CN111601739B - 用于确定轨道车辆的轮轴的角速度的系统和相应方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于确定轨道车辆的轮轴(1)的角速度(Vω)的系统，该系统包括：‑变形探测电路(10)，耦接到轨道车辆的轮轴(1)，变形探测电路(10)布置成探测由于由轨道上的轮轴施加的法向载荷的值而引起的轮轴(1)的弯曲变形的值随时间的趋势；‑控制装置，布置成估算作为频率f的函数的轮轴的角速度(Vω)的值，该频率从变形探测电路(10)所探测到的轮轴(1)的弯曲变形的值随时间的趋势推导出。进一步描述了一种用于确定轨道车辆的轮轴(1)的角速度(Vω)的值的方法。

Description

用于确定轨道车辆的轮轴的角速度的系统和相应方法
技术领域
本发明总体上涉及用于监测轨道车辆的轮轴的角速度的系统和传感器的领域；具体地，本发明涉及一种用于确定轨道车辆的轮轴的角速度的系统和相应方法。
背景技术
在通常用于火车上以测量轮轴的角速度ω的已知系统和方法中，存在通常与轮轴整体地设置的至少一个有齿音轮(toothed phonic wheel)，并存在适于探测传感器(速度传感器)前方的音轮齿的通过频率的传感器。
传感器前方的两个连续齿的通过之间的时间间隔可称为“齿周期”(Ttooth)。构成音轮的齿的数量可称为nteeth。
通过使Ttooth和Nteeth相乘，得到音轮的旋转周期，即轮轴和轮的旋转周期。
Twheel＝Tteeth*nteeth
轮的角速度ω通过以下关系从其旋转周期开始计算。
Figure GDA0003653665200000011
不利地，这种系统需要仅用于探测轮轴的角速度目的的专用(特设)部件。这些部件为音轮、传感器、电子元件和采集软件、一系列电线提供对电磁噪声(可能干扰传感器的测量频率的噪声)的屏蔽。这样的部件仅用于探测轮轴的角速度的目的，在成本和安装时间上具有相应缺陷。
此外，现有技术在轨道车辆的轮轴和/或轮上安装一个或多个应变仪(以各种配置，例如，完整的惠斯通电桥、“半桥”或“四分之一桥”)，以从轮轴变形开始估算轮和轨道之间的接触力。
当前，轮-轨道接触力的估算的唯一的主要目的在于监测基础设施和轨道车辆，以及维修和/或修正干预的相对调度(如图4中的框图所示)。
因此，当前的提供在轨道车辆的轮轴和/或轮上安装一个或多个应变仪的已知系统和过程未提供这样的可能性，即，使用借助所述一个或多个应变仪进行的测量来确定轮轴的角速度，并因此确定车辆的平移速度。
发明内容
因此，本发明的目的在于允许在不使用专用附加角速度传感器的情况下测量轮轴的角速度，并因此计算车辆的平移速度。
为了获得该结果，提出了一种用于确定轨道车辆的轮轴的角速度的系统。
该系统包括耦接到轨道车辆的轮轴的变形探测电路。变形探测电路设置成用于探测由于由轨道上的轮轴施加的法向载荷的值而引起的轮轴的弯曲变形的值随时间的趋势。
用于确定角速度值的系统进一步包括控制装置，该控制装置布置成用于估算作为频率的函数的轮轴的角速度，该频率从变形探测电路所探测到的轮轴的弯曲变形的值随时间的趋势推导出。
根据本发明的一个方面，通过具有本发明的特征的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度的系统，并通过具有本发明所限定的特征的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度的方法，实现了上述和其它目的及优点。
附图说明
现在将描述根据本发明的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度的系统和方法的一些优选实施例的功能和结构特征。将参考附图，其中：
-图1示出了轨道车辆的耦接有变形探测电路的轴；
-图2以示例的方式示出了在火车运动期间由经历弯曲变形的变形探测电路所产生的信号；
-图3A以示例的方式示出了其中变形探测电路定位在轮轴的下表面(下部分)上并且载荷力产生伸长变形的情况；
-图3B以示例的方式示出了其中变形探测电路定位在轮轴的上表面(上部分)上并且载荷力产生压缩变形的情况；以及
-图4示出了框图，该框图示出了通常由根据现有技术实施的系统所执行的步骤。
具体实施方式
在详细解释本发明的多个实施例之前，应注意的是，本发明不在应用上限制于下文呈现或附图中示出的部件的构建细节和配置。本发明可采用其它实施例，并能以不同方式实施或实际执行。还应理解的是，措辞和术语用于描述性的目的而并非解释为限制。所使用的“包括”和“包含”及其变型旨在包括其后所引用的元素及其等效物和附加元素及其等效物。
此外，贯穿本公开及在权利要求中，指示位置和取向的术语和表达(诸如“纵向”、“横向”、“竖直”或“水平”)指代火车的行驶方向。
首先参考图1，以示例的方式示出了轨道车辆的轮轴，属于根据本发明的用于确定轨道车辆的角速度的系统的变形探测电路10耦接至该轮轴。
在本发明的第一实施例中，用于确定轨道车辆的轮轴的角速度Vω的系统包括耦接到轨道车辆的轮轴1的变形探测电路10。
变形探测电路10耦接到轨道车辆的轮轴1，并设置成用于探测由于由轨道上的轮轴施加的法向载荷的值而引起的轮轴1的弯曲变形的值随时间的趋势。
用于确定轨道车辆的角速度Vω的系统进一步包括控制装置，控制装置设置成用于估算作为频率f的函数的轮轴的角速度Vω的值，该频率从变形探测电路10所探测到的轮轴1的弯曲变形的值随时间的趋势推导出。
从以下事实开始，具有半径R的两个轮耦接到轮轴1，并且所述控制装置可进一步布置成将轮轴的所述角速度Vω的值根据轮的半径R转变成轨道车辆的切向速度Vtang的值。
用于估算作为从变形探测电路10所探测到的轮轴1的弯曲变形的值随时间的趋势推导出的频率f的函数的轮轴的角速度Vω的公式可以例如是以下公式：
Vω＝2*π*f
用于将轮轴的所述角速度Vω的值转变成切向速度Vtang的值的公式可以例如是以下公式：
Vtang＝Vω*轮的半径
控制装置可布置成例如局部地邻近变形探测电路10或直接位于变形探测电路中。替代地，控制装置可相对于变形探测电路10远程地布置在车辆上的其它控制单元中，或布置在相对于轨道车辆的远程控制站中。因此，控制装置可通过特定线路或经由无线连接而从变形探测电路10接收数据。
控制装置可以(但并非必须地)例如是控制单元、处理器或微控制器。
参考图2，从由变形探测电路10在经受弯曲变形时生成的信号开始，在轨道车辆运动期间，用于确定轨道车辆的轮轴的角速度Vω的系统可能能够估算车辆的切向速度Vtang。
变形探测电路10可包括至少一个应变仪传感器装置和/或至少一个压电传感器装置。
应变仪传感器或压电传感器装置可平行于轮轴1布置。
应变仪传感器装置和/或压电传感器装置还可多于一个，从而提高测量精度。
在车辆静止的情况下，轮轴的弯曲变形与车辆在轮轴本身上的静载荷相关。
参考图3A和图3B，在其中变形探测电路10定位在轮轴1的上表面(上部分)上的情况下，载荷力产生压缩变形。在其中变形探测电路10定位在轮轴的下表面(下部分)上的情况下，载荷力产生伸长变形。
当轨道车辆移动时，轮轴1的旋转将导致与所述轮轴1永久相关联的变形探测电路10从轮轴的上表面(上部分)周期地循环到轮轴的下表面(下部分)。
然后，在轨道车辆行驶期间，来自变形探测电路10的输出信号(可归因于竖直力Fvert)将是这样的正弦类型，其具有等于零的平均值，与车辆轮轴的旋转频率相等的频率f，和与轮轴所经受的弯曲应力成比例的振幅(“颠簸”)。
如图2所示，T是来自变形探测电路10的输出信号的示例性周期。频率f将对应于周期T的倒数。该周期T根据轨道车辆的速度而变化。
表示轮轴1的弯曲变形值的时间趋势的来自变形探测电路10的输出信号的频率f是可用于估算轮轴的角速度Vω的值的频率f。
该信号的精化可用于估算轮轴的角速度Vω，并且因此，在已知轮的半径的情况下估算轨道车辆的切向速度Vtang。
换句话说，控制装置可布置成根据从变形探测电路10所探测到的轮轴1的弯曲变形的值随时间的趋势推导出的频率f和轮半径R来确定轨道车辆的切向速度Vtang。
本发明还涉及一种用于确定轨道车辆的轮轴的角速度Vω的方法，该方法包括以下步骤：
-探测由于由轨道上的轮轴施加的法向载荷的值而引起的轮轴1的弯曲变形的值随时间的趋势；
-估算作为从探测到的轮轴1的弯曲变形的值随时间的趋势推导出的频率f的函数的轮轴的角速度Vω的值。
此外，从轮轴1上耦接有具有半径R的两个轮的假设开始，用于确定轨道车辆的轮轴的角速度Vω的过程可进一步包括以下步骤：
-将轮轴的所述角速度Vω的值转变成轨道车辆的作为轮的半径R的函数的切向速度Vtang的值。
同样关于确定轨道车辆的轮轴的角速度的过程，用于估算作为从变形探测电路10所探测到的轮轴1的弯曲变形的值随时间的趋势推导出的频率f的函数的轮轴的角速度Vω的值的公式和用于将轮轴的所述角速度Vω的值转变成切向速度Vtang的值的公式可以例如是上文对于用于确定轨道车辆的轮轴的角速度的系统所描述的那些公式。
所实现的优点在于，通过使用变形探测电路，允许从轮轴的弯曲变形开始估算轨道车辆的轮轴的角速度。
对于根据本发明的轨道车辆，已经描述了用于确定轨道车辆的轮轴的角速度Vω的系统和用于确定轨道车辆的轮轴的角速度Vω的方法的各种方面和实施例。应当理解的是，每个实施例可与任何其它实施例结合。此外，本发明并非限制于所描述的实施例，而是可在由所附权利要求限定的范围内变化。

Claims (10)

1.一种用于确定轨道车辆的轮轴(1)的角速度(Vω)的系统，所述系统包括：
-变形探测电路(10)，耦接到所述轨道车辆的所述轮轴(1)；所述变形探测电路(10)布置成探测由于由轨道上的所述轮轴施加的法向载荷的值而引起的所述轮轴(1)的弯曲变形的值随时间的趋势；
-控制装置，布置成估算作为频率f的函数的所述轮轴的角速度(Vω)的值，所述频率从所述变形探测电路(10)所探测到的所述轮轴(1)的弯曲变形的值随时间的趋势推导出。
2.根据权利要求1所述的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度(Vω)的系统，其中，具有半径(R)的两个轮耦接到所述轮轴(1)，并且所述控制装置进一步布置成将所述轮轴的所述角速度(Vω)的值根据所述轮的所述半径(R)转变成所述轨道车辆的切向速度(Vtang)的值。
3.根据权利要求1或2所述的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度(Vω)的系统，其中，用于估算作为从所述变形探测电路(10)所探测到的所述轮轴(1)的弯曲变形的值随时间的趋势推导出的所述频率f的函数的所述轮轴的角速度(Vω)的值的公式是：
Vω＝2*π*f。
4.根据权利要求1或2所述的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度(Vω)的系统，其中，用于将所述轮轴的所述角速度(Vω)的值转变成所述轨道车辆的切向速度(Vtang)的值的公式是：
Vtang＝Vω*轮的半径。
5.根据权利要求1或2所述的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度(Vω)的系统，其中，所述变形探测电路(10)包括至少一个应变仪传感器装置。
6.根据权利要求5所述的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度(Vω)的系统，其中，所述应变仪传感器装置布置成平行于所述轮轴(1)。
7.根据权利要求1或2所述的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度(Vω)的系统，其中，所述变形探测电路(10)包括至少一个压电传感器装置。
8.根据权利要求7所述的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度(Vω)的系统，其中，所述压电传感器装置布置成平行于所述轮轴(1)。
9.一种用于确定轨道车辆的轮轴(1)的角速度(Vω)的值的方法，包括以下步骤：
-探测由于由轨道上的所述轮轴施加的法向载荷的值而引起的所述轮轴(1)的弯曲变形的值随时间的趋势；
-估算作为从探测到的所述轮轴(1)的弯曲变形的值随时间的趋势推导出的频率f的函数的所述轮轴的角速度(Vω)的值。
10.根据权利要求9所述的用于确定轨道车辆的轮轴的角速度(Vω)的值的方法，其中，具有半径(R)的两个轮耦接到所述轮轴(1)，并且所述方法进一步包括以下步骤：
-将所述轮轴的所述角速度(Vω)的值转变成作为所述轮的所述半径(R)的函数的切向速度(Vtang)的值。
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