專利名稱：用于監控軌道車輛的行駛狀態的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于監控軌道車輛的行駛狀態的根據權利要求1和權利要求12的前序部分所述的一種方法和一種裝置，其中，通過至少一個提供一個相應測量信號的傳感器檢測至少一個表明該軌道車輛的至少一個輪對的振動狀態的特征的測量變量，如輪對的運動、速度或者加速度或者作用到該輪對上的力。
背景技術：
當今，在軌道車輛交通中越來越多地使用診斷-和監控系統，利用它們檢測軌道車輛的構件和組件的狀態變化，從而識別出這些構件和組件的問題。尤其是在軌道車輛的輪對中，在運行安全性方面，探測到損壞和裂隙是很重要的。根據本領域的EP 1 274 979 Bi，監控至少一個車輛組件的振動狀態，為此檢測至少一個振動信號、進行一次傅里葉變換并且與至少一個參考值進行比較，其中，針對至少一個特性值(頻率特性值、阻尼特性值、振幅特性值)對配屬于該車輛組件的一個自振組件的頻率峰值進行監控。換句話說，根據已知的文獻，車輛組件經過一種模態分析，并且為了識別出損壞，在車載診斷的范疇中對如固有頻率和阻尼這樣的模態參數進行監控。然而，已知的方法卻無差別地對測量信號的隨時間變化過程進行評估。尤其是在完全不同的邊界條件下行駛時，在例如不同的靜摩擦-或滑動摩擦的情況下，共同對獲得的信號進行評估。據此，從傅里葉變換中得出的特性值、例如固有頻率及其最大振幅的值會發生較大偏差，這就加大了明確并且可靠評估出頻率特性的難度。尤其是激勵頻譜在運行時是不同的，以至于在任何單獨的時間點都不清楚涉及的車輛組件的自振在所測信號上占多大份額。盡管已知的方法提出，將從測量中得出的頻率特性與和行駛路段相關的參考頻率特性(新建路段、老舊路段、擴建路段)進行比較，但是這種做法帶有一些缺點。因為一方面必須考慮對于所有在常規運行狀態中的軌道車輛可以行駛的路段。另一方面，就不能由于外部影響改變行駛路段的特性，或者參考數據必須總是保持在最新狀態。然而這就需要不適當的高投入，因此在實踐中可能不能遵守采用已知方法的前提條件。因此，用于對軌道車輛組件進行診斷-和狀態監控的已知方法建立在連續并且持續地測量和評估測量變量的基礎之上。其中，測量變量的邊界條件卻在持續變化。對從時間信號中檢測的頻率特性進行分析的投入非常大，因為必須在與行駛路段相關的參考信號的幫助下對邊界條件的影響進行評估。
發明內容
相應地，本發明的目的在于，這樣進一步改進一種此類的方法或者一種此類的裝置，即，使該方法或該裝置的信號處理技術的投入更小、并且能更可靠地發現軌道車輛的輪對上的損壞和問題。該目的通過權利要求1或者權利要求12所述的特征來實現。
本發明提出一種方法和一種裝置，其中，該裝置設計用于執行該方法的以下步驟-識別出在測量信號的隨時間變化過程中的至少一個重大事件或者多個重大事件的組合，其中，測量變量超過一個預定的最小值，以及識別出這個重大事件發生的事件時間
占，-從這個事件時間點開始從測量信號的隨時間變化過程中形成頻率特性，其中，形成從這個事件時間點開始后一段被定義的持續時間內的頻率特性，-將形成的頻率特性與至少一個存儲的參考頻率特性進行比較，-根據形成的頻率特性與至少一個存儲的參考頻率特性的偏差情況評估輪對的振動狀態。該評估的目的則在于，根據該輪對的一個可能變化的或者明顯的振動狀態推斷出被監控的輪對的損壞。根據本發明的解決方案的優點尤其在于，計算方面的投入相對較低，這是因為不用連續不斷地對一個測量信號的整個時間變化過程進行傅里葉-變換和分析，而是只對系統對于個別重大事件的應答進行傅里葉-變換和分析。由于預先對重大個別事件作出了定義，因此僅僅形成或者分析那些很可能提供關于被監控的輪對的狀態的可靠的說明的頻率特性，并且該頻率特性尤其是指出了在輪對上的裂隙形成的情況。這些重大事件，例如在輪對的加速度很高、也就是說超過一個預定的最低值的情況下輪對發生垂直的振動激勵，會導致以下后果，即，使輪對被激勵形成完全可以識別到的自振動。在垂直方向上有足夠高的撞擊激勵時，例如由于軌道嚴重不平坦，輪對在短時間內幾乎完全脫離了軌道，使得當時被行駛的行駛路段對自振特性的影響被估計為很小。尤其是輪對就可以幾乎自由地以它的獨有的自振性能發生振動。因此，根據本發明的方法的確可以與行駛路段無關地起作用。尤其是可以取消投入高地檢測和存儲與行駛路段相關的參考數據。基本的發明理念即在于，只有在發生重大個別事件以后才進行頻率特性和頻率分析。重大個別事件在這里被定義為下述事件，即，其中，由至少一個傳感器接收到的時間信號(如路徑信號、速度信號、加速度信號、受力信號或壓力信號)在事件時間點超過或者低于一個各自預設的閾值，或者具有另一個獨特的特征。換句話說，在軌道車輛的要進行監控的輪對中，借助于一個或者多個傳感器持續不斷地對表明輪對的振動狀態的特征的變量的測量信號進行檢測。但是，直到該測量信號超過一個預定的最小值時，才形成相應的頻率特性或者頻率分析。通過在將重大個別事件的發生作為時間起點以及緊接著與至少一個參考頻率特性進行一次對比之后在一段定義的持續時間內進行頻率分析，能夠在計算方面的投入僅很小的情況下可靠地推斷出輪對的變化和損壞。例如當一個輪對的轉軸具有裂隙時，那么該輪對的動態柔性就增加，這就在系統較“軟弱”，系統的固有頻率相對于軸未損壞時更小，以及阻尼通常更大這些現象中表現出來。此外，固有頻率的頻率峰值、也就是說頻率特性中固有頻率的振幅更大。這種自振形式的特性值可以從與參考頻率特性進行比較的形成的頻率特性中讀出。由于從表明各個測量值的特征的信號的某個一定的最小振幅開始，就把注意力集中到已定義的個別事件上，從而確保了，輪對總是受到類似的邊界條件的影響。其中如下地選擇最小值，即可以期待足夠次數的重大事件。然而對輪對的較小激勵(它們反正不可能激勵自振)卻仍然不考慮在內，使得在評估信號時的計算方面的投入相對于現有技術大幅降低。通過在從屬權利要求中所述的措施，可以對權利要求1和權利要求12中所述的發明進行有利的改進和改善。特別優選的是，將輪對在垂直方向上的加速度考慮作為表明軌道車輛的輪對的振動狀態的特征的測量變量，其中，通過測得的輪對的加速度超過一個被定義的最小值來識別出在加速度的隨時間變化過程中的一個重大事件。那么設想的前提是，輪對暫時幾乎不與軌道接觸，并且由此幾乎可以自由振動，由此，可以不受干擾地形成自振形式，也就是說不必與鄰接的結構發生影響到輪對的剛性和阻尼的接觸。例如，對于垂直加速度的預定最小值為至少10g(10m/s2)。利用一個這種用于垂直加速度的預定的最小值來確定事件時間點，從這個事件時間點開始形成并且分析頻率特性，或者說將其與至少一個參考頻率特性進行比較，尤其是能夠可靠地探測到輪對(車輪和/或軸)中的裂隙。此外，特別優選地通過一次快速傅里葉變換(FFT)從測量信號的隨時間變化過程中產生頻率特性。借此能夠以具有合理的計算技術方面的投入達到可靠的結果。例如，被定義的持續時間(在這段時間內形成測量信號的隨時間變化的頻率特性)是恒定不變的時間段，例如在5到500毫秒之間。因為一個這種相對較短的時間窗口就足以進行一次有說服力的傅里葉變換，并且得到一個有說服力的頻率特性，從中可以看出或者說確定這些模態參數，如固有頻率、固有頻率的振幅、阻尼度De以及動態剛性 S( )或者動態柔性Ν(ω)。可替換地，被定義的持續時間(在這段時間內形成測量信號的隨時間變化的頻率特性)從事件時間點開始，并且當振動的有特定特征的特性、如振動衰減的特定的量出現時或者當另一個或下一個重大事件發生時，持續時間結束。因此，在這種情況下，持續時間雖然被定義了起點和終點，但是卻不總是一樣長。此外建議的是，參考頻率特性是期望的頻率特性，它通過模型計算法計算出來或者基于示范性的樣本輪對產生。可替換地，參考頻率特性可以是在軌道車輛運行期間從測量變量的隨時間變化過程中形成的、被監控的輪對的頻率特性，或者是被監控的輪對或者多個其它輪對的多個頻率特性的平均值。同樣地，為了在時間上進行統計性評估，可以將該頻率特性與在軌道車輛運行期間從測量變量的隨時間變化過程中形成的、被監控的輪對的多個參考頻率特性進行比較。因此，輪對的這樣獲得的參考頻率特性是一種獨特的“輪對手印 (Radsatz-Fingerabdruck) ”，為每個輪對優選地特殊地確定它們的參考頻率特性，并且為了進行分析而存儲起來，用于與參考數據進行比較，并且緊接著從比較結果出發進行評估或者說計算。所有這些方法都適用于通過計算或者借助統計性分析檢測這個或者這些參考頻率特性的數據。形成的頻率特性與至少一個參考頻率特性進行的比較優選地借助至少一個模態參數得以實現，如固有頻率《e、固有頻率的的振幅coe、阻尼度(LehrscheDampfung)De 或者柔性N或剛性S。
在將形成的頻率特性與至少一個參考頻率特性進行比較時，優選地考慮到輪對的當前磨損狀態的影響和輪對的當前轉速。由此能夠利用較少的信號處理投入進一步改進輸出結果的準確度。
下面，連同對本發明的一個優選實施例的說明，借助附圖更詳盡地示出其它的、改進本發明的措施。圖中示出圖1是一種用于監控軌道車輛的行駛狀態的裝置的示意性框圖，其符合一個優選的實施方式，圖2是軌道車輛的被監控的輪對的加速度-時間-圖表，其作為發生一次重大事件的結果；圖3是參考頻率特性的加速度-頻率-圖表。
具體實施例方式在符合規定的運行狀態下，軌道車輛的輪對在有軌行駛路段上滾動。根據軌道車輛的行駛速度和狀態，輪對受到一次振動激勵。這次振動激勵導致輪對或者說它們的部件發生振動，一方面是在空間中的絕對振動，并且另一方面是相對于鄰接結構或者相互之間的相對振動。一個輪對在此典型地由兩個通過一根軸連接的車輪組成，如圖1所示。根據圖1，在一輛(在此未進一步示出的)軌道車輛的一個輪對1上安放了一個或者多個傳感器2，它們優選地作為加速度傳感器檢測該輪對1或者它的一個部件例如在垂直方向上的加速度并且產生相應測量信號。通過檢測傳感器2的測量值，并且將其傳輸到信號檢測單元3上，在那里會形成該輪對的垂直加速度的一個隨時間變化的加速度過程。信號檢測單元3還識別出這個隨時間變化的加速度過程中的所謂的“重大事件”，以及所屬的事件時間點、。在測量信號的隨時間變化過程中發生的“重大事件”要被理解為這樣一種事件， 其中測量變量或者測量信號超過一個預定的最小值。在所示情況下，例如繼續監控這些測量信號，看所測得的垂直加速度是否超過一個加速度最小值Bmin或者一個加速度最小振幅 afflin0例如，為垂直加速度的預定的加速度最小值^lin至少為+IOg或者-10g(m/s2)。在所示情況下，重大事件最大加速度MAX1 (根據它判定輪對在垂直方向上是正在加速還是正在減速)可以是正數或者負數，并且它的數值大于一個最小振幅^lin，如圖2所示。例如當被監控的輪對行駛過一個接縫或者軌道行駛路段的一段不平坦路段，并且由此特別是激勵形成一個超過一個特定范圍的垂直振動時，就是這種情況，正如圖2中所示的那樣。當預定的最小值^lin足夠大時，可以認為，輪對1被激勵進行明顯可以探測到的和諧自振，其具有獨特的固有頻率《e。由于材料的阻尼效果，以及通過與鄰接的結構的連接方式達到的阻尼效果，被激勵的自振的振動振幅隨著時間衰減，如圖2的加速度時間信號的變化曲線所示，或者由另一個重大事件重新激發出自振。可替換地，可以檢測任何其它的變量或者多個其它變量的組合作為時間信號，它適合用來表明輪對以自振形式進行的振動的特征作為對一個陌生激勵的應答。作為測量變量在此除了垂直加速度之外例如還可以考慮任意方向的加速度、運動路徑和/或輪對的速度或者它的部件。同樣也可以考慮的是，輪對的振動產生動態力或者壓力，就可以通過一個力接收器或壓力接收器對它們進行測量，并且可以表示為隨時間變化的力信號或壓力信號。對于選擇測量變量或者選擇多個測量變量的組合方式至關重要的是，要能夠盡量最好地表示出被監控的輪對的特性、自振情況。緊接著，頻率分析單元4從加速度信號的隨時間變化過程中(從事件時間點開始， 經過一段被定義的持續時間ta)形成頻率特性。優選地，被定義的持續時間ta表明從事件時間點、開始后一段恒定不變的時間段，例如從事件時間點、后5到500毫秒之間，正如例如從圖2中得出的那樣。可替換地，被定義的持續時間(在這段時間內形成測量信號的隨時間變化的頻率特性)從事件時間點、開始，當振動的一個有特定特征的特性(如振動衰減了一個特定的量)出現時，或者另一個或下一個重大事件發生時，持續時間結束。例如通過將時間信號進行一次傅里葉變換來形成頻率特性。然后從這個頻率特性中可以以已知的方式確定出由重大事件激勵的自振的特性值，也就是說自振的幾何形式 (在存在許多傳感器的情況下，它們被安置分布在整個輪對上)；還以已知的方式確定出屬于這個自振形式的模態參數固有頻率ω e、固有頻率coe的振幅、阻尼度De以及剛性義或柔性Ne。在此，不必確定出自振的全部特性值，幾個可能就足夠了。此外設有比較單元5，用于將從時間信號中形成的頻率特性與至少一個存儲在存儲器單元7中的參考頻率特性進行比較。其中，參考頻率特性是一個期望的頻率特性，它通過模型計算法計算出來或者在一個示范性的樣本輪對的基礎上產生，例如借助一次實驗性模態分析。可替換地，參考頻率特性也可以是在軌道車輛運行期間從測量變量的隨時間變化過程中事先形成的、被監控的輪對的頻率特性，或者它表明被監控的輪對或者多個其它輪對的多個頻率特性的平均值。同樣地，為了在這段時間進行統計性評估，這個從符合圖2 的時間變化曲線中形成的頻率特性也可以與多個在軌道車輛的之前的運行期間從測量變量的隨時間變化過程中形成的被監控的輪對的頻率特性進行比較。圖3中示出了一個這種參考頻率特性，它在頻率為大約0. 27kHz時均具有最大值， 這個最大值表示輪對的其中一個固有頻率《e。從運行中獲得的測量值中形成的頻率特性與所述參考頻率特性進行的比較優選地借助至少一個模態參數得以實現，如固有頻率《e、 固有頻率ω e的振幅、阻尼度De或者柔性Ne或剛性％。當對輪對的力激勵是撞擊形式時，這理想化地表示一種質量為m的單質量振動器，它通過一個彈簧剛性為c并且帶有阻尼效果為D的減震器的彈簧連接在車廂上，在單振過程后進行一個穩態的、正弦形式的振動，其固有頻率為
權利要求
1.一種用于監控軌道車輛的行駛狀態的方法，其中，通過至少一個提供一個相應測量信號的傳感器( 檢測至少一個表明所述軌道車輛的至少一個輪對的振動狀態的特征的測量變量，如所述輪對的運動、速度或者加速度或者作用到所述輪對上的力，其特征在于以下步驟-識別出在所述測量信號的隨時間變化過程中的至少一個重大事件或者多個重大事件的組合，其中，所述測量變量超過或低于一個預定的閾值，以及識別出所述重大事件發生的事件時間點，-從所述事件時間點開始從所述測量信號的隨時間變化過程中形成頻率特性，其中，形成從所述事件時間點開始后一段被定義的持續時間(ta)內的頻率特性，-將所述形成的頻率特性與至少一個存儲的參考頻率特性進行比較，-根據所述形成的頻率特性與所述至少一個存儲的參考頻率特性的偏差情況評估所述輪對的所述振動狀態。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，將所述輪對(1)在垂直方向上的加速度考慮作為表明所述軌道車輛的所述輪對的所述振動狀態的特征的所述測量變量，其中，通過所測得的所述輪對(1)的加速度超過一個被定義的最小值Oimin)來識別出在加速度的隨時間變化過程中的一個重大事件。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，為垂直加速度定義的最小值Oimin)為至少IOg0
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過一次快速傅里葉變換 (FFT)從所述測量信號的隨時間變化過程中產生所述頻率特性。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在所述被定義的持續時間內形成所述測量信號的隨時間變化過程的頻率特性，所述被定義的持續時間(ta)是恒定不變的時間段。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，在所述被定義的持續時間內形成所述測量信號的隨時間變化過程的頻率特性，所述被定義的持續時間(ta)從所述事件時間點開始，并且當振動的有特定特征的特性、如振動衰減的特定的量出現時或者當另一個或下一個重大事件發生時，所述被定義的持續時間結束。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述參考頻率特性是期望的頻率特性，所述期望的頻率特性通過模型計算法計算出來或者基于示范性的樣本輪對產生。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述參考頻率特性是在所述軌道車輛運行期間從所述測量變量的隨時間變化過程中形成的、被監控的所述輪對(1)的至少一個頻率特性，或者是被監控的所述輪對(1)或者多個其它輪對的多個頻率特性的平均值。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，為了在時間上進行統計性評估，將所述頻率特性與在所述軌道車輛運行期間從所述測量變量的隨時間變化過程中形成的、被監控的所述輪對(1)的多個參考頻率特性進行比較。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，根據至少一個模態參數、如固有頻率、阻尼度或者柔性，來實現將形成的頻率特性與所述至少一個參考頻率特性進行比較。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在將所述頻率特性與所述至少一個參考頻率特性進行比較時，考慮到了所述輪對的當前磨損狀態的影響和所述輪對 ⑴的當前的轉速。
12.一種用于監控軌道車輛的行駛狀態的裝置，其中，通過至少一個提供一個相應測量信號的傳感器( 檢測至少一個表明所述軌道車輛的至少一個輪對(1)的振動狀態的特征的測量變量，如所述輪對的運動、速度或者加速度或者作用到所述輪對上的力，其特征在于信號檢測-和評估裝置(8)，所述信號檢測-和評估裝置這樣設計，即所述信號檢測-和評估裝置至少執行以下步驟一識別出在所述測量信號的隨時間變化過程中的至少一個重大事件或者多個重大事件的組合，其中，所述測量變量超過一個預定的最小值，以及識別出所述重大事件發生的事件時間點，-從所述事件時間點開始從所述測量信號的隨時間變化過程中形成頻率特性，其中，形成從所述事件時間點開始后一段被定義的持續時間(ta)內的頻率特性，-將所述形成的頻率特性與至少一個存儲的參考頻率特性進行比較，-根據所述形成的頻率特性與所述至少一個存儲的參考頻率特性的偏差情況評估所述輪對的所述振動狀態。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述信號檢測-和評估裝置至少包括以下部分-信號檢測單元(3)，所述信號檢測單元識別出在所述測量信號的隨時間變化過程中的重大事件以及所屬的事件時間點，-頻率分析單元，所述頻率分析單元從所述事件時間點開始從所述測量信號的隨時間變化過程中經過所述被定義的持續時間(ta)形成頻率特性，-比較單元(5)，用于將所述形成的頻率特性與所述至少一個存儲的參考頻率特性進行比較，-評估單元(6)，用于根據所述形成的頻率特性與所述至少一個存儲的參考頻率特性的偏差情況評估所述輪對的所述振動狀態。
14.根據權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述信號檢測-和評估裝置( 還包括取平均值單元，所述取平均值單元對被監控的所述輪對或者多個其它輪對的多個頻率特性取平均值，并且從中形成所述參考頻率特性。
15.根據權利要求12至14中任一項所述的裝置，其特征在于，至少一個傳感器(2)設計用于檢測所述輪對(1)在垂直方向上的加速度。
全文摘要
本發明涉及一種用于監控軌道車輛的行駛狀態的方法，其中，通過至少一個提供一個相應測量信號的傳感器(2)檢測至少一個表明該軌道車輛的至少一個輪對的振動狀態的特征的測量變量，如輪對的運動、速度或者加速度或者作用到該輪對上的力。根據本發明的方法提出以下步驟識別出在測量信號的隨時間變化過程中的至少一個重大事件或者多個重大事件的組合，其中，測量變量超過一個預定的最小值，以及識別出這個重大事件發生的事件時間點，從這個事件時間點開始從測量信號的隨時間變化過程中形成頻率特性，其中，形成從這個事件時間點開始后一段被定義的持續時間(ta)內的頻率特性，將形成的頻率特性與至少一個存儲的參考頻率特性進行比較，根據形成的頻率特性與至少一個存儲的參考頻率特性的偏差情況評估輪對的振動狀態。
文檔編號G01M17/10GK102549406SQ201080041682
公開日2012年7月4日 申請日期2010年9月14日 優先權日2009年9月18日
發明者烏爾夫·弗里森, 弗蘭克·京特, 斯特凡·澤德爾邁爾, 約爾格-約翰內斯·瓦赫 申請人:克諾爾-布里姆斯軌道車輛系統有限公司