專利名稱：應(yīng)用能量自給式測(cè)量和傳送螺栓來診斷鐵路轉(zhuǎn)向架的設(shè)備及相應(yīng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)和發(fā)送與機(jī)械設(shè)備(如，以鐵路轉(zhuǎn)向器為例)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力有關(guān)的數(shù)據(jù)的測(cè)量和無線傳送螺栓和包含所述組件的鐵路轉(zhuǎn)向器。此外，本發(fā)明涉及所述無線組件的數(shù)據(jù)處理邏輯。
背景技術(shù)：
鐵路轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)力測(cè)量，對(duì)于監(jiān)視機(jī)車車輛(rolling stock)的磨損狀態(tài)并且只在必要時(shí)執(zhí)行維護(hù)操作是必不可少的。實(shí)際上，維護(hù)操作費(fèi)用昂貴且需要停工時(shí)間，停工時(shí)間降低了與鐵道機(jī)車車輛使用相關(guān)聯(lián)的利潤(rùn)。但是，維護(hù)操作對(duì)于防止火車使用時(shí)的故障和損壞是異常重要的。因此，應(yīng)用可靠的診斷方法以便以有效的方式建立機(jī)車車輛狀態(tài)并對(duì)維護(hù)操作進(jìn)行編程從而降低鐵道機(jī)車車輛自身管理費(fèi)用是非常重要的。
特別地，客運(yùn)列車的車廂是帶電的，因此可為轉(zhuǎn)向架裝備由線電流供電的傳感器和傳送器。相反，貨運(yùn)列車的車皮未與電源相連，車上診斷儀器要求安裝電源和從火車頭開始行經(jīng)整個(gè)列車的數(shù)據(jù)傳輸布線。所述診斷系統(tǒng)的費(fèi)用顯然很昂貴且也需要復(fù)雜的維護(hù)， 因?yàn)樵诎l(fā)生故障，特別是電接觸中斷的情況下，需要在沿著整個(gè)列車的布線上進(jìn)行測(cè)試。
另外，鐵路列車，特別是貨運(yùn)列車，受限于嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，這限制了更改車皮的可能性。特別地，未經(jīng)批準(zhǔn)，在轉(zhuǎn)向架上安裝測(cè)量?jī)x器通常是不被允許的，其需要高昂的執(zhí)行費(fèi)用和較長(zhǎng)的停工時(shí)間。
從生產(chǎn)的角度考慮，發(fā)現(xiàn)需要提供在尺寸上能夠替代軸盒內(nèi)的現(xiàn)有螺栓且具有適于降低生產(chǎn)費(fèi)用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)量螺栓。同時(shí)，需要考慮由螺栓的尺寸所帶來的嚴(yán)格空間限制。特別地，需要識(shí)別每一個(gè)部件的優(yōu)化位置，以產(chǎn)生足夠用于裝配在螺栓上的電子無線傳送設(shè)備的運(yùn)行的能量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于檢測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)力和熱應(yīng)力的測(cè)量和傳送組件，該組件將抑制上面指出的缺點(diǎn)且適合以較低成本進(jìn)行生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的通過根據(jù)權(quán)利要求I的小型測(cè)量和傳送組件來實(shí)現(xiàn)。特別地，提供帶有自給電源的小型無線系統(tǒng)，以監(jiān)視鐵路轉(zhuǎn)向架和相應(yīng)部件，其中，自給電源通過振動(dòng)來恢復(fù)能量。


為了更好地理解本發(fā)明，將參考附圖在下文中提供對(duì)本發(fā)明的描述，在附圖中
圖I是根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量螺栓的透視圖，其中為了清晰去掉了一些項(xiàng)；
圖2是安裝有測(cè)量螺栓的鐵路轉(zhuǎn)向架的示意性的透視圖3是圖2的鐵路轉(zhuǎn)向架的詳細(xì)側(cè)視圖；以及
圖4是剖視圖。
具體實(shí)施方式
在圖I中，整體上由I來表示的是用于檢測(cè)和傳送關(guān)于動(dòng)態(tài)壓力的數(shù)據(jù)的螺栓，作為非限制性實(shí)例，該螺栓應(yīng)用于鐵路轉(zhuǎn)向架，特別是應(yīng)用于運(yùn)輸貨物的車皮的鐵路轉(zhuǎn)向架。
組件I包括車上中央處理單元(central processing unit, CPU);可充電電池組2，比如通常在市場(chǎng)上可買到的類型的可充電電池；慣性傳感器3，優(yōu)選為微機(jī)電系統(tǒng) (Micro-Electromechanical Systems, MEMS)類型；用于檢測(cè)第二物理量的傳感器，諸如溫度傳感器4;至少一個(gè)小型機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換器5 (所謂的“振動(dòng)清理器(vibration scavenger)”或“振動(dòng)收獲器(vibration harvester)”)；以及傳送器6,其包括可編程存儲(chǔ)器，并設(shè)置有天線。此外，CPU集成了三個(gè)電子部件，SP :
整流設(shè)備，用于轉(zhuǎn)換由能量轉(zhuǎn)換器5生成的交流電；
將轉(zhuǎn)換器5的輸出處的電壓穩(wěn)定在恒定額定值的設(shè)備。該設(shè)備被連接到慣性傳感器3，并且定義了恒定電壓水平，其中相對(duì)于該恒定電壓水平來檢測(cè)由振動(dòng)引起的電壓變化；以及
微芯片設(shè)備，其用于處理由可集成在傳送器6的芯片中的傳感器3和4所測(cè)量的模擬信號(hào)。優(yōu)選地，以要被傳送的離散門限水平執(zhí)行處理。
根據(jù)本發(fā)明，振動(dòng)傳感器3為電容類型，且通過使用諸如硅微機(jī)械加工技術(shù)等MEMS技術(shù)而被小型化，其中硅微機(jī)械加工技術(shù)包括光刻步驟，且起源于在集成電路上的機(jī)械加工(體微機(jī)械加工(bulk micromachining)、表面微機(jī)械加工(surface micromachining)等等)。有利地，振動(dòng)傳感器3包括沿著垂直軸線排列以便能夠至少沿著兩個(gè)軸線檢測(cè)振動(dòng)的多個(gè)單軸設(shè)備，優(yōu)選地，所述兩個(gè)軸線相互正交并包含在與鐵軌的平面垂直的平面內(nèi)，即沿著Z軸線(豎直方向)和沿著Y軸線(橫向方向)。信號(hào)處理設(shè)備將使振動(dòng)傳感器3的信號(hào)能夠被處理，從而能夠在初始處理之后按照輸出值來供電，其中通過設(shè)備6傳送該輸出值。由于由MEMS類型的慣性傳感器現(xiàn)今所實(shí)現(xiàn)的精度和可靠度水平，可以將慣性傳感器3安裝在座8所容納的支撐件7上，其中座8由螺栓I的頭9定義。特別地，支撐件7大致為平面，且與螺栓I的螺紋桿10垂直。另外，傳送器6和車上中央處理器 CPU也被裝配在支撐件7上。有利地，至少車上中央處理器CPU和慣性傳感器3也在軸線方向上被完全容納在頭9內(nèi)的座8中。
能量轉(zhuǎn)換器5 (僅在圖中被示意性地示出)優(yōu)選為磁感應(yīng)類型，且被配置成將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并且，特別地被配置成為電池組2充電。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，能量轉(zhuǎn)換器5包括質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，其中質(zhì)量塊包括永久磁體。該質(zhì)量塊的磁場(chǎng)與多個(gè)線匝連在一起，如果質(zhì)量塊移動(dòng)，則該線匝傳輸電流。特別地，質(zhì)量_彈簧系統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì)成在鐵路車皮以巡航速度行駛時(shí)通常所檢測(cè)到的頻率范圍內(nèi)進(jìn)入諧振。
根據(jù)本發(fā)明，能量轉(zhuǎn)換器5和電池組2被容納在桿10的盲孔11內(nèi)。另外，能量轉(zhuǎn)換器5被牢固地固定在該桿上，以便能最有效地傳遞振動(dòng)。例如，能量轉(zhuǎn)換器5被包在外殼內(nèi)，并在孔11內(nèi)通過過盈配合而固定到桿10。此外，同樣地，支撐件7通過聚合樹脂固定， 在聚合樹脂變硬后，支撐件7將來自螺栓8的機(jī)械振動(dòng)傳遞給MEMS慣性傳感器3，并能夠?qū)Ω哳l振動(dòng)起到過濾作用。例如，樹脂可為環(huán)氧基體樹脂(epoxy-matrix resin)。
優(yōu)選地，螺栓I為軸盒的螺栓，該軸盒徑向地支撐貨運(yùn)車皮的轉(zhuǎn)向架的軸，并且溫度傳感器4設(shè)置在桿10的底部12的附近，以便離軸盒軸承盡可能得近并檢測(cè)那里的溫度。
螺栓I形成了檢測(cè)系統(tǒng)的一部分，該檢測(cè)系統(tǒng)包括裝配在車皮上的本地控制單元和裝配在火車頭上的主控制單元，并設(shè)置有告警和/或顯示設(shè)備以向駕駛員發(fā)送異常信號(hào)。每個(gè)本地控制單元自身可設(shè)置比螺栓I的轉(zhuǎn)換器功率更大的電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，螺栓I和各自的本地控制單元，以及本地控制單元和主控制單元通過無線協(xié)議進(jìn)行通信，有利地，無線協(xié)議為低能耗且短距離類型，如美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute ofElectrical and Electronics Engineers, ΙΕΕΕ)802· 15. 4 協(xié)議或比如由“ZigBee (注冊(cè)商標(biāo))”聯(lián)盟開發(fā)的ZigBee協(xié)議。
使用中，轉(zhuǎn)向架受到各種性質(zhì)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，比如當(dāng)拐彎和/或跟隨鐵路路基硬度的不均勻性時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，和/或由鐵軌磨損導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和因車輪_鐵軌接觸而由車輛動(dòng)力學(xué)所導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。機(jī)械振動(dòng)被轉(zhuǎn)化為電能，以通過能量轉(zhuǎn)換器5為電池 2充電。
電池2向慣性傳感器2和溫度傳感器4供電。此外，電池2還向傳送器6供電，傳送器6向裝配在車皮上的控制單元和/或存在于火車頭中的控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明，車上中央處理單元CPU被編程以節(jié)約能量。特別地，車上中央處理單元被編程，以至少在車皮移動(dòng)時(shí)激活信號(hào)的檢測(cè)和傳送。也就是，當(dāng)車皮靜止時(shí)不執(zhí)行檢測(cè)和傳送?？赡艽嬖谟呻妷洪T限直接控制的被編程的測(cè)量和等待循環(huán)，其中該電壓門限由小型轉(zhuǎn)換器6產(chǎn)生。通過使門限低于由無缺陷轉(zhuǎn)向架在巡航速度下所產(chǎn)生的能量水平的方式，如果轉(zhuǎn)換器6產(chǎn)生高于預(yù)設(shè)水平的電力，則轉(zhuǎn)換器6將能夠開啟并傳送數(shù)據(jù)。
螺栓I的車上數(shù)據(jù)處理邏輯由諸如循環(huán)時(shí)間、激活和關(guān)斷次數(shù)以及激活和測(cè)量門限等可編程參數(shù)所特征化。特別地，循環(huán)時(shí)間涉及振動(dòng)和/或溫度水平的測(cè)量循環(huán)。以這種方式，測(cè)量不是連續(xù)的，而是通過對(duì)測(cè)量循環(huán)時(shí)間進(jìn)行編程來調(diào)整。比如，激活門限基于由轉(zhuǎn)換器5所產(chǎn)生的電力來進(jìn)行編程。特別地，如果所產(chǎn)生的電力小于門限，那么轉(zhuǎn)向架很可能被移進(jìn)車站或進(jìn)行維護(hù)操作，從而沒必要執(zhí)行診斷測(cè)量。門限被預(yù)設(shè)在這樣的水平，其中超過該水平，轉(zhuǎn)向架很可能帶著車上的負(fù)載而移動(dòng)。在該條件下，診斷明顯是有用的，特別地，至少一個(gè)測(cè)量循環(huán)被激活。
優(yōu)選地，參考圖2，螺栓I可被用來以下述方式固定軸20的軸承19 :溫度傳感器4 與軸承19的軸盒接近，并且優(yōu)選地與軸承19的軸盒接觸。另外，螺栓I可以是制動(dòng)系統(tǒng)21 的螺栓或轉(zhuǎn)向架的主懸吊件22的螺栓。在鐵路車輛中，該主懸吊件通過彈性元件(彈簧)和可能的阻尼元件(減震器)使鐵路輪軸(railway axle)能夠與轉(zhuǎn)向架的支架機(jī)械連接。
可為每一個(gè)軸承19提供螺栓1，且每一個(gè)螺栓I發(fā)送相應(yīng)的唯一識(shí)別碼，以使每一個(gè)軸承19以一對(duì)一的方式與來自對(duì)應(yīng)螺栓I的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明的螺栓I所具有的優(yōu)點(diǎn)概述如下。
由于傳感器3、4所需的全部能量都由能量轉(zhuǎn)換器5所提供，因此，對(duì)貨運(yùn)列車的監(jiān)視可在零能耗的情形下以可靠且精確的方式執(zhí)行。以這種方式，不需要針對(duì)車皮請(qǐng)求批準(zhǔn)。 此外，各種組件在螺栓I內(nèi)排列成能夠更有效地利用可用的空間。特別地，能量轉(zhuǎn)換器5可具有相對(duì)大的尺寸，并因此與電池組2 —起被設(shè)置在桿10內(nèi)。以這種方式，將轉(zhuǎn)換器固定到桿也更簡(jiǎn)單了，并使來自振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換最大化。
螺栓I因而形成了用來測(cè)量和傳送關(guān)于鐵路轉(zhuǎn)向架的數(shù)據(jù)的診斷儀器的一部分， 比如，螺栓I可直接用來替代在軸盒蓋上的緊固螺栓(圖4細(xì)節(jié)“a”)，或者替代用于封閉軸盒軸承包裝的(三個(gè))螺栓之一(圖4細(xì)節(jié)“b”)。用于所述用途的螺栓是通常包括在M16至 M20之間的類型。螺栓的內(nèi)部存儲(chǔ)器以無線方式的可編程性，比如傳送器6的可編程性，使得該系統(tǒng)的診斷參數(shù)能夠被設(shè)定。特別地，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，測(cè)量螺栓可替代在M16至M20之間的范圍內(nèi)的全部螺栓，以封閉軸盒蓋以及軸盒軸承，而無需重新調(diào)整螺紋座和/或提供專用的螺紋座。
MEMS傳感器3是特別緊湊的，并且可被容納在螺栓I的頭9內(nèi)。另外，無需在轉(zhuǎn)向器上應(yīng)用儀器，且該組件能完全關(guān)于維護(hù)轉(zhuǎn)向架的車間以遠(yuǎn)程的方式來制造和測(cè)試。另外， 安裝無需專業(yè)的勞力來應(yīng)用該動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x器。
溫度傳感器4監(jiān)視對(duì)諸如軸或制動(dòng)墊的支撐軸承等鐵路轉(zhuǎn)向器部件的磨損評(píng)估來說較重要的其他參數(shù)。
檢測(cè)振動(dòng)的RMS水平而非瞬時(shí)值能夠減小組件I所需的運(yùn)行能量。
螺栓I可以無線模式編程，以避免為了進(jìn)行再編程而拆除的需要。
基于測(cè)量循環(huán)而非連續(xù)測(cè)量且基于存在最小電力門限值(低于該門限值的條件下，傳感器不被激活且不傳送數(shù)據(jù))的事實(shí)的控制方法，能夠減小電池組2的尺寸，從而使在桿10中的安裝更簡(jiǎn)單，且為小型轉(zhuǎn)換器5的安裝留出更多的空間。
最后，顯然可在不脫離所附權(quán)利要求書中所指出的保護(hù)范圍的情形下對(duì)這里所描述和說明的螺栓I進(jìn)行修改或變型。
權(quán)利要求
1.一種用于固定鐵路轉(zhuǎn)向架的測(cè)量和傳送螺栓或螺紋元件，所述螺栓或螺紋元件包括頭(9)，在所述頭(9)內(nèi)定義了座(8)，而所述頭(9)被配置為通過工具被擰緊；螺紋桿(10)，在所述螺紋桿(10)內(nèi)定義了孔(11);小型振動(dòng)傳感器(3);傳送器(6);電池(2)，其用于向所述振動(dòng)傳感器(3)和傳送器(6)供電；以及小型轉(zhuǎn)換器(5)，其用于將來自振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，以便為所述電池(2)充電，其中，所述傳送器(6)和所述振動(dòng)傳感器(3)被容納在所述座(8)內(nèi)且所述的小型機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換器(5)和所述電池(2)被容納在所述孔(11)內(nèi)。
2.如權(quán)利要求I所述的螺栓或螺紋元件，其特征在于，所述小型機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換器(5)被直接固定到所述桿(10)，并將所述鐵路轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能。
3.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的螺栓或螺紋元件，其特征在于，所述振動(dòng)傳感器(3)被連接到傳送器(6)，并且所述螺栓或螺紋元件包括用于執(zhí)行數(shù)據(jù)初始處理的可編程的中央處理單元(CPU)，其中所述數(shù)據(jù)初始處理包括將所述轉(zhuǎn)換器(5)產(chǎn)生的電力與預(yù)設(shè)門限值相比較的步驟，以及如果所述電力高于所述門限則激活測(cè)量循環(huán)的步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的螺栓或螺紋元件，其特征在于，所述傳送器(6)包括所述中央處理單元(CPU)和存儲(chǔ)器，且可編程。
5.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的螺栓或螺紋元件，其特征在于，所述中央處理單元(CPU)可以無線方式編程。
6.如前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的螺栓或螺紋元件，其特征在于，所述螺栓或螺紋元件包括在所述桿(10)的端部處設(shè)置在所述孔(11)中的溫度傳感器(4)。
7.如前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的螺栓或螺紋元件，其特征在于，所述振動(dòng)傳感器(3)和所述轉(zhuǎn)換器(5)中的至少一個(gè)為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。
8.一種鐵路轉(zhuǎn)向架，所述鐵路轉(zhuǎn)向架包括根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的測(cè)量和傳送螺栓或螺紋元件，所述螺栓在M16至M20之間，且被用于固定軸盒蓋或軸盒軸承包裝。
9.一種鐵路車皮，所述鐵路車皮包括根據(jù)權(quán)利要求I至7中任意一項(xiàng)所述的螺栓或螺紋元件,或者包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)向架,其特征在于,所述鐵路車皮包括本地控制單元，所述本地控制單元被配置為通過無線通信協(xié)議連接到所述螺栓(I )，且與其他車皮的其他控制單元構(gòu)成無線電鏈路。
10.一種用于處理如權(quán)利要求I至7中任意一項(xiàng)所述的螺栓或螺紋元件的數(shù)據(jù)的方法，其特征在于，所述方法包括將所述轉(zhuǎn)換器(5)產(chǎn)生的電力與預(yù)設(shè)門限值相比較的步驟，以及如果所述電力高于所述門限則激活測(cè)量循環(huán)的步驟，所述測(cè)量循環(huán)的循環(huán)時(shí)間和所述門限是可編程的。
全文摘要
用于鐵路轉(zhuǎn)向架的測(cè)量和傳送螺栓或螺紋元件包括頭(9)，在頭(9)內(nèi)定義了座(8)；螺紋桿(10)，在螺紋桿(10)內(nèi)定義了孔(11)；小型振動(dòng)傳感器(3)；傳送器(6)；電池(2)，其用于向所述MEMS振動(dòng)傳感器(3)和所述傳送器(6)供電；以及小型轉(zhuǎn)換器(5)，其用于將來自振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，以為電池(2)充電。特別地，傳送器(6)和振動(dòng)傳感器(3)被容納在座(8)中，且小型轉(zhuǎn)換器(5)和電池(2)被容納在孔(11)中。
文檔編號(hào)G01M13/04GK102933946SQ201180020558
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者奧雷利奧·索瑪, 喬治·德帕斯夸萊 申請(qǐng)人:都靈理工大學(xué)