ES2335135T3 - Metodo y sistema para determinar una pluralidad de componentes de carga sobre rueda. - Google Patents

Abstract

Un método para determinar una pluralidad de componentes de carga (Fi) en una rueda, que comprende las etapas de: - proporcionar sobre la rueda una pluralidad de sensores (gj) con los cuales sea posible detectar las deformaciones y las tensiones en la mencionada rueda; y - medir esencialmente en forma simultánea una primera pluralidad de valores de sensores (εj) de al menos algunos de los sensores (gj), en donde el numero de sensores (gj), en donde los valores de los sensores se miden en forma esencialmente simultánea, son al menos tres; y - determinar una segunda pluralidad de componentes de carga (Fi) al menos basados parcialmente en los valores de los sensores medidos (εj); en donde el método está adaptado para ser ejecutado en una rueda de tren; y en donde el método está adaptado para determinar la mencionada segunda pluralidad de componentes de carga, de forma que los mencionados componentes de carga determinados sean componentes de la carga (Fi) que actúan sobre una rueda de tren en un punto de contacto entre la rueda del tren y un carril; caracterizado porque: - el vector (F) de componente de la carga comprende los mencionados componentes de la carga (Fi); - el vector (ε) del valor del sensor comprende los mencionados valores (εj) del sensor medido, los cuales dependen de la posición angular de la rueda del tren; y porque: - la etapa de determinación de la segunda pluralidad de los componentes (Fi) de carga comprende la resolución de un sistema de ecuaciones que incluye la determinación de una matriz (B) de determinación de los componentes de carga, de forma tal que el mencionado vector (F) de los componentes de carga sea igual o aproximado al producto de la matriz (B) de determinación de los componentes de carga y el mencionado vector (ε) del valor del sensor; y porque: - la mencionada primera pluralidad de los valores (εj) de los sensores es un número mayor que la mencionada segunda pluralidad de los componentes de la carga (Fi), de forma que quede hiperdeterminado el mencionado sistema de ecuaciones.

Description

Método y sistema para determinar una pluralidad de componentes de carga sobre una rueda.

Campo técnico

La invención está relacionada con un método y un sistema para determinar una pluralidad de componentes de carga sobre una rueda.

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Antecedentes

Se han sugerido varios métodos para determinar las cargas que actúan sobre una rueda de tren.

Un método utilizado frecuentemente comprende el equipar cada rueda con unas configuraciones de medidores de deformaciones, denominados como puentes de Wheatstone. Se proporcionan dos de tales puentes para la fuerza vertical y se proporciona un puente para la fuerza lateral. Las señales están desacopladas basándose en el emplazamiento de los medidores de las deformaciones. El equipo de acondicionamiento de la señal está situado en la rueda y está conectado a la rueda por medio de un dispositivo de un anillo deslizante. Puesto que la fuerza vertical no se mide directamente, se utiliza una pieza de dispositivo físico analógico, un conformador de "Q", para obtener la fuerza a partir de las señales medidas. En este método se encuentran varios inconvenientes. Las ruedas tienen que tener una banda curvada para obtener la separación de las fuerzas de rodadura laterales y verticales. Esto significa que tienen que proporcionarse unas ruedas fabricadas especiales para la prueba. Además de ello, los discos interior y exterior de la rueda tienen que estar equipados con instrumentos. Esto significa que los discos de la rueda tienen que proporcionarse con agujeros para transferir la señal entre el lado interior y el lado exterior. Tales operaciones pueden poner en compromiso la integridad estructural de la rueda, acortando su vida útil, y convertirla en inútil para una operación normal después de haber finalizado las pruebas.

Se puede encontrar un conocido método para determinar las cargas de una rueda de tren, por ejemplo, en los documentos DE3114499A1 y EP580969A1.

El documento DE1079348 describe un método en el cual se colocan dos medidores de deformación sobre una rueda de tren, uno en cada lado de la misma, y opuestos entre sí. Se establecen los valores de calibración correspondientes a las relaciones entre las deformaciones y los ángulos de la rueda para los medidores de las deformaciones en las cargas verticales y laterales. Se proporcionan dos ecuaciones con las relaciones entre las deformaciones medidas, los valores de la calibración y las cargas reales. Aunque una realización sugiere el uso de pares medidores adicionales de las deformaciones para una provisión secuencial de los valores medidos, en cualquier punto dado en el tiempo se utilizan solo dos medidores de deformación situados en el mismo emplazamiento radial y angular (en coordenadas angulares) de la rueda, para el cálculo de las cargas. Esto da lugar a que el sistema sea sensible a la interferencia, y a los niveles de ruido, resultando con ello la aparición de un riesgo de resultados erróneos. Además de ello, tal como en la solución descrita anteriormente, el interior así como el exterior del disco de la rueda tienen que estar equipados con instrumentos, se da lugar a la necesidad de operaciones estructurales perjudiciales en la rueda.

El artículo de Otter D E y otros titulado "Diseño para los conjuntos de ruedas de medida de la carga de la siguiente generación", Procedimientos del IEEE/ASME, Conferencia Conjunta de Ferrocarriles, St. Louis, 21-23 de Mayo, 1991, páginas 37-42, expone el diseño de un conjunto de ruedas de ferrocarril con medidores de deformación, que tiene una precisión significativamente mejorada.

En general, en la mayor parte de los métodos conocidos, la salida de los medidores será generalmente una combinación de todas las características presentadas en la rueda y en el sistema eléctrico utilizado para la medición, así como también las perturbaciones. En general, con respecto a cada carga a determinar, existe una necesidad de mejorar la separación de las medidas que pertenecen a esta carga con respecto al resto de las señales.

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Sumario

Es un objeto de la invención el proporcionar un método de prueba de las cargas en una rueda, que es fácil de ejecutar, y que proporciona unos resultados fiables a determinar.

Es también un objeto de la invención el proporcionar un método de prueba de las cargas en la rueda que pueda ejecutarse con la utilización de una rueda de cualquier tipo conocido sin tener que ejecutarse en la rueda operaciones estructuralmente perjudiciales.

Es también un objeto de la invención el proporcionar un método de prueba de las cargas en la rueda que tenga una baja sensibilidad a la interferencia de señales.

Estos objetos se alcanzan con un método tal como el definido en la reivindicaron 1, y con un sistema según se define en la reivindicación 10.

La frase "medición substancialmente en forma simultánea" significa en este caso que los valores se obtienen a partir de varios sensores, de forma tal que la rotación de la rueda a partir del instante en el cual se obtiene el primer valor hasta el instante en el cual se obtiene el último valor tiene un valor máximo. Preferiblemente, la rueda gira con un valor no mayor de 30 grados desde el instante en el cual se obtiene el primer valor hasta el instante en que se obtiene el último valor. Esto proporcionará información que podría ser útil para determinar los componentes de la carga. Si la ruega gira en un valor no superior a 15 grados desde el instante en que se obtiene el primer valor y el instante en que se obtiene el último valor, será más elevada la utilidad de la información. Para obtener unos resultados fiables, la rueda no deberá girar un valor superior a 15 grados desde el instante en que se obtiene el primer valor hasta el instante en que se obtiene el último valor.

Mediante la medida de los valores de los sensores esencialmente en forma simultánea de al menos tres sensores en distintos emplazamientos angulares distintos de la rueda, se puede obtener una "imagen" del campo de las deformaciones en la rueda. Esto proporcionará una base fiable para la determinación de los componentes de la carga. Además de ello, puesto que los valores de las medidas se obtienen a partir de una pluralidad de emplazamientos angulares y/o radiales de la rueda, los valores que sean demasiado bajos para ser útiles en las soluciones conocidas, podrán ser utilizados en la técnica de la invención. Así mismo, la técnica de la invención no necesita ruedas de prueba diseñadas especialmente para poder obtener unos valores mayores de las medidas.

Un problema específico que se ha encontrado al utilizar la tecnología conocida de medidas es que en relación con los componentes de carga que actúan en el punto de contacto entre la rueda y el carril, que son en general los más relevantes de medir, las deformaciones y las tensiones en la rueda que proceden de cargas tales como la rotación y la temperatura son difíciles o imposibles de separar de las cargas de interés. Por tanto, éstas con frecuencia generan errores. En la técnica de la invención, en el caso general, estas cargas pueden medirse con un emplazamiento adecuado del sensor, y separarse perfectamente entre si, así como también de las cargas puntuales de contacto. En el caso en donde todos los sensores están situados en el mismo radio, las cargas rotacionalmente simétricas no pueden separarse obviamente entre sí, pero pueden todavía separarse de las fuerzas en el punto de contacto de la rueda-carril.

Así mismo, puede gestionarse el caso de cargas cuasi-estáticas, sin ninguna suposición de la simetría rotacional, dentro del alcance de la invención. Tales cargas pueden ser desplazamientos del equipo debidos a la fabricación no perfecta del equipo o bien un montaje defectuoso del equipo sobre la rueda, cargas de temperatura homogéneas (si por ejemplo el sol ha estado brillando sobre solo una parte de la rueda), etc.

Las tecnologías de medida conocidas requieren una muy buena precisión en la fijación de los sensores a la rueda, lo cual requiere tiempo y consumo de recursos, ya que cada sensor tiene que fijarse con frecuencia a la rueda varias veces antes de que se considere que está colocado suficientemente bien. Si no se mantiene la preescisión, se introducirán errores inaceptables en el sistema. Con la invención la precisión de colocación de los sensores requiere que sea suficiente solo hasta un nivel en el cual los sensores se coloquen de una forma que pueda capturar los campos de las deformaciones procedentes de las cargas en forma satisfactoria. Tal como se ha descrito anteriormente, también las cargas cuasi-estáticas y homogéneas pueden ser gestionadas. Además de ello, la técnica de la invención no requiere que todos los sensores capturen la misma magnitud de cada una de las cargas.

La etapa de determinación de los componentes de la carga comprende la determinación de una matriz de determinación de los componentes de la carga, denominadas aquí como B, tal que un vector F de los componentes de la carga, con los componentes de la carga, sea igual o muy aproximado por el producto de la matriz de determinación de los componentes de la carga y un vector \varepsilon del valor del sensor, con los valores del sensor medidos.

Entre otras cosas, esto facilitará la gestión de las cargas cuasi-estáticas, sin ninguna suposición de la simetría rotacional, cargas debidas a una fabricación imperfecta del equipo o bien a un montaje imperfecto del equipo sobre la rueda, cargas de temperaturas no homogéneas, etc. Específicamente, dichas cargas pueden ser gestionadas fácilmente como campos de deformaciones independientes, introducidos en el cálculo computacional de la matriz B.

Preferiblemente, la matriz de determinación de los componentes de la carga se selecciona de forma que F = B\varepsilon sea la solución de los mínimos cuadrados al sistema de ecuaciones lineales hiperdeterminadas de \varepsilon = AF, en donde la matriz A contiene los valores de los sensores relacionados con los componentes individuales de las cargas.

La matriz A podría contener una pluralidad de valores A_{jj} de calibración de los sensores, relacionados cada uno con una carga F_{ic}. En el caso de que el número de sensores, en donde los valores de los sensores se hayan medido esencialmente en forma simultánea, sea mayor que el número de componentes de la carga, la solución de los mínimos cuadrados proporciona una excelente solución aproximada a la relación entre los valores de los sensores y los componentes de la carga.

Más específicamente, en caso de utilizar valores de calibración, el establecimiento de una relación entre una pluralidad de valores A_{ji} de calibración de los sensores, y una pluralidad de cargas de calibración F_{ic}, puede comprender el establecimiento de una pluralidad de cargas de calibración F_{ic}, en donde cada una corresponda a un respectivo componente de la carga F_{j}, y determinando, para cada una de una pluralidad de combinaciones de un sensor y una carga de calibración F_{ic}, un valor de calibración del sensor A_{ji}, dependiendo de la posición angular de la rueda. A continuación se determina un matriz A de determinación del valor del sensor, con los valores de calibración A_{ji} del sensor, de forma tal que el vector \varepsilon del sensor, sea igual al producto de la matriz A de determinación del valor del sensor, y el vector F de los componentes de la carga, es decir, \varepsilon =A* F. Esta relación, que tiene más ecuaciones que los parámetros desconocidos, de acuerdo con la realización presente de la invención, se soluciona con el método de aproximación de los mínimos cuadrados. Esto significa que la etapa de determinación de una matriz B de determinación de los componentes de la carga, tal que F = B* \varepsilon se realice mediante la determinación de B como (A^{T} * A)^{-1} *A^{T}.

Los componentes de la carga pueden ser de cualquier número y de cualquier tipo observable, por ejemplo, fuerzas verticales o bien fuerzas horizontales, o momentos de fuerzas desde el contacto entre la rueda y un carril del tren, cargas centrífugas, tensiones por las temperaturas, vibraciones Eigen de la rueda, etc.

En la descripción detallada que se expone más adelante, se hace referencia a una rueda de un tren, pero la invención es igualmente aplicable a la determinación de fuerzas que actúen sobre cualquier otro tipo de rueda de un vehículo, por ejemplo para una rueda de un vehículo pesado tal como un camión o camioneta.

Los sensores pueden ser de cualquier tipo aplicable para obtener información sobre las tensiones y las deformaciones, por ejemplo, medidores de deformaciones, o bien una combinación de medidores de deformación, por ejemplo, en la forma de semipuentes o bien puentes completos. Un sensor tal como aquí se entiende, puede tener por ejemplo en el caso de un puente completo, una extensión física que pueda cubrir una parte de la superficie de la rueda. No obstante, esta extensión es pequeña en relación con el área del disco de la rueda.

Preferiblemente, el ángulo de la rueda, en donde se ejecutó la etapa de medir los valores de los sensores \varepsilon_{j}, se determina al menos parcialmente sobre la base de los valores del sensor medidos \varepsilon_{j}, y los valores del sensor de calibración A_{ji}. Esto significa que el ángulo de la rueda puede ser determinado basándose en los valores de los sensores medidos, y no precisándose de un equipo especial para detectar el ángulo de la rueda durante las pruebas. Preferiblemente, el ángulo de la rueda se determina como el valor que minimiza la expresión |\varepsilon - A* B* \varepsilon|, en donde A es la matriz de determinación del valor del sensor con los valores de calibración del sensor A_{ji}.

Preferiblemente, el número de sensores es al menos de ocho. Esto proporcionará posiblemente resultados que serán fiables para la mayor parte de las ruedas. En particular, un gran número de sensores dan lugar a un ruido menor. Además de ello, un gran número de sensores proporcionará un mejor uso de la variedad del campo de deformaciones en la rueda. En especial, puesto que las ruedas de distintos tipos presentan unos campos distintos de deformaciones al someterse a cargas idénticas, el gran número de sensores proporcionará una adaptación efectiva a los distintos tipos de ruedas.

Preferiblemente, todos los sensores están provistos sobre el mismo lado de la rueda. Esto significa que no existe necesidad de tener que mecanizar agujeros en la rueda o en el eje de la misma para el tendido de cables desde los medidores de deformación montados en un lado de la rueda que la opuesta a un dispositivo de recepción de las señales.

Preferiblemente, al menos un sensor comprende dos elementos del sensor, por lo que un elemento del sensor está orientado en la dirección radial de la rueda, y el otro está orientado en la dirección circunferencial. Esto proporciona una posibilidad de medir fácilmente la deformación en la dirección radial y circunferencial en el mismo emplazamiento, proporcionando también un menor desplazamiento debido a las variaciones de la temperatura.

Preferiblemente, al menos algunos de los sensores están provistos a lo largo de un círculo, cuyo centro coincide esencialmente con el centro de la rueda.

Preferiblemente, al menos algunos de los sensores están conectados a un dispositivo eléctrico en el eje de la rueda, en donde el equipo eléctrico comprende una unidad de radio, comprendiendo el método la etapa de transmitir información basándose al menos parcialmente sobre los valores de los sensores a un receptor de radio.

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Descripción de las figuras

Se describirá más adelante la invención con más detalles con la ayuda de los dibujos, en donde:

\bullet la figura 1 muestra esquemáticamente un rueda de tren, y una parte del eje de la misma, y un sistema para determinar una pluralidad de componente de la carga, de acuerdo con una realización de la invención,

\bullet la figura 2 es una parte del sistema en la figura 1,

\bullet la figura 3 es un diagrama de bloques de una parte del sistema en la figura 1,

\bullet la figura 4 muestra esquemáticamente, con una parte oculta indicada con líneas de trazos, un rueda de tren y una parte de un eje, y un sistema para determinar una pluralidad de los componentes de la carga, de acuerdo con una realización alternativa de la invención,

\bullet las figuras 5 y 6 muestran vistas en planta esquemáticas de las ruedas, y

\bullet la figura 7 muestra una parte de la rueda en la figura 6, vista en una dirección perpendicular a su eje de rotación, y una parte de la sección transversal de un carril del tren,

\bullet la figura 8 ilustra un patrón de vibración de un modo Eigen de vibración en una rueda de tren,

\bullet la figura 9 muestra la salida del sensor de un único sensor conforme la rueda gira con una carga Q pura aplicada al punto de giro,

\bullet la figura 10 muestra la diferencia entre la salida de este sensor y el sensor situado directamente en forma opuesta, conforme la rueda gira una vuelta con una carga Q pura aplicada al punto de giro.

Descripción detallada

La figura 1 muestra un sistema para determinar una pluralidad de componentes de la carga en una rueda 1 de un tren. El sistema comprende una pluralidad de sensores (g_{1}, g_{2}, g_{3}...), y un dispositivo electrónico 2. La pluralidad de sensores (g_{1}, g_{2}, g_{3}...) (denominados aquí también colectivamente como g_{j}), en este ejemplo veinticuatro, están provistos cada uno en la forma de medio puente, que comprende dos medidores de deformación. Todos los sensores están montados en un lado del disco de la rueda, en este caso en el interior. Alternativamente, los sensores pueden estar montados sobre el lado exterior de la rueda. La selección entre el interior y el exterior de la rueda puede basarse sobre consideraciones tales como la disponibilidad de espacio y los niveles de deformación. Además de ello, pueden utilizarse aproximadamente veinticuatro sensores.

Los sensores g_{j} están conectados por medio de cables eléctricos al dispositivo electrónico 2 montado sobre el eje 3 de la rueda. Tal como se describe más adelante, en el dispositivo 2, se realiza el acondicionamiento de la señal que se hace pasar en formato digital hacia el resto del sistema de medidas por medio de una conexión inalámbrica, o por medio de anillos deslizantes. Preferiblemente, se proporciona un dispositivo electrónico por cada disco de rueda instrumentada. Alternativamente, pueden conectarse con cables dos discos de la rueda sobre un eje, con un único dispositivo electrónico, que pueden proporcionarse por cada conjunto de rueda. Tal como se describe más adelante, se proporcionan varias ruedas con medidores de deformación, en donde una pluralidad de dispositivos electrónicos pueden compartir el acceso hacia una o múltiples antenas receptoras montadas sobre el tren.

Con referencia a la figura 2, la línea R de radio constante sobre la rueda 1 está indicada con una línea de trazos. Preferiblemente, dos medidores de deformación g_{j}^{a}, g_{j}^{b} están conectados en la forma de un medio puente, por lo que un medidor de deformación g_{j}^{b} está orientado en la dirección radial de la rueda, y el otro g_{j}^{a} está orientado en la dirección circunferencial. Esto proporciona la posibilidad de medir fácilmente la deformación en la dirección radial o circunferencial en el mismo emplazamiento. Es posible sin embargo medir la deformación utilizando un único medidor de deformación, un puente completo (cuatro medidores de deformación) o bien otros dispositivos de medida de la deformación. En particular, para la implementación de la invención, no es necesario medir las deformaciones en más de una dirección, o incluso en la misma dirección para todos los sensores. Además de ello, los sensores pueden proporcionarse en la misma distancia radial, o en diferentes distancias radiales sobre la rueda.

Con referencia a la figura 3, el dispositivo electrónico 2 comprende un acondicionador de señales 2b y una unidad de radio 2c. El acondicionador de señales 2a puede ser un convertidor de tiempo a señal digital, un convertidor analógico- digital o bien algún otro tipo adecuado. Está conectado a los medidores de deformación por medio de cables. Durante su funcionamiento, se muestrean los valores de los medidores de deformación, por ejemplo con intervalos de tiempo predeterminados con una frecuencia que sea al menos de doble de alta que la frecuencia natural más alta de la rueda. Alternativamente, el muestreo puede ser realizado con intervalos de tiempo irregulares (denominado también como muestreo aleatorio).

Las señales del acondicionador de señales 2a se envían mediante cables al procesador 2b de señales digitales, el cual está adaptado para modificar las señales con el fin de realizar la transferencia real de la señal desde la unidad de radio 2c. Por ejemplo, el procesador 2b de señales digitales puede comprender diferentes formas de compresiones para la reducción de datos y para las acciones de incremento de la precisión. Las señales del procesador 2b de señales digitales se envían por medio de cables a la unidad de radio 2c, la cual transmite las mismas a un receptor de radio 4 (véase la figura 1), preferiblemente incorporado en el tren en el cual se prueba la rueda 1.

Con referencia a la figura 1, las señales se reciben por el receptor de radio 4 desde la unidad de radio 2c en el dispositivo electrónico 2, y se envían después a un dispositivo de computación 5 para el cálculo de los componentes de la carga. Alternativamente, con referencia a la figura 4, el dispositivo electrónico 2 comprende un dispositivo de computación 5, por ejemplo idéntico al procesador 2b de señales digitales, el cual está adaptado para calcular los componentes de la carga, en donde la información sobre la última se envía a través del enlace de radio al receptor de radio 4. Los componentes de la carga que actúan en la rueda se calculan por medio de las siguientes etapas del método:

En la figura 5, solo dos fuerzas F_{1}, F_{2}, denominadas aquí también como los componentes de la carga o cargas, tienen que ser determinadas, en donde una de las mismas F_{1} es una fuerza vertical de carril del tren, y la otra F_{2} siendo una fuerza horizontal. No obstante, la invención puede ser utilizada para analizar más de dos fuerzas que actúen sobre la rueda 1. En este caso, las fuerzas o componentes de la carga se denominan también en forma colectiva como F_{j}.

Con referencia a la figura 5, se supone que la fuerza específica F_{i} proporciona un campo de deformación específico sobre la rueda 1. La dimensión del campo de deformación en cada punto j, (cuyo emplazamiento se proporciona aquí con las coordenadas (r_{j}, a_{j}) según lo indicado en la figura 5, estas coordenadas se refieren a un sistema de coordenadas fijo de la rueda), y se supone que es una función lineal de la dimensión de la fuerza F_{i} aplicada, y los campos de deformación de las distintas fuerzas F_{1}, F_{2} se suponen que son aditivos linealmente. Esto significa que la deformación en un punto específico \varepsilon_{tot} (r_{j}, a_{j}) sobre la superficie de la rueda puede expresarse como:

1

en donde F_{i} es la dimensión de número de carga i, y \varepsilon_{i}(r_{j}, a_{j}) describe la deformación por unidad de carga en el punto (r_{j}, a_{j}) para el número de carga i.

Además de ello, los campos de deformación anteriormente descritos se suponen que son separables linealmente. Esto significa que existe al menos un conjunto de puntos [(r_{j}, a_{j})] tales que el conjunto de ecuaciones en la forma de la ecuación 1 para estos puntos con los valores dados de \varepsilon_{tot} (r_{j}, a_{j}) y \varepsilon_{i} definen exclusivamente la F_{i} correspondiente y para cada i, existirá un vector B_{i} tal que F_{i} esté dado por la ecuación 2 inferior (en donde \varepsilon_{tot} es un vector para todos los puntos (r_{j}, a_{j}) en el conjunto, describiendo la deformación total en cada punto mencionado).

2

Puesto que \varepsilon_{tot} puede medirse, si B_{i} puede encontrarse, podrán determinarse las cargas F_{i}.

De acuerdo con las suposiciones anteriores, es posible ejecutar una calibración si distintas cargas de dimensiones conocidas pueden aplicarse por separado a la rueda, y registrando y almacenando las deformaciones debidas a cada una de las mencionadas cargas.

Los medidores de las deformaciones se encuentran montados de esta forma sobre la rueda en algunas posiciones bien seleccionadas, por ejemplo según se expone brevemente en la figura 1, ejecutando y describiéndose el resultado en la matriz A, la cual contiene los campos de carga de deformación específica, \varepsilon_{i}, a partir de la ecuación 1. El valor de A relaciona la deformación total en los puntos dados (el vector \varepsilon_{tot}) con una combinación de las cargas aplicadas (vector F) de acuerdo con:

3

Tal como se ha expuesto anteriormente se tiene (procedente de la calibración) una matriz A que cumple con la ecuación 3. Se necesita que B sea tal que:

4

que es equivalente a:

5

Puesto que en el caso típico \varepsilon_{tot} tiene varias dimensiones más que F, el sistema está hiperdeterminado y la ecuación 5 tiene un número infinito de soluciones. Estas soluciones pueden expresarse en la forma de:

6

en donde B^{0} es una solución a la ecuación 6, N^{T} es la nulidad de A^{T}, y w son los pesos de ponderación que pueden seleccionarse arbitrariamente. Se ha seleccionado que B^{0} sea el pseudo-inverso de A. El seleccionar B^{0} como el pseudo-inverso de A significa:

7

Obviamente, esta selección de B^{0} satisface la ecuación 6, según lo solicitado. Por definición, las filas de B^{0} son también ortogonales para todas las columnas de A excepto en una. Además de ello, esta selección de B^{0} está bien condicionada, y corresponde a la aproximación de los mínimos cuadrados del problema.

El valor de w puede seleccionarse de forma que no sea idénticamente igual a cero. Cuando mayor sea w, más sensible será el método con respecto al ruido en el sistema. Aunque un pequeño valor de w podrá ser gestionado, preferiblemente w = 0. el valor de B^{0} según lo descrito anteriormente muestra un conjunto de características muy atractivas. Además de ello, cualquier selección de w de la ecuación 6 excepto para w = 0 añadiría vectores a B que por definición corresponden a la nulidad de A^{T}, lo cual significa la proyección sobre los mismo sin capturar cualquiera de las características de A. En consecuencia, se selecciona w = 0, lo cual significa que B = B_{0}

Puesto que el campo de las deformaciones varía con la posición angular de la carga aplicada, el ángulo de la rueda tiene que ser determinado para que sea capaz de medir correctamente las cargas. Esto puede realizarse con un sensor que proporcione información correspondiente al ángulo de la rueda, cuya información pueda ser coordenada con la información del medidor de la deformación.

No obstante, preferiblemente el ángulo de la rueda puede ser determinado mediante el uso del método siguiente: El método utiliza la suposición de que si las cargas se estiman a partir de un campo de deformaciones, y posteriormente el campo de deformación esperado se calcula a partir de las cargas, la diferencia entre el campo de deformación calculado y el campo medido será un valor mínimo en la posición de la rueda en ángulo recto.

En términos matemáticos, la suposición anterior puede ser formulada de la forma siguiente: Se supone que el error, e, según se proporciona por la expresión:

8

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supone un valor mínimo cuando \varphi = \varphi_{0}, es decir:

9

El ángulo de la rueda proporciona el emplazamiento rotacional de la rueda, es decir, la rotación alrededor del eje de la rueda, y por tanto \varphi y \varphi_{0} se refieren a un sistema de coordenadas fijas del vehículo. En las ecuaciones 8 y 9, \varphi_{0} denota el ángulo de la rueda real. Los valores de \varepsilon(\varphi), A(\varphi), y B(\varphi) siguen las notaciones de las secciones anteriores, con la adición de la dependencia angular.

Preferiblemente, la búsqueda para el valor mínimo de acuerdo con la ecuación 8 se realiza en dos etapas, en primer lugar encontrar una estimación aproximada, después ejecutando una búsqueda más cercana en una proximidad pequeña de la estimación aproximada. La estimación aproximada puede proporcionarse por un dispositivo externo, o sobre la base del ángulo en la medida previa, velocidad del tren, y del periodo de tiempo entre las medidas. En el último caso, la velocidad puede calcularse o recibirse como la entrada de una fuente externa.

Si ninguna de estas estimaciones están disponibles, que puede ser el caso durante todo el tiempo, o solo en algunos casos desafortunados, cuando se tenga el caso de que algunas perturbaciones hayan provocado que el sistema "pierda el seguimiento", el ángulo podrá ser encontrado a partir de "elementos reutilizables". Para estos casos, puede suponerse que los cálculos de e para un cierto número de ángulos alrededor de la vuelta darán lugar a una estimación aproximada correspondiente a lo anterior. En otras palabras, para la estimación aproximada se supone que existe un intervalo angular en torno al mínimo de e, en donde todos los valores de e son inferiores a todos los valores de e fuera de este intervalo. En consecuencia, los cálculos utilizando la ecuación 8 se realizan para una gran cantidad de ángulos en torno a la vuelta completa de la rueda, y el valor mínimo de estos cálculos se selecciona como la aproximación aproximada del ángulo.

Para mejorar la estimación, puede realizarse una búsqueda en la proximidad del ángulo aproximado de una forma eficiente para encontrar el mínimo de la función. Esto se realiza por ejemplo con un método iterativo adecuado, o con alguna aproximación de la curva suave.

Anteriormente se ha descrito una realización preferida, y se expondrán más adelante unas ventajas adicionales de la invención. Obviamente, utilizando el método de la invención podrán distinguirse cualesquiera campos de deformaciones lineales a partir de cada uno siendo así reconocidos.

Una aplicación común para los métodos en el campo técnico de la invención es una rueda que está afectada externamente en forma principal por su contacto en lo que está rodando, por ejemplo el suelo, o el carril en el caso de un tren. En consecuencia, para un vehículo para carriles, la fuente principal de las cargas no simétricas corresponde a las fuerzas de contacto en el punto o puntos de contacto de rueda-carril. La fuerza puede variar en su dirección, y el punto de aplicación puede variar angularmente conforme gire la rueda, pero puede también variar en la dirección paralela al eje de la rueda. Además de ello, pueden existir dos puntos de contacto, por ejemplo uno sobre la brida de la rueda, y el otro sobre la superficie de rodadura.

El punto de contacto puede variar a lo largo de la dirección paralela al eje de la rueda, y la fuerza aplicada puede variar en dimensión y en dirección. Conforme varíe, variarán las deformaciones en la rueda.

Tal como se ha sugerido antes, para ser capaz de medir la intensidad y la dirección de la fuerza, esta última puede estar descrita utilizando unos componentes de carga separables linealmente. En consecuencia, cada componente de la carga puede ser medido por el campo de deformación que provoca en la rueda. Cuando se espera que la fuerza varíe en todas las tres dimensiones espaciales, podrá describirse mediante tres componentes de la carga, por ejemplo en un sistema de coordenadas ortogonales.

Con referencia a la figura 6, los tres componentes de la carga pueden ser por ejemplo los siguientes: un componente de carga vertical F_{1}, un componente de carga F_{2} paralelo al eje de la rueda, y un componente de carga F_{3} perpendicular a los dos anteriores (alineados aproximadamente con el carril). Si se espera que la carga varíe solo en las direcciones de F_{1} y F_{2}, F_{3} no tendrá que estar representada.

Además de ello, el caso en que el punto de contacto entre la rueda y el carril (es decir, el punto en donde se aplica la carga) se traslade a lo largo de la superficie de la rueda paralela al eje de la misma puede describirse por la introducción de un componente de carga extra. Con referencia a la figura 7, en un caso con dicha traslación, preferiblemente la vertical F_{1} y la componente de carga F_{2} que actúa en ambos lados se suponen que actúan en un punto P en la periferia de la rueda. El efecto de una fuerza real actuando en un punto C a una distancia del punto P se tiene en cuenta por un momento F_{4} que actúa alrededor de P. Por cada uno de los componentes de la carga incluyendo el momento F_{4}, podrá detectarse y medirse un campo de deformación independiente.

No obstante no es necesaria la utilización explicita del momento F_{4}. Una alternativa es por ejemplo el introducir en lugar del momento un componente de fuerza extra, actuando sobre la rueda en otra posición, y dirigido de forma que no pase a través del punto en donde se crucen otros componentes de la carga. La traslación puede ser calculada entonces desde las proporciones de las distintas cargas que se midan.

Obviamente puede utilizarse cualquier combinación de componente de fuerza/momento que sea equivalente mecánicamente a la anterior.

Tal como se ha descrito anteriormente, para ser capaz de medir cargas sobre la rueda, tiene que establecerse una relación entre los valores de las deformaciones medidas y las cargas aplicadas. Esto puede realizarse de varias formas distintas. Una forma es aplicar, tal como se mencionó anteriormente, cargas unitarias en las direcciones seleccionadas para la medida, que proporcionarían la matriz A directamente para estas cargas.

Son posibles también cargas que sean combinaciones de las cargas unitarias, y después calcular, a partir de los resultados de la medida del sensor, las respuestas de la deformación para las cargas unitarias. En consecuencia, al utilizar la realización descrita con referencia a la figura 7, el momento F_{4} tendría todavía que calcularse utilizando una versión desplazada de una de las fuerzas, ya que es difícil aplicar el momento por separado.

En los ejemplos anteriores, la calibración se ejecuta dando lugar a la matriz A, la cual contiene los campos de deformación/carga de la carga específica, \varepsilon_{i}. Una alternativa a esto es calibrar utilizando unas cargas de rodaje. Las variaciones principales en los vectores de deformación y tensión pueden ser identificadas tal como se expone a continuación:

Se supone que la matriz M contiene los elementos M_{ij} correspondientes al valor del número del sensor i en el instante número _{j}. Para simplificar, se supone que todas las medidas se recogen con el mismo ángulo. (Si no es así, la primera cosa a ejecutar es clasificar las medidas en distintos vectores correspondientes a los distintos ángulos, y procediendo tal como se expone más adelante). El número de instante de medición tiene que ser elevado, y todas las cargas tienen que haberse variado durante la prueba. A continuación, se generará la matriz:

10

Los vectores Eigen de esta matriz corresponderán a las variaciones principales en los vectores de muestreo de las deformaciones. Los valores Eigen correspondientes describirán la magnitud de variación a lo largo de cada vector Eigen. La relación lineal entre el campo de deformación y la carga aplicada puede entonces decidirse mediante una calibración estática extra.

En un caso más genérico, la invención podría ser utilizada sin la calibración previa. Si la rueda se utiliza en el entorno o situación para el cual se necesite probarla, y todas las señales desde todos los sensores durante la sesión de pruebas están registradas, los campos de deformaciones principales que reaparecen frecuentemente durante la prueba podrán ser extraídos mediante la localización de los vectores Eigen de los datos después de la prueba según se explicó anteriormente. Estos vectores Eigen pueden entonces ser asociados con diferentes fenómenos, por ejemplo intentando reproducir los mismos en un banco de pruebas, o por la identificación de los fenómenos que fueran observables por otros métodos al presentarse distintos vectores Eigen. Los vectores Eigen no son idénticos a la matriz B, pero la matriz B puede ser calculada a partir de los mismos. Utilizando este procedimiento, la matriz B puede ser calculada sin calibración previa en un banco de pruebas, (aunque para conseguir una correlación entre la dimensión de las cargas y la salida de los sensores, deberá realizarse alguna correlación para conocer las cargas). Es posible también identificar los campos desconocidos de deformación y tensión que no puedan pronosticarse o que se puedan generar fácilmente bajo unas circunstancias de calibración.

Anteriormente se ha descrito un procedimiento para determinar el ángulo de la rueda. Un procedimiento de la determinación alternativa del ángulo de la rueda podría ser como sigue: En el procedimiento se supone que todas las cargas aplicadas a la rueda dan lugar a campos de deformaciones o tensiones que son simétricos con respecto a una línea vertical a través del punto de contacto real, o bien que todas las cargas aplicadas a la rueda dan lugar a campos de deformaciones o tensiones anti- simétricos con respecto a la misma línea. Las cargas simétricas de acuerdo con lo anterior, por ejemplo, son fuerzas verticales y laterales (paralelas al eje de la rueda) que actúan en el punto de contacto, y el momento de la fuerza provocado por el desplazamiento lateral del punto de contacto del carril. Las cargas anti-simétricas son por ejemplo las cargas longitudinales (paralelas al carril), tales como las fuerzas del freno o de aceleración.

Además de ello, se supone en el procedimiento alternativo de determinación del ángulo de la rueda que existe un subconjunto S de sensores, tal que los sensores en S están colocados en un círculo centrado sobre la rueda, con una distancia igual entre cada par consecutivo de sensores dentro de S.

Adicionalmente, todos los sensores en S tienen que colocarse de forma que capturen la ausencia de deformaciones o tensiones, o solo la deformación o tensión de cizalla. Tienen que capturar el mismo componente de deformación o tensión (en coordenadas angulares). Por ejemplo, si un sensor captura una deformación radial pura, todos los demás tendrán que capturar también una deformación pura radial.

A continuación, considérese \varepsilon^{S} definida tal como sigue:

Si el campo de deformación o tensión es simétrico según lo descrito anteriormente y los sensores en S no miden deformación ni tensión de cizalla, o si el campo de deformación o tensión es anti-simétrico, y los sensores miden una deformación o tensión puras de cizalla, \varepsilon^{S} contendrá los valores medidos de la deformación o tensión.

Si el campo de deformación o tensión es simétrico tal como se ha descrito anteriormente, y los sensores en S miden una deformación o tensión puras de cizalla, o si el campo de deformación o tensión y los sensores miden la ausencia de deformación o tensión de cizalla, \varepsilon^{S} contendrá el valor absoluto de los valores medidos de la deformación o tensión.

A continuación, el ángulo de la rueda puede encontrarse mediante la localización de la simetría en el vector \varepsilon^{S}. En la ecuación que sigue a continuación, \varepsilon^{S} tiene n elementos. Los índices de \varepsilon^{S} deberán considerarse de módulo n, lo cual significa que son cíclicos, de forma que el índice a indicará el mismo elemento que el índice n+a para cualquier número a. Se define una función de simetría y tal como:

11

Si se encuentra que i = i_{max} que maximiza y(i) de acuerdo con lo anterior, se conocerá que la línea de simetría pasa entre los sensores números i_{max} -1 e i_{max}.

Suponiendo que los sensores no están infinitamente próximos, esto por supuesto conducirá a una estimación aproximada. Se encontrará una mejor estimación si se realizan los siguientes cálculos:

Además de lo anterior, se halla el valor de i_{abrupto} que maximiza la diferencia abs(y(i-1)-y(i)). Se usa la interpolación, por ejemplo la interpolación lineal, para encontrar el valor correspondiente a un sensor que no exista, i_{1}, colocado justo entre los sensores números i_{abrupto} e i_{abrupto}-1. En el caso de la interpolación lineal, por tanto, y(i_{1}) = (y(i_{abrupto}) + y(i_{abrupto}-1))/2. Utilizando de nuevo la interpolación, el mismo valor (por razones de simetría) puede encontrarse correspondiente a otro sensor no existente i_{2}, en la proximidad del sensor numero 2i_{max} - i_{abrupto}. La interpolación dará lugar a un decimal i_{2}, correspondiente a una posición en algún punto entre los sensores existentes, pero probablemente no justo entre dos sensores.

Una excelente aproximación a la posición de la línea de simetría es el ángulo recto entre los dos vectores citados i_{1} e i_{2}.

La posición angular del punto de contacto se determina ahora que esté en la línea de simetría, lo cual significa una de las dos posiciones en la rueda, en donde la otra posición está separada del punto de contacto en 180º. Para seleccionar el punto correcto de estos puntos, tiene que utilizarse algún conocimiento adicional.

Por ejemplo, puede utilizarse el hecho de que la suma de los valores absolutos de deformación o de tensión a través de la mitad de la vuelta completa más próxima al punto de contacto es mayor que la suma de los valores de deformación o tensión en la otra mitad.

O bien, si los ángulos previos son conocidos, y es probable que la velocidad angular de la rueda esté próxima a ser constante, la nueva posición aproximada del punto de contacto puede ser calculada y comparada con el resultado anterior.

Un aspecto de la invención está relacionado con la "medición esencialmente en forma simultánea" de la obtención de los valores de lo sensores a partir de sensores plurales g_{j}, es decir, obtener los valores de los sensores de más de uno de los sensores g_{j}. Mediante la medida esencialmente en forma simultánea los valores de los sensores de al menos tres sensores en distintos emplazamientos angulares de la rueda, puede obtenerse una "imagen" del campo de deformación en la rueda. Esto proporcionará una base fiable para la determinación de los componentes de la carga. La frase "medición esencialmente en forma simultánea" significa en este caso una ocasión de medición, o bien una ocasión de muestreo en la cual se obtienen valores a partir de varios sensores. En otras palabras, una serie de sensores se muestrean "esencialmente en forma simultánea" para obtener muestras de las señales recogidas. Este muestreo puede ser repetido con una cierta frecuencia de muestreo, con el fin de obtener una serie de "imágenes" momentáneas del campo de las deformaciones en la rueda.

Se comprenderá que la "imagen" momentánea del campo de la deformación en la rueda obtenida a partir de las muestras de la señal de medida obtenidas en una ocasión de muestreo, se cree que tiene una calidad más alta si todos los valores de los sensores se recogen en exactamente el punto en el tiempo. De acuerdo con una realización preferida cada "imagen" mencionada se obtiene mediante la lectura de los valores de los sensores de la serie de sensores g_{j} en el mismo instante exacto. No obstante, tal como se ha descrito anteriormente, pueden obtenerse resultados útiles también si los valores de los sensores se leen en puntos ligeramente distintos en el tiempo, en tanto que todos los valores de los sensores se obtengan "esencialmente en forma simultánea". Preferiblemente, la rueda gira como máximo 30 grados desde el instante en el cual se obtiene el primer valor, hasta el instante en que se obtiene el último valor. Esto proporciona información que podría utilizarse para determinar los componentes de la carga. Si la rueda gira como máximo 15 grados desde el instante en el cual se obtiene el primer valor hasta el instante en que se obtiene el último valor, entonces la utilidad de la información será mayor. Para conseguir resultados fiables, la rueda no deberá girar más de
5 grados desde el instante en que se obtiene el primer valor hasta el instante en el cual se obtiene el último valor.

En el campo de la tecnología de los ferrocarriles, es de interés el poder medir todos los componentes de la fuerza y el momento que aparecen en el punto de contacto entre la rueda y el carril. El cociente entre el componente lateral de la fuerza (perpendicular al carril) y el componente vertical se considera que sea una medida de los riesgos de descarrilamiento. El componente longitudinal (a lo largo del carril) muestra las fuerzas de aceleración y de rotura.

Se encuentran presentes dos componentes del momento: alrededor del eje longitudinal y alrededor el eje vertical. El momento alrededor del eje longitudinal es una medida de la posición lateral del punto de contacto entre la rueda y el carril, el cual es de interés en el estudio de las dinámicas de rodadura. El momento alrededor del eje vertical puede ser utilizado para detectar el contacto de dos puntos entre la rueda y el carril.

El concepto y la frase de "ángulo de la rueda" significan aquí la posición angular del punto de contacto entre la rueda y el carril, dada en un sistema de coordenadas fijado sobre la rueda.

Tal como se expuso anteriormente, la determinación del ángulo de la rueda es una etapa importante en el método aquí descrito. El ángulo de la rueda puede ser determinado de varias formas diferentes.

Una forma para determinar el ángulo de la rueda es utilizar un sensor externo. Por ejemplo, un sensor óptico no giratorio conjuntamente con un reflector óptico montado sobre la rueda o eje de la rueda, que puede utilizarse para determinar la frecuencia y fase de la rotación de la rueda. Alternativamente, el eje puede equiparse con medidores de deformación y el ángulo de la rueda puede calcularse a partir de la medida de la deformación en el eje.

Con la presente invención, es ventajoso si el ángulo de la rueda puede calcularse utilizando solo las señales medidas por los sensores colocados ya en posición para llevar a cabo el método de la invención. Preferiblemente, todos los sensores están colocados sobre un lado de un disco de la rueda. Si la posición angular de la rueda se calcula a partir de las medidas tomadas por un sensor externo, tanto las señales de la rueda y la señal del sensor externo tienen que ser transferidas al mismo emplazamiento antes de que puedan ser calculadas las cargas. En el caso contrario, el ángulo de la rueda puede ser calculado a partir de la información obtenida por los sensores de la rueda, y es posible que los cálculos necesarios puedan realizarse sobre el disco de la rueda, suponiendo que pueda colocarse sobre la rueda un procesador adecuado y potente. De acuerdo con una realización de la invención, el procesador de señales digitales 2b (figura 3) es un procesador adecuado y potente para ejecutar el cálculo del ángulo de la rueda. Un efecto ventajoso de esta realización es que los únicos datos que necesitan pasar a través de las estrechas limitaciones de las radiocomunicaciones o sistema de transferencia son las señales procesadas. Esto significa que el número de sensores y la velocidad de muestreo de los sensores no están limitados por el ancho de banda en el sistema de transferencia.

Pueden utilizarse distintos métodos cuando se basan en las señales de los sensores existentes expuestos, para determinar también la posición angular. Por ejemplo, si la rueda está rodando sobre un carril, la señal de un sensor orientado raídamente indicará una deformación mínima cuando la rueda estén en la posición angular en donde el sensor esté más cerca físicamente del carril. En este momento, el sensor y el punto de contacto entre la rueda y el carril tendrán la misma coordenada angular. En consecuencia, el ángulo de la rueda podrá estimarse mediante la coincidencia de la frecuencia y fase en que el valor de un sensor seleccionado pase por una deformación mínima.

No obstante, se prefiere utilizar el método de minimización, cuya explicación puede encontrarse en la discusión de las ecuaciones 8 y 9 anteriores.

Aunque las figuras 1 y 4 muestran unas realizaciones en donde los sensores están provistos en un lado del disco de la rueda, se observará que de acuerdo con otra realización de la invención, los sensores g_{j} están integrados en el disco de la rueda.

Se prefiere que al menos algunos de los sensores estén conectados a un dispositivo eléctrico sobre una parte del vehículo que esté conectada rígidamente a la rueda en donde se encuentren emplazados, por ejemplo en el eje de la rueda. El dispositivo eléctrico puede comprender una unidad de radio, comprendiendo por tanto el método la etapa de transmitir la información basándose al menos en parte sobre los valores de los sensores hacia un receptor de radio.

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Substracción de las señales de los sensores sobre la rueda colocada en los lados opuestos del eje de la rueda

En la mayoría de las aplicaciones, las cargas más interesantes de registrar son las fuerzas que aparecen debidas al contacto entre la rueda y el carril. Todos los componentes del campo de la deformación originados por otras cargas son las interferencias. Las interferencias incluyen, por ejemplo, la fuerza centrífuga, las diferencias de temperatura rotacionalmente simétricas, por ejemplo, un cubo caliente o un círculo de rodadura caliente cuando el resto de la rueda está enfriada por el viento, y las vibraciones en el disco de la rueda, especialmente los modos Eigen de las vibraciones.

La fuerza centrífuga y las diferencias de temperatura rotacionalmente simétricas son simétricas rotacionalmente, y las variaciones de las deformaciones que provocan son de una frecuencia muy baja en comparación con la rotación de la rueda. Esta baja frecuencia permite la eliminación de su influencia mediante un filtrado pasa-altos. Otra forma de gestionar las mismas es por la introducción de las formas del campo de las deformaciones que representan en la matriz B. Si todos los sensores están colocados en un circulo con centro en el centro de la rueda en la misma orientación con respecto al centro, la forma del campo de las deformaciones que se midan tendrá el mismo valor para todos los sensores.

El modo Eigen más importante de la vibración en una rueda de tren tiene un patrón de vibración similar al mostrado en la figura 8 con énfasis. Al representarse con respecto al ángulo de la rueda será similar a una onda sinusoidal con dos longitudes de onda por cada vuelta en muchas ruedas. La frecuencia en el tiempo de las vibraciones es significativamente más alta que la frecuencia de las cargas medidas usualmente, lo que significa que su influencia puede ser eliminada mediante un filtrado pasa-bajos. Si las cargas se tienen que medir en altas frecuencias, no obstante, el efecto de las vibraciones puede ser eliminado mediante un filtrado, pero tienen que incluirse en la matriz B.

En contraste con los campos de deformación de las cargas de las fuerzas, los campos de deformación en lo modos Eigen de la vibración no tienen una orientación predicable con respecto al ángulo de la rueda. Esto puede hacer que la inclusión en la matriz B sea difícil, puesto que tendría que introducirse un vector de deformación por cada ángulo de orientación posible del modo Eigen (es decir, infinitamente muchos en teoría). Cuando los modos Eigen tienen la forma anteriormente escrita de sinusoides sobre la vuelta completa, no obstante, y con frecuencia la tienen, es suficiente incluir dos vectores por cada modo Eigen. Una sinusoide de cualquier fase puede ser expresada como la suma de una onda sinusoidal y una onda cosenoidal. En consecuencia, si una onda sinusoidal y una onda cosenoidal se incluyen en la matriz B, se capturará cada uno de los modos Eigen, separados de las demás cargas, y siendo posible su reconocimiento.

Puesto que la transmisión desde la rueda puede un cuello de botella del método, es deseable reducir la intensidad de la señal antes del enlace por radio en todo lo que sea posible, sin destruir la valiosa información. Los casos de la carga rotacionalmente simétrica en particular pueden provocar altos valores de la deformación en comparación con los originados por las cargas buscadas, y eliminando esa parte de la salida del sensor y preferible antes del enlace por radio. Así mismo, si el número de señales necesario para enviar a través de los límites estrechos del enlace pueden reducirse, esto será también deseable.

De acuerdo con una realización preferida de la invención, las señales de los sensores colocados en forma opuesta entre sí a través del disco de la rueda se restan entre sí. De acuerdo con una versión de esta realización, esta operación de resta se ejecuta por el procesador 2b (véase la figura 3), el cual está colocado sobre la rueda. Por tanto, esta resta puede ser ejecutada antes de la transmisión de las señales a través del enlace por radio, por tanto reduciendo significativamente el número de señales que necesitan ser enviadas a través del enlace por radio. De acuerdo con otra versión de esta realización, esta operación de resta se ejecuta por el dispositivo de cálculo 5, colocado en un punto de aguas abajo del enlace por radio, tal como se muestra en la figura 1.

Todos los efectos de los casos de carga simétrica y los modos Eigen asociados de la vibración descritos anteriormente quedan eliminados si los sensores en el par se colocan exactamente en forma simétrica sobre una rueda perfectamente homogénea. Los efectos se reducen significativamente cuando estos criterios se cumplen solo en forma aproximada. Esto es aplicable para cualquier señal con un número par de longitudes de onda alrededor de la vuelta de la rueda. Si por ejemplo existieran modos Eigen de vibración que no tuvieran la forma anteriormente descrita de sinusoide sobre la vuelta completa de la rueda, probablemente tendrían todavía un número par de longitudes de onda espacialmente sobre la vuelta de la rueda, y por tanto serían eliminados a través de este método.

La información de las cargas que atacan a la rueda en el punto de contacto no está afectada significativamente por la resta. La figura 9 muestra la salida del sensor desde un único sensor conforme gira la rueda una vuelta con una carga Q pura aplicada al punto de rodamiento.

La figura 10 muestra la diferencia entre la salida de este sensor y el sensor colocado directamente en forma opuesta al mismo, conforme la rueda gira una vuelta con una carga Q pura aplicada al punto de rodadura. Los inventores se dieron cuenta de que parece visualmente plausible a partir de los gráficos que se perdía poca información en la operación, y mediante la ejecución del cálculo, los inventores probaron que esto era cierto. En muchos casos, las longitudes de los vectores de las filas en la matriz B son casi las mismas que con antelación a la resta, lo cual significa solamente un ligero incremento en el ruido.

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Localización de la frecuencia de la rueda antes de la búsqueda de la posición angular del punto de contacto rueda-carril

Cuando está presente un ruido significativo en las señales de los sensores, la estimación del ángulo de la rueda a partir de un instante único es probable que sea errónea. Las perturbaciones pueden modificar en forma coincidente las señales, de forma que pueden aparecer que indiquen un ángulo y un campo de deformación distintos, para los cuales la estimación del error resultante (calculado y escrito anteriormente) es menor que la calculada basándose en el ángulo correcto. Además de ello, incluso cuando la posición angular puede ser calculada con precisión en cada instante de tiempo, puede requerir demasiado tiempo para la ejecución de la estimación a partir de cada instante, pudiendo necesitar una estimación inicial.

De acuerdo con una realización de la invención, este problema puede resolverse mediante la ejecución de medidas, por ejemplo, mediante la recogida de muestras de las señales, durante un periodo de tiempo, y mediante la utilización de las muestras de las señales recogidas, para determinar la frecuencia de la rotación de la rueda, y para determinar las posiciones relevantes de la rueda. Este periodo de tiempo de medida puede ser periodo de tiempo corto, por ejemplo de un segundo. Durante el periodo de tiempo de la medida el muestreado puede ser repetido con una cierta frecuencia de muestreo, con el fin de obtener una serie de "imágenes" momentáneas del campo de deformación en la rueda. En consecuencia, esta serie de muestras de las señales representa una progresión temporal del campo de las deformaciones en la rueda durante el periodo del tiempo de medida.

Las muestras de la señal recogidas durante dicho periodo de tiempo de medidas se utilizan para determinar la frecuencia de la rotación de la rueda, y para determinar las posiciones relevantes de la rueda. De acuerdo con una realización preferida, la frecuencia de la rotación de la rueda se determina en primer lugar en las muestras de la señal recogidas, y posteriormente esta información de la frecuencia de rotación de la rueda se utiliza en combinación con las muestras de la señal recogidas en el proceso de determinación de las posiciones de la rueda en relación con las mismas muestras de las señales recogidas. De esta forma es posible conseguir una determinación más precisa de la posición angular de la rueda. Por ejemplo, cuando la rueda realiza la rodadura a una velocidad constante de rotación, y la frecuencia de rotación de la rueda es suficientemente alta para permitir una serie de revoluciones durante el periodo del tiempo de medida, entonces la misma posición angular de la rueda habrá pasado por unos tiempos plurales. Este hecho puede ser utilizado en un proceso para crear unos valores promedios, de forma que se reduzca la influencia del ruido, incrementando por tanto la precisión de la determinación de la posición angular de la rueda. Más específicamente, esto puede realizarse de la forma siguiente: las muestras de la señal para todos los casos de tiempos que se presentan cuando el ángulo de la rueda sea aproximadamente el mismo (es decir, la rotación de la rueda tiene aproximadamente la misma fase) pueden promediarse para formar menos vectores y siendo menos ruidosos. Este desplazamiento esperado del ángulo de la rueda entre estos vectores de deformación es conocido, por lo que cuando el ángulo de la rueda ha sido estimado para cada vector de deformación, los resultados pueden ser combinados y reduciendo el error incluso más.

Reduciendo el numero de vectores de deformación tal como se ha descrito anteriormente ofrece una forma de localizar una estimación inicial de los ángulos para cada caso en el tiempo, cuando las señales son suficientemente claras, de forma que el ángulo podría ser deducido para cada caso en el tiempo sin error. Así pues, el método ahorra tiempo de cálculo.

La frecuencia puede ser deducida a partir de las señales de varias formas. Por ejemplo, un análisis de la frecuencia tal como el método de Fourier podría aplicarse a la salida de un único canal. Alternativamente, el análisis de la frecuencia puede realizarse en una señal que combine la salida de todos los canales medidos en una señal. La utilización de los datos de todos los sensores hace que la señal sea menos sensible a las perturbaciones en un único sensor.

Una forma adecuada de combinar las salidas de los sensores de todos los sensores para formar una combinación lineal de las salidas. Será suficiente casi cualquier combinación, pero la señal preferida para el análisis es el resultado de sumar las señales procedentes de aproximadamente la mitad de los sensores entre sí, y después restar las señales del resto de los sensores de esta suma. Por ejemplo, la señal que es la suma de todas las salidas de los sensores situados en la mitad de una vuelta de la rueda podrán restarse de la suma de las señales de todos los demás sensores, para proporcionar una señal que sea de un periodo distinto y que sea menos sensible a la interferencia que la señal procedente de cualquier único sensor.

Claims (25)

1. Un método para determinar una pluralidad de componentes de carga (F_{i}) en una rueda, que comprende las etapas de:

\bullet

proporcionar sobre la rueda una pluralidad de sensores (g_{j}) con los cuales sea posible detectar las deformaciones y las tensiones en la mencionada rueda; y

\bullet

medir esencialmente en forma simultánea una primera pluralidad de valores de sensores (\varepsilon_{j}) de al menos algunos de los sensores (g_{j}), en donde el numero de sensores (g_{j}), en donde los valores de los sensores se miden en forma esencialmente simultánea, son al menos tres; y

\bullet

determinar una segunda pluralidad de componentes de carga (F_{i}) al menos basados parcialmente en los valores de los sensores medidos (\varepsilon_{j}); en donde el método está adaptado para ser ejecutado en una rueda de tren; y en donde el método está adaptado para determinar la mencionada segunda pluralidad de componentes de carga, de forma que los mencionados componentes de carga determinados sean componentes de la carga (F_{i}) que actúan sobre una rueda de tren en un punto de contacto entre la rueda del tren y un carril;

caracterizado porque:

\bullet

el vector (F) de componente de la carga comprende los mencionados componentes de la carga (F_{i});

\bullet

el vector (\varepsilon) del valor del sensor comprende los mencionados valores (\varepsilon_{j}) del sensor medido, los cuales dependen de la posición angular de la rueda del tren; y porque:

\bullet

la etapa de determinación de la segunda pluralidad de los componentes (F_{i}) de carga comprende la resolución de un sistema de ecuaciones que incluye la determinación de una matriz (B) de determinación de los componentes de carga, de forma tal que el mencionado vector (F) de los componentes de carga sea igual o aproximado al producto de la matriz (B) de determinación de los componentes de carga y el mencionado vector (\varepsilon) del valor del sensor; y porque:

\bullet

la mencionada primera pluralidad de los valores (\varepsilon_{j}) de los sensores es un número mayor que la mencionada segunda pluralidad de los componentes de la carga (F_{i}), de forma que quede hiperdeterminado el mencionado sistema de ecuaciones.

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2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la matriz (B) de determinación de los componentes de la carga se selecciona de forma que F = B\varepsilon es la solución sea la solución de mínimos cuadrados para el sistema de ecuaciones lineales hiperdeterminado de \varepsilon = AF, en donde la matriz A contiene los valores del sensor relacionados con los componentes de la carga individuales.

3. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende la determinación al menos parcialmente sobre la base de los valores (\varepsilon_{j}) del sensor medido, el ángulo de la rueda (\varphi) para el cual se ejecutó la etapa de la medición de los valores del sensor (\varepsilon_{j}).

4. El método de acuerdo con la reivindicación 3

en donde se determina el ángulo de la rueda (\varphi) como el valor que minimiza la expresión |\varepsilon-A*B*\varepsilon|, en donde A es una matriz de determinación del valor del sensor con los valores de calibración (A_{ji}) del sensor.

5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el numero de sensores, cuyos valores del sensor (\varepsilon_{j}) están medidos esencialmente en forma simultánea, en al menos ocho.

6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde todos los sensores (g_{j}) están provistos sobre el mismo lado de la rueda.

7. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos un sensor (g_{j}) comprende dos elementos de sensor (g_{j}a. g_{j}b), por lo que un elemento del sensor (g_{j}a) está orientado en la dirección radial de la rueda, y el otro (g_{j}b) está orientado en la dirección circunferencial.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos algunos de los sensores están provistos a lo largo de un círculo, cuyo centro coincide esencialmente con el centro de la rueda.

9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos algunos de los sensores están conectados a un dispositivo eléctrico (2) en el eje de la rueda, comprendiendo el dispositivo eléctrico (2) una unidad de radio (2c), comprendiendo el método la etapa de transmitir información al menos parcialmente basándose en los valores del sensor hacia un receptor de radio (4).

10. Un sistema para determinar una pluralidad de componentes (F_{i}) de carga sobre una rueda,

en donde el sistema comprende, sobre la rueda, una pluralidad de sensores (g_{j}), con los cuales es posible detectar las deformaciones o tensiones en la mencionada rueda;

estando adaptado el sistema para medir esencialmente en forma simultánea una primera pluralidad de los valores de los sensores (\varepsilon_{j}) de al menos algunos de los sensores (g_{j}), en donde el numero de sensores (g_{j}), cuyos valores de los sensores (\varepsilon_{j}) se miden esencialmente en forma simultánea, es al menos de 3; y en donde:

el sistema está adaptado para determinar una segunda pluralidad de componentes de carga, al menos basados parcialmente sobre los valores (\varepsilon_{j}) de los sensores medidos, y en donde:

la mencionada rueda s una rueda de tren; y el sistema está adaptado para determinar la mencionada segunda pluralidad de componentes de carga (F_{i}), de forma que los mencionados componentes de carga determinados sean componentes de carga (F_{i}) que actúan sobre la rueda de tren en un punto de contacto entre la rueda de tren y un carril; caracterizado porque tiene:

\bullet

un vector (F) de componentes de carga que comprende los mencionados componentes de carga (F_{i});

\bullet

un vector (\varepsilon) del valor del sensor, que comprende los mencionados valores (\varepsilon_{j}) del sensor medidos, los cuales son dependientes de la posición angular de la rueda del tren; porque:

\bullet

el sistema está adaptado para determinar la segunda pluralidad de los componentes de carga (F_{i}) por los medios de resolución de un sistema de ecuaciones, el cual incluye la determinación de una matriz (B) de determinación de los componentes de carga, de forma tal que el mencionado vector (F) de los componentes de carga sea igual o aproximado por el producto de la matriz (B) de determinación de los componentes de la carga y el mencionado vector (\varepsilon) del valor del sensor, y porque:

\bullet

la mencionada primera pluralidad de los valores de los sensores (\varepsilon_{j}) es un número mayor que la mencionada segunda pluralidad de los componentes de carga (F_{i}), de forma que el mencionado sistema de ecuaciones esté hiperdeterminado.

11. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 10, que está adaptado para seleccionar la matriz (B) de determinación de los componentes de carga, de forma que F = B\varepsilon sea una solución de mínimos cuadrados para el sistema de ecuaciones lineales hiperdeterminadas de \varepsilon = AF, en donde la matriz A contiene valores de los sensores relacionados con los componentes individuales de la carga.

12. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 ú 11, adaptado para determinar, al menos parcialmente, sobre la base de los valores (\varepsilon_{j}) de los sensores medidos, el ángulo de la rueda (\varphi) en el cual se ejecutó la etapa de medición de los valores de los sensores (\varepsilon_{j}).

13. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 12, adaptado para determinar el ángulo de la rueda (\varphi) como el valor que minimiza la expresión |\varepsilon-A*B*\varepsilon|, en donde A es una matriz de determinación del valor de los sensores con los valores (A_{ji}) de calibración de los sensores.

14. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 - 13, en donde el numero de sensores, cuyos valores de los sensores (\varepsilon_{j}) están medidos esencialmente en forma simultánea, es al menos de ocho.

15. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 - 14, en donde todos los sensores (g_{j}) están provistos sobre el mismo lado de la rueda.

16. Un sistema de acuerdo con la reivindicaciones 11-17, en donde al menos un sensor (g_{j}) comprende dos elementos de sensor (g_{j}a, g_{j}b), por lo que un elemento (g_{j}a) del sensor está orientado en la dirección radial de la rueda, y el otro (g_{j}b) está orientado en la dirección en la dirección circunferencial.

17. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-16, en donde al menos algunos de los sensores están provistos a lo largo de un círculo, cuyo centro coincide esencialmente con el centro de la rueda.

18. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-17, en donde al menos algunos de los sensores están conectados a un dispositivo eléctrico (2) en el eje de la rueda, en donde el dispositivo eléctrico (2) comprende una unidad de radio (2c), adaptada para transmitir información al menos basada parcialmente sobre los valores del sensor hacia un receptor de radio (4).

19. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-17, en donde al menos algunos de los sensores están conectados a un dispositivo eléctrico (2) sobre una parte del vehículo que esté conectada a la rueda en donde estén colocados los sensores, por ejemplo, en el eje de la rueda, en donde el dispositivo eléctrico (2) comprende una unidad de radio (2c), adaptado para transmitir información al menos parcialmente, basándose en los valores de los sensores a un receptor de radio (4).

20. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 17, en donde las señales de los sensores colocados y enfrentados entre sí a través del círculo se restan entre sí.

21. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10-20, en donde:

el sistema está configurado para recoger los valores de los sensores durante un periodo de tiempo, y el sistema está configurado para utilizar los valores de los sensores recogidos para determinar la frecuencia de la rotación de la rueda; y el sistema está configurado para utilizar la información de la frecuencia de rotación de la rueda, en combinación con los valores de los sensores recogidos en el proceso de determinación al menos de una posición angular de la rueda.

22. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en donde al menos algunos de los sensores están conectados a un dispositivo eléctrico (2) sobre una parte del vehículo que está conectado rígidamente la rueda, en donde están colocados los sensores, por ejemplo, en el eje de la rueda, en donde el dispositivo eléctrico (2) comprende una unidad de radio (2c), comprendiendo el método la etapa de transmitir información basada al menos parcialmente en los valores de los sensores hacia un receptor de radio (4).

23. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el método comprende la etapa de:

\bullet

restar las señales de los sensores situados en forma opuesta entre sí a través del círculo entre sí.

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24. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9 ó 22 ó 23, comprendiendo además la etapa de:

\bullet

determinación de la frecuencia de la rotación de la rueda antes de determinar una posición angular de la rueda.

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25. Un método de acuerdo con la reivindicación 24, comprendiendo además las etapas de:

recoger los valores de los sensores durante un periodo de tiempo, y utilizar los valores de los sensores recogidos para determinar la frecuencia de la rotación de la rueda; y

utilizar la información de la frecuencia de rotación de la rueda en combinación con los valores de los sensores recogidos, para determinar al menos una posición angular de la rueda.