本發(fā)明涉及鐵路軌道的狀態(tài)監(jiān)測。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于使用垂直加速度測量來確定軌道表面的垂直輪廓的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鐵路軌道的軌道表面由于輪軌相互作用而經(jīng)歷磨損。隨著時(shí)間的推移，軌道表面可能經(jīng)常顯示被稱為波紋的缺陷，這是循環(huán)磨損的形式。嚴(yán)重的波紋將減少在軌道上行駛的軌道車輛的使用壽命，這意味著對(duì)于鐵路和基礎(chǔ)設(shè)施操作者來說能夠檢測這種表面缺陷是重要的，以便可以執(zhí)行必要的軌道維護(hù)。

軌道記錄車輛是已知的，其包括用于測量鐵路軌道的許多不同屬性的儀器。這些是專門的車輛，它們可以僅以不頻繁的間隔操作，特別是在繁忙的線路上。使用在用車輛(in-servicevehicle)是更可取的。

從ep2464555中可以獲知使用從可以安裝到在用車輛的傳感器獲得的測量來檢測軌頂缺陷的方法的一個(gè)示例。該方法采用軸箱加速度信號(hào)。測量垂直和縱向軸箱加速度信號(hào)，其中縱向加速度用于從與輪副的振動(dòng)相關(guān)的垂直加速度信號(hào)中去除信號(hào)部分。

在us6668239中公開了另一個(gè)示例。該方法使用配備有在轉(zhuǎn)向架的每一側(cè)安裝到車輛框架的垂直加速度傳感器的車輛來執(zhí)行。儀表包還包括線性位移傳感器，其連接在框架與每個(gè)軸端處的車輪軸承之間，用于測量車輪相對(duì)于車架的垂直位移。加速度信號(hào)被數(shù)字化并經(jīng)受雙積分，以獲得幀的垂直位移。根據(jù)所獲得的垂直框架位移和車輪相對(duì)于框架的測量位移來計(jì)算軌道的頂面的相應(yīng)位移。

還有改進(jìn)的余地。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明限定了一種確定軌道表面的垂直輪廓的方法，其可以使用每個(gè)軌道僅一個(gè)垂直加速度傳感器實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)高水平的精度。所述方法包括以下步驟：

-通過測量在所述軌道表面上行駛的軌道車輛的轉(zhuǎn)向架的垂直加速度來獲得垂直加速度信號(hào)acc1；

-處理垂直加速度信號(hào)acc1以獲得垂直速度信號(hào)vel1；

-通過使用垂直加速度信號(hào)acc1和垂直速度信號(hào)vel1作為轉(zhuǎn)向架的模擬模型的輸入來確定軌道表面的垂直輪廓信號(hào)，所述模型包括連接到簧載質(zhì)量m2的非簧載質(zhì)量m1，其中垂直加速度信號(hào)acc1表示非簧載質(zhì)量m1的垂直加速度；以及

-測量軌道車輛的線速度信號(hào)n，其中，在確定將垂直輪廓信號(hào)z從時(shí)域轉(zhuǎn)換到距離域的步驟中使用線速度信號(hào)。

優(yōu)選地，在轉(zhuǎn)向架上的軸箱處測量垂直加速度，其支撐在軌道上行駛的車輪，并且因此受到軌道表面中的起伏或波紋的影響。使用轉(zhuǎn)向架的合適模型(例如四分之一轉(zhuǎn)向架模型)來模擬轉(zhuǎn)向架的動(dòng)態(tài)行為。假設(shè)形成轉(zhuǎn)向架的非簧載質(zhì)量的一部分的軸箱經(jīng)由主懸架連接到作為簧載質(zhì)量的第二質(zhì)量。

然后使用系統(tǒng)的已知質(zhì)量參數(shù)、剛度參數(shù)和阻尼參數(shù)、在處理步驟期間獲得的測量的加速度信號(hào)acc1和垂直速度信號(hào)vel1來求解相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程。

在一個(gè)示例中，處理步驟包括使用巴特沃斯濾波器對(duì)垂直加速度信號(hào)acc1進(jìn)行濾波。然后將濾波的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，其中執(zhí)行單個(gè)積分操作。然后使用逆快速傅立葉變換將積分信號(hào)轉(zhuǎn)換回時(shí)域。

在本發(fā)明的方法中，測量的信號(hào)僅經(jīng)受一次積分操作。與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，處理的信號(hào)包括相對(duì)小的噪聲，導(dǎo)致當(dāng)運(yùn)動(dòng)方程被求解時(shí)更準(zhǔn)確的結(jié)果。

適當(dāng)?shù)?，一旦已?jīng)在時(shí)域中計(jì)算了垂直輪廓信號(hào)，則使用線速度信號(hào)將其變換到距離域中。

然后可以根據(jù)它們的波長對(duì)表面缺陷即波紋進(jìn)行分類。在一個(gè)示例中，垂直信號(hào)輪廓在三個(gè)波長帶中進(jìn)行帶通分析：

1.30-80mm；

2.80-300mm；

3.300-1000mm。

不用說，波長帶的數(shù)量及其寬度可以根據(jù)國家或國際規(guī)則而變化。

該信號(hào)可以在每個(gè)帶中使用例如3階巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾波。適當(dāng)?shù)?，在每個(gè)波長帶中執(zhí)行波紋檢測；例如通過對(duì)信號(hào)的rms幅度或峰-峰幅度應(yīng)用閾值。

在另一示例中，本發(fā)明的方法包括將垂直輪廓信號(hào)從距離域轉(zhuǎn)換到波長域。然后可以為特定波長帶的波長域中的信號(hào)幅度定義警報(bào)閾值，使得如果信號(hào)幅度超過閾值的話則發(fā)送警報(bào)。

因此，可以識(shí)別需要修理或維護(hù)的潛在有害的波紋。為了定位缺陷的精確位置，相對(duì)于距已知地理位置的參考點(diǎn)的距離來計(jì)算距離域中的垂直輪廓信號(hào)。該信息可以例如從gps或者從其他位置定位裝置獲得。

本發(fā)明還限定了一種用于檢測軌道表面中的波紋的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

-用于測量垂直加速度的加速度計(jì)，其中所述加速度計(jì)安裝到在所述軌道上行駛的軌道車輛的轉(zhuǎn)向架；

-用于測量軌道車輛的線速度的速度傳感器；

-處理器，配置為從加速度計(jì)接收垂直加速度信號(hào)acc1并且從速度傳感器接收線速度信號(hào)n。

處理器被編程以實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的確定步驟，以獲得軌道表面的垂直輪廓信號(hào)z。

適當(dāng)?shù)?，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還包括用于位置定位的裝置，使得可以參考已知位置的固定參考在距離域中計(jì)算垂直輪廓信號(hào)z。

在一個(gè)實(shí)施例中，處理器還配置為執(zhí)行垂直輪廓信號(hào)的帶通分析，以根據(jù)對(duì)應(yīng)于不同類型波紋的不同波長帶來表征信號(hào)。

在另一實(shí)施例中，處理器配置為將垂直輪廓信號(hào)z轉(zhuǎn)換到波長域中，并且被編程為如果波長域中的信號(hào)的幅度超過為特定波長帶設(shè)置的預(yù)定最大值則發(fā)送警報(bào)。

現(xiàn)在將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。

附圖說明

圖1是包括適于在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用的用于軸承單元的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的列車的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法的示例的流程圖；

圖3描繪了在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用的四分之一轉(zhuǎn)向架模型。

圖4示出了使用本發(fā)明的方法獲得的在距離域中的垂直輪廓信號(hào)的示例。

圖5示出了使用本發(fā)明的方法獲得的在波長域中的垂直輪廓信號(hào)的示例。

具體實(shí)施方式

圖1是包括用于列車的軸承單元的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的列車的示意圖。該系統(tǒng)包括多個(gè)狀態(tài)監(jiān)測單元10—每個(gè)分別用于列車的每個(gè)車輪—用于測量列車軸箱的一個(gè)軸承單元的至少一個(gè)操作參數(shù)。在所示的示例中，狀態(tài)監(jiān)測單元10形成為附接或嵌入到輪轂(未示出)的雙列滾子軸承組件的端板中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。在其他示例中，用于測量和收集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)可以是有線系統(tǒng)。

測量的操作參數(shù)包括振動(dòng)，并且每個(gè)單元10配備有測量垂直方向上的加速度的加速度計(jì)12。通常，還測量軸承溫度。此外，至少一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測單元配備有轉(zhuǎn)速傳感器13。

在列車的機(jī)車中設(shè)置有用于接收和處理從狀態(tài)監(jiān)測單元10獲得的信號(hào)的控制單元18?？刂茊卧?8和狀態(tài)監(jiān)測單元10之間的通信使用天線17a至少部分地是無線的。如果需要，提供每個(gè)貨車或者給一些貨車提供用作無線網(wǎng)絡(luò)管理器的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理器15，用于單元10的電源管理器和作為無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器。無線網(wǎng)絡(luò)可以是單頻帶2.4ghz網(wǎng)絡(luò)或雙頻帶2.4ghz和5ghhz網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)人員可以根據(jù)情況使用其他通信頻率或協(xié)議，包括用于主干以及用于擴(kuò)展器和單元10之間通信的不同協(xié)議。

控制單元18還配備有g(shù)ps天線17c和用于移動(dòng)通信接口的天線17b，所述移動(dòng)通信接口使用gsm、gprs、umts、lte或hsdpa標(biāo)準(zhǔn)。

在圖1的實(shí)施例中，控制單元18包括gps接收器19，其從作為用于檢測地理位置的裝置的衛(wèi)星系統(tǒng)30接收定位信號(hào)。

列車在鐵路軌道(未示出)上行駛。單個(gè)軌道可以包含表面缺陷，例如波紋，其影響由傳感器12測量的垂直加速度。狀態(tài)監(jiān)測單元10的主要目的是收集關(guān)于軸承的健康狀況的數(shù)據(jù)?？刂茊卧?8可被編程為實(shí)時(shí)分析測量的數(shù)據(jù)，或者可以配置為將數(shù)據(jù)發(fā)送到例如服務(wù)器，用于存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。記錄和發(fā)送的數(shù)據(jù)優(yōu)選地用從gps接收器19獲得的位置信息標(biāo)記。

然后可以從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)并通過計(jì)算機(jī)50遠(yuǎn)程地分析，計(jì)算機(jī)50被編程以例如識(shí)別車輪軸承的有缺陷的操作。在本發(fā)明的方法中，所收集的數(shù)據(jù)另外用于軌道的狀態(tài)監(jiān)測。具體地，確定軌道表面的垂直輪廓，以便識(shí)別其中波紋具有可能對(duì)軌道車輛的使用壽命有害的量值的軌道區(qū)段。

本發(fā)明的方法由圖2中的流程圖描述。

在第一步驟100中，從至少一個(gè)加速度計(jì)12獲得垂直加速度信號(hào)acc1。

在第二步驟200中，處理垂直加速度信號(hào)以獲得垂直速度信號(hào)v1。

該處理適當(dāng)?shù)匕▽?duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，例如使用感興趣的通帶中的巴特沃斯濾波器。通常，使用截止頻率為10hz的高通濾波器。濾波的信號(hào)被轉(zhuǎn)換到頻域，然后被積分以獲得頻域中的速度信號(hào)。然后應(yīng)用逆fft以獲得時(shí)域中的垂直速度信號(hào)v1。ω算術(shù)是可以用于從加速度信號(hào)acc1中獲得速度信號(hào)vel1的處理方法的一個(gè)示例。

在第三步驟300中，垂直速度信號(hào)vel1和垂直加速度信號(hào)acc1用作其上安裝加速度計(jì)12的轉(zhuǎn)向架的模擬模型的輸入，以獲得垂直起伏的軌跡信號(hào)z。

這將參考圖3來解釋，圖3示出了轉(zhuǎn)向架的雙質(zhì)量模型。所描述的模型通常稱為四分之一轉(zhuǎn)向架模型，并且廣泛地用于鐵路振動(dòng)工程中。該模型將列車視為由彈簧k2和阻尼器c2連接的兩個(gè)質(zhì)量，表示主懸架。上部質(zhì)量m2表示轉(zhuǎn)向架框架和列車殼體的質(zhì)量的四分之一。下部質(zhì)量m1模擬車軸質(zhì)量的一半并且是非簧載質(zhì)量。響應(yīng)于軌道表面80中的起伏，即垂直軌道輪廓，上部質(zhì)量m2和下部質(zhì)量m1分別經(jīng)歷垂直位移y2和y1。位移受到車輪與軌道接觸剛度的影響，其由彈簧k1表示。要獲得的函數(shù)是z，垂直軌道輪廓。

時(shí)域中四分之一轉(zhuǎn)向架模型的運(yùn)動(dòng)方程如下：

加速度計(jì)12測量非簧載質(zhì)量m1的垂直加速度，這意味著垂直加速度信號(hào)acc1等于因此，從acc1獲得的垂直速度信號(hào)vel1等于另外已知的參數(shù)是主懸架的質(zhì)量m1和m2(kg)、彈簧系數(shù)k2(n/m)和阻尼系數(shù)c2以及車輪接觸剛度的彈簧系數(shù)k1(n/m)。

首先，使用垂直速度信號(hào)vel1來求解方程[1]。

適當(dāng)?shù)?，定義狀態(tài)變量x1、x2和x3，其中：

x1＝y(tǒng)1(m1的垂直位移)，意味著

x2＝y(tǒng)2(m2的垂直位移)。

這意味著(m2的垂直速度)。

因此，方程[1]可以以狀態(tài)變量形式表示為：

從而，

使用已知的剛度和阻尼矩陣，方程[1]可以求解如下：

以獲得非簧載質(zhì)量m1的垂直位移y1、簧載質(zhì)量m2的垂直位移y2和簧載質(zhì)量m2的垂直速度

現(xiàn)在可以對(duì)函數(shù)z求解方程[2]：

因此，垂直加速度信號(hào)acc1被直接用于求解與模型相關(guān)的運(yùn)動(dòng)方程。此外，該信號(hào)僅經(jīng)歷一個(gè)積分處理，以獲得垂直速度信號(hào)vel1，其也用作求解方程的輸入。因此，所計(jì)算的垂直輪廓信號(hào)z包含最小的噪聲并且具有高精度。

回到圖2，本發(fā)明的方法適當(dāng)?shù)匕▽⒂?jì)算的信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到距離域。該方法包括獲得列車的速度信號(hào)n的另一步驟400。在一個(gè)示例中，列車的至少一個(gè)車輪配備有轉(zhuǎn)速傳感器13(參見圖1)，其中使用已知的車輪直徑將測量的轉(zhuǎn)速(rpm)轉(zhuǎn)換成列車的線速度。

使用測量的速度，可以計(jì)算與固定參考點(diǎn)的距離。為了在“真實(shí)世界”中定位垂直軌道輪廓，可以例如從gps接收器19或者從沿著特定路線區(qū)段觸發(fā)垂直加速度數(shù)據(jù)的收集的路點(diǎn)獲得固定參考點(diǎn)的位置。可替代地，可以檢測沿軌道或鄰近軌道的已知位置處(例如點(diǎn)或交叉點(diǎn))的物體的位置。也可以使用航位推算方法，包括慣性引導(dǎo)系統(tǒng)，并且測量與已知位置的距離

在圖4中示出了在距離域中的垂直輪廓信號(hào)z的示例。

表面缺陷通常根據(jù)它們的波長分類。例如在地鐵線中，非常短節(jié)距的波紋具有3-8cm的波長λ；短節(jié)距波紋具有8-30cm的波長λ；中等節(jié)距的波紋具有30-100cm的波長λ。

軌道波紋的波長及其幅度可以從垂直輪廓信號(hào)z獲得。適當(dāng)?shù)?，信?hào)被轉(zhuǎn)換到波長域，以使得能夠根據(jù)它們的波長來對(duì)缺陷進(jìn)行分類。在波長域中繪制的軌跡信號(hào)z的示例在圖5的周期圖中示出。

一旦獲得，垂直輪廓信號(hào)用于識(shí)別可能需要維護(hù)的軌道區(qū)段。例如，可以根據(jù)特定波長帶內(nèi)的缺陷的幅度來設(shè)置警報(bào)。

因此，被儀表化以監(jiān)測軸承健康狀況的在用車輛可以額外地用于監(jiān)測軌道車輛在其上行駛的軌道的狀態(tài)。如將理解的，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以僅專用于識(shí)別軌道中的表面缺陷。