CN1446160A - 检测轨行车车轮中的圆度缺陷的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
运动传感器(3)，其与一个轨行车的一个车轮(1)相关联，并产生一个表示该车轮沿一个大体垂直的轴线(x)的运动的信号(M)。转动传感机构(6)，提供表示车轮(1)的转速的信号(S)。运动信号(M)和转速信号(S)由电子处理单元(E)接收，该电子处理单元在随后的时间部分或帧中用转速信号(S)去除垂直运动信号(M)以比较所述这些信号，每一个帧都相应于该车辆转完整一周。计算在一个时间阶段中储存的运动信号所述随后的时间部分的均值，以识别该车轮的真正的或初始的圆度缺陷。
Description
本发明涉及一种检测轨行车车轮中的圆度缺陷的方法和装置。
一个车轮滚动表面的主要圆度缺陷可以总结如下：
-由于在轨行车行驶中由于车轮被锁定，或者更为通常地说，由于闸瓦的错误操作而在车轮处于轨道上的滚动表面上出现一个平的部分；
-由于形成车轮的材料的不均匀性而造成的车轮的不均匀磨损，该磨损呈现出一个不同于圆形的形状轮廓，例如椭圆形或凸轮形。
已知非圆车轮将导致振动，这除了不利地影响轴的操作性能外，还会造成对车辆其它部件的损坏，并随着时间的推移而降低其安全性。
迄今为止，检测车轮状况的方法一直被局限于周期控制，在这种情况下会有一个专家随车感受其舒适度。根据当时的情况，该专家指出，在八个车轮当中至少有一个需要更换，或者需要维护调停，在维护中该车轮将进行其轮廓圆度的调整。
应该指出，这种检测方法不允许及时预期或检测出圆度缺陷的产生以在损坏变得更糟之前调停。
US 5433111专利公开了一种装置，其用于检测与一组轨行车车轮有关的错误状态和检测与其上行驶于给定轨行车的轨道有关的错误状态。该装置包括用于产生表示车轮转速的数据的测量机构；一组适于产生表示沿三维正交轴线的运动的数据的加速计，其中这些轴线之一通常是垂直于轨道的；一个数据处理器，其适于基于所接收的转速和运动数据检测一个与该轨行车的至少一个车轮有关的错误状态。
这些已知系统的局限性在于，它们不允许区分反常的振动是否是由于车轮造成的，还是由于轴承，或者是由于轨道或者是由于其它原因造成的。另外，上述现有技术不允许在一个轨行车中识别出是哪个或哪些个车轮受到缺陷的影响。
本发明的一个目的是及时预期和/或识别这类缺陷及其精确位置，并在圆度缺陷真正发生时给出警报，特别是区分出车辆或火车的哪一个车轮受到缺陷的影响。
本发明的另一个目的是提供车轮操作状态的一种连续监控，以得到涉及缺陷变化的真正的时间信息，从而它可以在严重缺陷时紧急调停，或者根据所检测出的缺陷的程度延迟调停，或者仍考虑不调停的机会，例如当一个操作缺陷被消除或正在被消除时。
本发明的另一个目的是优化维护，从而只在合适或必需的时候才调停，因此减少了所有维护的停车时间。
这些或其它将下文被更好地理解的目的根据本发明的第一方面通过权利要求1所限定的方法实现。
根据本发明的另一方面，在此设置了一个如权利要求9中限定的装置。
其它的重要特性在从属权利要求中被限定。
本发明的特征和优点将从一个结合附图、纯粹以非限定性示例提出的实施例中清楚地得知，附图所示为：
图1是一个简视图，示出了一个与按本发明的装置相关联的轨行车的一个车轮；
图2是一个方块图，示出了一个按本发明的装置中的信号的产生和处理；
图3示出了一个表示图1的车轮在时域中的垂直运动的信号的一系列连续帧；和
图4示出了一个作为图3的连续帧的均值的信号。
首先参见图1，标号1简要地示出了一个正在轨道2上行驶的一个轨行车的一个车轮。一个适于检测垂直方向x中的加速度的运动传感器3安装在一个固定支撑元件4上，该固定支撑元件固定在一个支撑该车轮轴的元件上或与该元件整体形成。
图1中所示的这些元件对于本领域的技术人员是公知的，因此在本发明中不作详细说明。例如，固定支撑元件4可以是轴承的轴箱，或者是该轴箱的外盖，或者是该轴承的外固定挡圈，或者是一个安装在所述外固定挡圈上的密封插入件。
运动传感器3优选包括一个已知类型的压电加速器，该加速器与一个放大器相关联，该放大器与该加速器安装在同一个主体中。
在图1中示出了一个示例，其中该车轮的滚动圆周具有一个平的部分5，从而当该车轮转动并通过该平的部分时，该车轮便经受一个垂直的加速度，该加速度由运动传感器3检测出；其结果是，该传感器产生一个表示车轮1沿垂直轴线x的运动的信号。
优选的是，垂直运动信号通过硬件和/或软件滤波机构滤波，以从所有不相关的振动分量的信号中除去，并只对那些将受到控制的现象减小信号的谐波含量，即由具有非圆轮廓的车轮滚动产生的振动。
该车轮装配有一个速度传感器6，其与一个和轴一起快速转动的编码器7相关联，例如一类通常用于检测转速的冲击轮。速度传感器6安装在一个固定支撑元件上，优选为固定在一个支撑该车轮轴的元件上或与该元件整体形成。
速度传感器和相关编码器或冲击轮(其可以是任何已知的类型)的结构和工作特征本身对于理解本发明是不重要的，因此不在此进行详细说明。在此只需说明，当车轮1转动时，它与编码器7一起快速转动，从而处于编码器影响下的速度传感器6提供一个表示车轮转速的信号，通常是一个频率正比于车轮角速度的信号。
在图1中为了简明起见，示出了一个示例，其中速度传感器6安装在支撑运动传感器3的同一个元件4上。显而易见，选择将传感器3和6安装在一个共同的支撑元件上可以构成一个在某种使用环境中的优选的解决方案，但是这不是执行本发明目的的必需特征。
在一个优选实施例中，速度传感器6装配在轴承的固定外挡圈上。
根据一个第一实施例，编码器7具有一个不规则的形状，例如一个较长的齿或一个缺少的凹部；其作为车轮的某个角位置的参考点，并相应于车轮圆周上的一点。在这种情况下，速度传感器6将在车轮每转过完一周时提供一个信号脉冲或信号。
作为一个替代形式，根据一个优选实施例，一个具有一定数目n个(例如n＝80)扇齿的冲击轮被用作为一个编码器，从而与该冲击轮相关联的速度传感器将在车轮每转过完一周时发出n个脉冲。这些由速度传感器产生的脉冲被供给一个除法器，其被n除后的输出向由速度传感器接收的每n个脉冲提供一个脉冲。
在另一个情况中，在车轮每转过完一周时输出的速度脉冲S或信号被供给到一个电子处理单元E(图2)，该单元也接收来自垂直运动传感器3的信号M。
电子处理单元E与两个信号M、S相关联，并在后面的时间部分或帧中用车轮的转速信号或脉冲S除垂直运动信号M，每一个信号都相应于车轮转完整一周。
这些帧储存在电子处理单元E中，或者储存在其它连接在其上的电子装置中，并形成数个如图3中重叠地示出的那些帧，在此车轮在转完整一周中受到的垂直加速度被沿纵座标复制。该数据采集在一个特定的时间阶段内连续的执行。
重点要指出的是，当车轮经过轨道的一个局部不平整的地方时，例如铁轨连接的不连续处，或者铁轨上有一些点或外来物，便产生一个垂直运动的反常信号。因此，相应得到一个反常的帧，其相对于其它帧明显不同，如果彼此不是几乎相同的，那它们就不是相似的。
因此，可以周期地计算，例如每隔50帧或以一个任意选择的时间间隔，在该时间间隔中得到在所有这些帧之间的相关函数或索引，不予处理那些具有低于一个预设量的，即明显不同于其它值的相关值的帧。
通过计算所保留帧，即那些相似的帧的均值，得到一个均值波形(图4)，其只包含涉及车轮圆度缺陷的信息，而不包含所有非重复性事件，即由于其它原因，例如轨道的不规则性造成的事件。
由于只有同步频率是车轮转完整一周的频率，所以该最终均值不仅不考虑由于车轮上的外来物造成的力，而且也不考虑其它由于另外的具有与车轮转速不同的速度的转动部件(例如轴承的滚子)的可能的不规则性造成的力。事实上，由于其它转动部件造成的力具有与车轮的频率不同的频率，因为它们不与车轮的转动同步，所以它们不影响最终的均值。
换言之，与车轮的旋转周期同步的车轮垂直运动的检测在最终均值中是不相关的，该最终均值是在车轮经受非重复性力的旋转中检测的数据，更为通常的是，任何从具有与车轮转动频率不同的频率的力中获得的数据。显然，该数据采集应该在一个足够长的时间阶段内执行，从而使反常帧在统计上不相关。
显而易见，本发明的方法在理论上与火车行驶的速度无关。然而，由申请者进行的试验示出，较好的结果可在火车以一个大体在100km/h的恒定速度行驶时得到。为了得到从储存的帧(图3)开始的该最终平均波形(图4)，可以使用许多统计算法，例如指数移动平均数、均值、均方差等。
上述数据采集可对于所有轨行车的车轮进行，从而它可以检测缺陷的发生或预测一个初始缺陷的状况并随时间跟随该缺陷的发展，也可以识别涉及的车轮。
电子处理单元E布置用于在达到或超过一个识别出真正缺陷或初始缺陷状态的预定阈值时自动发出一个警报信号A。
仍根据本发明，如果速度信号或脉冲在一个相应于车轮圆周上的一个精确点的特定角位置处产生，则如此得到的帧将具有一个相应于该位置的起始点。因此，车轮的平均波形将实际代表车轮轮廓的一个极(坐标)图，并精确示出沿圆周的缺陷位置。
Claims (15)
1.一种检测轨行车车轮中圆度缺陷的方法，包括如下步骤：
(a)设置运动传感机构(3)，其与一个轨行车的车轮(1)相关联，用于产生一个表示该车轮沿一个大体垂直的轴线(x)的运动的信号(M)；
(b)设置转动传感机构(6)，用于供给表示车轮(1)的转速的信号(S)；
(c)通过一个电子处理单元(E)接收运动信号(M)和转速信号(s)，在随后的时间部分或帧中用转速信号(S)去除垂直运动信号(M)以比较所述这些信号，每一个帧都相应于该车辆转完整一周；
(d)储存运动信号(M)的所述随后的时间部分；
(e)计算在一个时间阶段中储存的运动信号所述随后的时间部分的均值，以在所述均值的基础上识别该车轮的真正的或初始的圆度缺陷。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中计算的均值是在多个随后的时间部分的基础上计算的，从而使那些包含有表示不是与车轮(1)的转速频率同拍地重复的力的数据在统计上不相关。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括滤波运动信号(M)的步骤，以从中消除所有不由该车轮在轨道上滚动时产生的振动分量。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，产生该转速信号的步骤(b)包括如下步骤：
在该车轮每转完整一周时产生一个单一的转速信号。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，产生该转速信号的步骤(b)包括如下步骤：
在该车轮每转完整一周时产生多个(n)个脉冲，和
将所述脉冲发射到一个除以n的除法器，该除法器在每收到n个脉冲时发出一个单一的转速输出信号。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，接收信号(M、S)的步骤(c)在车辆以一个大体恒定的速度行驶时执行。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，接收信号(M、S)的步骤(c)在车辆以一个超过100km/h的速度行驶时执行。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)后面有如下步骤：
当随后时间部分的均值达到或超过一个预定阈值时，自动发出一个警报信号(A)。
9.一个用于检测一个轨行车车轮圆度缺陷的装置，包括：
运动传感器(3)，其与一个轨行车的一个车轮(1)相关联，并适于提供一个表示该车轮沿一个大体垂直的轴线(x)的运动的信号(M)；
转动传感机构(6)，适于提供表示车轮(1)的转速的信号(S)；
电子处理单元(E)，适于：
-接收运动信号(M)和转速信号(S)；
-在随后的时间部分中用转速信号(S)去除垂直运动信号(M)以比较所述这些信号，每一个帧都相应于该车辆转完整一周；
-储存运动信号(M)的多个随后的时间部分；
-计算在一个时间阶段中储存的运动信号(M)所述随后的时间部分的均值，和
-以在所述均值的基础上识别该车轮的真正的或初始的圆度缺陷。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括滤波电路机构，其适于滤波运动信号(M)，以从中消除所有不由该车轮在轨道上滚动时产生的振动分量。
11.按权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括警报机构，其适于当随后时间部分的均值达到或超过一个预定阈值时，自动发出一个警报信号(A)。
12.按权利要求9所述的装置，其特征在于，运动传感器(3)与一个编码器(7)相关联，其适于在该车轮每转完整一周时产生一个单一的转速信号。
13.按权利要求9所述的装置，其特征在于，运动传感器(3)与一个编码器(7)相关联，其适于在该车轮每转完整一周时产生多个(n)个脉冲，该装置还包括被n平均的除法器，该除法器与运动传感器(3)以工作方式相关联，并在每收到n个脉冲时发出一个单一的转速输出信号。
14.按权利要求9所述的装置，包括与一个轨行车车轮中的每一个车轮相耦连的运动传感器(3)和速度传感器(6)。
15.按权利要求9所述的装置，其特征在于，运动传感器(3)安装在一个支撑车轮(1)的轴的元件(4)上。
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