CN102933946A - 应用能量自给式测量和传送螺栓来诊断铁路转向架的设备及相应控制方法 - Google Patents

Abstract

用于铁路转向架的测量和传送螺栓或螺纹元件包括：头（9），在头（9）内定义了座（8）；螺纹杆（10），在螺纹杆（10）内定义了孔（11）；小型振动传感器（3）；传送器（6）；电池（2），其用于向所述MEMS振动传感器（3）和所述传送器（6）供电；以及小型转换器（5），其用于将来自振动的机械能转换成电能，以为电池（2）充电。特别地，传送器（6）和振动传感器（3）被容纳在座（8）中，且小型转换器（5）和电池（2）被容纳在孔（11）中。

Description

应用能量自给式测量和传送螺栓来诊断铁路转向架的设备及相应控制方法

技术领域

本发明涉及用于检测和发送与机械设备（如，以铁路转向器为例）的动态应力有关的数据的测量和无线传送螺栓和包含所述组件的铁路转向器。此外，本发明涉及所述无线组件的数据处理逻辑。

背景技术

铁路转向架上的应力测量，对于监视机车车辆（rolling stock）的磨损状态并且只在必要时执行维护操作是必不可少的。实际上，维护操作费用昂贵且需要停工时间，停工时间降低了与铁道机车车辆使用相关联的利润。但是，维护操作对于防止火车使用时的故障和损坏是异常重要的。因此，应用可靠的诊断方法以便以有效的方式建立机车车辆状态并对维护操作进行编程从而降低铁道机车车辆自身管理费用是非常重要的。

特别地，客运列车的车厢是带电的，因此可为转向架装备由线电流供电的传感器和传送器。相反，货运列车的车皮未与电源相连，车上诊断仪器要求安装电源和从火车头开始行经整个列车的数据传输布线。所述诊断系统的费用显然很昂贵且也需要复杂的维护，因为在发生故障，特别是电接触中断的情况下，需要在沿着整个列车的布线上进行测试。

另外，铁路列车，特别是货运列车，受限于严格的标准，这限制了更改车皮的可能性。特别地，未经批准，在转向架上安装测量仪器通常是不被允许的，其需要高昂的执行费用和较长的停工时间。

从生产的角度考虑，发现需要提供在尺寸上能够替代轴盒内的现有螺栓且具有适于降低生产费用的内部结构的测量螺栓。同时，需要考虑由螺栓的尺寸所带来的严格空间限制。特别地，需要识别每一个部件的优化位置，以产生足够用于装配在螺栓上的电子无线传送设备的运行的能量。

发明内容

本发明的目的是提供用于检测动态应力和热应力的测量和传送组件，该组件将抑制上面指出的缺点且适合以较低成本进行生产。

本发明的目的通过根据权利要求1的小型测量和传送组件来实现。特别地，提供带有自给电源的小型无线系统，以监视铁路转向架和相应部件，其中，自给电源通过振动来恢复能量。

附图说明

为了更好地理解本发明，将参考附图在下文中提供对本发明的描述，在附图中：

图1是根据本发明的测量螺栓的透视图，其中为了清晰去掉了一些项；

图2是安装有测量螺栓的铁路转向架的示意性的透视图；

图3是图2的铁路转向架的详细侧视图；以及

图4是剖视图。

具体实施方式

在图1中，整体上由1来表示的是用于检测和传送关于动态压力的数据的螺栓，作为非限制性实例，该螺栓应用于铁路转向架，特别是应用于运输货物的车皮的铁路转向架。

组件1包括车上中央处理单元（central processing unit，CPU）；可充电电池组2，比如通常在市场上可买到的类型的可充电电池；惯性传感器3，优选为微机电系统（Micro-Electromechanical Systems，MEMS）类型；用于检测第二物理量的传感器，诸如温度传感器4；至少一个小型机械能-电能转换器5（所谓的“振动清理器（vibration scavenger）”或“振动收获器（vibration harvester）”）；以及传送器6，其包括可编程存储器，并设置有天线。此外，CPU集成了三个电子部件，即：

整流设备，用于转换由能量转换器5生成的交流电；

将转换器5的输出处的电压稳定在恒定额定值的设备。该设备被连接到惯性传感器3，并且定义了恒定电压水平，其中相对于该恒定电压水平来检测由振动引起的电压变化；以及

微芯片设备，其用于处理由可集成在传送器6的芯片中的传感器3和4所测量的模拟信号。优选地，以要被传送的离散门限水平执行处理。

根据本发明，振动传感器3为电容类型，且通过使用诸如硅微机械加工技术等MEMS技术而被小型化，其中硅微机械加工技术包括光刻步骤，且起源于在集成电路上的机械加工（体微机械加工（bulk micromachining）、表面微机械加工（surface micromachining）等等）。有利地，振动传感器3包括沿着垂直轴线排列以便能够至少沿着两个轴线检测振动的多个单轴设备，优选地，所述两个轴线相互正交并包含在与铁轨的平面垂直的平面内，即沿着Z轴线（竖直方向）和沿着Y轴线（横向方向）。信号处理设备将使振动传感器3的信号能够被处理，从而能够在初始处理之后按照输出值来供电，其中通过设备6传送该输出值。由于由MEMS类型的惯性传感器现今所实现的精度和可靠度水平，可以将惯性传感器3安装在座8所容纳的支撑件7上，其中座8由螺栓1的头9定义。特别地，支撑件7大致为平面，且与螺栓1的螺纹杆10垂直。另外，传送器6和车上中央处理器CPU也被装配在支撑件7上。有利地，至少车上中央处理器CPU和惯性传感器3也在轴线方向上被完全容纳在头9内的座8中。

能量转换器5（仅在图中被示意性地示出）优选为磁感应类型，且被配置成将动能转化为电能，并且，特别地被配置成为电池组2充电。根据优选实施例，能量转换器5包括质量弹簧系统，其中质量块包括永久磁体。该质量块的磁场与多个线匝连在一起，如果质量块移动，则该线匝传输电流。特别地，质量-弹簧系统的尺寸设计成在铁路车皮以巡航速度行驶时通常所检测到的频率范围内进入谐振。

根据本发明，能量转换器5和电池组2被容纳在杆10的盲孔11内。另外，能量转换器5被牢固地固定在该杆上，以便能最有效地传递振动。例如，能量转换器5被包在外壳内，并在孔11内通过过盈配合而固定到杆10。此外，同样地，支撑件7通过聚合树脂固定，在聚合树脂变硬后，支撑件7将来自螺栓8的机械振动传递给MEMS惯性传感器3，并能够对高频振动起到过滤作用。例如，树脂可为环氧基体树脂（epoxy-matrix resin）。

优选地，螺栓1为轴盒的螺栓，该轴盒径向地支撑货运车皮的转向架的轴，并且温度传感器4设置在杆10的底部12的附近，以便离轴盒轴承尽可能得近并检测那里的温度。

螺栓1形成了检测系统的一部分，该检测系统包括装配在车皮上的本地控制单元和装配在火车头上的主控制单元，并设置有告警和/或显示设备以向驾驶员发送异常信号。每个本地控制单元自身可设置比螺栓1的转换器功率更大的电能-机械能转换器。优选地，螺栓1和各自的本地控制单元，以及本地控制单元和主控制单元通过无线协议进行通信，有利地，无线协议为低能耗且短距离类型，如美国电气和电子工程师协会（Institute ofElectrical and Electronics Engineers，IEEE）802.15.4协议或比如由“ZigBee（注册商标）”联盟开发的ZigBee协议。

使用中，转向架受到各种性质的动态应力，比如当拐弯和/或跟随铁路路基硬度的不均匀性时所产生的动态应力，和/或由铁轨磨损导致的动态应力和因车轮-铁轨接触而由车辆动力学所导致的动态应力。机械振动被转化为电能，以通过能量转换器5为电池2充电。

电池2向惯性传感器2和温度传感器4供电。此外，电池2还向传送器6供电，传送器6向装配在车皮上的控制单元和/或存在于火车头中的控制单元发送数据。

根据本发明，车上中央处理单元CPU被编程以节约能量。特别地，车上中央处理单元被编程，以至少在车皮移动时激活信号的检测和传送。也就是，当车皮静止时不执行检测和传送。可能存在由电压门限直接控制的被编程的测量和等待循环，其中该电压门限由小型转换器6产生。通过使门限低于由无缺陷转向架在巡航速度下所产生的能量水平的方式，如果转换器6产生高于预设水平的电力，则转换器6将能够开启并传送数据。

螺栓1的车上数据处理逻辑由诸如循环时间、激活和关断次数以及激活和测量门限等可编程参数所特征化。特别地，循环时间涉及振动和/或温度水平的测量循环。以这种方式，测量不是连续的，而是通过对测量循环时间进行编程来调整。比如，激活门限基于由转换器5所产生的电力来进行编程。特别地，如果所产生的电力小于门限，那么转向架很可能被移进车站或进行维护操作，从而没必要执行诊断测量。门限被预设在这样的水平，其中超过该水平，转向架很可能带着车上的负载而移动。在该条件下，诊断明显是有用的，特别地，至少一个测量循环被激活。

优选地，参考图2，螺栓1可被用来以下述方式固定轴20的轴承19：温度传感器4与轴承19的轴盒接近，并且优选地与轴承19的轴盒接触。另外，螺栓1可以是制动系统21的螺栓或转向架的主悬吊件22的螺栓。在铁路车辆中，该主悬吊件通过弹性元件（弹簧）和可能的阻尼元件（减震器）使铁路轮轴（railway axle）能够与转向架的支架机械连接。

可为每一个轴承19提供螺栓1，且每一个螺栓1发送相应的唯一识别码，以使每一个轴承19以一对一的方式与来自对应螺栓1的数据相关联。

根据本发明的螺栓1所具有的优点概述如下。

由于传感器3、4所需的全部能量都由能量转换器5所提供，因此，对货运列车的监视可在零能耗的情形下以可靠且精确的方式执行。以这种方式，不需要针对车皮请求批准。此外，各种组件在螺栓1内排列成能够更有效地利用可用的空间。特别地，能量转换器5可具有相对大的尺寸，并因此与电池组2一起被设置在杆10内。以这种方式，将转换器固定到杆也更简单了，并使来自振动的能量转换最大化。

螺栓1因而形成了用来测量和传送关于铁路转向架的数据的诊断仪器的一部分，比如，螺栓1可直接用来替代在轴盒盖上的紧固螺栓（图4细节“a”），或者替代用于封闭轴盒轴承包装的（三个）螺栓之一（图4细节“b”）。用于所述用途的螺栓是通常包括在M16至M20之间的类型。螺栓的内部存储器以无线方式的可编程性，比如传送器6的可编程性，使得该系统的诊断参数能够被设定。特别地，应该强调的是，测量螺栓可替代在M16至M20之间的范围内的全部螺栓，以封闭轴盒盖以及轴盒轴承，而无需重新调整螺纹座和/或提供专用的螺纹座。

MEMS传感器3是特别紧凑的，并且可被容纳在螺栓1的头9内。另外，无需在转向器上应用仪器，且该组件能完全关于维护转向架的车间以远程的方式来制造和测试。另外，安装无需专业的劳力来应用该动态测量仪器。

温度传感器4监视对诸如轴或制动垫的支撑轴承等铁路转向器部件的磨损评估来说较重要的其他参数。

检测振动的RMS水平而非瞬时值能够减小组件1所需的运行能量。

螺栓1可以无线模式编程，以避免为了进行再编程而拆除的需要。

基于测量循环而非连续测量且基于存在最小电力门限值（低于该门限值的条件下，传感器不被激活且不传送数据）的事实的控制方法，能够减小电池组2的尺寸，从而使在杆10中的安装更简单，且为小型转换器5的安装留出更多的空间。

最后，显然可在不脱离所附权利要求书中所指出的保护范围的情形下对这里所描述和说明的螺栓1进行修改或变型。

Claims (10)

1.一种用于固定铁路转向架的测量和传送螺栓或螺纹元件，所述螺栓或螺纹元件包括：头（9），在所述头（9）内定义了座（8），而所述头（9）被配置为通过工具被拧紧；螺纹杆（10），在所述螺纹杆（10）内定义了孔（11）；小型振动传感器（3）；传送器（6）；电池（2），其用于向所述振动传感器（3）和传送器（6）供电；以及小型转换器（5），其用于将来自振动的机械能转换成电能，以便为所述电池（2）充电，其中，所述传送器（6）和所述振动传感器（3）被容纳在所述座（8）内且所述的小型机械能-电能转换器（5）和所述电池（2）被容纳在所述孔（11）内。

2.如权利要求1所述的螺栓或螺纹元件，其特征在于，所述小型机械能-电能转换器（5）被直接固定到所述杆（10），并将所述铁路转向架的运动所产生的振动转换成电能。

3.根据前述任意一项权利要求所述的螺栓或螺纹元件，其特征在于，所述振动传感器（3）被连接到传送器（6），并且所述螺栓或螺纹元件包括用于执行数据初始处理的可编程的中央处理单元（CPU），其中所述数据初始处理包括:将所述转换器（5）产生的电力与预设门限值相比较的步骤，以及如果所述电力高于所述门限则激活测量循环的步骤。

4.如权利要求3所述的螺栓或螺纹元件，其特征在于，所述传送器（6）包括所述中央处理单元（CPU）和存储器，且可编程。

5.如权利要求3或权利要求4所述的螺栓或螺纹元件，其特征在于,所述中央处理单元（CPU）可以无线方式编程。

6.如前述任意一项权利要求所述的螺栓或螺纹元件，其特征在于，所述螺栓或螺纹元件包括在所述杆（10）的端部处设置在所述孔（11）中的温度传感器（4）。

7.如前述任意一项权利要求所述的螺栓或螺纹元件，其特征在于，所述振动传感器（3）和所述转换器（5）中的至少一个为微机电系统（MEMS）。

8.一种铁路转向架，所述铁路转向架包括根据前述任意一项权利要求所述的测量和传送螺栓或螺纹元件，所述螺栓在M16至M20之间，且被用于固定轴盒盖或轴盒轴承包装。

9.一种铁路车皮，所述铁路车皮包括根据权利要求1至7中任意一项所述的螺栓或螺纹元件，或者包括根据权利要求8所述的转向架，其特征在于，所述铁路车皮包括本地控制单元，所述本地控制单元被配置为通过无线通信协议连接到所述螺栓（1），且与其他车皮的其他控制单元构成无线电链路。

10.一种用于处理如权利要求1至7中任意一项所述的螺栓或螺纹元件的数据的方法，其特征在于，所述方法包括:将所述转换器（5）产生的电力与预设门限值相比较的步骤，以及如果所述电力高于所述门限则激活测量循环的步骤，所述测量循环的循环时间和所述门限是可编程的。

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