之后所述工作应力的测量值；

d.列出并且求解具有n个方程的方程组，使得得到m个加权系数a₁至a_m，借助于这m个加权系数对m个所述有效运算数W₁至W_m进行加权，其中用于每个所述工作模式的加权的所述有效运算数的总和等于所述工作应力的为相应的所述工作模式检测到的测量值；

e.提供用于在工作阶段中借助于所获得的所述加权系数确定在所述构件工作期间的所述工作应力的计算规则，

其中如果用z表示为每个工作模式分别直接检测到的工作应力，那么所述方程组能够如下表示：

a₁*W₁₁+a₂*W₁₂+...+a_n*W_1m＝z₁

a₁*W₂₁+a₂*W₂₂+...+a_n*W_2m＝z₂

...

a₁*W_n1+a₂*W_n2+...+a_n*W_nm＝z_n。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于具有跟随所述方法步骤e的如下方法步骤：

f.在所述构件的所述工作阶段中，检测在工作期间关于预设的所述测量变量的测量值，所述测量变量不等于所述构件的要确定的所述工作应力；

g.以与所述测量值的预设的关联关系确定所述有效运算数W₁至W_m；

h.借助于所提供的计算规则利用所获得的所述加权系数确定在所述构件工作期间所述构件的所述工作应力。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤f之前将所述构件用由相同构件组成的共同的组中的构件替换。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于等价变换对方法步骤d中的所述方程组求解。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，输出在方法步骤h中在所述构件工作期间所确定的所述构件的所述工作应力。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述构件是轨道车辆的制动衬片。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，预设的所述测量变量是在所述轨道车辆的压缩空气制动器的制动缸中的压力和制动距离和/或时间。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定三个有效运算数，其中从在所述轨道车辆的压缩空气制动器的制动缸中的压力的平方在所述轨道车辆的制动距离上的积分得出第一有效运算数，并且其中从所述轨道车辆的速度和在所述轨道车辆的压缩空气制动器的制动缸中的压力的乘积在所述轨道车辆的制动距离上的积分得出第二有效运算数，并且其中从在所述轨道车辆的压缩空气制动器的制动缸中的压力在所述轨道车辆的制动距离上的积分得出第三有效运算数。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于数学运算确定所述有效运算数，其中所述数学运算仅具有关于预设的所述测量变量的检测到的测量值和预设的常数作为运算数。

10.一种具有至少一个计算机可读的数据载体的轨道车辆，所述数据载体用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。