專利名稱：檢測軌行車車輪中的圓度缺陷的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測軌行車車輪中的圓度缺陷的方法和裝置。
一個車輪滾動表面的主要圓度缺陷可以總結如下-由于在軌行車行駛中由于車輪被鎖定，或者更為通常地說，由于閘瓦的錯誤操作而在車輪處于軌道上的滾動表面上出現一個平的部分；-由于形成車輪的材料的不均勻性而造成的車輪的不均勻磨損，該磨損呈現出一個不同于圓形的形狀輪廓，例如橢圓形或凸輪形。
已知非圓車輪將導致振動，這除了不利地影響軸的操作性能外，還會造成對車輛其它部件的損壞，并隨著時間的推移而降低其安全性。
迄今為止，檢測車輪狀況的方法一直被局限于周期控制，在這種情況下會有一個專家隨車感受其舒適度。根據當時的情況，該專家指出，在八個車輪當中至少有一個需要更換，或者需要維護調停，在維護中該車輪將進行其輪廓圓度的調整。
應該指出，這種檢測方法不允許及時預期或檢測出圓度缺陷的產生以在損壞變得更糟之前調停。
US 5433111專利公開了一種裝置，其用于檢測與一組軌行車車輪有關的錯誤狀態和檢測與其上行駛于給定軌行車的軌道有關的錯誤狀態。該裝置包括用于產生表示車輪轉速的數據的測量機構；一組適于產生表示沿三維正交軸線的運動的數據的加速計，其中這些軸線之一通常是垂直于軌道的；一個數據處理器，其適于基于所接收的轉速和運動數據檢測一個與該軌行車的至少一個車輪有關的錯誤狀態。
這些已知系統的局限性在于，它們不允許區分反常的振動是否是由于車輪造成的，還是由于軸承，或者是由于軌道或者是由于其它原因造成的。另外，上述現有技術不允許在一個軌行車中識別出是哪個或哪些個車輪受到缺陷的影響。
本發明的一個目的是及時預期和/或識別這類缺陷及其精確位置，并在圓度缺陷真正發生時給出警報，特別是區分出車輛或火車的哪一個車輪受到缺陷的影響。
本發明的另一個目的是提供車輪操作狀態的一種連續監控，以得到涉及缺陷變化的真正的時間信息，從而它可以在嚴重缺陷時緊急調停，或者根據所檢測出的缺陷的程度延遲調停，或者仍考慮不調停的機會，例如當一個操作缺陷被消除或正在被消除時。
本發明的另一個目的是優化維護，從而只在合適或必需的時候才調停，因此減少了所有維護的停車時間。
這些或其它將下文被更好地理解的目的根據本發明的第一方面通過權利要求1所限定的方法實現。
根據本發明的另一方面，在此設置了一個如權利要求9中限定的裝置。
其它的重要特性在從屬權利要求中被限定。
本發明的特征和優點將從一個結合附圖、純粹以非限定性示例提出的實施例中清楚地得知，附圖所示為

圖1是一個簡視圖，示出了一個與按本發明的裝置相關聯的軌行車的一個車輪；圖2是一個方塊圖，示出了一個按本發明的裝置中的信號的產生和處理；圖3示出了一個表示圖1的車輪在時域中的垂直運動的信號的一系列連續幀；和圖4示出了一個作為圖3的連續幀的均值的信號。
首先參見圖1，標號1簡要地示出了一個正在軌道2上行駛的一個軌行車的一個車輪。一個適于檢測垂直方向x中的加速度的運動傳感器3安裝在一個固定支撐元件4上，該固定支撐元件固定在一個支撐該車輪軸的元件上或與該元件整體形成。
圖1中所示的這些元件對于本領域的技術人員是公知的，因此在本發明中不作詳細說明。例如，固定支撐元件4可以是軸承的軸箱，或者是該軸箱的外蓋，或者是該軸承的外固定擋圈，或者是一個安裝在所述外固定擋圈上的密封插入件。
運動傳感器3優選包括一個已知類型的壓電加速器，該加速器與一個放大器相關聯，該放大器與該加速器安裝在同一個主體中。
在圖1中示出了一個示例，其中該車輪的滾動圓周具有一個平的部分5，從而當該車輪轉動并通過該平的部分時，該車輪便經受一個垂直的加速度，該加速度由運動傳感器3檢測出；其結果是，該傳感器產生一個表示車輪1沿垂直軸線x的運動的信號。
優選的是，垂直運動信號通過硬件和/或軟件濾波機構濾波，以從所有不相關的振動分量的信號中除去，并只對那些將受到控制的現象減小信號的諧波含量，即由具有非圓輪廓的車輪滾動產生的振動。
該車輪裝配有一個速度傳感器6，其與一個和軸一起快速轉動的編碼器7相關聯，例如一類通常用于檢測轉速的沖擊輪。速度傳感器6安裝在一個固定支撐元件上，優選為固定在一個支撐該車輪軸的元件上或與該元件整體形成。
速度傳感器和相關編碼器或沖擊輪(其可以是任何已知的類型)的結構和工作特征本身對于理解本發明是不重要的，因此不在此進行詳細說明。在此只需說明，當車輪1轉動時，它與編碼器7一起快速轉動，從而處于編碼器影響下的速度傳感器6提供一個表示車輪轉速的信號，通常是一個頻率正比于車輪角速度的信號。
在圖1中為了簡明起見，示出了一個示例，其中速度傳感器6安裝在支撐運動傳感器3的同一個元件4上。顯而易見，選擇將傳感器3和6安裝在一個共同的支撐元件上可以構成一個在某種使用環境中的優選的解決方案，但是這不是執行本發明目的的必需特征。
在一個優選實施例中，速度傳感器6裝配在軸承的固定外擋圈上。
根據一個第一實施例，編碼器7具有一個不規則的形狀，例如一個較長的齒或一個缺少的凹部；其作為車輪的某個角位置的參考點，并相應于車輪圓周上的一點。在這種情況下，速度傳感器6將在車輪每轉過完一周時提供一個信號脈沖或信號。
作為一個替代形式，根據一個優選實施例，一個具有一定數目n個(例如n＝80)扇齒的沖擊輪被用作為一個編碼器，從而與該沖擊輪相關聯的速度傳感器將在車輪每轉過完一周時發出n個脈沖。這些由速度傳感器產生的脈沖被供給一個除法器，其被n除后的輸出向由速度傳感器接收的每n個脈沖提供一個脈沖。
在另一個情況中，在車輪每轉過完一周時輸出的速度脈沖S或信號被供給到一個電子處理單元E(圖2)，該單元也接收來自垂直運動傳感器3的信號M。
電子處理單元E與兩個信號M、S相關聯，并在后面的時間部分或幀中用車輪的轉速信號或脈沖S除垂直運動信號M，每一個信號都相應于車輪轉完整一周。
這些幀儲存在電子處理單元E中，或者儲存在其它連接在其上的電子裝置中，并形成數個如圖3中重疊地示出的那些幀，在此車輪在轉完整一周中受到的垂直加速度被沿縱座標復制。該數據采集在一個特定的時間階段內連續的執行。
重點要指出的是，當車輪經過軌道的一個局部不平整的地方時，例如鐵軌連接的不連續處，或者鐵軌上有一些點或外來物，便產生一個垂直運動的反常信號。因此，相應得到一個反常的幀，其相對于其它幀明顯不同，如果彼此不是幾乎相同的，那它們就不是相似的。
因此，可以周期地計算，例如每隔50幀或以一個任意選擇的時間間隔，在該時間間隔中得到在所有這些幀之間的相關函數或索引，不予處理那些具有低于一個預設量的，即明顯不同于其它值的相關值的幀。
通過計算所保留幀，即那些相似的幀的均值，得到一個均值波形(圖4)，其只包含涉及車輪圓度缺陷的信息，而不包含所有非重復性事件，即由于其它原因，例如軌道的不規則性造成的事件。
由于只有同步頻率是車輪轉完整一周的頻率，所以該最終均值不僅不考慮由于車輪上的外來物造成的力，而且也不考慮其它由于另外的具有與車輪轉速不同的速度的轉動部件(例如軸承的滾子)的可能的不規則性造成的力。事實上，由于其它轉動部件造成的力具有與車輪的頻率不同的頻率，因為它們不與車輪的轉動同步，所以它們不影響最終的均值。
換言之，與車輪的旋轉周期同步的車輪垂直運動的檢測在最終均值中是不相關的，該最終均值是在車輪經受非重復性力的旋轉中檢測的數據，更為通常的是，任何從具有與車輪轉動頻率不同的頻率的力中獲得的數據。顯然，該數據采集應該在一個足夠長的時間階段內執行，從而使反常幀在統計上不相關。
顯而易見，本發明的方法在理論上與火車行駛的速度無關。然而，由申請者進行的試驗示出，較好的結果可在火車以一個大體在100km/h的恒定速度行駛時得到。為了得到從儲存的幀(圖3)開始的該最終平均波形(圖4)，可以使用許多統計算法，例如指數移動平均數、均值、均方差等。
上述數據采集可對于所有軌行車的車輪進行，從而它可以檢測缺陷的發生或預測一個初始缺陷的狀況并隨時間跟隨該缺陷的發展，也可以識別涉及的車輪。
電子處理單元E布置用于在達到或超過一個識別出真正缺陷或初始缺陷狀態的預定閾值時自動發出一個警報信號A。
仍根據本發明，如果速度信號或脈沖在一個相應于車輪圓周上的一個精確點的特定角位置處產生，則如此得到的幀將具有一個相應于該位置的起始點。因此，車輪的平均波形將實際代表車輪輪廓的一個極(坐標)圖，并精確示出沿圓周的缺陷位置。
權利要求
1.一種檢測軌行車車輪中圓度缺陷的方法，包括如下步驟(a)設置運動傳感機構(3)，其與一個軌行車的車輪(1)相關聯，用于產生一個表示該車輪沿一個大體垂直的軸線(x)的運動的信號(M)；(b)設置轉動傳感機構(6)，用于供給表示車輪(1)的轉速的信號(S)；(c)通過一個電子處理單元(E)接收運動信號(M)和轉速信號(s)，在隨后的時間部分或幀中用轉速信號(S)去除垂直運動信號(M)以比較所述這些信號，每一個幀都相應于該車輛轉完整一周；(d)儲存運動信號(M)的所述隨后的時間部分；(e)計算在一個時間階段中儲存的運動信號所述隨后的時間部分的均值，以在所述均值的基礎上識別該車輪的真正的或初始的圓度缺陷。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟(e)中計算的均值是在多個隨后的時間部分的基礎上計算的，從而使那些包含有表示不是與車輪(1)的轉速頻率同拍地重復的力的數據在統計上不相關。
3.按權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)包括濾波運動信號(M)的步驟，以從中消除所有不由該車輪在軌道上滾動時產生的振動分量。
4.按權利要求1所述的方法，其特征在于，產生該轉速信號的步驟(b)包括如下步驟在該車輪每轉完整一周時產生一個單一的轉速信號。
5.按權利要求1所述的方法，其特征在于，產生該轉速信號的步驟(b)包括如下步驟在該車輪每轉完整一周時產生多個(n)個脈沖，和將所述脈沖發射到一個除以n的除法器，該除法器在每收到n個脈沖時發出一個單一的轉速輸出信號。
6.按權利要求1所述的方法，其特征在于，接收信號(M、S)的步驟(c)在車輛以一個大體恒定的速度行駛時執行。
7.按權利要求1所述的方法，其特征在于，接收信號(M、S)的步驟(c)在車輛以一個超過100km/h的速度行駛時執行。
8.按權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(e)后面有如下步驟當隨后時間部分的均值達到或超過一個預定閾值時，自動發出一個警報信號(A)。
9.一個用于檢測一個軌行車車輪圓度缺陷的裝置，包括運動傳感器(3)，其與一個軌行車的一個車輪(1)相關聯，并適于提供一個表示該車輪沿一個大體垂直的軸線(x)的運動的信號(M)；轉動傳感機構(6)，適于提供表示車輪(1)的轉速的信號(S)；電子處理單元(E)，適于-接收運動信號(M)和轉速信號(S)；-在隨后的時間部分中用轉速信號(S)去除垂直運動信號(M)以比較所述這些信號，每一個幀都相應于該車輛轉完整一周；-儲存運動信號(M)的多個隨后的時間部分；-計算在一個時間階段中儲存的運動信號(M)所述隨后的時間部分的均值，和-以在所述均值的基礎上識別該車輪的真正的或初始的圓度缺陷。
10.按權利要求9所述的裝置，其特征在于，還包括濾波電路機構，其適于濾波運動信號(M)，以從中消除所有不由該車輪在軌道上滾動時產生的振動分量。
11.按權利要求9所述的裝置，其特征在于，還包括警報機構，其適于當隨后時間部分的均值達到或超過一個預定閾值時，自動發出一個警報信號(A)。
12.按權利要求9所述的裝置，其特征在于，運動傳感器(3)與一個編碼器(7)相關聯，其適于在該車輪每轉完整一周時產生一個單一的轉速信號。
13.按權利要求9所述的裝置，其特征在于，運動傳感器(3)與一個編碼器(7)相關聯，其適于在該車輪每轉完整一周時產生多個(n)個脈沖，該裝置還包括被n平均的除法器，該除法器與運動傳感器(3)以工作方式相關聯，并在每收到n個脈沖時發出一個單一的轉速輸出信號。
14.按權利要求9所述的裝置，包括與一個軌行車車輪中的每一個車輪相耦連的運動傳感器(3)和速度傳感器(6)。
15.按權利要求9所述的裝置，其特征在于，運動傳感器(3)安裝在一個支撐車輪(1)的軸的元件(4)上。
全文摘要
運動傳感器(3)，其與一個軌行車的一個車輪(1)相關聯，并產生一個表示該車輪沿一個大體垂直的軸線(x)的運動的信號(M)。轉動傳感機構(6)，提供表示車輪(1)的轉速的信號(S)。運動信號(M)和轉速信號(S)由電子處理單元(E)接收，該電子處理單元在隨后的時間部分或幀中用轉速信號(S)去除垂直運動信號(M)以比較所述這些信號，每一個幀都相應于該車輛轉完整一周。計算在一個時間階段中儲存的運動信號所述隨后的時間部分的均值，以識別該車輪的真正的或初始的圓度缺陷。
文檔編號G01B21/12GK1446160SQ01813771
公開日2003年10月1日 申請日期2001年6月5日 優先權日2000年6月6日
發明者R·莫雷蒂, S·塞馬 申請人:Skf工業股份公司