用于根据动量评估方法确定轨道车辆车轮的不圆性的诊断装置与流程

本发明涉及一种用于在预先规定的测量路段之内确定在轨道车辆的车轮处的不圆性的诊断装置，该诊断装置具有多个力传感器，该力传感器设计/提供成用于检测在多个力传感器上作用的力并且与评估装置连接，其中，评估装置设计/提供成用于检测不圆性。

背景技术：

轨道车辆在驶过时会产生不期望的振动。对此的原因在于例如车轮不圆、具有角部或压扁部，其分布在车轮的圆周上。在轨道车辆车轮、例如火车(载人火车或载货火车)以及机车的车轮处的不圆性有不利影响。因此，其导致在邻近的建筑物中发生不期望的地面振动，引起高的噪音排放，减小行驶舒适度并且对车辆以及轨道上层结构造成损害。由于与此关连的脱轨危险而在轨道交通中存在很高的安全风险。

不圆性包括不同的构型，由此例如偏心性、椭圆性、存在材料镀层、存在扁平部位/压扁以及存在多边形。椭圆性的特殊形状指的是椭圆的构造。在车轮外侧上、即在车轮圆周上有至少三个角部时就出现多边形。有时，多边形、亦即三个或更多个角部可周期性地存在，但是也可不均匀地分布。由此在相对于理想圆形的外轮廓有一处或多处偏差的情况下出现不圆性。

与圆形的理想形状不同的不圆性能够分成不同等级。由此第一级的不圆性也理解为偏心性，而第二级的不圆性也理解为椭圆性。第三级的不圆性是多边形，其根据多边形的构型也可具有比第三级更高的级。至今已知的是，通过所谓的车轮不圆性测量仪器来进行圆度测量。

引起多边形的原因还不完全清楚。但部分地是由于轨道和相应车轮组的系统固有频率造成的。特别是在以恒定速度驶过具有完全相同的上层结构形式的路段时确定该系统固有频率。

因为尽可能使用工作面局部没有压扁、没有不均匀的接触面或没有轮圈上的大小不均匀的扩口的车轮，适合于在车辆车轮、尤其在轨道车辆领域中的车辆车轮上探测不圆性。已知，当多边形的车轮在轨道上滚动时产生连续的振动。因此，具有相应的下层结构的轨道和轨道车辆车轮的轨道是弹簧质量系统，其关于幅度、周期、余振时间、频率等的振动特性可被分析。

在此已知的关系是：u＝d·π；

其中，d是车轮直径，以米为单位，u是车轮圆周，以米为单位，t是周期，以秒为单位，v是速度，以m/s为单位，n是不圆性的等级并且fn是第n级不圆性的频率，单位为1/s。

已知使用两个测量枕木，其定义例如具有1200mm长度的测量路段。也已知的是，在例如2400mm的测量路段长度上使用四个测量枕木，正如已知的那样，在测量路段长度例如为4800mm上使用八个测量枕木。使用越多的测量枕木且测量路段越长，测量就越准确。

由现有技术已知用于确定在轨道车辆的车轮处的不圆性和扁平部位的装置。由此例如ep1212228b1公开了一种用于借助多个力传感器在预先规定的测量路段之内确定在轨道车辆的车辆车轮处的不圆性和扁平部位的装置，该力传感器用于检测作用在轨道上的竖直力，其中，设置有评估装置，其用信号表示不圆性或扁平部位。此处公开的原理的特征是，力接收器设计成测力传感器，其布置在轨道和位置固定的横梁或枕木之间并且评估装置在驶过测量路段时从竖直力信号中形成平均的重量负荷并且将其与力信号随时间变化的曲线进行比较，并且在超过预先规定的偏差时作为不圆性或扁平部位来传达或显示。

但是，在此提及的方法与弹簧刚度相关，该弹簧刚度通过轨道、枕木、枕木间距、地基类型或地基刚度来限定。但是应至少最大程度地切断由于弹簧刚度改变和在测量装置的安装地点处地基的不同缓冲作用而带来的直接影响。应保持所保证的测量技术特性并且相对于现有技术对其进行改进。应明显减少测量不可靠性并且改善再生产能力。也应改善长期稳定性。总之，应减少、甚至消除现有技术中的缺点。

技术实现要素：

根据本发明该目的通过以下方式实现，即，在用于在预先规定的测量路段之内确定在轨道车辆车轮处的不圆性的诊断装置中设置评估装置，其中，该诊断装置包括多个力传感器，其设置用于检测作用在多个力传感器上的力并且与评估装置连接，评估装置设计成在一定时间上对由力传感器传递的力信号进行积分以便得出动量。在具有不圆性的轨道车辆车轮中，传递的力信号f包括准静态的力分量和动态的力分量。准静态的力分量相应于在理想正圆形车轮的情况下的车轮支承力。而传递的力信号的动态力分量是通过轨道车辆车轮的不圆性所产生的力分量。与此相应地，评估装置设计成能够得出车轮支承力fm。这或者可通过计算或者通过滤波器来进行。此外，评估装置设计成，以车轮支承力fm来校准传递的力信号，然后在一段时间间隔上对从中得出的动态力分量进行积分。在轨道车辆驶过测量路段时，此时可通过布置在枕木和轨道之间的力传感器检测负载。在此能够使用已经作为“多轨道车轮扫描(multirailwheelscan)”而已知的装置。

由此，本发明的特征尤其在于，不同于至今所应用的力幅评估方法，该传感器信号评估基于动量评估方法。不同于力幅评估方法，该动量评估方法与构件和结构以及地基在相应测量位置的力线通量(kraftfluss)中的弹簧刚度无关。即，在力线通量中，除了在弹簧常数方面长期稳定的结构部件，如轨道、中间层、肋板、传感器、枕木以外，还有不能长期稳定地传递力的在道砟中的枕木和在土地中的下层结构。例如由温度变化和湿度变化这样的环境影响将导致尤其是下层结构和土地的刚度和缓冲特性发生改变。为了更好地诊断出车轮损坏(例如不圆性、尤其是扁平部位)，此时不再仅计算和评估力幅，而是尤其计算和评估动量。

简短总结力幅和动量之间的差异。最大的力幅fmax与前述的处于力线通量中的元件的刚度相关，而在动量中不是这种情况。

从作用在主体上的力及其作用时间得出脉冲变化，该脉冲变化称为动量。对此，力的数值以及方向都很重要。用符号表示动量并且单位为牛顿秒1ns。

如果在时间间隔δt中力f是恒定的，可借助下列等式计算动量：

而如果例如在轨道车辆车轮不圆时力f不是恒定的，可在随时间变化的竖直力曲线f(t)已知时，通过积分求出动量：

整个装置越硬，出现的力幅越高。相应地，在场地中安装的测量装置观察到，例如在地面结冰时比在地面没有结冰时测得的力峰值更大。此外，由扁平部位产生的动量也与扁平部位的大小和轨道车辆的行驶速度相关。

与此相应地，动量给出扁平部位或车轮不圆性的结论。因为作用时间包括在计算中，动量与在力线通量中的元件的刚度无关。

在刚性布置方式中，动量的作用时间更短并且力幅更大。在刚度越来越小的情况下，相同的动量在更长的作用时间上消除并因此经过一段时间力幅变得更小。在两种情况下计算的动量相同。因为通过力传感器测得，因此是已知的，可通过在时间上积分得出动量

在其他技术方案中保护有利的实施方式并且在下面详细阐述。

由此有利的是，评估装置构造成，在时间间隔上对动态的力分量进行积分，该时间间隔包括余振时间并且在时间点t2结束。尤其有利的是，对动态的力分量进行积分的时间间隔开始于由于不圆度而出现冲击的时间点t0和以准静态车轮支承力fm校正的力信号f的第一次零位通过的时间点t1之间。在此获得的信息实现了评估装置的输出结果的较大准确性。

此外有利的是，测量路段的长度相应于轨道车辆的至少一个车轮圆周，从而通过诊断装置检测并且检查整个车轮。

在评估装置设计/提供成用于进一步处理出现的最大力值、优选与动量评估结果一起时，实现了特别良好的结果。

适宜的是，力传感器设置成用于检测力的测力传感器、大杆称或测力盘的类型，力例如是重力和/或重量。此时能够使用特别坚固的、可靠的且成本低廉的模块。

在其中至少一个力传感器或所有力传感器使用一个或多个应变传感器时，此时获得成本、长期性和测量效果的良好协调。

还有利的是，力传感器分布在多个轨道梁、例如枕木之下，例如在5、6、7、8或9个枕木之下，确切地说沿轨道的纵向方向依次分布。在此，力传感器针对每个枕木成对地分布。

当然，力传感器也可构造成测力传感器，其布置在轨道和位置固定的横梁或枕木之间。测力传感器可设置在枕木中的凹口中，其中，轨道支承在测力传感器上。

为了实现好的测量而有利的是，在测量路段的开始和/或结束处在轨道的中段中设置剪切应力传感器，其用于校正力分支和/或用作轨道开关。

此外有利的是，基于在评估装置中检测到的竖直力信号和剪切应力测量，由各个车轮或转向架的平均车轮支承值以及车厢的经识别的车轮或转向架构成平均负荷的总和，该总和是车厢重量。

有利的是，基于在评估装置中识别的车厢类型和得出的车厢重量，比较车厢重量与预先规定最大值，并且在车厢重量超过预先规定最大值时作为过载来传达。

已经证实有利的是，基于在评估装置中识别的车厢类型和得到的平均的轴架或转向架负荷，借助预先规定的轴间距得出重心位置并且与预先规定的允许的重心区域进行比较，并且可在超过重心区域时将其作为重心错误来传达。

本发明也涉及用于在预先规定的测量路段之内检测轨道车辆的车轮的不圆性的方法，其中，将至少一个力传感器的力信号传递给评估装置，包括准静态的力分量和动态的力分量的力信号f在评估装置中通过以下方式被处理，即，得出准静态的车轮支承力fm，以准静态的车轮支承力fm校正力信号f并且使得从f和fm的差值中得出的动态力分量在一段时间间隔上被积分，从而得到动量。

对此有利的是，该方法使用根据本发明的类型的诊断装置。

附图说明

下面借助附图详细阐述本发明。其中：

图1在纵坐标上以牛顿为单位示出了力信号关于在横坐标上以秒为单位的随时间变化的曲线，例如在通常测量不圆性时所出现的力信号曲线；

图2在纵坐标上示出了关于在横坐标上的时间的另一力信号曲线，例如在通常测量不圆性时所出现的力信号曲线，其中，在此已经从车轮支承力中求出了平均值fm；

图3示出了图2的力信号曲线，其中，该力信号曲线已经以平均值fm进行了校正；

图4示出了两个力信号曲线f1和f2，其在不同的力峰值f1max和f2max的情况下关于时间积分而得出其动量i1＝i2，以及

图5示出了具有根据第一实施方式的诊断装置的轨道的横截面。

具体实施方式

附图仅是示意性的并且仅用于对本发明的理解。相同的元件设有相同的附图标记。

在图1中示出了在不圆的轨道车辆车轮驶过测量位置或测量路段时的力信号曲线。对此在纵坐标上以牛顿为单位标出关于在横坐标上以秒为单位标出时间的力信号曲线。对此，从力信号曲线中可看出，轨道车辆车轮在其不圆或压扁的区域中首先相对于由车轮支承力得到的平均值下降，然后在不圆部分碰触到轨道上时得到力峰值fmax。

在图2中示出了在纵坐标上的关于在横坐标上标出时间的另一力信号曲线，其中，在此已经得出相应于准静态的车轮支承力的平均值fm。

为了借助评估单元求出动量对竖直力信号在示出的时间间隔上求积分。此外，以平均值fm的表示准静态的车轮力的部分校正所计算的动量对此通过计算或借助滤波器校正力信号。

用于检测在图1或图2中所示信号的机械结构已经在ep1212228b1中进行了介绍并且在此应看作是整合的。但是与其所公开的不同，不再仅求出最大的力幅fmax，而是得出由不圆部分引起的动量。即，在考虑平均值fm的情况下，在特定时间段t中根据公式对力信号偏差求积分。

最后在图3中示出了图2的力信号曲线，其已经关于平均值fm或准静态车辆支承力进行了校正。力信号曲线中的动量的识别通过评估算法算出并且进行了优化。与此相应地，得出时间间隔t关于评估算法的起始时间点t0和终止时间点t2。

为了更好地理解，在图4中示出了两个力信号曲线f1(t)和f2(t)，在不同的力峰值f1max和f2max的情况下在时间上对两个力信号曲线积分得出其动量i1＝i2。从中可看出，在地面或测量路段具有不同刚度的情况下，不圆部分的力峰值以及由于不圆部分引起的振动的振动时间可根据刚度变化。因此，力峰值与不圆性的质量不太相关，而得出的动量可作为用于判断轨道车辆车轮状态的极限值。

在图5中示出了根据本发明的诊断装置1。诊断装置1用于确定轨道车辆车轮处的不圆性。轨道用附图标记2表示。呈剪切应力传感器3形式的力传感器经由第一电导线4而与评估装置5连接。在轨道2之下以及在构造成枕木7的横梁6之内存在力传感器8。在该实施例中，根据测力传感器9的类型构造力传感器8。

正如同剪切应力传感器3，力传感器8或测力传感器9也通过导线、即第二电导线10而与评估装置5连接。横梁6或枕木7位于道砟11或固定的路基上。

力传感器8具有应变传感器12，其布置在盲孔13中，其中，盲孔13又设置在变形体或测量体14中。力传感器8主要通过力导入元件15和力导出元件16限定。为了限定力线通量或为了通过力传感器8限定地将力从导入位置经由应变传感器12引导到负载导出位置，存在有水平的横向开槽17和18。

附图标记说明

1诊断装置

2轨道

3剪切应力传感器

4第一电导线

5评估装置

6横梁

7枕木

8力传感器

9测力传感器

10第二电导线

11道砟

12应变传感器

13盲孔

14测量体

15力导入元件

16力导出元件

17水平的横向开槽

18水平的横向开槽