CN114026003A - 用于监控轨道制动系统的压缩机的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于轨道制动系统的压缩机的监控方法，所述轨道系统包括空气产生和处理模块AGTU(100)，所述空气产生和处理模块AGTU(100)包括压缩机(101)和主罐(104)，所述主罐(104)设置成向主管(105)供应，所述主管(105)适于将压缩空气分配到至少一个制动子系统(106)，所述制动子系统(106)包括辅助罐(116)，所述辅助罐(116)设置成向制动控制系统(118)供应；监控过程的特征为包括以下步骤：‑监控在所述主罐(104)的下游测量的或在所述辅助罐(116)的出口测量的至少一个压力值(P(t))的特性；‑完全基于测量到的所述压力值(P(t))的时间特性获取所述压缩机(101)的使用和/或健康状态。

Description

用于监控轨道制动系统的压缩机的方法
技术领域
本发明总体上属于轨道制动系统领域；特别地，本发明涉及一种用于监控轨道制动系统的压缩机的方法。
背景技术
在轨道交通系统中，已知的制动系统使用压缩空气适当地注入制动缸以产生制动力。压缩空气由一台或多台压缩机产生。
图1示出了已知轨道制动系统的一种示例。该示例已经被极大地简化，并仅仅以说明性的方式使用。
空气产生和处理模块(AGTU，air generation and treatment unit，空气产生和处理单元)100包括压缩机101和布置在压缩机101下游的干燥机组件102。干燥机组件102旨在从压缩空气中分离以液态和气态存在的水。干燥机组件102通常包括一个或多个用于去除液态水的旋风分离器，和用于去除气态水的盐或铝干燥系统。
由AGTU组100产生的压缩空气通过止回阀103收集在主罐104中。
主罐104继而向主管105供应，主管105通过止回阀109、110将压缩空气分配到沿列车布置的一个或多个制动子系统106、107……主管105还通过止回阀111将压缩空气分配到一个或多个气动悬挂系统108，气动悬挂系统108布置在构成列车的车身和转向架之间(图中未示出)。
气动悬挂系统108通常包括辅助罐112、调平阀113、波纹管114和压力传感装置115。波纹管114机械地布置在相关转向架和车身之间(图中未示出)，以作为悬架。车身与转向架之间的距离取决于波纹管114内部存在的压力。为了随着车身重量的变化(对应于乘客体重的变化)，将车身与转向架之间的所述距离保持在恒定值，相关的转向架和车身之间的对距离敏感的调平阀113起作用，当该距离由于重量的增加而趋于减小时，调平阀113通过增加波纹管114中的压力而起作用，当该距离由于重量的减少而趋于增加时，调平阀113通过将波纹管内的气体部分地排放到大气中来减少波纹管114的压力而起作用。
制动子系统106、107……通常包括向制动控制系统118、119……供应的辅助罐116、117……
制动控制系统118、119继而包括电子单元120、121……和气动面板122、123……
压力传感装置124、125向电子单元120、121发送电信号126、127，该信号表示存在于辅助罐116、117内的瞬时压力值。一个或多个压力传感装置115测量波纹管114内的压力并向电子单元120、121的输入端128、129……发送电信号135。
在目前的制动系统中，压力传感装置124、125……通常集成在气动面板122、123……的内部。
此外，最新的制动控制系统118、119由高度集成的设备组成，例如在EP3328698中所示，其中的压力传感装置9a相当于图1中的压力传感器装置124、125。
滞后压力开关130测量存在于主罐104出口处的压力。当测得的压力小于滞后下限值时，滞后压力开关130使遥控开关131通电，以向压缩机101供电。当压力达到并超过滞后上限值时，滞后压力开关130使遥控开关131断电，以中断对压缩机101的供应。在轨道应用中使用的滞后值通常假定为2bar和3bar之间，最大压力值通常在9bar和10bar之间。
辅助罐116、117、112内部达到的最大压力总是对应于主罐104达到的最大压力，即对应于滞后压力开关130的滞后上限值减去由止回阀109、110、111引起的压降。然而，对于本发明的目的，所述压降被认为是可忽略的。
辅助罐116、117、112……内部达到的最小压力值通常假定为：不同的辅助罐116、117、112……之间的值不同，这是由于不同的制动子系统106、107……和气动悬挂系统108的空气消耗量不同。通常，辅助罐116、117、112……中只一个达到的最小压力与主罐104中的最小压力相对应，便启动滞后压力开关130，从而使遥控开关131通电，随后压缩机101点火。
在现有技术中，根据在设计阶段基于使用预测而预先确定的维护周期对压缩机进行维护，然后该维护周期在压缩机的整个寿命期间保持不变。
基于如CBM(condition based maintenance，基于状态的维护)的已知概念对压缩机进行维护的市场需求越来越大，即，基于在压缩机的整个生命周期内定期验证的压缩机的实际功能状态，对压缩机进行维护。
流量测量是用于验证压缩机健康状态的方法。填充时间是压缩机的压缩密封元件功能良好或不良的指标。填充时间大于标称值表明这些元件已磨损，因此在压缩阶段会受到损失，因此必须更换这些元件，以避免对压缩机本身造成潜在的严重损坏。在这种情况下，必须及时更换密封元件，以避免对压缩机本身造成任何潜在的严重损坏。
在轨道车辆上的压缩机的使用寿命期间，可应用于压缩机101的一种流量测量的方法是测量压缩机将压力从第一初始值带到第二最终值所需的时间。该测量是基于一个随时间恒定的参考值进行的，参考值例如为由整个气动系统表示的容积，气动系统包括主罐104、管105和辅助罐116、117、112。如果所述初始压力值和最终压力值从一次测量到另一次测量不重复，正确的方法是测量比值，最终压力和初始压力之间的差值作为分子，测量最终压力的时刻和测量初始压力的时刻之间的差值作为分母。该比值称为流速，与压缩机的流量成正比。流速小于标称值表明压缩元件磨损，因此在压缩阶段会遭受损失，因此必须更换压缩元件。
指示压缩机剩余寿命的另一个基本参数是压缩机向气动系统提供压缩空气所花费的累积时间，该时间可以作为压缩机被点火的时间的总和来测量。在超过填充时间的极限阈值的同时，所分析的累积时间可以表明维护周期预测是高估的、正确的还是保守的。因此，通过适应实际使用并因此尽可能地优化已知的“生命周期成本”，即压缩机总寿命的成本，获得的信息可能有助于重新制定维护周期。
最后，参数“占空比”，即压缩机向气动系统提供压缩空气所花费的累积时间与列车的累积运行时间之间的比值，是用于评估压缩机使用情况的重要参数。列车的累计运行时间被理解为表示列车处于运行状态的总时间。该值通常由客户(即轨道列车的制造商)提供给轨道系统的供应商，以便计算维护周期并就保修条款达成一致。“占空比”的精确测量可以对制造商最初提供给制动系统供应商的数据提供精确评估，从而在保修期内客户投诉的情况下进行正确评估。
在现有技术中，滞后压力开关130的状态，即遥控开关131的状态，对于电子单元120、121……是未知的，因为该信息不被认为对制动子系统106、107的行为起作用。因此，电子单元120、121缺乏关于压缩机101的点火或关闭状态的直接信息。
附图简要说明
现在将描述根据本发明的用于控制紧急制动和常用制动的电子系统的一些优选实施例的功能和结构特征。参考附图，其中：
-图1示出了用于轨道列车的制动系统的完整系统；
-图2示出了制动系统的填充循环和排空循环的第一示例；
-图3示出了制动系统的填充循环和排空循环的第二示例；以及
-图4示出了制动系统的填充循环和排空循环的第三示例。
具体实施方式
在详细解释本发明的多个实施例之前，应当注意，本发明的应用不限于以下描述中存在的或在附图中示出的部件的设计细节和配置。本发明能够采用其他实施例形式以及以其他方式实施或在实践中实现。应当理解，措辞和术语具有描述性目的并且不旨在进行限制。“包括”和“包含”的使用及其变体意在涵盖给定的元素及其等同物，以及涵盖附加元素及其等同物。
首先参考图2，该图示出了如果在排放阶段辅助罐116、117……112同时达到压力值Pon时的压力P(t)的示例特性，压力P(t)例如可以通过压力传感装置124、125测量，压力值Pon对应于用于切换滞后压力开关130的滞后下限值。在这种情况下，压缩机101填充主罐104并通过主管105同时填充辅助罐116、117……112。
压缩机101通常可以是容积式的并且具有与转速成正比的流量。
在轨道行业，压缩机通常由异步电动机驱动，异步电动机以固定频率供电，频率通常为50Hz或60Hz，在这种情况下，考虑到异步电动机的典型速度滑差可以忽略不计，可以假设流量恒定。在这种情况下，预期的压力是一个几乎恒定的倾斜斜率。
通过观察压力P(t)，可以将点火时刻T1识别为压力P(t)的斜率从负值变为正值的时刻。等效地，电子单元可以在采样周期T对压力P(t)信号进行采样，并执行离散导数
(P(nT+1)-P(nT))/T，
因此，将点火时刻T1识别为所述离散导数从负号变为正号的时刻。
此外，通过观察压力P(t)，可以将关闭时刻T2识别为压力P(t)的斜率从正值变为零或负值的时刻。等效地，电子单元120、121可以在采样周期T对压力P(t)信号进行采样并且执行离散导数(P(nT+1)-P(nT))/T，从而将关闭时刻T2识别为所述离散导数从负号变为正号的时刻。
为了防止电信号存在的噪声能够产生不适当的局部符号变化，对于数字处理领域的专家来说，用于去除噪声的数字滤波技术是已知的，例如但不限于可以应用简单的移动平均FIR(finite impulse filter，有限脉冲滤波器)算法。
有鉴于此，下面描述根据本发明的一种用于监控轨道制动系统的压缩机的方法。
轨道制动系统包括空气产生和处理模块AGTU 100，空气产生和处理模块AGTU 100包括压缩机101和主罐104，主罐104布置成用于向主管105供应，主管105适于将压缩空气分配到至少一个制动子系统106中，制动子系统106包括辅助罐116，辅助罐116设置成用于向制动控制系统118供应。
用于监控轨道制动系统的压缩机的方法包括监控主罐104下游的或在辅助罐116的出口测量的至少一个压力值P(t)的特性的步骤。
压力值P(t)可以由布置在主罐104下游的压力传感装置132测量或由布置在辅助罐116的出口端的压力传感装置124测量。
此外，用于监控压缩机的方法包括完全基于测得的压力值P(t)的时间特性获取压缩机101的使用和/或健康状态的步骤。
在制动阶段，制动系统118、119……之间可以具有不同的空气消耗量。这在实践中经常发生，例如由于不同的转向架承载不同的重量，因此需要不同的制动压力，从而导致辅助罐116、117……不同的排放。同时，悬挂系统相对于制动系统在不同的时间消耗空气。特别是，悬架会随着转向架承受的重量变化而消耗空气，转向架承受的重量通常是在乘客进出的车站处变化。
由于止回阀109、110、……111的存在，不同的辅助罐116、117、……112不能相互补偿。
在这种情况下，这些罐116、117、……112中只一个达到压力值Pon，便重新启动压缩机。
图3示出了上述的填充阶段。例如，假设三个辅助罐116、117、112在点火时刻T1分别已经达到压力值Pon、P1、P2，并假设压缩机101的流量恒定，则将有在点火时刻T1和时刻T3之间的第一阶段，在该阶段中仅填充主罐104和辅助罐116。当在T3的时刻达到值P1时，辅助罐117被加入到待填充的容积中。这导致整体的容积增加，从而导致折线曲线P(t)的斜率减小。此外，如果在时刻T4达到压力P2，则罐112被加入到待填充的容积，从而也增加了整体容积并且还减小了折线曲线P(t)的斜率。很明显，计算整个装置的填充时间时，必须考虑的斜率必须是属于包括在时刻T4和关闭时刻T2之间的曲线段的斜率，即在斜率最后一次变化后的时间间隔内的斜率。
用于监控压缩机的方法还可优选地包括确定压缩机101的关闭时刻T2与压力P(t)的导数从正值变为标称零值或负值的时刻重合的步骤。关闭时刻T2可以通过制动控制系统118的电子控制单元120确定。
该方法还可优选地包括确定压缩机101的点火时刻T1与压力P(t)的导数被测出从负值或标称零值变为正值的时刻重合的步骤。
点火时刻T1可以通过制动控制系统118的电子控制单元120确定。
可替代地，在还存在有制动系统119……的情况下，该方法可以包括确定压缩机101的点火时刻(T1)与时刻T1、T3、T4中的较小者重合的步骤，时刻T1、T3、T4对应于一些瞬时时刻，在这些瞬时时刻，压力P(t)的各个压力值P3、P2、P1被测量，且在这些瞬时时刻，压力P(t)的导数被测出从负值或标称零值变为正值。在多个辅助罐116、117……的下游测量压力P1、P2、P3……
所述时刻T1、T3、T4中的一个或多个可以通过多个电子单元120、121……检测。电子单元120、121可以通过通信设备133互连并且可以相互传输各自检测到的时刻T1、T3、T4……
另外的相关压力P2、P3……可以通过相应的另外的压力传感装置125……测量。
另外的点火时刻T1、T3、T4可以通过另外的制动控制系统119……的另外的电子控制单元121……来识别，并且可以通过通信设备133被从电子控制单元120和另外的电子控制单元121传输。
该方法还可以优选地包括通过比值来计算填充率的步骤，其中，比值的分子是在关闭时刻T2时压力P(t)的关闭压力值Poff与在负变时刻T4时压力P(t)的第一压力值P1之间的差值，负变时刻T4与压力P(t)的导数发生最后一个负变的时刻重合，比值的分母是关闭时刻T2和负变时刻T4之间的差值。
电子单元120、121……可以识别值Poff，值Poff计算为离散导数(P(nT+1)-P(nT))/T的符号从正到零或负时P(t)的值，并且电子单元120、121……将所述值与压力开关130的标称值进行比较，该标称值预加载到所述单元的非易失性存储器中，以评估所述压力开关130的健康状态。
通过将“填充率”比值(Poff-Pon)/(T2-T1)与预先加载到电子单元120、121……的非易失性存储器中的接受范围进行比较，所述电子单元120、121……可以建立压缩机的健康状态，如果所述比值低于标称阈值，则可选地激活用于维护的请求信号。
此外，该方法因此还可以包括在填充率低于预定阈值时，发布异常信息的步骤。异常信息可以通过电子控制单元120、121中的至少一个或通过每个电子控制单元120、121发布。
Pon至少作为设计数据对所有电子单元来说是已知的，Poff作为实时测量的压力值，系统的标称“填充率”比值可以通过每个电子单元计算为(T4-T2)/(Poff-P2)。
在另一方面，该方法还可以包括通过电子控制单元120、121循环计算点火间隔的步骤，以作为关闭时刻T2与点火时刻T1或Tm之间的差值。
电子单元120、121……可以累加连续的(T2-T1)，从而累积压缩机的实际使用时间。
电子单元120、121……计量制动系统开启(即激活)的总时间。以此方式，通过将压缩机的实际使用时间除以制动系统开启的总时间，电子单元120、121……持续计算压缩机的“占空比”并将所述占空比存储在所述电子单元120、121……的非易失性存储器中，以便后续向轨道列车制造商的维护人员提供所述占空比，以潜在地评估正确使用。
因此，该方法还可以包括计算压缩机101的总运行时间，作为在压缩机101的寿命期间内所计算的点火间隔的总和，并且存储总运行时间的步骤。
压缩机101的总运行时间可以通过电子控制单元120、121……来计算。
图4示出了另一个循环的情况，其中，在填充阶段，发生导致空气消耗的事件，例如制动事件或车辆重量变化，从而需要填充悬架的波纹管。该潜在事件导致所述事件的整个持续时间的斜率减小，如图4中TA和TB之间所示。在这种情况下，电子单元仅使用测量值T2-T1来计算累积使用时间和占空比，丢掉预估的填充时间，该预估的填充时间会因在TA和TB之间发生的事件而失真。
如果存在另外的压力传感装置132，用于直接测量主管105中的压力，并且可以在至少一个电子单元120、121……中获得对应的信号，则所述至少一个电子单元可以通过使用现在为止所描述的相同的标准推导出有关填充时间、累积时间和占空比的信息，但无需识别更多T1、T2……之间的时间Tm。
如果通信设备133可用于控制单元120、121……之间的通信，则所述控制单元120、121……彼此之间可以传输精确的值Pon、P1、P2……Poff、以及随后计算的“填充率”比值，以供相互比较和验证。
还可以从中央单元134传输填充率或总运行时间或运行占空比这些值中的至少一个值，或者替代地或附加地，可以通过无线系统从列车上传输填充率或总运行时间或运行占空比这些值中的至少一个值到地面。
更进一步地，该方法还可以包括在点火时间或关闭时间T1、T2中的至少一个超过相关阈值极限时，发出信息信号的步骤。该方法还可以包括发出压力P(t)的关闭压力值Poff和压力P(t)的点火压力值Pon中的至少一个从相应公差带脱离的信号的步骤，以及/或者在至少一次填充时间超过预定限值时发出信号的步骤。
信息信号可以由电子控制单元120、121……中的至少一个发出或由每个电子控制单元120、121……发出。
显然，相对于通过简单地测量压力开关130或遥控开关131保持启动的时间来执行的标称填充时间的测量，基于对P(t)曲线的观察这种方法更有利于精准可靠，前者这种情况不可能考虑待填充的容积的逐渐增加。
已经描述了根据本发明的用于监控轨道制动系统的压缩机的使用和健康状态的方法的各个方面和实施例。应当理解，每个实施例可以与任何其他实施例组合。此外，本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求限定的范围内变化。

Claims (13)

1.一种用于轨道制动系统的压缩机的监控方法，所述轨道制动系统包括空气产生和处理模块AGTU(100)，所述空气产生和处理模块AGTU(100)包括压缩机(101)和主罐(104)，所述主罐(104)设置成向主管(105)供应，所述主管(105)适于将压缩空气分配到至少一个制动子系统(106)，所述制动子系统(106)包括辅助罐(116)，所述辅助罐(116)设置成向制动控制系统(118)供应；
其特征在于，监控过程包括以下步骤：
-监控在所述主罐(104)的下游测量的或在所述辅助罐(116)的出口测量的至少一个压力值(P(t))的特性；
-完全基于测量到的所述压力值(P(t))的时间特性获取所述压缩机(101)的使用和/或健康状态。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-确定所述压缩机(101)的关闭时刻(T2)与压力(P(t))的导数被测出从正值变为标称零值或负值的时刻重合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-确定所述压缩机(101)的点火时刻(T1)与压力(P(t))的导数被测出从负值或标称零值变为正值的时刻重合。
4.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法包括以下步骤：
-确定所述压缩机(101)的点火时刻(T1)与被检测的压力(P(t))的各压力值(P1、P2、P3……)的导数被测出从负值或标称零值变为正值的瞬时时刻(T1、T3、T4……)中较小值重合；
在多个所述辅助罐(116、117……)的下游测量所述压力(P1、P2、P3……)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-通过比值计算填充率，在所述比值中，在分子处放置在关闭时刻(T2)处的所述压力(P(t))的关闭压力值(Poff)与在负变时刻(T4)处的所述压力(P(t))的第一压力值(P1)的差值，所述负变时刻(T4)与所述压力(P(t))的导数发生最后一次负变的时刻重合，在分母处放置所述关闭时刻(T2)与所述负变时刻(T4)的差值，在所述负变时刻(T4)，所述压力(P(t))的导数发生最后一次负变。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-在所述填充率低于预定阈值时，发出异常信息。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-循环计算点火间隔，作为关闭时刻(T2)和所述点火时刻(T1)的差值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-计算所述压缩机(101)的总运行时间，作为在所述压缩机(101)的寿命期间所计算的点火间隔的总和，
-存储在所述压缩机(101)的寿命期间的所述总运行时间。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：
-计算所述压缩机(101)的运行占空比，作为所计算的所述总运行时间与轨道车辆的运行时间之间的比值。
10.根据权利要求7至9中至少一项所述的方法，所述还包括以下步骤：
-将填充率、总运行时间和运行占空比中的至少一个值传输到中央单元(134)。
11.根据权利要求7至10中至少一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-通过无线系统将填充率、总运行时间和运行占空比中的至少一个值从列车上传输至地面。
12.根据权利要求3至11中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-在关闭时刻(T2)处的所述压力(P(t))的关闭压力值(Poff)和在点火时刻(T1)处的所述压力(P(t))的点火压力值(Pon)中的至少一个脱离相应的公差带时，发出信息信号。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-至少在填充时间超过预定限值时，发出信息信号。
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