CN110225856A - 用于铁路车辆的物流/诊断监测的自供电装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于对车辆特别是货运类型铁路车辆进行物流/诊断监测的自供电装置(1)，其适于应用于在车辆行驶期间旋转的车辆车轴(20)上；所述装置包括用于从所述车轴(20)的所述旋转产生电力的自主发电机，所述自主发电机包括绕组(4)，所述绕组相对于所述车轴(20)的所述旋转固定并且包括导电材料的线匝，并且所述自主发电机包括紧固到所述车轴(20)的将由所述车轴(20)旋转的旋转磁体(5)，所述绕组(4)当置于与所述旋转磁体(5)的界面处时产生电压。

Description

用于铁路车辆的物流/诊断监测的自供电装置
本发明涉及一种用于对车辆特别是货运类型铁路车辆进行物流/诊断监测的自供电装置，该自供电装置优选地为衬套盖类型的。
在铁路领域，运输安全和预防监测是主要的工程挑战之一。
定期检查列车的某些功能参数以检测异常和危险故障是铁路车辆结构监测的基础。
最近几年，人们对监测货车运行状况的兴趣大大增加，文献中的大量出版物和市面上出现的首批专用装置证明了这一点。在该领域运营的公司需要及时了解货车的运行状况，以便能够执行有针对性的维护操作。在没有信息的情况下，货车所有公司执行程序化的维护活动，以防止故障的发生，这些故障在最好的情况下会导致执行牵引服务的铁路公司废弃货车，或者在最坏的情况下则会导致脱轨，给车队和基础设施带来灾难性的后果。在跨越设置的维护干预和随后维护干预的时间间隔内，通常历经许多年，不清楚货车及其子系统的实际状况。
目前，唯一可用的参数信息由沿铁路网安装的设备提供，这些设备相隔数十公里。相反，为了能够预先定位和干预即将发生的故障状态，有必要提供一种连续型的监测及其相关的通信系统，其能够及时警告列车驾驶员和货车所有公司的维护操作员。然后，系统应该能够提供关于信号问题发生的地点和时间的清晰信息。然而，货车上缺少为“车载”型监测系统供电的电力设备，这是目前开发和永久安装这些装置的最大障碍。
由于在现有停车场安装电力设备需要很高的安装成本，因此目前无法实行对货车进行布线的选项。因此，与最新文献一致，本发明建议加入监测系统的开发，即开发一种能量采集器，其能够为系统提供自身供电所需的电源。
已经提出了不同的技术和解决方案用于回收货车上可用的能量：相对于一种技术和解决方案而选择采用另一种技术和解决方案会影响监测装置的能耗、采样频率和必须安装的传感器类型。监测系统必须具备的基本特征是高可靠性，同时无需维护并且装置成本低。
具体地讲，通过警报指出即将发生脱轨，然后本发明可以参考铁路货车的监测系统(车载单元)以获取关于车辆主要行驶参数的在线测量。
在目前的现有解决方案中，主要监测的量是衬套温度，也称为列车货车的“热箱”，其装配在车轮之间的每个车轴的端部。
众所周知，衬套包括装配在浸没于润滑脂中的车轴上的轴承，由于磨损，轴承存在异常加热的风险，这不仅导致对衬套的损坏，而且由此导致车轴断裂从而带来列车脱轨的后果。
已知的列车车轴温度监测装置由温度检测器提供，温度检测器通过称为RTB的装置测量衬套的温度。由于可靠性和连接性的原因，RTB传感器本身并未装配在衬套中，而是紧固在路线旁边的地面上。
所有RTB检测器都通过所谓的测量入口沿铁路两侧布置。当列车经过红外线检测器时，可以在一定距离内测量列车衬套的温度。
然而，这些传感器具有无法有效监测不同类型衬套的常见不便，因为所述不同类型衬套可能具有不同的结构和尺寸。
这些传感器的另一个不便之处在于，它们沿线路的存在并不像毛细血管那样分布广泛，并且出于安全原因，测量失败意味着车队降速直达下一个测量点，从而增加了行驶时间并且因此增加了运输成本。
可以通过例如监测在衬套中测量的加速度以确定用于识别铁路车轴磨损状态的另一个主要参数。事实上，测量的加速度的过大值是货车机械部件异常磨损的指标，这可能导致前面描述的同样的灾难性事件、车轴断裂和随之而来的列车脱轨。
用于铁路货车维护目的的另一个参数与货车行驶的实际里程相关联。事实上，铁路材料的维护是按时间和公里两者执行的。这些数据现在由货车车队的所有者或管理者通过检测GPS数据或装配在车轴上的特殊里程表来收集。这两种行驶距离的测量方法或者不准确，在通过GPS技术进行测量的情况下，由于卫星与装配在货车上的接收器的不完全“固定”所导致的误差，或者由于需要安装光学编码器等用于实际测量，从而执行起来复杂/昂贵/具有侵入性。还必须记住，这些仪器反过来可能存在可靠性和维护需求的问题。至于铁路货物运输的物流方面，必须知道车队的位置，以便优化运输计划。
货车上不具备任何类型的电源，并且在供电和安装在车辆上的传感器的数据传输两方面均未提供任何类型布线；每种类型的布线都会使货车本身的认证无效。
US 6860453B2、JP 2013241134、TW 200823093、EP 1236633和WO 2011117718公开了现有技术的系统和方法。
因此，本发明的目的是通过提供一种用于对车辆特别是货运类型铁路车辆进行物流/诊断监测的自供电装置从而解决上述现有技术的问题，该自供电装置优选地为衬套盖类型，该自供电装置包括例如轴向型的至少一个自主发电机，以保证为一个或多个传感器和/或一个或多个系统供应电力，用于传输在车辆本身上检测到的数据。
此外，本发明的目的是提供一种装置，其允许检测货运列车的衬套的温度并且可以直接安装在车辆上。
本发明的另一个目的是提供一种装置，其允许直接在车辆本身上检测车辆例如货运列车的衬套的加速度。
本发明的另一个目的是提供一种装置，其还允许执行里程表/转速计的功能，以监测车辆行驶的距离及其速度。
此外，本发明的目的是提供一种允许通过地理定位系统检测车辆例如列车的位置的装置。
本发明的另一个目的是提供一种装置，其允许将由温度和加速度传感器收集继而通过短程无线通信系统发送的数据，连同由地理定位系统检测到的位置相关数据一起通过远程通信系统发送到控制站，从而形成双通信网络，即仅涉及车辆的本地网络，以及车辆和控制站之间的全局网络。
此外，本发明的目的是提供一种装置，其允许在衬套盖的内部集成至少一个温度传感器和/或至少一个加速度传感器和/或至少一个无线传输系统和/或至少一个信息移动系统和/或用于为所有上述系统和/或传感器供电的至少一个自主发电机。
本发明的另一个目的是提供一种用于对车辆特别是货运类型铁路车辆进行物流/诊断监测的装置，其允许筛选、分析和传输车辆的特定动态参数。
如将通过下面的描述得出的，利用通过权利要求1所述装置对车辆进行物流/诊断监测的自供电装置获得本发明的上述和其他目的和优点。
本发明的优选实施方案和重要变型是从属权利要求的主题。
所有所附权利要求旨在是本说明书的组成部分。
显而易见的是，在不脱离所附权利要求所示的本发明的范围的情况下，可以对所描述的内容进行许多改变和修改(例如，与形状、尺寸、布置和具有等同功能的部件相关)。
通过参考附图，借助作为非限制性实例提供的本发明的一些优选实施方案将更好地描述本发明，其中：
-图1示出了根据本发明的装置的优选实施方案的透视图；
-图2示出了根据本发明的装置的应用的铁路衬套的剖面图；
-图3是根据本发明的装置的优选实施方案的分解透视图；
-图4示出了表示在正常行驶状况下铁路车辆的垂直加速度(纵坐标)随时间(横坐标)变化的曲线图；并且
-图5示出了表示当发生动态警报状况时的行驶状况下，铁路车辆的垂直加速度(纵坐标)随时间(横坐标)变化的曲线图；
通常，本发明涉及一种自供电装置，用于通过这种装置对车辆特别是货运类型铁路车辆进行物流/诊断监测：为此，下面将仅作为实例描述根据本发明的装置将如何优选地被描述为应用于铁路车辆例如货车，但是完全清楚的是，在不脱离本发明的范围的情况下，相同装置可以应用于任何其他类型的车辆。
因此，根据本发明的装置旨在提供与车辆的监测和信息移动相关的信息和/或服务：在例如货运类型的铁路车辆的特定情况下，根据本发明的装置可以具体地布置成提供与检测这种车辆即将发生脱轨有关的信息和/或信号和/或警报。
在本发明中提出的解决方案可以总体上并且如下文将更详细描述的那样，涉及一种具有轴向磁通量发电机的类型的旋转采集器，其允许在内部旋转的盖子的紧固螺钉的头部中容易地安装永磁体。在这种情况下，安装的磁体不会对铁路车轴的安全性造成侵害。它们在不改变机械特征的情况下更容易安装。用于具有径向磁通量的发电机的其他提出的设备需要安装与铁路车轴成一体的旋转元件，这可能导致对衬套轴承组件进行局部修改。相反，本发明中提出的磁体的存在保持衬套轴承组件的类型不变，无论如何保证磁通量的存在。
此外，可能的径向安装可能不太安全且成本更高。
因此，参考附图，可以注意到，装置(1)适于应用于车辆的至少一个车轴(20)，例如应用于铁路车辆的车轴的铁路衬套的衬套本体(12)，这种车轴(20)在这种车辆行驶期间例如围绕旋转轴(R-R)旋转，并且有利地，根据本发明的这种装置(1)包括优选地为轴向型的至少一个自主发电机，其适于从车轴(20)的旋转产生电力，这种电力用于向当前布置在装置(1)本身上的一个或多个传感器和/或系统供电；另外，如下面可以更详细地看到的，通过在这种车轴(20)旋转后适当调节发电机产生的信号，自主发电机还适于执行里程表/转速计的功能。
优选地，并且在本发明的范围内，这种传感器和系统可以主要旨在检测行驶参数诸如行驶的距离和速度，并且检测铁路衬套的温度和加速度状况，以及通过信息移动系统发送传感器检测到的数据和车辆位置两者。如下所述，在装置(1)中测量的数据的整个传输优选地由用于无线传输的系统管理，该技术可以允许也在车辆上管理货车和货车之间和/或货车和火车头之间的采样参数的传送，从而在本地管理通过实时监测获得的可能的警报。
在这种情况下，根据本发明的装置(1)将与铁路车轴的振动机械分离，因为提供转动的磁通量将是完全轴向的。这样，在铁路衬套中非常高的可能振动不代表对发电机的强烈潜在损坏源头。有利地，如下面将更详细地看出的，根据本发明的装置(1)的自主发电机能够通过不机械连接到车辆牵引系统，并且特别地不机械连接到这种车辆的车轴(20)产生电力。通过总是在这种车轴(20)的旋转之后适当调节由发电机产生的信号，根据本发明的装置(1)的自主发电机还可以适于执行里程表/转速计的功能。为此，自主发电机包括相对于车轴(20)优选地至少相对于旋转轴(R-R)的旋转固定的至少一个绕组(4)，这种绕组(4)包括至少一匝导电材料，并且该自主发电机包括紧固到这种车轴(20)的至少一个磁体(5)，所述车轴例如将围绕车轴(20)的旋转轴(R-R)旋转，这种绕组(4)适于当置于与至少一个旋转磁体(5)的界面处时产生电压。
特别参考图2，可以注意到在截面中看到的铁路衬套的实例，其中可以明显地看到衬套本体(12)、轴承(11)、轴承止动件(7)和止动件(7)的紧固螺钉(6)：特别参考图3，可以注意到，优选地，旋转磁体(5)被置于衬套的轴承止动件(7)的紧固螺钉(6)的至少一个头部上。当车辆前进时，衬套的轴承止动件(7)的与车轴(20)成一体的紧固螺钉(6)例如围绕旋转轴(R-R)旋转。由于绕组(4)相对于在头部上具有一个或多个磁体(5)的螺钉(6)处于固定位置，产生旋转磁通量，并且由于置于至少一个螺钉(6)上的至少一个这样的磁体(5)和绕组(4)本身之间的相对运动，该旋转磁通量随时间变化：旋转磁通量的这种变化在绕组(4)端子处产生电势差，从而产生交变电力。
显然，根据本发明的装置(1)还可包括合适的构件，用于管理和蓄积在绕组上产生的电力并且用于读取上述交变电力以执行里程表/转速计的功能。通过测量所产生的电压的频率，根据存在的磁体并根据车辆(4)车轮调整该属性从而执行该功能。
出于本发明的目的，以及根据本发明的装置(1)旨在实现的优选功能，后者可以进一步包括：
-至少一个温度传感器(2)；和/或
-至少一个加速度传感器(9)；和/或
-至少一个无线传输系统，特别地用于在衬套盖之间和/或衬套盖和机车之间传输数据，以便及时管理警报；和/或
-至少电子构件，其适于测量所产生的电力的频率，以执行里程表/转速计的功能；和/或
-至少一个信息移动系统(10)，其包括至少一个地理定位系统和/或至少一个远程通信系统和/或至少一个无线通信系统，用于与各种测量传感器/系统交换数据，并且特别地用于从一个或多个这种衬套盖(3)接收数据；该系统和/或传感器和/或构件由至少一个自主发电机通过内插用于管理和蓄积电力的构件供电，后者包括例如用于管理产生的电力的至少一个电路以及至少一个备用电池，优选地每个这种传感器和/或这种无线系统和/或信息移动和/或使用的构件由专用于其的特定电路供电。
优选地，根据本发明的装置(1)包括至少一个衬套盖(3)，用于容纳上述发电机的固定绕组(4)和上述传感器和/或系统，并且例如通过内插周边凸缘(13)和相关的螺钉/螺栓(未示出)将装置(1)本身紧固到衬套本体(12)。
显然，装置(1)可以由合适的材料制成，诸如用于在旋转轴的相对面上安装绕组和温度传感器。另一方面，为了使它们隔热，将以更受保护的方式安装电子蓄积装置、信号处理装置、加速度传感器和无线传输装置。
显然，衬套盖(3)元件的至少一部分可以由合适的材料制成，以保证天线保护和信号传输。
优选地，无线传输系统包括ZigBee类型或类似类型的短程RF传输系统，用于将由上述传感器检测的数据传输至连接到信息移动系统和/或机车的协调器，以便及时管理来自各种传感器的警报：具体地讲，信息移动系统的地理定位系统是GPS类型，而信息移动系统的远程通信系统是具有GSM/GPRS传输的类型，用于将从无线传输系统接收的数据中继到合适的远程接收系统(未示出)。
优选地，温度传感器(2)包括至少一个Microchip MCP9803型或类似型号的MEMS传感器，其具有-55℃至+125℃的温度范围和2.7V至5.5V的供电电压。因此，传感器(2)连接到Texas Instrument cc2530型或类似型号的微处理器，其允许通过无线传输系统对传感器(2)测量的数据进行采样和传输。
优选地，加速度传感器(9)是包括Analog Device ADXL345型或类似型号的MEMS传感器的三轴加速度计，其在三个轴上具有等于±16g的加速度测量范围以及从2V到3.6V的供电电压。传感器(9)连接到Texas Instrument cc2530型或类似型号的微处理器，其允许总是通过无线传输系统对传感器(9)测量的数据进行采样和传输。
优选地，里程表/转速计功能通过Microchip PIC12F1612-I/P型微控制器的帮助获得，该微控制器能够对发电机绕组产生的电压进行频率采样，并且能够根据存在的磁体数量和/或车辆的车轮半径对其进行适当的调整。
本发明可以应用于针对车辆特别是货运类型铁路车辆的物流/诊断监测的过程，优选地通过类似于先前描述的用于检测即将发生的车辆脱轨的装置的至少一个装置(1)实施。
在监测车辆的加速度计信号的过程中，为了确定临界现象的发生，必须处理大量数据和信息。
允许区分临界振动现象发生的存在与否的第一参数是采样频率。为了评估铁路车辆的行驶动态特性的临界振动现象，采样频率必须至少为数百赫兹，直到至少1千赫兹。
安装在衬套上的数据分析装置(CPU)没有可用于保存数据的大型存储器，但是其可以处理“几乎实时”检测到的模拟信号，以确定可能出现的临界方面，然后当超过阈值和警报时，仅发送一些主要数字形式的信息。
尽管使用文献中已知的用于处理和分析信号的技术，这些技术允许评估车辆或车辆部件的动态行为的平均参数，但是在铁路工程的现有技术水平下，不具备有效的算法或装置(其可以安装在货运列车上)用于动态确定即将发生的脱轨并且用于同时检测车轴/衬套部件上严重损坏的发生。
事实上，尚不清楚如何利用自供电紧凑型装置并通过数字警报识别即将发生的脱轨现象或车轮振动现象。
事实上，铁路动态特性的这种临界现象具有较高垂直加速度。由于车辆和路线不规则性的正常动态特性，货运车辆在衬套中的垂直加速度在正常列车行驶期间无论如何都会受到无法忽略的平均值的影响。此外，局部路线上不规则性诸如交换的存在产生非常高的加速度峰值。将数据压缩基于加速度峰值分析(如文献中所建议的)与预先建立的阈值进行比较，当存在图线不连续或不规则时，可检测到大量假阳性警报，这些不连续或不规则本身并不会导致临界情况。
相反，基于振动信号分析以及基于平均值分析或RMS分析进行数据压缩需要将平均值与阈值进行比较，阈值必须根据路线类型和路线平均不规则度的知识进行校准，这需要较长的校准时间或实时进行比较，其中阈值的数据基础还深受车辆类型的动态特性的影响。
本发明的构思是通过移动平均值计算均方根/波峰因数，以便获得简单的动态警报参数，该参数可以指出车轴临界点的出现。早期脱轨现象导致产生RMS阈值比率值，其以突然方式趋向于1，并且具有大于正常行驶值的数量级。而车轮的振动或车轴的机械部件的临界点导致产生RMS/波峰因数比率，其具有大于行驶噪声值的重复且连续的值。
具体地讲，这种过程包括以下步骤：
a)在三个正交方向上以高频(高达1千赫兹)采样加速度计信号，所述加速度计信号例如由至少一个加速度传感器(9)检测；
b)在步骤a)中采样的加速度计信号的时基上提取片段；
c)计算步骤b)中获得的片段的加速度信号的均方根RMS值；
d)计算波峰因数(计算为步骤b)的片段中的最大加速度值和RMS值之间的比率)；
e)例如通过远程通信系统传输关于每个片段的最大和最小加速度和RMS值的数据；并且
f)将步骤e)中传输的值与脱轨的预设阈值进行比较。
因此，通过对振动数据进行分析，上述过程允许通过警报识别特别涉及即将发生的车辆脱轨的主要动态参数。
当管理用根据本发明的装置(1)测量的物理量时，对采样数据进行合适的分析和比较还允许具有更佳的能量/计算效率的“精益数据管理”。
具体地讲，这种过程允许通过利用前述装置(1)执行的简单算法实现，以允许评估三个轴上加速度的波峰因数和RMS值，从而确定车辆的不同临界动态行为并且提供后续警报。
事实上，特别是在图4和图5的曲线图中可以注意到，波峰因数和RMS值之间的偏移可以有利地用于评估灾难性事件诸如脱轨的发生。
例如，如图4的曲线图中特别示出的，在铁路车辆行驶状况下，交换SC上的通道具有高波峰因数值(hi)和RMS值(RMS 1)，该RMS值保持在路线的正常平均值内，例如低于脱轨的预设阈值SD；这两个值之间的比率远低于1。
而在图5的曲线图中特别示出的，脱轨状况相反地具有峰值因数值(h2)和RMS值(RMS 2)，其具有彼此非常接近的值，从而确定接近于1的比率。因此，RMS/h比率表示用作警告和/或危险状况的判别的指数。另一个非常合理的问题是可以基于这种数据的处理从算法确定的振动。

Claims (8)

1.一种用于对货运类型铁路车辆进行物流/诊断监测的自供电装置(1)，其适于通过铁路衬套应用于所述车辆的至少一个车轴(20)，所述车轴(20)在所述车辆行驶期间旋转，所述装置(1)包括适于从所述车轴(20)的旋转产生电力的至少一个自主发电机，所述电力用于向当前布置在所述装置(1)上的一个或多个传感器和/或系统供电，所述自主发电机包括相对于所述车轴(20)的所述旋转固定的至少一个绕组(4)，所述绕组(4)包括至少一匝导电材料，并且所述自主发电机包括紧固到所述车轴(20)的将由所述车轴(20)旋转的至少一个旋转磁体(5)，所述绕组(4)适于当置于与至少一个旋转磁体(5)的界面处时产生电压，所述铁路衬套包括衬套本体(12)、轴承(11)、轴承止动件(7)和将所述止动件(7)紧固到所述车轴(20)的紧固螺钉(6)，其特征在于所述旋转磁体(5)被置于所述衬套的所述轴承止动件(7)的所述紧固螺钉(6)中的一者的至少一个头部上。
2.根据前述权利要求所述的装置(1)，其特征在于所述自主发电机是轴向型的。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于其包括至少一个衬套盖(3)，用于容纳所述发电机的这种固定绕组(4)和所述传感器和/或系统并且用于将所述装置(1)紧固到所述车轴(20)的所述衬套本体(12)。
4.根据前述权利要求所述的装置(1)，其特征在于所述自主发电机适于通过在所述车轴(20)的所述旋转之后调节由所述发电机产生的信号以执行里程表/转速计的功能。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于其包括用于管理和蓄积在所述绕组(4)上产生的所述电力的构件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于其包括：
-至少一个温度传感器(2)；和/或
-至少一个加速度传感器(9)；和/或
-至少一个无线传输系统；和/或
-至少电子构件，其适于测量所产生的所述电力的频率，以执行所述里程表/转速计功能；和/或
-至少一个信息移动系统(10)，其包括至少一个地理定位系统和/或至少一个远程通信系统和/或至少一个无线通信系统，用于从所述衬套盖(3)的一个或多个接收数据，所述系统和/或传感器和/或构件由至少一个自主发电机通过内插用于管理和蓄积所述电力的所述构件供电。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，其特征在于用于管理和蓄积所述电力的所述构件包括用于管理所述产生的电力的至少一个电路和至少一个备用电池。
8.根据权利要求6或7所述的装置(1)，其特征在于每一个所述传感器和/或所述无线系统和/或所述信息移动系统和/或所述构件由专用于其的特定电路供电。
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