專利名稱：特別用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于監(jiān)測鐵路車輛的穩(wěn)定性的系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及用于監(jiān)測 分布式部件的穩(wěn)定性的安全系統(tǒng)，并且涉及這種系統(tǒng)中的分布式設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架設(shè)置有無源穩(wěn)定裝置(如抗偏器或摩擦片)，其抵消了轉(zhuǎn)向架沿正 弦路徑運動的趨勢。這些穩(wěn)定裝置也被用于增加了速度——所謂的“不穩(wěn)定性限制”—— 相當(dāng)平滑的正弦運行以這種速度惡化成轉(zhuǎn)向架震蕩，引起不良的乘坐舒適度、在車輪與鐵 軌之間的高作用力以及最終的脫軌風(fēng)險。為了減小危險運行(例如，由有缺陷的抗偏器所引起)的風(fēng)險，由歐盟委員會發(fā)布 的TSI HS (互操作性的技術(shù)規(guī)范-高速)包含在高速列車的車板上安裝裝置的規(guī)定，該裝 置可以檢測出火車的轉(zhuǎn)向架運動的不穩(wěn)定性。在UIC規(guī)程515. 5中定義了用于檢測鐵路客車的轉(zhuǎn)向架的運行不穩(wěn)定性的算法。 根據(jù)這個算法，當(dāng)在4Hz至8Hz的范圍內(nèi)高于預(yù)定閾值的轉(zhuǎn)向架框架橫向加速度表示在預(yù) 定時間段內(nèi)(例如，500毫秒)存在超過預(yù)定數(shù)量(例如，6)的高于預(yù)定閾值的(例如，Sm/ S2)連續(xù)峰值時，檢測到不穩(wěn)定性。從EP 1 197 739獲知用于轉(zhuǎn)向架的不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向架設(shè)置有位于轉(zhuǎn)向 架的縱向中心面的每一側(cè)上的兩個縱向加速度計。比較并處理來自兩個加速度計的信號以 確定它們是否相差超過預(yù)定數(shù)量，在相差超過預(yù)定數(shù)量的情況下觸發(fā)報警信號。從文件DE 100 20 519、DE 100 20 520禾口 DE 100 20 521中獲知用于鐵路車輛 的振動監(jiān)測系統(tǒng)。一個或多個加速度計(優(yōu)選地是三軸加速度計)連接到位于列車編組的 遠(yuǎn)程位置處的中央信號處理單元。雖然這種類型的配置可能證明適于監(jiān)測如制動器、轉(zhuǎn)向 架或車體等具體車輛子系統(tǒng)以用于診斷，但是它不提供安全組件所需的安全性和可靠性等 級。特別地，加速度信號從加速度計到遠(yuǎn)程處理單元的傳輸可能遭受不足的信噪比。FR 2 067 801公開了不穩(wěn)定性監(jiān)測裝置，包括用于監(jiān)測機車轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性的加 速度計，該加速度計通過有線的模擬邏輯電路連接到繼電器，以基于加速度信號的不穩(wěn)定 性條件來改變繼電器的狀態(tài)并且開啟或關(guān)閉警示燈。EP 0 195 921中描述了指示鐵路或電車軌道車輛的動態(tài)不穩(wěn)定性的方法。該方法 主要包括通過至少一個加速度傳感器來檢測行進(jìn)方向的橫向方向上軌道車輛的車輪布置 的加速度，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚?，并隨后在合適的比較器中將已處理的加速度值與參考值 相比較。通過檢測在預(yù)定時間段內(nèi)超過所述參考值的已處理的加速度值的數(shù)量是否超過預(yù) 定數(shù)量來獲取不穩(wěn)定性的指示。US 2004/0102918中公開了記錄與結(jié)構(gòu)的加速度相關(guān)聯(lián)的變化的裝置。該裝置包 括具有至少一個硅梁式加速度計的加速度計陣列，非易失性存儲器，時鐘計時器，以及可操 作地連接到加速度計陣列、非易失性存儲器、和時鐘計時器的可編程控制單元?？梢栽诠?半導(dǎo)體基底上形成(例如，集成)加速度計陣列、非易失性存儲器、時鐘計時器和可編程控制單元，并且加速度計陣列布置在中央?yún)^(qū)域。實現(xiàn)不穩(wěn)定性檢測設(shè)備的現(xiàn)有嘗試都是基于傳感器(例如加速度計)和遠(yuǎn)程基 于軟件的處理單元，這不能滿足CENELEC標(biāo)準(zhǔn)EN 50126-50129的安全性和可靠性要求，因 此不能被認(rèn)定為是安全的。雖然通過安裝這些設(shè)備可以減少不穩(wěn)定性的風(fēng)險，但是不穩(wěn)定 性的風(fēng)險不能降低到零，因為在不穩(wěn)定運行過程中監(jiān)測裝置的未檢測到的故障可能仍然存在。

發(fā)明內(nèi)容
通過本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用 于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，包括-至少第一加速度計，用于傳遞響應(yīng)于沿著參考軸線的振動的第一加速度信號，-至少第一固態(tài)安全繼電器，具有兩個主端子和控制端子，并且可在閉合狀態(tài)與打 開狀態(tài)之間切換，以及-可編程邏輯器件，連接到第一加速度計和第一固態(tài)繼電器，可編程邏輯器件是現(xiàn) 場可編程門陣列(FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)，并且設(shè)置有同時并行運行且執(zhí)行 不穩(wěn)定性監(jiān)測算法的非易失性邏輯塊，以基于第一加速度信號的不穩(wěn)定性條件來改變第一 固態(tài)繼電器的狀態(tài)。安全回路是基于固態(tài)繼電器的開關(guān)的，這使得可以將電路安裝在轉(zhuǎn)向架的艱苦環(huán) 境中，而在那里實施機電繼電器是不可能的。由于使用硬件架構(gòu)，并且特別地為運行不穩(wěn)定性檢測算法而實施可編程邏輯器件 (PLD)，所以不穩(wěn)定性監(jiān)測裝置滿足CENELEC標(biāo)準(zhǔn)的要求并且可以被指定安全完整性等級 (SIL)。明顯地，本發(fā)明不限于鐵路行業(yè)，而且類似的優(yōu)點也體現(xiàn)在與惡劣外部條件和高 安全要求相結(jié)合的其他系統(tǒng)或應(yīng)用中。可編程邏輯器件可設(shè)置有非易失性可擦除可改編程序存儲器，如閃存。因此，不需 要配置設(shè)備以將代碼放入PLD單元。在啟動后立即運行PLD。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，不穩(wěn)定性監(jiān)測算法包括-預(yù)處理第一加速度信號；-檢測預(yù)處理的加速度信號的、高于預(yù)定加速度閾值的峰值；-如果兩個連續(xù)峰值之間的時間在預(yù)定時間窗內(nèi)，那么遞增計數(shù)器；-如果計數(shù)器達(dá)到或超過預(yù)定計數(shù)器閾值，那么激活固態(tài)安全繼電器；以及-如果在預(yù)定時間段內(nèi)沒有檢測到峰值，那么復(fù)位計數(shù)器。這個算法基于UIC規(guī)程515. 5中所定義的要求。時間窗具有下限(例如，150ms) 和上限(例如，250ms)，它提供了在標(biāo)準(zhǔn)中所考慮的頻譜中有限帶寬的時間等同。有利地，預(yù)處理第一加速度信號包括通過低通濾波器和高通濾波器處理第一加速 度信號。低通濾波器用于消除高頻噪聲，而高通濾波器用于消除直流偏置，該直流偏置可能 由于不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備的不充分定位而引起。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備進(jìn)一步包括第二加速度計，用于傳遞響 應(yīng)于沿著參考軸線的振動的第二加速度信號，第二加速度計連接到可編程邏輯器件，不穩(wěn)定性監(jiān)測算法基于第一和第二加速度信號的不穩(wěn)定性條件來改變第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)。 兩個加速度計的使用增加了系統(tǒng)的冗余性。有利地，第一和第二加速度計中的每個包括可 平行于參考軸線在中間靜止位置與兩個相反限制之間移動的慣性體、以及用于使慣性體在 一個可測試方向上從靜止位置向兩個相反限制的一個限制移動的內(nèi)部測試電路。第一和第 二加速度計的可測試方向彼此相反，響應(yīng)于每個慣性體的、在與可測試方向相反的方向上 在靜止位置與兩個限制的另一個限制之間的運動而由第一和第二加速度計產(chǎn)生的加速度 信號被可編程邏輯器件忽略。這種類型的加速度計是本領(lǐng)域所公知的。內(nèi)部測試電路可包 括與慣性體協(xié)作并連接到測試終端的電容板，使得施加到測試終端的直流電壓引起慣性體 在可測試方向上的運動，該內(nèi)部測試電路模擬在這個方向上的恒定加速度。通過加速度計 產(chǎn)生的信號可用于測試在可測試方向上的不穩(wěn)定性監(jiān)測算法。當(dāng)兩個這種加速度計(優(yōu)選 地是相同的)彼此相對地放置在同一印刷電路板上時，可以執(zhí)行只考慮加速度信號的可實 際測試的部分的不穩(wěn)定性監(jiān)測算法。有利地，第一固態(tài)繼電器在沒有控制信號的情況下是打開的，并且可編程邏輯器 件基于第一加速度信號的不穩(wěn)定性條件來中斷控制信號以改變第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)。因 此，不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備中功率的任何損失將導(dǎo)致安全繼電器的狀態(tài)的改變，這將給出系統(tǒng) 故障的清晰指示。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，設(shè)備進(jìn)一步包括連接到可編程邏輯器件的第二固態(tài)繼電 器，算法基于第一加速度信號的不穩(wěn)定性條件來改變第二固態(tài)繼電器的狀態(tài)。兩個安全繼 電器的使用增加了系統(tǒng)的冗余。有利地，通過由可編程邏輯器件控制的交流控制信號的中 斷來觸發(fā)第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)的改變，而通過由可編程邏輯器件控制的直流控制信號的 中斷來觸發(fā)第二固態(tài)繼電器的狀態(tài)的改變。因此，由于交流控制信號的中斷，所以在第一固 態(tài)繼電器上將檢測到可編程邏輯器件被放大并且傳遞恒定高直流控制電壓的情況。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，還提供了印刷電路板以接納可編程邏輯器件、第一固態(tài)繼 安全電器和第一加速度計，如果提供第二固態(tài)繼安全電器和第二加速度計，那么印刷電路 板還接納第二固態(tài)繼安全電器和第二加速度計。有利地，設(shè)備還可以設(shè)置有測試電路，該測試電路包括-測試電源；-測試電流檢測器；-測試切換裝置，用于在測試模式與工作模式之間切換不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，使得在 測試模式下安全開關(guān)的主端子連接在局部測試電源與局部測量設(shè)備之間，而在工作模式下 安全開關(guān)的主端子斷開與局部測試電源的連接。測試電路用于在安全固態(tài)繼電器上執(zhí)行集成測試。如果設(shè)備包括兩個安全繼電 器，那么可提供兩個測試電路，這兩個測試電路可共用一個測試電源，根據(jù)一個變體，可共 用一個電流檢測器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，包括-如上所述的多個分布式不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備；-安全回路，使多個安全監(jiān)測設(shè)備的第一安全繼電器串聯(lián)地互連。優(yōu)選地，安全回路設(shè)置有-電源，用于向安全回路供電；
-故障檢測器，用于檢測多個不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備的第一狀態(tài)安全繼電器的至少一 個的狀態(tài)的改變。故障檢測器可以是電流檢測器。通過故障檢測器可立即檢測到由于分布式不穩(wěn)定 性監(jiān)測設(shè)備之一檢測到的不穩(wěn)定性所引起的任一安全固態(tài)繼電器的打開。任一分布式不穩(wěn) 定性監(jiān)測設(shè)備的故障還會引起安全固態(tài)繼電器的至少一個的打開，并且還將通過故障檢測 器檢測到。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種設(shè)置有多個轉(zhuǎn)向架并且設(shè)置有如上所述的不 穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的鐵路車輛，其中，每個轉(zhuǎn)向架設(shè)置有不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的不穩(wěn)定性監(jiān)測 設(shè)備中的至少一個。


通過僅作為非限制性實施例給出且在附圖中示出的本發(fā)明具體實施方式
的以下 描述，本發(fā)明的其它優(yōu)點及特征將變得更加顯而易見，在附圖中-圖1是根據(jù)本發(fā)明的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備的框圖；-圖2示出了圖1的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備中一對可自測試的微機電加速度計；-圖3A至I示出了圖1的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備對加速度信號的處理；-圖4A示出了用于測試圖1的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備的安全固態(tài)繼電器的測試電路；-圖4B示出了圖4A的變體；以及-圖5A示出了不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，該不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)包括多個圖1中所示類型 的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備；-圖5B示出了圖5A的變體。
具體實施例方式參照圖1，專用于對轉(zhuǎn)向架12的不穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備10包括安 裝在箱子16中的印刷電路板14，箱子16固定到轉(zhuǎn)向架框架18。印刷電路板14圍繞可編 程邏輯器件(PLD) 20而建，可編程邏輯器件(PLD) 20包括作為主輸入的兩個相同的橫向加 速度計22A、22B，和作為主輸出的兩個固態(tài)安全繼電器Ma、Mb。除了必須的電源電路沈 以夕卜，系統(tǒng)還裝備有溫度傳感器28、時鐘電路30、看門狗電路32、測試命令的輸入34和用于 指示不穩(wěn)定性的輸出36。如圖2所示，兩個橫向加速度傳感器22A、22B優(yōu)選地是MEMS(微機電系統(tǒng))型。 這種類型的加速度計在本領(lǐng)域中是公知的(例如，參考VTI科技公司的SCA 1000)。加速 度計22A、22B包括多晶硅梁221形式的慣性體，多晶硅梁221通過支撐索222懸掛在基底 (substrate)上。基本上平行于基底的梁221沿著參考軸線X-X延伸，并且設(shè)置有多個板 223，多個板223在垂直于梁的軸線方向遠(yuǎn)離梁延伸。梁和板223可相對于基底沿著軸線X-X 橫向移動。這些可移動的板223中的每一個都位于兩個多晶硅板2 之間，多晶硅板224 垂直于梁221并且相對于基底固定。每個可移動板223和可移動板兩側(cè)上的固定板2 形 成差動電容器單元225。這些單元相疊加形成差動電容器。作為多晶硅的替代，加速度計可 以由本領(lǐng)域已知的其他材料制成，如單晶硅。利用這種差動電容器，可以采用不同方法來檢測加速度。每個可移動板(即，可隨慣性體移動)在兩個固定板之間的中間處于靜止位置。在可移動板的一側(cè)上的所有固定 板都電連接在一起并充電，而且在可動板的另一側(cè)上的所有固定板也都電連接在一起并充 電。在響應(yīng)沿著參考軸線的外力/加速度時，具有可移動板的慣性體移向一組或其他組固 定板，從而改變不同板之間的電容，這產(chǎn)生了電信號。在固定板上這個信號被放大、處理并 提供給輸出端226。為了驗證傳感器22A、22B的正確操作，提供了自測試輸入端228。激活自測試導(dǎo)致 階梯函數(shù)力沿著平行于參考軸線X-X的可測試方向DA、DB施加至加速度計22。更具體地， 通過自測試輸入端2 激活自測試引起在測試單元231中的移動梁221 —側(cè)上的至少一對 固定板2 上的電壓變化。這將對與可移動梁221成一體的測試板230產(chǎn)生靜電場引力， 導(dǎo)致梁221從靜止位置向可測試方向移動。在可測試方向上的這種傳感器位移將改變在傳 感器輸出端2 所看到的信號。值得注意的是，兩個相同的加速度計22A、22B以相反方向布置在印刷電路板上， 這意味著當(dāng)印刷電路板受到振動時，兩個相同的加速度計的輸出具有相同的絕對瞬時值但 符號相反。這也意味著它們的參考軸線X-X是對齊的，而它們的可測試方向DA和DB是彼 此相反的。加速度計22A、22B通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器A/DC連接到可編程邏輯器件PLD?？删幊?邏輯器件可以是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。它設(shè)置有同時 并行運行且執(zhí)行不穩(wěn)定性監(jiān)測算法的非易失性邏輯塊，使得當(dāng)檢測到不穩(wěn)定性條件時，將 第一和第二固態(tài)繼電器的狀態(tài)從激活(active)狀態(tài)改變?yōu)楣收蠣顟B(tài)。圖3A和:3B所示的分別來自第一和第二加速度計的數(shù)字化加速度信號在并行信道 中被處理，如圖3C至I中所述。當(dāng)進(jìn)入可編程邏輯器件時，首先用數(shù)字帶通濾波器對每個 加速度計的數(shù)字化加速度信號濾波。帶通濾波器由低通和高通二階巴特沃斯濾波器組成。 高通濾波器用于消除信號偏置。它的截止頻率(_3dB頻率)是3Hz。低通濾波器的截止頻 率在30Hz至40Hz之間以消除噪聲。圖3C和圖3D示出了由此產(chǎn)生的濾波信號。如圖3E 所示檢測到超過預(yù)定閾值的濾波信號的峰值。在與相應(yīng)的可測試方向DA、DB對應(yīng)的方向 為每個加速度計22A、22B設(shè)置閾值(即，這個實施例中的正閾值)。與可測試方向相反的 方向上的每個加速度信號的峰值不予考慮。計數(shù)器從零開始計數(shù)，對于每個加速度，當(dāng)在預(yù) 定時間窗內(nèi)檢測到連續(xù)峰值時(例如，如圖3F所示，當(dāng)連續(xù)兩個峰值彼此相隔大于125ms 但小于250ms時)，計數(shù)器遞增。更確切地，在每個計數(shù)器遞增之后啟動計時器。如果最后 計數(shù)的峰值與新的峰值之間的時間(通過計時器測量)小于120ms或者大于250ms但小于 500ms，那么不更新計數(shù)器。如果在最后峰值之后的階段T = 500ms內(nèi)沒有檢測到峰值，或 者在階段T = 500ms之后檢測到相隔小于125ms或者超過250ms的峰值，那么計數(shù)器和計 時器復(fù)位為0。每當(dāng)一個加速度計的計數(shù)器達(dá)到N時(如圖3H和圖31所示)，則傳遞不穩(wěn) 定性信號，在這種情況下，計時器和計數(shù)器也被復(fù)位。當(dāng)兩個加速度計都檢測到不穩(wěn)定性信 號時(如圖3J所示)時，傳遞不穩(wěn)定性檢測信號。還可在較早階段傳遞警告信號，例如只 要在兩個信道檢測到第一或第二峰值，如圖3K所示。明顯地，用于檢測不穩(wěn)定性所使用的 算法只使用每個加速度信號的一部分，即與每個加速度計的可測試方向?qū)?yīng)的部分。每個安全固態(tài)繼電器Ma、24b設(shè)置有兩個輸出端41a、42a、41b、42b，并且被設(shè)計 為當(dāng)控制輸入端上的相應(yīng)控制信號改變時從激活狀態(tài)改變?yōu)楣收蠣顟B(tài)。第一和第二固態(tài)繼電器Ma、24b用作“常開”觸點(contacts)，這意味著當(dāng)通電時它們是閉合的，在沒有控制 信號時它們是打開的。更具體地說，在沒有檢測到不穩(wěn)定性的情況下，通過可編程邏輯器件 20向連接到第一固態(tài)繼電器2 的頻率檢測器40提供預(yù)定頻率(例如1000Hz)的AC控制 信號，以將第一固態(tài)繼電器維持在它的激活、閉合狀態(tài)。在相同情況下，通過可編程邏輯器 件20向第二固態(tài)繼電器24b提供直流控制信號以將第二固態(tài)繼電器24b維持在閉合狀態(tài)。 檢測到不穩(wěn)定性觸發(fā)了兩個控制信號的中斷和兩個安全固態(tài)繼電器Ma、Mb的打開。
參照圖4A，固態(tài)繼電器2 設(shè)置有局部測試電路240a，局部測試電路MOa包括兩 個測試開關(guān)Mla、24h和測試電流檢測器M3a。局部測試電路MOa的上游分支將測試開 關(guān)之一 Mla串聯(lián)連接在固態(tài)繼電器的一個端子41a與局部測試直流電源M4的正極端子 之間。二極管可被設(shè)置在上游分支中，以防止電流回流到局部測試電源。局部測試電 路的下游分支將固態(tài)繼電器的另一個端子4 連接到第二測試開關(guān)242a，并且第二測試開 關(guān)對加連接到測試電流檢測器M3a，測試電流檢測器連接到由局部測試電源244的 負(fù)極端子定義的地，以使電路閉合。當(dāng)?shù)谝缓偷诙y試開關(guān)Mla、242a閉合并且固態(tài)繼電 器也閉合時，電流檢測器用于檢測是否有電流流過固態(tài)繼電器的端子41a、42a。第二 固態(tài)繼電器24b通過相同電源244設(shè)置有類似的測試電路，并且相應(yīng)部件已經(jīng)在圖4A中指 定了相同的參考標(biāo)記，使用“b”作為后綴來代替“a”。如圖4B的變體所示，公共電流檢測器 243可用于代替兩個單獨的電流檢測器和對北。 固態(tài)繼電器Ma、Mb，測試開關(guān)對241、242以及電流檢測器243連接到可編程邏輯 器件20，并且實現(xiàn)為光耦合器，使得它們到可編程邏輯器件20的連接與它們到測試電路的 連接完全隔離?？删幊踢壿嬈骷?0還設(shè)置有有限狀態(tài)機50(見圖1)，以執(zhí)行用于檢查不穩(wěn)定性監(jiān) 測設(shè)備的可操作性的一系列測試。在第一測試順序中，檢查固態(tài)繼電器的開關(guān)(switching)。當(dāng)通過測試電流檢測器 243檢查第一固態(tài)繼電器2 的響應(yīng)時，可編程邏輯器件20閉合第一固態(tài)繼電器2 的測 試開關(guān)M1、M2，并且在預(yù)定期間中斷AC控制信號。如果電流檢測器243在AC控制信號的 中斷期間檢測到電流，那么測試失敗并且狀態(tài)機轉(zhuǎn)到啟動故障狀態(tài)。隨后，通過可編程邏輯 器件中斷適當(dāng)?shù)闹绷骺刂菩盘柌⑶袚Q回“0N(開)”，對第二固態(tài)繼電器24b重復(fù)該測試。在第二測試順序中，加速度計的內(nèi)部測試電路用于模擬與不穩(wěn)定性情況對應(yīng)的測 試模式。一系列N個電壓脈沖施加到兩個加速度計的測試端。然后兩個加速度計應(yīng)該以它 們的滿標(biāo)值(full scale value)的80%來做出反應(yīng)，并且產(chǎn)生高于檢測閾值的N個峰值。 在N個峰值之后，不穩(wěn)定性監(jiān)測算法應(yīng)該產(chǎn)生不穩(wěn)定性信號并觸發(fā)兩個固態(tài)開關(guān)。如果沒 有產(chǎn)生不穩(wěn)定性信號，那么測試失敗，狀態(tài)機50轉(zhuǎn)到啟動故障狀態(tài)。明顯地，在每個不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備中，朝向相反方向的兩個加速度計22A、22B的 使用使得可選擇地以實際監(jiān)測算法來檢測每個加速度計信號的峰值成為可能，該加速度計 信號對應(yīng)于慣性體在可測試方向上從靜止位置開始的移動，這實際上已經(jīng)被測試。換句話 說，設(shè)置該算法的峰值閾值，使得在與可測試方向相反的方向(即，加速度計的內(nèi)部測試電 路不允許測試的方向)的加速度計信號的峰值被忽略。不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備可以包括其他測試，例如溫度測量。由溫度傳感器測量的溫度 與下限和上限(例如在-40°C至95°C之間)相比較。如果溫度沒有在預(yù)定窗內(nèi)，那么警報被觸發(fā)。如圖5A所示，不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備在鐵路車輛的至少一些轉(zhuǎn)向架框架18上被復(fù)制， 優(yōu)選地在所有轉(zhuǎn)向架上被復(fù)制，以建立不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)300，不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)300包括 兩個安全回路30h、302b，一個安全回路用于在包括直流電源(例如電池單元304)和連接 到駕駛室的警報308的公共電流檢測器306a的閉合電路中將不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備10的第一 安全繼電器Ma串聯(lián)連接到速度控制系統(tǒng)和/或串聯(lián)連接到車輛的制動控制系統(tǒng)，并且第 二安全回路(302b)用于在相同條件下將不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備10的第二安全繼電器24b串聯(lián) 連接到電源304與電流檢測器306b之間。在安全回路上還設(shè)置了二極管310a、310b以防 止電流回流到直流電源304。安全回路中由電流檢測器306a、306b檢測到的任何電流中斷被認(rèn)為是不穩(wěn)定性 事件，并且引起適當(dāng)反應(yīng)，例如警報308的工作、驅(qū)動功率的降低和/或鐵路車輛的制動器 操作。每個局部測試直流電源M4的地都是隔離的，從而上文提到的第一測試順序可以 在所有第一安全繼電器2 上同時進(jìn)行，并且對安全回路30 的直流功率進(jìn)行疊加。然而， 每個單元的第一和第二安全繼電器優(yōu)選地是按順序進(jìn)行測試以避免不可靠的結(jié)果，因為設(shè) 想的是這兩個安全回路是串聯(lián)連接的。不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置有測試總線，用于在分布式系統(tǒng)上執(zhí)行對啟動測試各種測 試的控制，以檢查它的可操作性。測試總線用于將測試請求發(fā)送到不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，并收
集結(jié)果。為測試所配置的火車中安全回路布線的完整性，可執(zhí)行特殊車輛測試。關(guān)閉最 后一節(jié)車廂的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，并且通過軌道車輛的電路斷路器來再次供電。這個操 作將打開和閉合此位置的安全回路，并且這將在駕駛室中得到驗證。如果這個測試是正 (positive)的，那么認(rèn)為整個安全回路正在工作。否則，應(yīng)該在直接位于上游的不穩(wěn)定性檢 測設(shè)備上重復(fù)操作，直到錯誤被發(fā)現(xiàn)。在這種情況下，布線中的錯誤將位于回路工作的單元 與下游的下一個單元之間。作為變體，兩個安全回路可以串聯(lián)連接在公共電源與公共電流檢測器之間。為限制不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備之一發(fā)生故障時出現(xiàn)的可用性問題，還設(shè)想為每個轉(zhuǎn)向 架提供第一不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備IOA和第二不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備10B，如圖5B所示。每個不穩(wěn) 定性監(jiān)測設(shè)備的安全繼電器2 和24b是串聯(lián)連接的。第一不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備IOA的安全 繼電器Ma、24b連接到第一安全回路302A，第二不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備的安全繼電器Ma、Mb 連接到第二安全回路302B。當(dāng)一個不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備發(fā)生故障并且中斷安全回路之一時， 可以在其他安全回路上繼續(xù)工作。本發(fā)明不限于上文所述的實施例。如果加速度測量的冗余并不重要，那么可以使用單加速度計。優(yōu)選地，單加速度計 應(yīng)該具有兩個可測試方向，即它應(yīng)該設(shè)置有測試裝置以在其靜止位置的兩側(cè)移動加速度計 的慣性體。加速度計可以是雙軸或三軸的，在這種情況下，來自附加軸的信號可被簡單地忽 略或與來自第一軸的信號并行處理。還可以組合來自不同軸的信號以建立加速度矢量，這 將由可編程邏輯器件處理。加速度計可以是任何方便的類型，例如基于壓電傳感器。不穩(wěn)定性監(jiān)測算法可以具有很多變體。特別地，用于對峰值計數(shù)的具有下和上閾值的時間窗可被更復(fù)雜的數(shù)字過濾器取代，以忽略不在觀察頻率范圍內(nèi)的信號的一些部 分。如果安全固態(tài)繼電器的冗余并不重要，那么一種選擇是去除兩個固態(tài)繼電器中的 一個，在這種情況下，不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)將只設(shè)置有一個安全回路。已經(jīng)與鐵路車輛連接使用的不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)還可以在各種復(fù)雜系統(tǒng)中實現(xiàn)，其 中需要分布式加速度測量以確定不穩(wěn)定性狀態(tài)，例如飛行器或發(fā)電廠的渦輪機。
權(quán)利要求
1.一種用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，包括-至少第一加速度計，用于傳遞響應(yīng)于沿著參考軸線的振動的第一加速度信號；-至少第一固態(tài)安全繼電器，具有兩個主端子，并且能夠在閉合狀態(tài)與打開狀態(tài)之間切 換；以及-可編程邏輯器件，連接到所述第一加速度計和所述第一固態(tài)繼電器，所述可編程邏輯 器件是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)，并且設(shè)置有同時并行運 行且執(zhí)行不穩(wěn)定性監(jiān)測算法的非易失性邏輯塊，以基于所述第一加速度信號的不穩(wěn)定性條 件來改變所述第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，其中，所述可編程邏輯器件包括非易失性 可擦除可改編程序存儲器。
3.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，其中，所述不穩(wěn)定性監(jiān)測算法包括-預(yù)處理所述第一加速度信號；-檢測預(yù)處理的加速度信號的、高于預(yù)定加速度閾值的峰值；-如果兩個連續(xù)峰值之間的時間在預(yù)定時間窗內(nèi)，那么使計數(shù)器遞增；-如果所述計數(shù)器達(dá)到或超過預(yù)定計數(shù)器閾值，那么激活所述固態(tài)安全繼電器；以及-如果在預(yù)定時間段內(nèi)沒有檢測到峰值，那么復(fù)位所述計數(shù)器。
4.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，其中，預(yù)處理所述第一加速度信號 包括通過低通濾波器和高通濾波器處理所述第一加速度信號。
5.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)一步包括第二加速度計，用于傳 遞響應(yīng)于沿著參考軸線的振動的第二加速度信號，所述第二加速度計連接到所述可編程邏 輯器件，所述不穩(wěn)定性監(jiān)測算法基于所述第一加速度信號和所述第二加速度信號的不穩(wěn)定 性條件來改變所述第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)。
6.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，其中，所述第一加速度計和所述第 二加速度計中的每個包括-慣性體，可平行于所述參考軸線在中間靜止位置與兩個相反限制之間移動；以及-內(nèi)部測試電路，用于使所述慣性體在一個可測試方向上從靜止位置向所述兩個相反 限制的一個限制移動，其中，所述第一加速度計和所述第二加速度計的可測試方向是彼此相反的，響應(yīng)于每 個慣性體在與所述可測試方向相反的所述方向上在所述靜止位置與所述兩個限制的另一 個限制之間的運動、由所述第一加速度計和所述第二加速度計產(chǎn)生的加速度信號被所述可 編程邏輯器件忽略。
7.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，其中，所述第一固態(tài)繼電器在沒有 控制信號的情況下是打開的，所述可編程邏輯器件基于所述第一加速度信號的不穩(wěn)定性條 件來中斷所述控制信號以改變所述第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)。
8.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)一步包括連接到所述可編程邏輯 器件的第二固態(tài)繼電器，所述算法基于所述第一加速度信號的不穩(wěn)定性條件來改變所述第 二固態(tài)繼電器的狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求8所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，其中，通過中斷由所述可編程邏輯器件控制的交流控制信號來觸發(fā)所述第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)的改變，而通過中斷由所述可編程邏 輯器件控制的直流控制信號來觸發(fā)所述第二固態(tài)繼電器的狀態(tài)的改變。
10.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)一步包括印刷電路板以接納所 述可編程邏輯器件、所述第一固態(tài)繼安全電器和所述第一加速度計，如果提供第二固態(tài)繼 安全電器和第二加速度計，那么所述印刷電路板還接納所述第二固態(tài)繼安全電器和所述第 二加速度計。
11.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)一步設(shè)置有測試電路，包括-測試電源；-測試電流檢測器；-測試切換裝置，用于在測試模式與工作模式之間切換所述不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，從而在 所述測試模式下所述安全開關(guān)的主端子連接在所述局部測試電源與所述局部測量設(shè)備之 間，而在所述工作模式下所述安全開關(guān)的主端子斷開與所述局部測試電源的連接。
12.一種用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，包括-如任一前述權(quán)利要求所述的多個分布式不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備；-安全回路，使所述多個不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備的第一固態(tài)安全繼電器串聯(lián)地互連。
13.如權(quán)利要求12所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，其中，所述安全回路設(shè)置有-電源，用于向所述安全回路供電，-故障檢測器，用于檢測所述多個不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備的第一狀態(tài)安全繼電器的至少一 個的狀態(tài)的改變。
14.一種設(shè)置有多個轉(zhuǎn)向架并且設(shè)置有如權(quán)利要求12或13所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng) 的鐵路車輛，其中，每個轉(zhuǎn)向架設(shè)置有所述不穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的所述不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備中 的至少一個。
全文摘要
用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備(10)包括至少第一加速度計(22)，用于傳遞響應(yīng)于沿著參考軸線的振動的第一加速度信號；至少第一固態(tài)安全繼電器(24)，具有兩個主端子并且可在閉合狀態(tài)與打開狀態(tài)之間切換；以及可編程邏輯器件(20)，連接到第一加速度計和所述第一固態(tài)繼電器，可編程邏輯器件是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)，并且設(shè)置有同時并行運行且執(zhí)行不穩(wěn)定性監(jiān)測算法的非易失性邏輯塊，以基于第一加速度信號的不穩(wěn)定性條件來改變第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)。
文檔編號B61F5/24GK102143875SQ200980134751
公開日2011年8月3日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
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