專利名稱：特別用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè) 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(wú)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(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。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(yùn)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(xiǎn)。為了減小危險(xiǎn)運(yùn)行(例如，由有缺陷的抗偏器所引起)的風(fēng)險(xiǎn)，由歐盟委員會(huì)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(cè)出火車的轉(zhuǎn)向架運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性。在UIC規(guī)程515. 5中定義了用于檢測(cè)鐵路客車的轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行不穩(wěn)定性的算法。 根據(jù)這個(gè)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(shí)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(shí)，檢測(cè)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(cè)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(gè)縱向加速度計(jì)。比較并處理來(lái)自兩個(gè)加速度計(jì)的信號(hào)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(bào)警信號(hào)。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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)(優(yōu)選地是三軸加速度計(jì))連接到位于列車編組的 遠(yuǎn)程位置處的中央信號(hào)處理單元。雖然這種類型的配置可能證明適于監(jiān)測(cè)如制動(dòng)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(jí)。特別地，加速度信號(hào)從加速度計(jì)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(cè)裝置，包括用于監(jiān)測(cè)機(jī)車轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性的加 速度計(jì)，該加速度計(jì)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(hào)的不穩(wěn)定 性條件來(lái)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(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性的方法。該方法 主要包括通過至少一個(gè)加速度傳感器來(lái)檢測(cè)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(duì)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(cè)在預(yù)定時(shí)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(lái)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(gè)硅梁式加速度計(jì)的加速度計(jì)陣列，非易失性存儲(chǔ)器，時(shí)鐘計(jì)時(shí)器，以及可操 作地連接到加速度計(jì)陣列、非易失性存儲(chǔ)器、和時(shí)鐘計(jì)時(shí)器的可編程控制單元。可以在公共 半導(dǎo)體基底上形成(例如，集成)加速度計(jì)陣列、非易失性存儲(chǔ)器、時(shí)鐘計(jì)時(shí)器和可編程控制單元，并且加速度計(jì)陣列布置在中央?yún)^(qū)域。實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定性檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)有嘗試都是基于傳感器(例如加速度計(jì))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(xiǎn)，但是不穩(wěn)定 性的風(fēng)險(xiǎn)不能降低到零，因?yàn)樵诓环€(wěn)定運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)裝置的未檢測(cè)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(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用 于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括-至少第一加速度計(jì)，用于傳遞響應(yīng)于沿著參考軸線的振動(dòng)的第一加速度信號(hào)，-至少第一固態(tài)安全繼電器，具有兩個(gè)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(jì)和第一固態(tài)繼電器，可編程邏輯器件是現(xiàn) 場(chǎng)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(shí)并行運(yùn)行且執(zhí)行 不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法的非易失性邏輯塊，以基于第一加速度信號(hào)的不穩(wěn)定性條件來(lái)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(shí)施機(jī)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(yùn)行不穩(wěn)定性檢測(cè)算法而實(shí)施可編程邏輯器件 (PLD)，所以不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)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(jí) (SIL)。明顯地，本發(fā)明不限于鐵路行業(yè)，而且類似的優(yōu)點(diǎn)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?？删幊踢壿嬈骷稍O(shè)置有非易失性可擦除可改編程序存儲(chǔ)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(dòng)后立即運(yùn)行PLD。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法包括-預(yù)處理第一加速度信號(hào)；-檢測(cè)預(yù)處理的加速度信號(hào)的、高于預(yù)定加速度閾值的峰值；-如果兩個(gè)連續(xù)峰值之間的時(shí)間在預(yù)定時(shí)間窗內(nèi)，那么遞增計(jì)數(shù)器；-如果計(jì)數(shù)器達(dá)到或超過預(yù)定計(jì)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(shí)間段內(nèi)沒有檢測(cè)到峰值，那么復(fù)位計(jì)數(shù)器。這個(gè)算法基于UIC規(guī)程515. 5中所定義的要求。時(shí)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(shí)間等同。有利地，預(yù)處理第一加速度信號(hào)包括通過低通濾波器和高通濾波器處理第一加速 度信號(hào)。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(cè)設(shè)備的不充分定位而引起。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)一步包括第二加速度計(jì)，用于傳遞響 應(yīng)于沿著參考軸線的振動(dòng)的第二加速度信號(hào)，第二加速度計(jì)連接到可編程邏輯器件，不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法基于第一和第二加速度信號(hào)的不穩(wěn)定性條件來(lái)改變第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)。 兩個(gè)加速度計(jì)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(jì)中的每個(gè)包括可 平行于參考軸線在中間靜止位置與兩個(gè)相反限制之間移動(dòng)的慣性體、以及用于使慣性體在 一個(gè)可測(cè)試方向上從靜止位置向兩個(gè)相反限制的一個(gè)限制移動(dòng)的內(nèi)部測(cè)試電路。第一和第 二加速度計(jì)的可測(cè)試方向彼此相反，響應(yīng)于每個(gè)慣性體的、在與可測(cè)試方向相反的方向上 在靜止位置與兩個(gè)限制的另一個(gè)限制之間的運(yùn)動(dòng)而由第一和第二加速度計(jì)產(chǎn)生的加速度 信號(hào)被可編程邏輯器件忽略。這種類型的加速度計(jì)是本領(lǐng)域所公知的。內(nèi)部測(cè)試電路可包 括與慣性體協(xié)作并連接到測(cè)試終端的電容板，使得施加到測(cè)試終端的直流電壓引起慣性體 在可測(cè)試方向上的運(yùn)動(dòng)，該內(nèi)部測(cè)試電路模擬在這個(gè)方向上的恒定加速度。通過加速度計(jì) 產(chǎn)生的信號(hào)可用于測(cè)試在可測(cè)試方向上的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法。當(dāng)兩個(gè)這種加速度計(jì)(優(yōu)選 地是相同的)彼此相對(duì)地放置在同一印刷電路板上時(shí)，可以執(zhí)行只考慮加速度信號(hào)的可實(shí) 際測(cè)試的部分的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法。有利地，第一固態(tài)繼電器在沒有控制信號(hào)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(hào)的不穩(wěn)定性條件來(lái)中斷控制信號(hào)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(cè)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(shí)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(hào)的不穩(wěn)定性條件來(lái)改變第二固態(tài)繼電器的狀態(tài)。兩個(gè)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(hào)的中 斷來(lái)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(hào)的 中斷來(lái)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(hào)的中斷，所以在第一固 態(tài)繼電器上將檢測(cè)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(shí)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(jì)，如果提供第二固態(tài)繼安全電器和第二加速度計(jì)，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(jì)。有利地，設(shè)備還可以設(shè)置有測(cè)試電路，該測(cè)試電路包括-測(cè)試電源；-測(cè)試電流檢測(cè)器；-測(cè)試切換裝置，用于在測(cè)試模式與工作模式之間切換不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，使得在 測(cè)試模式下安全開關(guān)的主端子連接在局部測(cè)試電源與局部測(cè)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(cè)試電源的連接。測(cè)試電路用于在安全固態(tài)繼電器上執(zhí)行集成測(cè)試。如果設(shè)備包括兩個(gè)安全繼電 器，那么可提供兩個(gè)測(cè)試電路，這兩個(gè)測(cè)試電路可共用一個(gè)測(cè)試電源，根據(jù)一個(gè)變體，可共 用一個(gè)電流檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)，包括-如上所述的多個(gè)分布式不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備；-安全回路，使多個(gè)安全監(jiān)測(cè)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(cè)器，用于檢測(cè)多個(gè)不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備的第一狀態(tài)安全繼電器的至少一 個(gè)的狀態(tài)的改變。故障檢測(cè)器可以是電流檢測(cè)器。通過故障檢測(cè)器可立即檢測(cè)到由于分布式不穩(wěn)定 性監(jiān)測(cè)設(shè)備之一檢測(cè)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(cè)設(shè)備的故障還會(huì)引起安全固態(tài)繼電器的至少一個(gè)的打開，并且還將通過故障檢測(cè) 器檢測(cè)到。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種設(shè)置有多個(gè)轉(zhuǎn)向架并且設(shè)置有如上所述的不 穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的鐵路車輛，其中，每個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)置有不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè) 設(shè)備中的至少一個(gè)。


通過僅作為非限制性實(shí)施例給出且在附圖中示出的本發(fā)明具體實(shí)施方式
的以下 描述，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)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(cè)設(shè)備的框圖；-圖2示出了圖1的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備中一對(duì)可自測(cè)試的微機(jī)電加速度計(jì)；-圖3A至I示出了圖1的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)加速度信號(hào)的處理；-圖4A示出了用于測(cè)試圖1的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備的安全固態(tài)繼電器的測(cè)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(cè)系統(tǒng)，該不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括多個(gè)圖1中所示類型 的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備；-圖5B示出了圖5A的變體。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，專用于對(duì)轉(zhuǎn)向架12的不穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)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(gè)相同的橫向加 速度計(jì)22A、22B，和作為主輸出的兩個(gè)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(shí)鐘電路30、看門狗電路32、測(cè)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(gè)橫向加速度傳感器22A、22B優(yōu)選地是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))型。 這種類型的加速度計(jì)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(jì)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(gè)板 223，多個(gè)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(duì)于基底沿著軸線X-X 橫向移動(dòng)。這些可移動(dòng)的板223中的每一個(gè)都位于兩個(gè)多晶硅板2 之間，多晶硅板224 垂直于梁221并且相對(duì)于基底固定。每個(gè)可移動(dòng)板223和可移動(dòng)板兩側(cè)上的固定板2 形 成差動(dòng)電容器單元225。這些單元相疊加形成差動(dòng)電容器。作為多晶硅的替代，加速度計(jì)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(dòng)電容器，可以采用不同方法來(lái)檢測(cè)加速度。每個(gè)可移動(dòng)板(即，可隨慣性體移動(dòng))在兩個(gè)固定板之間的中間處于靜止位置。在可移動(dòng)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(dòng)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(shí)，具有可移動(dòng)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(hào)。在固定板上這個(gè)信號(hào)被放大、處理并 提供給輸出端226。為了驗(yàn)證傳感器22A、22B的正確操作，提供了自測(cè)試輸入端228。激活自測(cè)試導(dǎo)致 階梯函數(shù)力沿著平行于參考軸線X-X的可測(cè)試方向DA、DB施加至加速度計(jì)22。更具體地， 通過自測(cè)試輸入端2 激活自測(cè)試引起在測(cè)試單元231中的移動(dòng)梁221 —側(cè)上的至少一對(duì) 固定板2 上的電壓變化。這將對(duì)與可移動(dòng)梁221成一體的測(cè)試板230產(chǎn)生靜電場(chǎng)引力， 導(dǎo)致梁221從靜止位置向可測(cè)試方向移動(dòng)。在可測(cè)試方向上的這種傳感器位移將改變?cè)趥?感器輸出端2 所看到的信號(hào)。值得注意的是，兩個(gè)相同的加速度計(jì)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(dòng)時(shí)，兩個(gè)相同的加速度計(jì)的輸出具有相同的絕對(duì)瞬時(shí)值但 符號(hào)相反。這也意味著它們的參考軸線X-X是對(duì)齊的，而它們的可測(cè)試方向DA和DB是彼 此相反的。加速度計(jì)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(chǎng)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(shí) 并行運(yùn)行且執(zhí)行不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法的非易失性邏輯塊，使得當(dāng)檢測(cè)到不穩(wěn)定性條件時(shí)，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(lái)自第一和第二加速度計(jì)的數(shù)字化加速度信號(hào)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(shí)，首先用數(shù)字帶通濾波器對(duì)每個(gè) 加速度計(jì)的數(shù)字化加速度信號(hào)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(hào)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(hào)。如圖3E 所示檢測(cè)到超過預(yù)定閾值的濾波信號(hào)的峰值。在與相應(yīng)的可測(cè)試方向DA、DB對(duì)應(yīng)的方向 為每個(gè)加速度計(jì)22A、22B設(shè)置閾值(即，這個(gè)實(shí)施例中的正閾值)。與可測(cè)試方向相反的 方向上的每個(gè)加速度信號(hào)的峰值不予考慮。計(jì)數(shù)器從零開始計(jì)數(shù)，對(duì)于每個(gè)加速度，當(dāng)在預(yù) 定時(shí)間窗內(nèi)檢測(cè)到連續(xù)峰值時(shí)(例如，如圖3F所示，當(dāng)連續(xù)兩個(gè)峰值彼此相隔大于125ms 但小于250ms時(shí))，計(jì)數(shù)器遞增。更確切地，在每個(gè)計(jì)數(shù)器遞增之后啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。如果最后 計(jì)數(shù)的峰值與新的峰值之間的時(shí)間(通過計(jì)時(shí)器測(cè)量)小于120ms或者大于250ms但小于 500ms，那么不更新計(jì)數(shù)器。如果在最后峰值之后的階段T = 500ms內(nèi)沒有檢測(cè)到峰值，或 者在階段T = 500ms之后檢測(cè)到相隔小于125ms或者超過250ms的峰值，那么計(jì)數(shù)器和計(jì) 時(shí)器復(fù)位為0。每當(dāng)一個(gè)加速度計(jì)的計(jì)數(shù)器達(dá)到N時(shí)(如圖3H和圖31所示)，則傳遞不穩(wěn) 定性信號(hào)，在這種情況下，計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器也被復(fù)位。當(dāng)兩個(gè)加速度計(jì)都檢測(cè)到不穩(wěn)定性信 號(hào)時(shí)(如圖3J所示)時(shí)，傳遞不穩(wěn)定性檢測(cè)信號(hào)。還可在較早階段傳遞警告信號(hào)，例如只 要在兩個(gè)信道檢測(cè)到第一或第二峰值，如圖3K所示。明顯地，用于檢測(cè)不穩(wěn)定性所使用的 算法只使用每個(gè)加速度信號(hào)的一部分，即與每個(gè)加速度計(jì)的可測(cè)試方向?qū)?yīng)的部分。每個(gè)安全固態(tài)繼電器Ma、24b設(shè)置有兩個(gè)輸出端41a、42a、41b、42b，并且被設(shè)計(jì) 為當(dāng)控制輸入端上的相應(yīng)控制信號(hào)改變時(shí)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(diǎn)(contacts)，這意味著當(dāng)通電時(shí)它們是閉合的，在沒有控制 信號(hào)時(shí)它們是打開的。更具體地說，在沒有檢測(cè)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(cè)器40提供預(yù)定頻率(例如1000Hz)的AC控制 信號(hào)，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(hào)以將第二固態(tài)繼電器24b維持在閉合狀態(tài)。 檢測(cè)到不穩(wěn)定性觸發(fā)了兩個(gè)控制信號(hào)的中斷和兩個(gè)安全固態(tài)繼電器Ma、Mb的打開。
參照?qǐng)D4A，固態(tài)繼電器2 設(shè)置有局部測(cè)試電路240a，局部測(cè)試電路MOa包括兩 個(gè)測(cè)試開關(guān)Mla、24h和測(cè)試電流檢測(cè)器M3a。局部測(cè)試電路MOa的上游分支將測(cè)試開 關(guān)之一 Mla串聯(lián)連接在固態(tài)繼電器的一個(gè)端子41a與局部測(cè)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(cè)試電源。局部測(cè)試電 路的下游分支將固態(tài)繼電器的另一個(gè)端子4 連接到第二測(cè)試開關(guān)242a，并且第二測(cè)試開 關(guān)對(duì)加連接到測(cè)試電流檢測(cè)器M3a，測(cè)試電流檢測(cè)器連接到由局部測(cè)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(cè)試開關(guān)Mla、242a閉合并且固態(tài)繼電 器也閉合時(shí)，電流檢測(cè)器用于檢測(cè)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(cè)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(lái)代替“a”。如圖4B的變體所示，公共電流檢測(cè)器 243可用于代替兩個(gè)單獨(dú)的電流檢測(cè)器和對(duì)北。 固態(tài)繼電器Ma、Mb，測(cè)試開關(guān)對(duì)241、242以及電流檢測(cè)器243連接到可編程邏輯 器件20，并且實(shí)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(cè)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(jī)50(見圖1)，以執(zhí)行用于檢查不穩(wěn)定性監(jiān) 測(cè)設(shè)備的可操作性的一系列測(cè)試。在第一測(cè)試順序中，檢查固態(tài)繼電器的開關(guān)(switching)。當(dāng)通過測(cè)試電流檢測(cè)器 243檢查第一固態(tài)繼電器2 的響應(yīng)時(shí)，可編程邏輯器件20閉合第一固態(tài)繼電器2 的測(cè) 試開關(guān)M1、M2，并且在預(yù)定期間中斷AC控制信號(hào)。如果電流檢測(cè)器243在AC控制信號(hào)的 中斷期間檢測(cè)到電流，那么測(cè)試失敗并且狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)到啟動(dòng)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?hào)并切換回“0N(開)”，對(duì)第二固態(tài)繼電器24b重復(fù)該測(cè)試。在第二測(cè)試順序中，加速度計(jì)的內(nèi)部測(cè)試電路用于模擬與不穩(wěn)定性情況對(duì)應(yīng)的測(cè) 試模式。一系列N個(gè)電壓脈沖施加到兩個(gè)加速度計(jì)的測(cè)試端。然后兩個(gè)加速度計(jì)應(yīng)該以它 們的滿標(biāo)值(full scale value)的80%來(lái)做出反應(yīng)，并且產(chǎn)生高于檢測(cè)閾值的N個(gè)峰值。 在N個(gè)峰值之后，不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法應(yīng)該產(chǎn)生不穩(wěn)定性信號(hào)并觸發(fā)兩個(gè)固態(tài)開關(guān)。如果沒 有產(chǎn)生不穩(wěn)定性信號(hào)，那么測(cè)試失敗，狀態(tài)機(jī)50轉(zhuǎn)到啟動(dòng)故障狀態(tài)。明顯地，在每個(gè)不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備中，朝向相反方向的兩個(gè)加速度計(jì)22A、22B的 使用使得可選擇地以實(shí)際監(jiān)測(cè)算法來(lái)檢測(cè)每個(gè)加速度計(jì)信號(hào)的峰值成為可能，該加速度計(jì) 信號(hào)對(duì)應(yīng)于慣性體在可測(cè)試方向上從靜止位置開始的移動(dòng)，這實(shí)際上已經(jīng)被測(cè)試。換句話 說，設(shè)置該算法的峰值閾值，使得在與可測(cè)試方向相反的方向(即，加速度計(jì)的內(nèi)部測(cè)試電 路不允許測(cè)試的方向)的加速度計(jì)信號(hào)的峰值被忽略。不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備可以包括其他測(cè)試，例如溫度測(cè)量。由溫度傳感器測(cè)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(bào)被觸發(fā)。如圖5A所示，不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)300，不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)300包括 兩個(gè)安全回路30h、302b，一個(gè)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(bào)308的公共電流檢測(cè)器306a的閉合電路中將不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)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(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)器306a、306b檢測(cè)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(bào)308的工作、驅(qū)動(dòng)功率的降低和/或鐵路車輛的制動(dòng)器 操作。每個(gè)局部測(cè)試直流電源M4的地都是隔離的，從而上文提到的第一測(cè)試順序可以 在所有第一安全繼電器2 上同時(shí)進(jìn)行，并且對(duì)安全回路30 的直流功率進(jìn)行疊加。然而， 每個(gè)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(cè)試以避免不可靠的結(jié)果，因?yàn)樵O(shè) 想的是這兩個(gè)安全回路是串聯(lián)連接的。不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置有測(cè)試總線，用于在分布式系統(tǒng)上執(zhí)行對(duì)啟動(dòng)測(cè)試各種測(cè) 試的控制，以檢查它的可操作性。測(cè)試總線用于將測(cè)試請(qǐng)求發(fā)送到不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，并收
集結(jié)果。為測(cè)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(cè)試。關(guān)閉最 后一節(jié)車廂的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，并且通過軌道車輛的電路斷路器來(lái)再次供電。這個(gè)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(yàn)證。如果這個(gè)測(cè)試是正 (positive)的，那么認(rèn)為整個(gè)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(cè)設(shè)備上重復(fù)操作，直到錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn)。在這種情況下，布線中的錯(cuò)誤將位于回路工作的單元 與下游的下一個(gè)單元之間。作為變體，兩個(gè)安全回路可以串聯(lián)連接在公共電源與公共電流檢測(cè)器之間。為限制不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備之一發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)的可用性問題，還設(shè)想為每個(gè)轉(zhuǎn)向 架提供第一不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備IOA和第二不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備10B，如圖5B所示。每個(gè)不穩(wěn) 定性監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(gè)不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)生故障并且中斷安全回路之一時(shí)， 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(shí)施例。如果加速度測(cè)量的冗余并不重要，那么可以使用單加速度計(jì)。優(yōu)選地，單加速度計(jì) 應(yīng)該具有兩個(gè)可測(cè)試方向，即它應(yīng)該設(shè)置有測(cè)試裝置以在其靜止位置的兩側(cè)移動(dòng)加速度計(jì) 的慣性體。加速度計(jì)可以是雙軸或三軸的，在這種情況下，來(lái)自附加軸的信號(hào)可被簡(jiǎn)單地忽 略或與來(lái)自第一軸的信號(hào)并行處理。還可以組合來(lái)自不同軸的信號(hào)以建立加速度矢量，這 將由可編程邏輯器件處理。加速度計(jì)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(cè)算法可以具有很多變體。特別地，用于對(duì)峰值計(jì)數(shù)的具有下和上閾值的時(shí)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(hào)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(gè)固態(tài)繼電器中的 一個(gè)，在這種情況下，不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將只設(shè)置有一個(gè)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(cè)系統(tǒng)還可以在各種復(fù)雜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，其 中需要分布式加速度測(cè)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(jī)。
權(quán)利要求
1.一種用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括-至少第一加速度計(jì)，用于傳遞響應(yīng)于沿著參考軸線的振動(dòng)的第一加速度信號(hào)；-至少第一固態(tài)安全繼電器，具有兩個(gè)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(jì)和所述第一固態(tài)繼電器，所述可編程邏輯 器件是現(xiàn)場(chǎng)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(shí)并行運(yùn) 行且執(zhí)行不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法的非易失性邏輯塊，以基于所述第一加速度信號(hào)的不穩(wěn)定性條 件來(lái)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(cè)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(chǔ)器。
3.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，其中，所述不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法包括-預(yù)處理所述第一加速度信號(hào)；-檢測(cè)預(yù)處理的加速度信號(hào)的、高于預(yù)定加速度閾值的峰值；-如果兩個(gè)連續(xù)峰值之間的時(shí)間在預(yù)定時(shí)間窗內(nèi)，那么使計(jì)數(shù)器遞增；-如果所述計(jì)數(shù)器達(dá)到或超過預(yù)定計(jì)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(shí)間段內(nèi)沒有檢測(cè)到峰值，那么復(fù)位所述計(jì)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(cè)設(shè)備，其中，預(yù)處理所述第一加速度信號(hào) 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(hào)。
5.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，進(jìn)一步包括第二加速度計(jì)，用于傳 遞響應(yīng)于沿著參考軸線的振動(dòng)的第二加速度信號(hào)，所述第二加速度計(jì)連接到所述可編程邏 輯器件，所述不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法基于所述第一加速度信號(hào)和所述第二加速度信號(hào)的不穩(wěn)定 性條件來(lái)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(cè)設(shè)備，其中，所述第一加速度計(jì)和所述第 二加速度計(jì)中的每個(gè)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(gè)相反限制之間移動(dòng)；以及-內(nèi)部測(cè)試電路，用于使所述慣性體在一個(gè)可測(cè)試方向上從靜止位置向所述兩個(gè)相反 限制的一個(gè)限制移動(dòng)，其中，所述第一加速度計(jì)和所述第二加速度計(jì)的可測(cè)試方向是彼此相反的，響應(yīng)于每 個(gè)慣性體在與所述可測(cè)試方向相反的所述方向上在所述靜止位置與所述兩個(gè)限制的另一 個(gè)限制之間的運(yùn)動(dòng)、由所述第一加速度計(jì)和所述第二加速度計(jì)產(chǎn)生的加速度信號(hào)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(cè)設(shè)備，其中，所述第一固態(tài)繼電器在沒有 控制信號(hào)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(hào)的不穩(wěn)定性條 件來(lái)中斷所述控制信號(hào)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(cè)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(hào)的不穩(wěn)定性條件來(lái)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(cè)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(hào)來(lái)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(hào)來(lái)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(cè)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(jì)，如果提供第二固態(tài)繼 安全電器和第二加速度計(jì)，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(jì)。
11.如任一前述權(quán)利要求所述的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，進(jìn)一步設(shè)置有測(cè)試電路，包括-測(cè)試電源；-測(cè)試電流檢測(cè)器；-測(cè)試切換裝置，用于在測(cè)試模式與工作模式之間切換所述不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，從而在 所述測(cè)試模式下所述安全開關(guān)的主端子連接在所述局部測(cè)試電源與所述局部測(cè)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(cè)試電源的連接。
12.一種用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括-如任一前述權(quán)利要求所述的多個(gè)分布式不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備；-安全回路，使所述多個(gè)不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)器，用于檢測(cè)所述多個(gè)不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備的第一狀態(tài)安全繼電器的至少一 個(gè)的狀態(tài)的改變。
14.一種設(shè)置有多個(gè)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(cè)系統(tǒng) 的鐵路車輛，其中，每個(gè)轉(zhuǎn)向架設(shè)置有所述不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所述不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備中 的至少一個(gè)。
全文摘要
用于鐵路車輛的不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備(10)包括至少第一加速度計(jì)(22)，用于傳遞響應(yīng)于沿著參考軸線的振動(dòng)的第一加速度信號(hào)；至少第一固態(tài)安全繼電器(24)，具有兩個(gè)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(jì)和所述第一固態(tài)繼電器，可編程邏輯器件是現(xiàn)場(chǎng)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(shí)并行運(yùn)行且執(zhí)行不穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法的非易失性邏輯塊，以基于第一加速度信號(hào)的不穩(wěn)定性條件來(lái)改變第一固態(tài)繼電器的狀態(tài)。
文檔編號(hào)B61F5/24GK102143875SQ200980134751
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
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