传感器装置、车轮及车轮故障监测方法

技术领域

本发明涉及列车监测设备技术领域，尤其是涉及一种传感器装置、车轮及车轮故障监测方法。

背景技术

铁路是重要的基础设施，列车良好的运行是确保铁路安全行车的关键。而这些，必须依赖列车故障诊断技术。

由于列车轮是列车机械部分中最重要的关键部件之一，也是铁路机车机械故障多发的部位，在铁路机车检修与维护中，对列车轮的监测、维护和保养尤为重要。

现阶段，对列车轮的故障监测包括振动状态监测、噪声状态监测、温度状态监测以及无损探伤状态监测等，而上述的监测手段大多通过传感器实现。通过对列车轮转动时的音频及轴温等的监测，反应出列车轮是否存在故障。

而现有的故障监测装置中，大多需要通过外接电源以对传感器等结构进行供电，从而实现监测功能。但外接电源使整体装置与列车轮的结合更加困难。

因此，急需提供一种传感器装置、车轮及车轮故障监测方法以在一定程度上解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传感器装置、车轮及车轮故障监测方法，以在一定程度上解决现有列车车轮监测装置需要外接电源及引线的技术问题。

本发明提供的一种传感器装置，用于车轮，包括第一安装构件、第二安装构件、磁铁、线圈以及传感机构；所述第一安装构件与所述车轮的转轴相连接，所述磁铁安装于所述第一安装构件背离所述转轴的一侧；所述第二安装构件与所述车轮的轴端盖相连接，所述转轴相对所述轴端盖转动，以使所述第一安装构件相对所述第二安装构件旋转；所述线圈安装于所述第二安装构件上，且与所述磁铁的运动轨迹相对设置；所述传感机构设置于所述第二安装构件背离所述线圈的一侧，且与所述线圈线连接，以对所述传感机构提供电力。

其中，所述磁铁的数量为至少一个，所述线圈为至少一个；所述第一安装构件和所述第二安装构件均呈盘状；所述线圈与所述磁铁的运动轨迹相对应设置。

具体地，所述第一安装构件上形成有与所述磁铁一一对应设置的容纳槽，所述磁铁嵌设于所述容纳槽内。

其中，所述第二安装构件背离所述线圈的一侧形成有安装腔，所述传感机构设置于所述安装腔内。

具体地，本发明提供的传感器装置，还包括传感器盖，所述传感器盖上盖设有罩体，所述传感器盖扣设于所述第二安装构件背离所述线圈的一侧，以对所述安装腔进行封闭。

其中，所述传感机构包括电路板、传感器、处理器及储存器；所述线圈与所述电路板线连接，以对所述传感器、所述储存器和所述处理器提供电力；所述传感器能够监测所述车轮的状态。

具体地，所述传感器包括转速传感器、加速度传感器、温度传感器、声学传感器、电流电压传感器中的至少一种；所述转速传感器用于监测所述车轮的转速，并将转速数据传递至所述处理器，所述加速度传感器用于监测车轴振动数据，并将车轴振动数据传递至所述处理器；所述温度传感器用于监测轴温数据，并将温度数据传递至所述处理器；所述声学传感器用于监测所述车轮转动时的异常音频数据，并将音频数据传递至所述储存器；所述电流电压传感器用于监测电流电压数据，并将电流电压数据传递至所述处理器。

进一步地，所述传感机构还包括储能组件，所述线圈与所述储能组件线连接，以对所述储能组件提供电力；所述储能组件为所述电路板提供电力。

相对于现有技术，本发明提供的传感器装置具有以下优势：

本发明提供的传感器装置，用于车轮，包括第一安装构件、第二安装构件、磁铁、线圈以及传感机构；第一安装构件与车轮的转轴相连接，磁铁安装于第一安装构件背离转轴的一侧；第二安装构件与车轮的轴端盖相连接，转轴相对轴端盖转动，以使第一安装构件相对第二安装构件旋转；线圈安装于第二安装构件上，且与磁铁的运动轨迹相对设置；传感机构设置于第二安装构件背离线圈的一侧，且与线圈线连接，以对传感机构提供电力。

由此分析可知，通过将第一安装构件与车轮的转轴相连接，将第二安装构件与车轮的轴端盖相连接，当转轴旋转时，能够带动第一安装构件相对第二安装构件旋转。

再通过将磁铁设置在第一安装构件上，线圈设置在第二安装构件上，当第一安装构件旋转时，能够带动磁铁相对线圈旋转，从而切割磁感线产生电流。

由于本申请中线圈背离磁铁的一端与传感机构线连接，因此，电流能够传递至传感机构内，为传感机构提供电能，从而使传感机构能够对车轮进行故障监测。

由于本申请中的传感器装置安装在列车轮的转轴上，且通过转轴的转动产生的电流为传感机构供电，因此，无需外接电源，从而能够在一定程度上降低传感器装置与车轮的结合难度，并且，也无需布置引线，从而能够降低施工成本和施工隐患。

此外，本发明还提供一种车轮，包括上述的传感器装置以及转轴、轴端压板和轴端盖；所述轴端压板套设于所述转轴的一端，且与所述转轴固定连接，所述第一安装构件与所述轴端压板相连接；所述第二安装构件与所述轴端盖相连接，且所述轴端盖相对所述轴端压板转动，以使所述第一安装构件能够相对所述第二安装构件转动。

安装时，第一安装构件与转轴上的轴端压板相连接，由于轴端压板与转轴固定连接，因此，当转轴旋转时，能够通过轴端压板带动第一安装构件旋转。并且，第一安装构件与转轴通过轴端压板相连接，也能够在一定程度上降低转轴的振动对第一安装构件的影响。

第二安装构件与轴端盖相连接，轴端盖能够相对轴端压板转动，从而使第二安装构件能够相对第一安装构件转动，实现通过磁铁切割磁感线产生电流的目的。

本申请还提供一种车轮故障监测方法，包括如下步骤：步骤S100、车轮的转轴旋转带动第一安装构件旋转，使第一安装构件上的磁铁相对第二安装构件上的线圈旋转，从而产生电流；步骤S200、电流传输至传感机构，且当所述传感机构获得电能后，开始对车轮进行故障监测，并发送检测数据；步骤S300、获取至少一个检测数据，且当其中一个所述检测数据超出设定范围，发出报警、预警信息。

通过采用本申请提供的传感器装置，能够无需连接外部电源及引线，即可实现对列车轮的故障监测，避免对列车轮在转动时产生影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的传感器装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传感器装置及车轮装配的剖视图；

图3为本发明实施例提供的传感器装置的线圈位置示意图；

图4为本发明实施例提供的传感器装置的磁铁位置示意图；

图5为本发明实施例提供的车轮故障监测方法流程示意图。

图中：1-第一安装构件；101-容纳槽；2-第二安装构件；201-安装腔；3-磁铁；4-线圈；5-传感器盖；501-罩体；6-转轴；7-轴承；8-壳体；9-轴端压板；10-轴端盖。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如在此所使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项中的任何一项和任何两项或更多项的任何组合。

为了易于描述，在这里可使用诸如“在……之上”、“上部”、“在……之下”和“下部”的空间关系术语，以描述如附图所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间关系术语意图除了包含在附图中所描绘的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并非用于限制本公开。除非上下文另外清楚地指明，否则单数的形式也意图包括复数的形式。术语“包括”、“包含”和“具有”列举存在的所陈述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

由于制造技术和/或公差，可出现附图中所示的形状的变化。因此，这里所描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括在制造期间出现的形状上的改变。

这里所描述的示例的特征可按照在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的各种方式进行组合。此外，尽管这里所描述的示例具有各种各样的构造，但是如在理解本申请的公开内容之后将显而易见的，其他构造是可能。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

图1为本发明实施例提供的传感器装置的整体结构示意图；图2为本发明实施例提供的传感器装置及车轮装配的剖视图；图3为本发明实施例提供的传感器装置的线圈位置示意图；图4为本发明实施例提供的传感器装置的磁铁位置示意图。

如图1-图4所示，本发明提供一种传感器装置，用于车轮，包括第一安装构件1、第二安装构件2、磁铁3、线圈4以及传感机构；第一安装构件1的一端与车轮的转轴6的一端相连接，磁铁3安装于第一安装构件1背离转轴6的一侧；第二安装构件2与车轮的轴端盖10相连接，转轴6能够相对轴端盖10转动，以使第一安装构件1能够相对第二安装构件2旋转；线圈4安装于第二安装构件2上，且与磁铁3相对设置，传感机构设置于第二安装构件2背离线圈4的一侧，且线圈4与传感机构线连接，以对传感机构提供电力。

相对于现有技术，本发明提供的传感器装置具有以下优势：

本发明提供的传感器装置，通过将第一安装构件1与车轮的转轴6相连接，将第二安装构件2与车轮的轴端盖10相连接，当转轴6旋转时，能够带动第一安装构件1相对第二安装构件2旋转。

再通过将磁铁3设置在第一安装构件1上，线圈4设置在第二安装构件2上，当第一安装构件1旋转时，能够带动磁铁3相对线圈4旋转，从而切割磁感线产生电流。

由于本申请中线圈4背离磁铁3的一端与传感机构线连接，因此，电流能够传递至传感机构内，为传感机构提供电能，从而使传感机构能够对车轮进行故障监测。

由于本申请中的传感器装置安装在列车轮的转轴6上，且通过转轴6的转动带动磁铁3相对线圈4转动，从而产生的电流为传感机构供电，因此，无需外接电源，从而能够在一定程度上降低传感器装置与车轮的结合难度，并且，也无需布置引线，从而能够降低施工成本和施工隐患。

其中，如图1-图4所示，磁铁3为至少一个；线圈4为至少一个。

本申请中第一安装构件1和第二安装构件2均呈盘状。

本申请中的磁铁3呈圆形，至少一个磁铁3设置在第一安装构件1上，且至少一个线圈4对应磁铁3的运动轨迹设置于第二安装构件2上。

优选地，本申请中的磁铁3的数量为多个，进一步地，磁铁3的数量为16个，且沿第一安装构件1的周向设置。

本申请中线圈4的数量为多个，且优选地，线圈4的数量为12个，磁铁3的数量多于线圈4的数量能够使电流的产生更稳定。

此处需要补充说明的是，本申请中磁铁3可以通过粘接的方式与第一安装构件1相连接，线圈4可以通过粘接或螺接等形式与第二安装构件2相连接。

具体地，如图1-图4所示，第一安装构件1上形成有与磁铁3一一对应设置的容纳槽101，磁铁3嵌设于容纳槽101内。

此处需要补充说明的是，优选地，本申请中磁铁3嵌入容纳槽101内能够使磁铁3朝向线圈4的一侧的表面与第一安装构件1朝向第二安装构件2的一侧的表面位于同一平面。

由于作业时，第一安装构件1带动磁铁3旋转，因此，通过在第一安装构件1上与磁铁3对应形成的容纳槽101，一方面，使磁铁3嵌设在容纳槽101内，能够在一定程度上保证第一安装构件1旋转时磁铁3的稳定性，另一方面，也能够使磁铁3朝向线圈4的一侧与第一安装构件1朝向第二安装构件2的一侧位于同一平面，避免磁铁3旋转时，与线圈4产生干涉。

进一步地，如图1-图4所示，第二安装构件2背离线圈4的一侧形成有安装腔201，传感机构设置于安装腔201内。

通过在第二安装构件2背离线圈4的一侧形成的安装腔201，一方面，能够使传感器机构稳定地进行安装，另一方面，能够在一定程度上使传感机构得到保护。

其中，如图1-图4所示，本发明提供的传感器装置，还包括传感器盖5，传感器盖5上盖设有罩体501，传感器盖5扣设于第二安装构件2背离线圈4的一侧，以对安装腔201进行封闭。

通过在第二安装构件2上扣设的传感器盖5，能够使安装腔201的到封闭，使传感机构处于相对封闭的空间内。而在传感器盖5上设置的罩体501，能够方便传感机构进行信号的传输和接收。

此处需要补充说明的是，本申请中，传感器盖5上形成有与罩体501形状相适配的定位孔，安装腔201内设有定位柱，且定位柱上形成有螺孔，罩体501通过螺栓与定位柱相连接，从而与第二安装构件2可拆卸连接。也可以通过将螺栓的一端穿过第二安装构件2，直接与罩体501螺纹连接的方式，实现罩体501与第二安装构件2相连接。

具体地，如图1-图4所示，传感机构包括电路板、传感器、储存器及处理器；线圈4与电路板线连接，以对传感器、储存器和处理器提供电力；传感器能够监测车轮的状态。

本申请中的电路板可以为多个，且传感器设置在电路板上，设有不同传感器的电路板可需求设置在不同位置，并通过线圈4为多个电路板提供电力，从而既能够满足对传感器的供电，又能使传感器根据具体功能和需求设置合适位置。

当车轮转动时，线圈4产生的电流通过导线输送至电路板上，由于传感器和处理器集成在电路板上，因此，传感器和处理器能够获得线圈4产生的电力，并开始对车轮的状态进行监测。

进一步地，如图1-图4所示，传感器包括转速传感器、加速度传感器、温度传感器、声学传感器、电流电压传感器中的至少一种；转速传感器用于监测车轮的转速，并将转速信号传递至处理器，加速度传感器用于监测车轴振动数据，并将车轴振动信号传递至处理器；温度传感器用于监测车轮的温度，并将温度信号传递至处理器；声学传感器用于监测车轮转动时的声音，并将声音信号传递至储存器；电流电压传感器用于监测电流电压信号，并将电流电压信号传递至处理器。

通过设置的转速传感器、加速度传感器、温度传感器、声学传感器，能够对车轮的转速、加速度、温度和音频进行监测，再通过处理进行分析判断，从而能够对车轮在运行时的状态进行实时监测，并及时预警，进而在一定程度上保证车辆运行的安全。

本申请中，通过设置的电流电压传感器，能够对整体装置的供电电压和功耗进行监测，从而能够在一定程度上保证传感器装置的稳定作业。

本申请中的处理器可采用有线传输方式，在处理器上开设数据传输接口将处理器获取的数据进行传输。优选地，本申请中处理器还可以包括储存单元，将车辆运行时的监测到的数据进行储存，在发生故障时，能够获取到完整的数据资料，从而能够方便对故障产生进行溯源。

此处需要补充说明的是，优选地，本申请中还可以包括采用无线传输方式传输信号的通讯机构，通讯机构可以包括4G或5G传输器、蓝牙、射频识别器、LTE-M(LTE-Machineto Machine)轨道交通移动通信)以及北斗卫星的至少一个，将处理器所检测的数据进行传输。

本申请中传感器还可以根据监测需求适当添加如姿态传感器等的传感器类型。

更进一步地，如图1-图4所示，传感机构还包括储能组件，线圈4与储能组件线连接，以对储能组件提供电力；储能组件为电路板提供电力。

优选地，本申请中的电路板上还集成有储能组件，且使线圈4通过导线与储能组件相连接，从而当磁铁3相对线圈4旋转时，产生的电流首先进入储能组件，再通过储能组件对传感器和处理器进行供电，从而能够在一定程度上保证电压的稳定。

此处需要补充说明的是，本申请中的储能组件可以包括充电电源，车轮转动时，一方面能够对传感机构进行供电，另一方面能够将电能储存，当车轮转速降低或停止时，仍能在一定时间内使传感机构获得电力，提升系统的监测续航能力。

此外，如图1-图4所示，本发明还提供一种车轮，包括上述的传感器装置以及转轴6、轴端压板9和轴端盖10；轴端压板9套设于转轴6的一端，且与转轴6固定连接，第一安装构件1与轴端压板9相连接；第二安装构件2与轴端盖10相连接，且轴端盖10相对轴端压板9转动，以使第一安装构件1能够相对第二安装构件2转动。

本申请中的车轮还包括车轮本体、轴承7和壳体8；转轴6的一端穿过车轮本体，且与车轮本体固定连接，以带动车轮本体转动；轴承7的内环与转轴6相连接，轴端压板9套设于转轴6的一端，且与转轴6固定连接，第一安装构件1与轴端压板9固定连接；壳体8套设于轴承7的外环上，轴端盖10与壳体8固定连接。

安装时，第一安装构件1与转轴6上的轴端压板9相连接，由于轴端压板9与转轴6固定连接，因此，当转轴6旋转时，能够通过轴端压板9带动第一安装构件1旋转。并且，由于第一安装构件1与转轴6通过轴端压板9相连接，因此，也能够在一定程度上降低转轴6的振动对第一安装构件1的影响。

图5为本发明实施例提供的车轮故障监测方法流程示意图。

本发明还提供一种应用上述传感器装置的车轮故障监测方法，包括如下步骤：步骤S100、车轮的转轴6旋转带动第一安装构件1旋转，使第一安装构件1上的磁铁3相对第二安装构件2上的线圈4旋转，从而产生电流；步骤S200、电流传输至传感机构，且当传感机构获得电能后，开始对车轮进行故障监测，并发送检测数据；步骤S300、获取至少一个检测数据，且当其中一个检测数据超出设定范围，发出报警、预警信息。

通过采用本申请提供的传感器装置，能够无需连接外部电源及引线，即可实现对车轮的故障监测，并能够在一定程度上避免对车轮转动产生的影响。

作业时，首先，通过转轴6的旋转带动第一安装构件1旋转，从而使第一安装构件1上的磁铁3相对第二安装构件2上的线圈4转动，进而使磁铁3能够切割线圈4的磁感线，产生电能。

之后，产生的电流传输至传感机构中，通过传感机构中的加速度传感器、温度传感器、声学传感器以及电流电压传感器对车轮的运行状态进行实时的监测，并将监测的各项数据传输至处理器，处理器根据传输的数据进行判断，若存在至少一项数据与处理器预设的数据范围不符，则发出故障报警信号，从而实现对车轮的故障监测。

由于本申请中传感机构包括储能组件，因此，当车辆运行时，转轴6的转动带动磁铁3切割线圈4的磁感线产生的电流可以直接传输给电路板上的传感器和处理器，为传感器和处理器提供电力。由于储能组件中包括充电电源，因此，能够将电能进行储存，当车辆停止时，可以通过储能组件继续为电路板提供电能，实现对车轮的实时监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。