CN113607442A - 运动状态监测系统及机车 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种运动状态监测系统及机车，运动状态监测系统包含采集模块、处理模块以及远程模块；采集模块设置于关键部件，用于采集关键部件的振动数据或者应变数据；处理模块设置于机车，并以无线方式连接于采集模块，用于根据振动数据或者应变数据，计算关键部件的振动信号；远程模块用于接收和存储振动信号和振动数据、应变数据。通过上述设计，本发明能够实现对直驱转向架关键部件的运动状态的数据计算、数据传输和储存，实现直驱转向架关键部件的运动状态的准确、高效的监测。并且，本发明通过处理模块与采集模块采用无线方式连接的设计，能够进一步适于在直驱转向架的复杂结构条件下和旋转运行条件下的监测应用。

Description

运动状态监测系统及机车

技术领域

本发明涉及机车运行监测技术领域，尤其涉及一种运动状态监测系统及机车。

背景技术

大功率永磁直驱客运电力机车属于行业内的一项前沿课题，其采用永磁直驱传动技术的转向架能否满足运用要求，关键部件的运用状态和寿命评估需要通过开展监测及评估研究工作来验证。

然而，目前行业内针对永磁直驱转向架状态监测和关键部件的寿命评估研究工作基本处于空白阶段。并且，有线传感器在机车的直驱转向架的复杂结构条件和旋转运行条件下难以实施，导致对该部件的状态监测和寿命评估存在技术难题。

以轮对为例，现有针对电力机车旋转部件轮对进行的运动状态监测方法为采用测力轮对，即通过对车轮车轴进行加工贴片定位圆和穿线孔，而且还需要保证加工精度要求，做完测试后，由于车轮和车轴进行加工，后续不能继续使用，这就导致试验成本高、试验效率低等缺点。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够实现直驱转向架的关键部件的运动状态的准确、高效监测的运动状态监测系统。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种具有上述的运动状态监测系统的机车。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种运动状态监测系统，其中，用于监测机车的直驱转向架的关键部件的运动状态，所述运动状态监测系统包含采集模块、处理模块以及远程模块；所述采集模块设置于所述关键部件，用于采集所述关键部件的振动数据或者应变数据；所述处理模块设置于所述机车，并以无线方式连接于所述采集模块，用于根据所述振动数据或者所述应变数据，计算所述关键部件的振动信号；所述远程模块用于接收和存储所述振动信号和所述振动数据、所述应变数据。

根据本发明的其中一个实施方式，所述关键部件至少包含轴箱体、联轴器、电机、减振器、电机悬挂臂及电机吊杆；其中，所述运动状态监测系统包含多个采集模块，所述多个采集模块分别设置于所述轴箱体、所述联轴器、所述电机、所述减振器、所述电机悬挂臂及所述电机吊杆。

根据本发明的其中一个实施方式，其中：所述关键部件包含轴箱体，所述采集模块设置于所述轴箱体的轴孔法兰下方的立面上；和/或，所述关键部件包含联轴器，所述联轴器包含传力盘及传动盘，所述采集模块设置于所述传力盘的法兰的立面上和所述传动盘的法兰的立面上；和/或，所述关键部件包含电机，所述电机外壳设置有用于连接电机吊杆的凸台，所述采集模块设置于所述凸台的立面上；和/或，所述关键部件包含减振器，所述采集模块设置于所述减振器的构架端橡胶关节的立面上和车体端橡胶关节的立面上；和/或，所述关键部件包含电机悬挂臂，所述采集模块设置于所述电机悬挂臂的立面上；和/或，所述关键部件包含电机吊杆，所述采集模块设置于所述电机吊杆的杆身的立面上。

根据本发明的其中一个实施方式，所述采集模块通过密封胶固定于所述关键部件。

根据本发明的其中一个实施方式，所述采集模块包含无线振动及应变传感器。

根据本发明的其中一个实施方式，所述处理模块包含主机、通信单元以及电源模块；所述主机用于计算所述振动信号；所述通信单元连接于所述主机，用于所述主机与所述采集模块的无线交互；所述电源模块分别电连接于所述主机和所述通信单元，为其提供电源。

根据本发明的其中一个实施方式，所述处理模块计算所述振动信号所采用的计算方法包含三向振动实时解耦算法。

根据本发明的其中一个实施方式，所述远程模块包含云端平台。

根据本发明的其中一个实施方式，所述远程模块还用于根据所述振动数据或者所述应变数据，计算所述关键部件的振动信息，以使所述运动状态监测系统被配置为在两种工作模式之间切换；其中，一种工作模式下，所述处理模块计算所述振动信息，并发送至所述远程模块，另一种模式下，所述处理模块发送所述振动数据或者所述应变数据至所述远程模块，所述远程模块计算所述振动信息。

根据本发明的另一个方面，提供一种机车，包含直驱转向架，其中，所述机车还包含本发明提出的并在上述实施方式中所述的运动状态监测系统，所述采集模块设置于所述直驱转向架的关键部件。

由上述技术方案可知，本发明提出的运动状态监测系统及机车的优点和积极效果在于：

本发明提出的运动状态监测系统包含采集模块、处理模块以及远程模块。采集模块用于采集关键部件的振动数据或者应变数据。处理模块用于根据振动数据或者应变数据计算关键部件的振动信号。远程模块用于接收和存储振动信号和振动数据、应变数据。通过上述设计，本发明能够实现对直驱转向架关键部件的运动状态的数据计算、数据传输和储存，实现直驱转向架关键部件的运动状态的准确、高效的监测。并且，本发明通过处理模块与采集模块采用无线方式连接的设计，能够进一步适于在直驱转向架的复杂结构条件下和旋转运行条件下的监测应用。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种运动状态监测系统的系统示意图；

图2是图1示出的运动状态监测系统的处理模块的模块示意图；

图3至图10分别是图1示出的运动状态监测系统的采集模块，在直驱转向架的多个关键部件上的布置位置示意图。

附图标记说明如下：

110.采集模块；

120.处理模块；

121.主机；

122.通信单元；

123.电源模块；

130.远程模块；

210.轴箱体；

211.轴孔法兰；

220.传力盘；

221.法兰；

230.传动盘；

231.法兰；

240.电机；

241.凸台；

250.抗蛇形减振器；

251.构架端橡胶关节；

252.车体端橡胶关节；

260.二系横向减振器；

261.构架端橡胶关节；

262.车体端橡胶关节；

270.电机悬挂臂；

280.电机吊杆；

281.主体；

P1～P8.安装位置。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用于限制本发明。

在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

参阅图1，其代表性地示出了本发明提出的运动状态监测系统的系统示意图。在该示例性实施方式中，本发明提出的运动状态监测系统是以应用于电力机车的永磁直驱转向架为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本发明的相关设计应用于其他类型的直驱转向架的运动状态监测中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的运动状态监测系统的原理的范围内。

如图1所示，在本实施方式中，本发明提出的运动状态监测系统能够用于监测机车的直驱转向架的关键部件的运动状态，该运动状态监测系统包含采集模块110、处理模块120以及远程模块130。配合参阅图2至图10，图2中代表性地示出了能够体现本发明原理的运动状态监测系统的处理模块120的模块示意图；图3至图10分别代表性地示出了采集模块110在直驱转向架的多个关键部件上的布置位置示意图。以下将结合上述附图，对本发明提出的运动状态监测系统的各主要模块的布置、连接方式和功能关系进行详细说明。

如图1所示，在本实施方式中，采集模块110设置于关键部件，用于采集关键部件的振动数据或者应变数据。处理模块120设置于机车，并以无线方式连接于采集模块110，用于根据振动数据或者应变数据，计算关键部件的振动信号。远程模块130用于接收和存储振动信号和振动数据、应变数据。通过上述设计，本发明能够实现对直驱转向架关键部件的运动状态的数据计算、数据传输和储存，实现直驱转向架关键部件的运动状态的准确、高效的监测。并且，本发明通过处理模块120与采集模块110采用无线方式连接的设计，能够进一步适于在直驱转向架的复杂结构条件下和旋转运行条件下的监测应用。

具体地，本发明提出的运动状态监测系统，通过在直驱转向架的关键部件上布置采集模块110，开展直驱转向架的运动状态监测，实现振动数据和应变数据的远程传输，对采集的数据进行分析并评估关键部件的寿命，为直驱转向架的结构设计、性能提升提供充分的数据支撑，搭建直驱转向架振动特性实时检测与分析平台。并且，本发明提出的运动状态监测系统采用了小体积、自组网、高同步、低时延的无线传感测试系统，提供了适用于轨道车辆旋转部件运动状态的监测方法，解决了有线传感器在复杂结构条件下不易实施的技术难题。提高了监测试验的效率，降低了试验成本。其中，本发明提出的运动状态监测系统采用无线传输方式的采集模块110，能够实现采集数据的实时传输，且数据稳定性较佳。本发明无需连线，部署简单。本发明采用分布式网络，自组织、可扩展。本发明同时多节点相互协作形成高度统一的网络结构，可以有效提高数据采集的准确度与运行的可靠性。

承上所述，如图1所示，本发明提出的运动状态监测系统经由上述设计，大致形成包含接收层、处理层和远程层的多层形态的监测系统。其中，接受层可以由一个或者多个采集模块110组成，其用于数据的采集。处理层可以由处理模块120组成，其用于根据数据计算监测信号，远程层可以由远程模块130组成，其用于数据和监测信号的接收与存储、信息服务以及设备监控与运维。

在一些实施方式中，处理层亦可将机车的其他状态信息发送至远程层，例如机车速度信息、GPS信息、机车电流、压力等其他监控信息等。具体的，处理模块120可以与机车的状态监控网关相连接，从而获取上述的机车状态信息。

如图3至图10所示，直驱转向架的关键部件至少包含轴箱体210、联轴器、电机240、减振器、电机悬挂臂270及电机吊杆280。在此基础上，运动状态监测系统可以包含多个采集模块110，这些采集模块110可以分别设置于轴箱体210、联轴器、电机240、减振器、电机悬挂臂270及电机吊杆280，分别用于采集轴箱体210的振动数据、联轴器的振动数据、电机240的振动数据、减振器的振动数据、电机悬挂臂270的应变数据及电机吊杆280的应变数据。在一些实施方式中，采集模块110亦可设置在直驱转向架的其他部件上，且对于包含上述关键部件的直驱转向架而言，运动状态监测系统亦可仅在其中部分关键部件上设置采集模块110，可以根据监测需要灵活选择，并不以此为限。

具体地，如图3所示，运动状态监测系统在轴箱体210设置采集模块110时，采集模块110可以设置于轴箱体210的轴孔法兰211下方的立面上。据此，处理模块120能够通过分析轴箱体210的振动数据判定车轮的运动状态。其中，图3示出了采集模块110在轴箱体210上的其中一个安装位置P1。

具体地，如图4所示，运动状态监测系统在联轴器的传力盘220设置采集模块110时，采集模块110可以设置于传力盘220的法兰221的立面上。据此，处理模块120能够通过分析传力盘220的振动数据判定联轴器的运动状态。其中，图4示出了采集模块110在联轴器的传力盘220上的其中一个安装位置P2。

具体地，如图5所示，运动状态监测系统在联轴器的传动盘230设置采集模块110时，采集模块110可以设置于传动盘230的法兰231的立面上。据此，处理模块120能够通过分析传动盘230的振动数据判定联轴器的运动状态。其中，图5示出了采集模块110在联轴器的传动盘230上的其中一个安装位置P3。

具体地，如图6所示，电机240外壳设置有用于连接电机吊杆280的凸台241，在此基础上，运动状态监测系统在电机240设置采集模块110时，采集模块110可以设置于凸台241的立面上。据此，处理模块120能够通过分析电机240的振动数据判定电机240的运动状态。其中，图6示出了采集模块110在电机240上的其中一个安装位置P4。

具体地，如图7所示，运动状态监测系统在抗蛇形减振器250设置采集模块110时，可以在抗蛇形减振器250上设置两个采集模块110，且这两个采集模块110可以分别设置于抗蛇形减振器250的构架端橡胶关节251的立面上和车体端橡胶关节252的立面上。据此，处理模块120能够通过分析抗蛇形减振器250的振动数据判定转向架的运动状态。其中，图7示出了采集模块110在抗蛇形减振器250上的其中一个安装位置P5。

具体地，如图8所示，运动状态监测系统在二系横向减振器260设置采集模块110时，可以在二系横向减振器260上设置两个采集模块110，且这两个采集模块110可以分别设置于二系横向减振器260的构架端橡胶关节261的立面上和车体端橡胶关节262的立面上。据此，处理模块120能够通过分析二系横向减振器260的振动数据判定转向架的运动状态。其中，图8示出了采集模块110在二系横向减振器260上的其中一个安装位置P6。

具体地，如图9所示，运动状态监测系统在电机悬挂臂270设置采集模块110时，采集模块110可以设置于电机悬挂臂270的立面上。据此，处理模块120能够通过分析电机悬挂臂270的应变数据评估电机悬挂臂270的寿命。其中，图9示出了采集模块110在电机悬挂臂270上的其中一个安装位置P7。

具体地，如图10所示，运动状态监测系统在电机吊杆280设置采集模块110时，采集模块110可以设置于电机吊杆280的主体281部的立面上。据此，处理模块120能够通过分析电机吊杆280的应变数据评估电机吊杆280的寿命。其中，图10示出了采集模块110在电机吊杆280上的其中一个安装位置P8。

需说明的是，上述的多个关键部件的安装位置P1～P8相当于运动状态监测系统的多个振动监测点，这些振动监测点能够组成一个振动特性网络系统，统筹考虑转向架系统的振动传递特性以及各部件的运动状态，这些振动监测点可以布置网络系统结合监测系统共同实现直驱转向架关键部件运动状态的监测。

可选地，在本实施方式中，采集模块110可以通过密封胶固定于关键部件。在一些实施方式中，采集模块110亦可通过其他方式固定于关键部件，并不以此为限。

可选地，在本实施方式中，采集模块110可以包含无线振动及应变传感器。

具体地，由处理模块120组成的处理层，除了能够完成根据接收层采集的数据计算监测信号以外，还能够完成感知层协议解析与接收信号、采集机车车速信号和GPS位置信号及其他监控信号、将计算得到的监测信号以及读取的监控信息发送至远程层。

可选地，如图2所示，在本实施方式中，处理模块120可以包含主机121、通信单元122以及电源模块123。具体而言，主机121用于计算振动信号。通信单元122连接于主机121，并用于主机121与采集模块110的无线交互。电源模块123分别电连接于主机121和通信单元122，用于为主机121和通信单元122提供电源。

具体地，如图2所示，处理模块120的工作原理包含：从机车中央端子排输入110V直流电，通过电源模块123转换为24V电，供主机121及通信单元122使用。天线接收到无线传感器的信号后通过通信单元122输入到车载主机121，实现数据传输、储存和计算等工作。

较佳地，如图2所示，在本实施方式中，以上述图3至图10示出的各个安装位置P1～P8均设置采集模块110为例，处理模块120可以包含两个通信单元122，据此能够适应上述数量较多的采集模块110与主机121的无线交互。在一些实施方式中，处理模块120亦可包含一个、三个或三个以上通信单元122，可以根据采集模块110的数量或者通信单元122的型号灵活选择。

可选地，在本实施方式中，处理模块120计算振动信号所采用的计算方法可以包含三向振动实时解耦算法。该算法首先针对匀速旋转状态下的采集模块110(例如无线振动传感器)进行受力分析，根据传感器的安装位置确定XYZ三个方向的受力情况，分析力的传递效果，以实现振动信号的解算。据此，本发明将针对旋转部件的三向振动实时解耦算法应用于永磁直驱交流传动客运电力机车的直驱系统新型挠性板联轴器的振动特性测试，验证了新型挠性板联轴器直驱系统在运用过程的安全性和可靠性，有利于新型挠性板联轴器直驱系统的推广和应用。

可选地，在本实施方式中，远程模块130可以包含云端平台。

可选地，在本实施方式中，远程模块130还可以用于根据振动数据或者应变数据，计算关键部件的振动信息。据此，运动状态监测系统在两种工作模式之间切换；其中，一种工作模式下，处理模块120计算振动信息，并发送至远程模块130，另一种模式下，处理模块120发送振动数据或者应变数据至远程模块130，远程模块130计算振动信息。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的运动状态监测系统仅仅是能够采用本发明原理的许多种运动状态监测系统中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的运动状态监测系统的任何细节或任何部件。

基于上述对本发明提出的运动状态监测系统的几个示例性实施方式的详细说明，以下将对本发明提出的机车的一示例性实施方式进行说明。

在本实施方式中，本发明提出的机车包含直驱转向架以及本发明提出的并在上述实施方式中详细说明的运动状态监测系统。其中，直驱转向架包含轴箱体、联轴器、电机、减振器、电机悬挂臂及电机吊杆等关键部件，运动状态监测系统的采集模块可以设置于直驱转向架的上述关键部件的至少其中之一。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的机车仅仅是能够采用本发明原理的许多种机车中的几个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的机车的任何细节或任何部件。

以上详细地描述和/或图示了本发明提出的运动状态监测系统及机车的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用于表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用于表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。

虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的运动状态监测系统及机车进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种运动状态监测系统，其特征在于，用于监测机车的直驱转向架的关键部件的运动状态，所述运动状态监测系统包含：

采集模块，设置于所述关键部件，用于采集所述关键部件的振动数据或者应变数据；

处理模块，设置于所述机车，并以无线方式连接于所述采集模块，用于根据所述振动数据或者所述应变数据，计算所述关键部件的振动信号；以及

远程模块，用于接收和存储所述振动信号和所述振动数据、所述应变数据。

2.根据权利要求1所述的运动状态监测系统，其特征在于，所述关键部件至少包含轴箱体、联轴器、电机、减振器、电机悬挂臂及电机吊杆；其中，所述运动状态监测系统包含多个采集模块，所述多个采集模块分别设置于所述轴箱体、所述联轴器、所述电机、所述减振器、所述电机悬挂臂及所述电机吊杆。

3.根据权利要求1所述的运动状态监测系统，其特征在于：

所述关键部件包含轴箱体，所述采集模块设置于所述轴箱体的轴孔法兰下方的立面上；和/或

所述关键部件包含联轴器，所述联轴器包含传力盘及传动盘，所述采集模块设置于所述传力盘的法兰的立面上和所述传动盘的法兰的立面上；和/或

所述关键部件包含电机，所述电机外壳设置有用于连接电机吊杆的凸台，所述采集模块设置于所述凸台的立面上；和/或

所述关键部件包含减振器，所述采集模块设置于所述减振器的构架端橡胶关节的立面上和车体端橡胶关节的立面上；和/或

所述关键部件包含电机悬挂臂，所述采集模块设置于所述电机悬挂臂的立面上；和/或

所述关键部件包含电机吊杆，所述采集模块设置于所述电机吊杆的杆身的立面上。

4.根据权利要求1所述的运动状态监测系统，其特征在于，所述采集模块通过密封胶固定于所述关键部件。

5.根据权利要求1所述的运动状态监测系统，其特征在于，所述采集模块包含无线振动及应变传感器。

6.根据权利要求1所述的运动状态监测系统，其特征在于，所述处理模块包含：

主机，用于计算所述振动信号；

通信单元，连接于所述主机，用于所述主机与所述采集模块的无线交互；以及

电源模块，分别电连接于所述主机和所述通信单元，为其提供电源。

7.根据权利要求1所述的运动状态监测系统，其特征在于，所述处理模块计算所述振动信号所采用的计算方法包含三向振动实时解耦算法。

8.根据权利要求1所述的运动状态监测系统，其特征在于，所述远程模块包含云端平台。

9.根据权利要求1所述的运动状态监测系统，其特征在于，所述远程模块还用于根据所述振动数据或者所述应变数据，计算所述关键部件的振动信息，以使所述运动状态监测系统被配置为在两种工作模式之间切换；其中，一种工作模式下，所述处理模块计算所述振动信息，并发送至所述远程模块，另一种模式下，所述处理模块发送所述振动数据或者所述应变数据至所述远程模块，所述远程模块计算所述振动信息。

10.一种机车，包含直驱转向架，其特征在于，所述机车还包含：

权利要求1～9任一项所述的运动状态监测系统，所述采集模块设置于所述直驱转向架的关键部件。

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