轨道状况监测传感器设备和检测轨道轴承的状况的方法与流程

本发明涉及一种用于在交通工具中监测轮轴或轴承单元的状况监测传感器以及一种监测轴承或轮轴的状况的方法。本发明尤其涉及列车轮轴和/或轴承的监测系统。本发明的另一方面涉及铁轨质量的监测。

背景技术：

已知可将状况监测单元附着到列车轮轴或附着到其轴承以便监测诸如振动、温度和声发射等的参数。

在汽车行业中，存在有大量的有线传感器，其中的许多传感器与ecu(发动机控制单元)和obd(车载诊断)系统相关联。这些传感器完全集成到交通工具的基础结构中，使得在交通工具的运行期间，它们具有连续的电能供给。数据通信由can(控制器局域网)总线支持。这些传感器系统连续运行以监测其目标参数。

车头和乘客车厢还有一系列完全集成的传感器系统，但这些通常与安全关键功能相关。

现有的具有永久电源的状况监测解决方案被配置成连续地捕获数据。然而，所捕获的数据通常包含有大量的假象(artefacts)，而测量的曲线反映轨道的弯曲、轨道的缺陷和其它外部影响。因此，有必要使用复杂的算法来过滤数据以消除假象，并从大量数据中提取与轴承状况相关的有价值且可靠的信息。

为了省电并确保良好的数据质量，已经提出将测量限制到轨道的具有预期低背景噪声和外部因素的特定段。为此，已经提出基于gps数据来设定触发测量的预定路点(waypoint)。如果沿着轨道到达特定路点，则控制单元触发启动状况监测单元的信号以测量待监测的轴承或其它部件的运行参数，同样地，如果交通工具离开轨道，则停止监测。

为了确保一致和可靠的数据读数，状况监测单元应在轨道已知的良好质量的段上捕获数据。优选地，轨道或路线应该是直的、水平的并允许列车达到和维持恒定的速度。另外，这些路点是轨道触发坐标，并用作数据趋势的参考点，因此所有测量将参考轨道或路线上的这些相同的点。

当满足正确的条件时，能够通过短时间通电和记录数据显著地减少能量消耗。在已知轨道块上触发测量减少了数据收集误差或异常并优化了电能的使用。减少的能量消耗可以使得能够使用具有较低额定功率的发电机或电能获取装置或增加电池的寿命。

根据现有技术，要预先手动设定触发传感器单元或状况监测单元的激活或解除激活的这些gps路点。这是繁重和复杂的，并且需要具有轨道的地理和技术细节以及所监测的技术的两方面知识的熟练工程师的参与。

在不存在网络结构或者状况监测单元必须附着到转动组件的应用中，已经提出使用无线节点。在无线传感器系统的设计中的考虑是维护之间的时间，其通常由该无线传感器系统的电池的寿命决定。因此，电能管理是无线传感器系统的设计中的重要因素，这是因为其对维护间隔具有直接影响。

在近来的布局方案中，位于轴箱上的无线传感器使用用于采集传感器数据并远程传送传感器数据的本地无线网络系统与车载系统通信。在列车上安装本地无线网络系统可能是复杂的，并且系统容易出故障。这些系统中的每一个所具有的缺点在于，具有单个故障点：车载系统。

文献de202005005278u1公开了一种用于监测轨道交通工具的轴箱轴承的温度的传感器单元。文献de102010027490a1公开了用于轨道交通工具的另一监测系统，其包括基于gsm或umts标准的移动电信设备。

当使用无线通信设备永久地交换数据时，存在减少电池寿命的显著的永久能量消耗。在传感器单元包括电能获取电路的情况下，这些必须在尺寸上适配成即使对于列车静止的间隔也能够产生足够的能量。然而，对于传感器单元的制造商而言，列车静止的间隔是难以预测和/或控制的，并且这些间隔的任何限制将对轨道交通工具的用户施加额外的负担。

技术实现要素：

本发明旨在通过提供一种具有降低能耗且能够以不复杂的方式安装的轨道状况监测传感器设备、轨道轴箱和轨道轴承的监测方法来克服现有技术的上述问题。

本发明涉及一种轨道状况监测传感器设备，其被配置成附着到轨道交通工具的轨道轴承，所述设备包括：至少一个振动传感器；用于检测轨道交通工具的移动的部件；控制单元和无线通信设备，用于将健康参数通信到监测和控制服务器。

控制单元通过软件和硬件配置成至少处理由振动传感器获得的信号以确定指示轴承的健康状态的健康参数。此外，控制单元被配置成基于至少一个预定条件来触发测量。

提出控制单元还被配置成以节能休眠模式和以至少一个活动模式运行，控制单元被配置成在检测到满足预定的条件集合时由休眠模式切换成活动模式，所述预定的条件集合包括用于检测移动的部件检测到轨道交通工具正在移动的条件。

在本发明的上下文中，应当在广义上理解“附着到轨道轴承”。该设备无需直接附着到轴承，而是充分地直接机械和热接触，以确保可靠地测量轴承的状态，以检测轴承缺陷，诸如在轴承的滚道中的一个中、在轴承的滚动体中的一个中或在轴承保持架中的缺陷和/或由于润滑不足或污染而造成的过热。

在本发明的优选实施方式中，轨道状况监测传感器设备的组件被容纳在单个紧凑的壳体中，该壳体足够坚固以在轨道轮轴的恶劣环境下运行。在本发明的最优选实施方式中，该设备被构造成用单个螺栓附着到轴箱或者轮轴的端板。然而，可以使用包括不同的设备的部件的两个或更多个模块，例如，以便能够将通信设备放置在能够被适当放置以避免无线电信号的屏蔽的模块中。

轴承可以是具有任何种类的滚动体的轴承，特别地包括一列或两列的圆柱、圆锥或环形滚子。

在本发明的优选实施方式中，所述无线通信设备是移动电信模块。在本发明的上下文中，“移动电信模块”意味着该模块与基于地面或基于卫星的通信网络节点通信，并且可以是根据任何合适标准的模块。通过将移动网络通信技术(gprs/edge/hspa)和gnss定位功能集成到传感器设备中，不需要电线或车载系统，并且一个传感器故障不会禁止任何其它传感器的功能。这使得系统更快地构建、测试、安装和调试。由于去除了车载部件，因此还显著地减少了系统的成本。此外，由于可以使用诸如因特网协议等的标准协议来传送数据，因此传感器可以被配置为直接向中央控制服务器或外部系统报告。

发明人还提出，控制单元被配置成通过将健康参数与至少一个阈值进行比较来将所述健康参数分类，以及被配置成仅当所述健康参数等于或大于该至少一个阈值时才将健康参数立即通信至监测和控制服务器。优点是能量消耗通信活动被限制到要传送相关信息的情况，即轴承被损坏或开始劣化的情况。结果，能够进一步减少能量消耗。

在本发明的优选实施方式中，控制单元被配置成通过将健康参数至少与下阈值和上阈值进行比较来将所述健康参数分类成至少三个严重程度级别。在该情况下，控制单元可以被配置成执行红色-琥珀色-绿色(rag)类型的分类，并且当健康参数的值等于或小于下阈值时(绿色)切换成休眠模式；如果健康参数的值在下阈值与上阈值之间(琥珀色)，则继续收集数据和确定健康参数；以及，当健康参数等于或大于上阈值时，将健康参数立即通信至监测和控制服务器。

在本发明的优选实施方式中，用于检测轨道交通工具的移动的部件为三轴加速度计。三轴加速度计用于移动电话中，因此是能够以市场上合理的价格高质量地得到的批量生产的产品。加速度计可以以具有非常低的能耗的休眠模式运行。

可选择地，用于检测轨道交通工具的移动的部件为用于检测轴承状况的振动传感器，例如，直接或非常紧密接触地附着到轴承圈的压电传感器或基于纤维的布拉格传感器(braggsensor)。

还提出，该设备包括用于检测地理位置的gnss模块，控制单元被配置成如果地理位置在预定范围内则确定所述健康参数。通过在传感器内使用gnss接收器，主处理器可以采集位置信息并且确定交通工具位置和速度并进而确定转动的轴承和车轮的速度。如果速度恒定，则可以进行测量。当传感器设备被唤醒并且需要知道其全球位置以确定其是否应该捕获数据时，其可以检查其存储器以查看路点是否在附近并且在到达路点时触发测量。gnss模块可以在有限的时间使用以节省能量。如果半径内没有路点，则传感器可以使用来自gnss的速度和来自三轴加速度计的读数来触发其确定以恒定速度行进且背景振动噪声适当地在极限内的位置。

为了使捕获具有最小外部噪声的数据的机会进一步最大化，本发明人提出传感器设备配备有车载非易失性存储器，例如flash，其可存储预编程的坐标或轨道的长直且平滑段的“路点”。

本发明的另一方面涉及一种轨道轴箱，其包括如上所述的状况监测传感器设备。

本发明的还一方面涉及一种轨道状况监测系统，其包括至少一个如上所述的轨道状况监测传感器设备和监测和控制服务器，监测和控制服务器被配置成接收和处理从无线通信设备接收的包括轴承的健康参数的消息，其中监测和控制服务器被配置成基于健康参数来生成与所述轴承有关的维护信息。

最后，发明人提出一种使用如上所述的轨道状况监测传感器设备对轨道轴承和/或轨道的状况的监测方法，其中控制单元以节能休眠模式和以至少一个活动模式运行，控制单元在检测到满足预定的条件集合时由休眠模式切换成活动模式，所述预定的条件集合包括轨道交通工具正在移动的条件。

本发明通过显著地降低在机车车辆(rollingstock)上的轴承状况监测系统的成本和安装时间来解决问题。在大多数布局中，轴承状况监测系统需要接线以向车载数据收集器和外部传感器供电和通信。安装这样的系统需要大量的时间。

根据本发明的优选实施方式，不需要车载部件，即没有安装在距轴箱一定距离处(例如，在列车的车头)的部件。

本发明的上述实施方式以及所附权利要求和附图以特定组合示出了本发明的多个特色特征。本领域技术人员将能够容易地想到这些特征的进一步组合或子组合，以便使如权利要求中限定的本发明适合于其具体需求。

附图说明

图1是配备有模块状况监测系统的列车的示意图；

图2是根据本发明的轨道状况监测传感器设备的框图；

图3是根据本发明的状况监测方法的流程图。

具体实施方式

图1是配备有根据本发明的交通工具轴承单元用模块状况监测系统的列车的示意图。该系统包括多个轨道状况监测传感器设备10(列车的各车轮均有一个)，以用于测量列车轴箱的一个轴承单元的至少一个运行参数。轨道状况监测传感器设备10形成为附着到或嵌入于轮毂(未示出)的双列滚子轴承单元的端板或附着到或嵌入于轴箱壳体的传感器节点。测量的运行参数包括振动、声发射和轴承的温度，轨道状况监测传感器设备10分别包括相应的传感器12。

图2显示出单个传感器设备10的系统架构。传感器设备中的每一者均包括用于操作被嵌入于该在考虑中的传感器设备10内的外围设备的控制单元18。这些外围设备特别包括：振动传感器12，其以与轴承圈中的一者紧密机械接触的方式安装；移动电信模块17，其用于使用例如gsm、gprs、umts或hsdpa标准在作为移动通信接口的陆地移动电信网络中接收和发送数据包；三轴加速度计ic19，诸如能从freescale(飞思卡尔)得到的名称为mma8451q的加速度计；和外部实时时钟ic21，诸如nxppcf2123。在本发明的其它实施方式中，可以没有实时时钟ic，可以使用用于确定系统时间的其它部件。一个示例是使用32位计数器来进行测量。这些设备中的任一者均能够产生控制单元18的唤醒信号。

电信网络包括设置在轨道的范围内的基站32。电信模块17能够使得系统的远程固定的监测与控制服务器40进行数据交换。轨道状况监测传感器设备10还包括为传感器12供电的电池或电能获取系统(powerharvestsystem)、控制单元18、电信模块17和剩下的外围设备(如果有的话)。

模拟-数字转换器可以集成在传感器12内或者设置在传感器12与控制单元18之间。

最后但并非最不重要的是，控制单元18包括作为用于检测地理位置的部件从卫星系统30(图1)接收定位信号的gps接收器23。该系统被配置成使得轨道状况监测传感器设备10能够以休眠模式或活动模式运行。在活动模式中，测量和数据记录可以根据如下进一步解释的检测的地理位置而被激活/解除激活。

当交通工具移动时，因此轴承转动，传感器必须决定何时进行测量。该过程是关键的，这是因为应当理解：在轨道的粗糙段、在低速度、在非常高的速度、在圆角处或者当交通工具加速或减速时进行的测量产生噪音，无法确定轴承或车轮状况。进行多次测量并选取最低噪音是一个选择，然而，由于需要在不适当的状况下进行所有测量，因此这浪费能量。进一步地，为了执行状况监测，需要轴承的准确速度。由于这些传感器用螺栓连接于轴箱外部，因此它们必须从交通工具的全球位置采集速度。

控制单元18配备有用于存储交通工具的路线数据和包括由传感器12捕获的传感器数据的其它数据的存储器20。在交通工具为列车的实施方式中，路线数据为轨道网络的地图。在其它实施方式中，路线数据可以是路点或由节点和链路组成的网络的集合或数据库。轨道网络包括存储在存储器20中的数据库中的多个段或链路与所描述段的属性的参数(诸如倾斜度、平均曲率和最大允许行驶速度)组合。存储器20中的数据库包括交通工具能够沿着行驶的多个可能的路线段。

控制单元18的路点设定部件22被配置成在轨道的适当段设定用于激活具有传感器12的轨道状况监测传感器设备10的路点。解除激活路点也可以由路点设定部件22设定。

路点设定部件22可以是控制单元18的一部分或使用移动通信接口向控制单元18发送路点的远程服务器的一部分。

每个路点是不仅包括gps坐标而且包括指示将触发监测的列车的行驶方向的另外的可选字段(field)的数据结构。此外，数据结构可以包括用于速度上下限的字段，在本发明的一个实施方式中，用于半径(即，触发路点报警所需的距gps坐标的最小距离)的字段。因此，系统可以被配置成使得：不是在列车每次经过路点时都触发报警、而是仅当列车沿两个可能方向中的一者在轨道上经过且当速度在适于获得高质量测量的期望范围时才触发报警。

在附图的实施方式中，路点设定部件22是用于规划列车的路线上的数据收集路点的应用。特别地，这些可以包括在已知速度恒定的直线路径上的实际坐标。在本实施方式中，路点设定部件22提供kml(keyhole标记语言)文件或作为各地图提供商使用的gis数据的标准的其它种类的标准文件格式(例如，gml)。该通用文件可以由状况监测系统的服务器使用以下载和使用路点或路点存储在存储器20中的路点数据库中。

路点是作为由轨道状况监测传感器设备10获取的数据应被激活的预定的路线段的集合的一部分的路线段的起点和终点的候选。

图3显示了通过控制单元18触发传感器测量。仅在如下情况下才开始测量：逐渐积累地满足第一框的基于时间和移动的触发条件和第二框的基于路点触发或加速度计的触发条件。

在开始时，控制单元以仅监测由外部实时时钟ic21提供的系统时间的低能量休眠模式运行。当系统时间指示已经经过预定间隔时，控制单元18读取加速度计19的信号以检测列车是否正在移动。通过对加速度计19的峰值保持包络信号(peakholdenvelopesignal)施加阈值来检测移动。因此，加速度计19用作用于检测轨道交通工具的移动的部件。

设定用于读取加速度计19的系统时间不一定是等间隔，而是可以以其它方式设定，例如以匹配列车的每日时刻表。

如果控制单元18发现列车正在运行，则通过向其外围设备发送唤醒信号来切换到活动测量模式，并开始评价基于路点的触发条件。

在接收到激活信号时，gps接收器23监听并解释根据由nmea(国家海洋电子协会)设定的标准而编码的位置、速度和方向的消息。然后，使用从路点设定部件22接收的数据来更新内存中的具有存储器20中的路点集的路点数据库。基于该位置，gps系统确定所提供的各路点中将要到达的路点并通知控制单元18何时到达路点。

如果在搜索半径内存在有任何路点，则检查关于各自存储的方向变量与交通工具的方向的匹配。如果方向匹配，则在随后的步骤中检查速度。当速度大于或等于预设值(最小速度)时，触发测量。

在设定了路点的具体半径的实施方式中，后者应当被设定为小于搜索半径，并且仅当距路点的距离在搜索半径和路点的具体半径两者内时才应触发路点报警。一旦测量被触发，则路点被在路点数据库中标记为已处理。

如果在搜索半径内没有路点，则将加速度计19的信号中的噪声与阈值进行比较。如果噪声低到足以预期得到高质量测量，则检查速度。当速度大于或等于预设值时，同样触发测量。

通过为测量开始时间指定精确网络时间的系统来方便地得到可选择的触发测量的方法。系统应用软件监测由gps模块23不断提供的位置数据，并估计到达路点位置将花费的时间。在到达路点之前的时间，系统应用软件设定用于在将来进行测量的系统时间。当达到该时间时，通过如上述读取加速度计进行图3的过程。

激活和解除激活还可以取决于其它参数，例如行驶速度、外部温度和自上次激活经过的时间。作为可选的特征，由gps模块23不断地报告速度变化，如果速度变化事件被处理，则相应地更新数据库。

如已经提到的，如上述的用于在状况监测系统中使用的状况监测单元10包括被配置成在节能休眠模式和活动模式下运行的控制单元18。控制单元18被配置成基于控制单元18经由传送器16从控制单元18接收的信号来将状况监测单元10从休眠模式切换到活动模式以及从活动模式切换到休眠模式。更具体地，控制单元18被配置成在从控制单元18接收到唤醒信号时将状况监测单元10从休眠模式切换到活动模式和在从控制单元18接收到休眠信号时将状况监测单元10从活动模式切换到休眠模式。休眠信号通常在完成测量时产生。

在本发明的另外的实施方式中，状况监测系统可以包括ins(惯性导航系统)。

一旦数据被捕获，控制单元18可以执行内部算法以确定轴承的轴承损伤严重程度的健康参数作为指示其正在监测的部件的状况的参数。如果严重程度被认为是低的(绿色)，则传感器设备10可以返回到休眠，如果严重程度是中等的(琥珀色)，则可以决定在进一步的测量被采集或者传送状态之前存储数据。如果严重程度为严重(红色)，则假设在存在蜂窝网络连接的情况下传感器设备10可以立即传送严重程度参数或健康参数的数据。使用该数据分流(offload)方法，传感器设备10不频繁地传送数据，这节省了电能和数据成本。节省电能可以等价于节省成本，这是因为传感器需要非常少的维护并且可以在多年的时间内由内部电池电源来运行。

在从无线通信设备接收到传感器设备测量的数据时，监测和控制服务器40处理包括轴承的健康参数的消息，并基于健康参数生成或适配诸如与所述轴承有关的维护计划的维护信息。如果检测到损坏，则可以提前安排下一个维护服务，或者可以注意到，需要根据严重程度在维护计划中更换轴承。由控制服务器40接收的数据包至少包括轴承标识符、严重程度参数和指示已经检测到问题处的地理信息。

通过将车载(on-board)系统的特征结合到传感器中，降低了系统的成本，使得其对潜在客户更具吸引力。

由于包括传感器和昂贵的车载组件(例如网关和pc)的系统现在可以被缩减到单个智能传感器设备10中，因此降低了制造时间和成本。