一种智能锁紧螺母及其在卡车车桥轴承检测上的应用

1.本发明属于轴承监测技术领域，具体涉及一种智能锁紧螺母及其在卡车车桥轴承检测上的应用。


背景技术：

2.卡车作为载货工具，具有载重量大，路况冲击强等特点。而车桥中的轴承作为车轮半轴与动力输入输出轴的支撑部件，长期处于重载，高速的工作环境。这对于轴承这种精密的机械部件来说是非常不利的，很容易导致其失效。当轴承发生失效后，会导致车桥传动系统的故障，影响车辆的动力输出，对人员的安全与交通安全带来很大的隐患。因此对车桥轴承的监测具有重要的应用意义。然而，由于车桥本身的封闭结构，车桥较为恶劣的工作环境以及车桥轴承狭窄的工作空间，导致在汽车运行状态下，轴承状态信息监测困难，更无法实现车桥轴承状态的及时判断。
3.通常情况下，为了实现对轴承运行状态的监测，需要监测轴承的多种物理信息，并利用信息判断轴承的状态。目前，实现车桥轴承状态监测有两种方法：
4.(1)将采集不同物理信息的商用成品传感器通过粘贴或者其他固接方式，将它们固定在车桥外壳上。被固定在车桥上的成品传感器通过线缆将信号通过模拟量的方式输出。配合以信号采集卡与上位机，将数据记录在上位机，完成数据采集后在上位机进行车桥轴承状态的判断。如专利申请cn201910494395.8，公开了用于监测车载机器轴承的方法和设备。该专利申请使用在汽车内部布置麦克风采集声音信号，通过声音信号对汽车内的轴承进行状态判断。基于这种方法，信号的传播途径远，信息存在衰减。另一方面，商用传感器及采集装置、信号处理装置成本高，不利于商业应用。
5.(2)利用嵌入式设备，在卡车的车轮上进行轴承状态的监测。在嵌入式设备上集成mems传感器，使其能够监测特定的物理信号。将这样的嵌入式设备安置在车轮上，进而实现对车轮的转速信息与振动信息的获取。如专利申请cn201910323203.7，公开了一种用于确定车辆，特别是卡车的车轮端的旋转速度和振动的装置。该装置通过设计较小的嵌入式系统，固定在轮端，通过采集轮端的信息分析转速与振动。该专利申请具有系统组成简单、成本低、靠近被监测对象的特点，因而对轴承状态变化敏感。但是该方案只能采集到车轮端的信号，无法实现对车桥内的轴承进行监测。


技术实现要素：

6.为了解决上述卡车车桥轴承状态监测存在的问题，本发明的目的在于提供一种智能锁紧螺母及其在卡车车桥轴承检测上的应用，为了准确获取有限空间内的轴承的状态信息，利用锁紧螺母与轴承紧密接触的特点，在锁紧螺母上引入嵌入式感知运算单元；利用嵌入式感知运算单元实现轴承状态信息的采集，配合内部运算单元，按照一定流程完成相关信息的处理，从而获得轴承运行状态正常与否，实现更加精确可靠的车桥轴承状态识别，以及进一步得出是否存在某类故障的结论。
7.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
8.一种智能锁紧螺母，包括锁紧螺母本体1，其特征在于，在锁紧螺母本体1上嵌入一个嵌入式感知运算单元2。
9.所述嵌入式感知运算单元2集成了传感单元、数据辅助单元以及通讯单元；所述传感单元包括mems加速度传感器，温度传感器或者其他需要的传感器件；所述数据辅助单元包括数据存储、运算分析，实现信息处理与相关监测、诊断算法的运行；所述通讯单元包括无线、有线通讯，使智能锁紧螺母能够将轴承的状态信息对外发送。
10.所述嵌入式感知运算单元2的安装方式包括：在锁紧螺母本体1中开槽，将嵌入式感知运算单元内嵌到锁紧螺母本体内，或将封装后的嵌入式感知运算单元2与锁紧螺母本体1进行固定连接；或者将封装后的嵌入式感知单元2安装在轴承基座3上，嵌入式感知单元2通过面接触的方式与锁紧螺母本体1配合。
11.基于上述一种智能锁紧螺母在卡车车桥轴承检测上的应用，包括以下步骤：
12.步骤一、使用智能锁紧螺母本体1，实现对车桥所有轴承的状态信息的获取、处理；
13.所述智能锁紧螺母是在锁紧螺母本体1上嵌入一个嵌入式感知运算单元2；
14.所述嵌入式感知运算单元集成了传感单元、数据辅助单元以及通讯单元；所述传感单元包括mems加速度传感器，温度传感器或者其他需要的传感器件；所述数据辅助单元包括数据存储、运算分析，实现信息处理与相关监测、诊断算法的运行；所述通讯单元包括无线、有线通讯，使智能锁紧螺母能够将轴承的状态信息对外发送；
15.所述嵌入式感知运算单元2的安装方式包括：在锁紧螺母本体1中开槽，将嵌入式感知运算单元内嵌到锁紧螺母本体内，或将封装后的嵌入式感知运算单元2与锁紧螺母本体1进行固定连接；或者将封装后的嵌入式感知单元2安装在轴承基座3上，嵌入式感知单元2通过面接触的方式与锁紧螺母本体1配合；
16.步骤二：智能锁紧螺母的嵌入式感知运算单元2启动后，根据重力加速度对芯片进行定位初始化；
17.步骤三：通过嵌入式感知运算单元，采集车桥轴承的振动与温度数据，并对数据进行保存，直至完成数据采集；
18.步骤四：判断轴承的温度数据，如果温度数据超过了正常的范围，则认为轴承状态异常，立即对外进行报警；
19.步骤五：对振动信号使用fft或者dft算法进行时域信号到频域信号的转换，获得频域后，根据频域中的特定信号判断当前轴承的转速信息；由于轴承在旋转过程中，无论故障与否，都是在做频率与转速成一定比例关系的周期运动，因此通过转速频率以外的其他频率作为佐证，包括二倍频，三倍频，滚珠旋转频率；
20.步骤六：判断轴承振动信号的时域指标，包括峰峰值、峭度、均方差信号，判断其是否在对应转速下的相应阈值内；如果在阈值内，说明轴承状态较为正常，如果不正常，则进入下一步；
21.步骤七：根据转速信息，与轴承的信息，寻找特定倍频的故障频率，通过不同频率的信息，判断轴承的故障情况，并对轴承是否能够继续工作做出判断；智能锁紧螺母对轴承状态判定为异常时，对信息进行重复性降噪处理；即在连续数次判断为异常概率大于一定数值时，判定轴承状态异常；
22.步骤八：智能锁紧螺母判定轴承状态，将该信息由智能锁紧螺母发送给整车，由整车进行相关信息的警报。
23.进一步，所述步骤二中，当mems加速度传感器安置在垂直于地面的平面时，其芯片角度θ的定位公式如下：
[0024][0025]
其中acc_x与acc_y为所获得的x与y方向的加速度信息。
[0026]
本发明的有益效果为：
[0027]
通过设计智能锁紧螺母，实现了车桥轴承信息的直接采集，解决了车桥轴承难以监测的问题；利用嵌入式感知运算单元中运行状态检测与诊断算法，获取轴承的工作状态与故障类型，解决了传统上位机信息处理带来的成本高、数据传输量大的问题，有利于商业化应用。
附图说明
[0028]
图1是智能锁紧螺母的结构示意图，其中图1(a)是在锁紧螺母本体上开槽安装形式，图1(b)是整个智能锁紧螺母安装在轴承基座上的安装形式。
[0029]
图2是智能锁紧螺母中嵌入式感知运算系统结构图。
[0030]
图3是车桥轴承状态监测与故障识别的方法示意图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明做详细叙述。
[0032]
参照图1(a)和图1(b),一种智能锁紧螺母，包括锁紧螺母本体1，在锁紧螺母本体1上嵌入一个嵌入式感知运算单元2。
[0033]
所述嵌入式感知运算单元2的安装方式包括：在锁紧螺母本体1中开槽，将嵌入式感知运算单元内嵌到锁紧螺母本体内,参照图1(a)，或将封装后的嵌入式感知运算单元2与锁紧螺母本体1进行固定连接；或者将封装后的嵌入式感知单元2安装在轴承基座3上，嵌入式感知单元2通过面接触的方式与锁紧螺母本体1配合，参照图1(b)。
[0034]
参照图3，基于上述一种智能锁紧螺母在卡车车桥轴承检测上的应用，包括以下步骤：
[0035]
步骤一、使用智能锁紧螺母代替原有待监测轴承或固定轴承所使用的锁紧螺母，实现对车桥所有轴承的状态信息的获取、处理；
[0036]
参照图1(a)，所述智能锁紧螺母在锁紧螺母本体1基础上嵌入一个嵌入式感知运算单元2；参照图2，所述嵌入式感知运算单元集成了传感单元、数据辅助单元以及通讯单元；所述传感单元包括mems加速度传感器，温度传感器或者其他需要的传感器件；所述数据辅助单元包括数据存储、运算分析，实现信息处理与相关监测、诊断算法的运行；所述通讯单元包括无线、有线通讯，使智能锁紧螺母能够将轴承的状态信息对外发送。
[0037]
所述智能锁紧螺母中的嵌入式感知运算单元的安装方式包括：通过在锁紧螺母本体1中开槽，将嵌入式感知运算单元2内嵌到原有锁紧螺母本体内。也可以将嵌入式感知运算单元2单独封装，然后将封装的系统整体与锁紧螺母本体1固定连接成为一个整体。如果
锁紧螺母本体1尺寸较小，还可以将封装后的嵌入式感知单元2安装在轴承基座3上，通过面接触的方式与锁紧螺母本体1配合，如图1(b)。
[0038]
在本发明的一个实例中，在上述嵌入式感知运算单元的外壳设计了相应的测温结构，一个比较优选的实施方式是将该结构与固定表面紧贴配合，保证温度测量。
[0039]
对于存在多组锁紧螺母的车桥系统，可使用一个或多个智能锁紧螺母代替原有的锁紧螺母，实现对车桥所有轴承的状态信息的获取、处理。
[0040]
步骤二：由于不同结构的细微差异，会导致加速度感知电路初始角度并不固定。因此在智能锁紧螺母的嵌入式感知运算单元启动后，需要对mems加速度传感器的芯片角度进行定位。由于重力作用，感知电路会感受到初始的重力加速度，于是可以根据重力加速度对芯片进行定位初始化，以mems加速度传感器安置在垂直于地面的平面为例，芯片角度θ的定位公式如下：
[0041][0042]
其中acc_x与acc_y为所获得的x与y方向的加速度信息。
[0043]
步骤三：通过嵌入式感知运算单元，采集车桥轴承的振动与温度数据，并对数据进行保存，直至完成数据采集。
[0044]
步骤四：判断轴承的温度数据，如果温度数据超过了正常的范围，则认为轴承状态异常，立即对外进行报警。
[0045]
步骤五：对振动信号使用fft或者dft算法进行时域信号到频域信号的转换，获得频域后，根据频域中的特定信号判断当前轴承的转速信息；由于轴承在旋转过程中，无论故障与否，都是在做频率与转速成一定比例关系的周期运动，因此通过转速频率以外的其他频率作为佐证，包括二倍频，三倍频，滚珠旋转频率。
[0046]
步骤六：判断轴承振动信号的时域指标，包括峰峰值、峭度、均方差信号，判断其是否在对应转速下的相应阈值内；如果在阈值内，说明轴承状态较为正常，如果不正常，则进入下一步。
[0047]
步骤七：根据转速信息，与轴承的信息，寻找特定倍频的故障频率，通过不同频率的信息，判断轴承的故障情况，并对轴承是否能够继续工作做出判断；智能锁紧螺母对轴承状态判定为异常时，对信息进行重复性降噪处理；即在连续数次判断为异常概率大于一定数值时，判定轴承状态异常。
[0048]
步骤八：智能锁紧螺母判定轴承状态，将该信息由智能锁紧螺母发送给整车，由整车进行相关信息的警报。