专利名称：故障检测系统和方法
技术领域：
本发明整体涉及用于检测机器部件失效的系统和方法，更具体地，涉及在操作过程中实时地早期检测机器部件或车辆转向系统中的裂缝和/或其他失效的系统和方法。
背景技术：
在采矿、大型工程、采掘和其他应用中通常使用重型机器，例如非公路卡车。这些应用通常使这种机器的多个系统和部件遭受高的应力和加载。这种加载会对多个部件造成裂缝和/或其他类型的结构损害。例如通常会出现这种重型机器在崎岖地形上操作的情形，这会造成机器的转向和悬架系统的部件失效。考虑到与这种系统相关的部件数量很多， 诊断这种失效常常成为耗时的任务。为了改正这种失效，要使机器停止服务，这增加了机器操作者的经营成本。为了避免失效造成的不可预见的机器停工，常常要对多处栓接接头进行定期检查。这种检查通常是视觉的并且包括有限的诊断测试。最典型的诊断测试被称为“敲击”，这需要用锤子或其他装置击打螺栓以引起振动或声音。由进行该测试的技术人员对该声音的品质和音高进行主观评估，以试图确定该螺栓在结构上是否完好。这种定期测试通常需要使机器停止服务。而且，采用的测试方法对检测被测部件的某些类型的失效，例如发裂并不总是有效的。此外，一些类型的失效可能快速地发生并且不能在定期测试中检测。这种失效通常发生在机器在场地的操作期间，因此需要使机器停止服务以进行维护并将机器拖到维修厂中。这增加了机器的修理成本和停工期。
发明内容
在一个方面，本发明描述一种机器，其具有用于实时检测紧固件的结构失效的故障检测系统。紧固件连接机器的第一部件与机器的第二部件，并且包括设置在紧固件一端处的超声传感器。超声传感器与紧固件成一体并能够发射传播经过紧固件的长度的超声信号。超声传感器还能够接收返回的超声信号。超声反射器设置在紧固件的另一端处并能够反射超声信号，由此将返回的超声信号发送到超声接收器。处理器接收来自超声发射器和超声接收器的表示发射超声信号和接收返回的超声信号之间的传播时间的信号。接着，处理器根据传播时间计算紧固件的实际长度、将实际长度与紧固件的预定长度进行比较、并向机器的电子控制器发射表示紧固件的结构状态的无线信号。在另一方面，本发明描述一种用于实时检测连接机器的第一部件与机器的第二部件的紧固件的结构失效的故障检测系统。故障检测系统包括与紧固件成一体的超声传感器。与超声传感器成一体的超声发射器发射传播经过紧固件的长度并被超声反射器反射的超声信号。反射的信号返回到与超声传感器成一体并能够接收返回的超声信号的超声接收器。处理器接收来自超声发射器和超声接收器的表示发射超声信号和接收返回的超声信号之间的传播时间的信号。处理器根据传播时间计算紧固件的实际长度、将实际长度与紧固件的预定长度进行比较、并发射无线信号。无线信号表示紧固件的结构状态并被机器的电子控制器接收。在又一方面，本发明描述用于在机器的操作过程中实时诊断紧固件的结构状况的方法。该方法包括从与紧固件可操作相联并设置在其一端处的超声传感器发射超声信号。 超声信号被与紧固件可操作相联并设置在其另一端处的超声反射器反射。反射的超声信号被超声传感器接收，其根据发射和接收超声信号之间的时间计算紧固件的实际长度。超声传感器向机器的电子控制器提供表示紧固件的结构状态的无线信号。电子控制器根据无线信号确定是否已经出现故障状况。
图1是根据本发明的机器的侧视图。图2是用于根据本发明的机器的转向系统的轮廓图。图3是用在根据本发明的机器的转向系统中的球头螺栓的侧视图。图4是具有根据本发明的裂缝检测装置的球头螺栓的剖视图。图5是安装在根据本发明的球头螺栓中的裂缝检测系统的框图。图6是具有根据本发明的球头螺栓裂缝检测系统的机器的框图。
具体实施例方式本发明涉及对机器的栓接接头的早期失效检测，更具体地涉及使用超声技术的裂缝检测系统，超声技术实时诊断机器的操作过程中运动部件之间的栓接接头中的失效。这里描述的实施方式包括用于诊断转向系统中使用的球头螺栓中的裂缝或过度应变状况的系统和方法。尽管在说明中使用了转向系统中的球头螺栓作为例子，但这里公开的系统和方法能够应用于不同应用中使用的其他类型的紧固件。本发明整体提供实时检测与机器中的在操作过程中受到加载和应力的接头相关联的结构问题。当异常状况被检测时，本发明提供早期警报系统，通知操作者可能到来的失效，使得异常状况可以在造成机器不能使用之前得到修理或纠正。图1示出了机器100的侧视图。机器100的一个例子是非公路卡车101，例如用于建筑、采矿或采掘的那些。在下文的描述中，该例子说明了可用在具有转向系统的机器上的多种布置，其中该转向系统包括连接到转向节的转向致动器。所示实施方式中的转向节包括通过转向杆相互连接的转向臂。可以认识到，具有包括通过球头螺栓或其他紧固件类型相互连接的转向臂的转向系统的任何其他车辆可以从这里描述的优点受益。因此，术语 “机器”用来概括地描述具有可转向的至少一个轮的任何机器。图1显示了非公路卡车101的侧视图。非公路卡车101包括支撑操作者驾驶室104 和铲斗106的底盘102。铲斗106可枢转地连接到底盘102并被布置为在非公路卡车101 服务时承载有效载荷。占据操作者驾驶室104的操作者可控制非公路卡车101的动作和各种功能。底盘102支撑多种驱动系统部件。这些驱动系统部件能够驱动一组驱动轮108以推进非公路卡车101。一组惰轮110可转向，使得非公路卡车101可在任何方向运动。尽管非公路卡车101包括具有用于运动的被驱动轮和用于转向的可转向轮的刚性底盘，但可以认识到也可以使用其他机器构造。例如，这种构造可包括具有一个或多个从动轮的铰接底
ο
图2显示了用于非公路卡车101(图1)的转向系统200的轮廓图。转向系统200 连接到底盘102并可操作以使惰轮110转动，惰轮110在这里被表示为轮辋，其各自的轮胎被移去了，以进行说明。转向系统200连接到属于底盘102的机架纵梁202。底盘102形成两个柱204，两个柱204在其一端通过横梁206彼此连接，从而形成U形。两个悬架机构 208 —对一地连接到两个柱204。两个悬架机构208的每一个允许每个惰轮110在行驶在不平坦地形的操作期间独立地竖直运动。两个悬架机构208均包括连接到相应柱204的机架部分210。机架部分210是可滑动地包围轮部分212的中空管状构件。在操作过程中，轮部分212能够通过使用弹簧(未显示)和/或运动阻尼器(未显示)缓冲相对于机架部分210的运动。对于两个悬架机构 208的每个来说，转向节214可转动地连接在轮部分212的一端处。每个转向节214可在惰轮110转向时围绕相应的转向轴线S转动，并能够随着轮部分212相对于机架部分210的运动进一步竖直运动。每个转向节214借助轴承(未显示)可转动地支撑其中一个惰轮110。转向臂216 形成在每个转向节214上。转向臂216刚性连接到转向节214，或替代地与转向节214成一体，以在惰轮110转动时与转向节214 —起转动。线性致动器218的一端连接到每个转向臂216。在一种实施方式中，两个线性致动器218用来使转向节214转向，但也可以使用单个转向致动器。这里介绍的线性致动器218是液压致动的，但其他类型的线性致动器或者替代的转动致动器也可以使用。当惰轮110转向时，两个线性致动器218之一延伸，另一个收缩。这种操作推动转向臂216使两个转向节214在相同方向转动。两个横拉杆220可转动地相互连接两个转向臂216，以确保在转动过程中两个惰轮110适当对准。在一种实施方式中，Y形支架222将两个横拉杆相互连接到横梁206。转向系统200能够调节惰轮110相对于底盘102的独立竖直运动。因此，转向臂216与线性致动器218和横拉杆220两者之间的枢转连接必须提供横向角转动。在一种实施方式中，枢转连接采用球窝连接机构，球窝连接机构包括连接到承窝 226的球头螺栓224。例如，在图2所示的实施方式中，成对地布置8个这样的连接，两个线性致动器218的每个和两个横拉杆220的每个的任一侧上都布置一个。图3显示了球头螺栓224的侧视图，图4显示了安装在转向臂216中并连接到承窝226的球头螺栓224的剖视图。在一种实施方式中，球头螺栓2M包括与形成在转向臂 216中的螺纹开口 304螺纹接合的螺纹部分302。锥形轴部分306沿着球头螺栓2M形成并邻近螺纹部分302设置。锥形轴部分306匹配地接合形成在转向臂216中的锥形孔308。 锥形轴部分306和锥形孔308之间的匹配提供球头螺栓244和转向臂216之间的定位和对准。圆柱形颈部310邻近锥形轴部分306形成在球头螺栓224中。圆柱形颈部310至少部分从锥形孔308突出，以在转向臂216的相应表面312和球头螺栓2M的球形部分314 之间提供高度差。该高度差为球头螺栓2M和承窝2 之间的枢转运动提供间隙。在一种实施方式中，球形部分314包括设置在润滑通道318两侧上的两个半球形表面316。两个半球形表面316与可滑动地设置在其上的凹衬垫320匹配地连接。凹衬垫 320提供球头螺栓2M和承窝2 之间的球窝接头机构的“承窝”特征。可以认识到，润滑通道318是任选的，并且可改进润滑剂在球形部分314和凹衬垫320之间的保持。在一种实施方式中，传感器腔402形成在球头螺栓224的端部处或附近。超声传感器404设置在传感器腔402中并可操作地接触球头螺栓224。超声传感器404与布置在反射器腔408中的超声反射器406相互配合，反射器腔408形成在球头螺栓2M的相对端处或附近。超声传感器404邻近且部分位于螺纹部分302中地定位，而超声反射器406邻近球形部分314定位。然而，这些部件的相对定位可重新布置。例如，超声传感器404可邻近球形部分314定位，而超声反射器406可邻近螺纹部分302定位。替代地，超声传感器404 和超声反射器406可定位在沿着圆柱形颈部310或者锥形轴部分306的直径相对位置处， 但也可以使用其它合适的位置。图5显示了示出超声传感器404和超声反射器406的操作的球头螺栓2 的框图。 球头螺栓2 在该图中图解地表示，以用于描述。超声传感器404包括超声发射器502和超声接收器504。超声发射器502产生超声信号或振动506，在图5中用实线的开放箭头表
7J\ ο振动506以已知的波长和已知的速度在构成球头螺栓2 的核心材料中传播或传输。当振动506到达超声反射器406时，其通过球头螺栓2M反射回并被超声接收器504接收。有关超声发射器502发射振动506和在超声接收器504处接收振动506之间的时间的信息通过与超声发射器502和超声接收器504连通的计时器功能508来确定。计时器功能 508向处理器512提供时间信号510，时间信号510表示由超声发射器502发射的振动506 两次传播经过球头螺栓2M所需的总时间。处理器512包括合适的逻辑，其根据振动506的传播时间和速度计算球头螺栓2M 的长度L并将长度L与球头螺栓2M的已知的、预定长度进行比较。根据这种比较，处理器 512可确定球头螺栓2M经受的拉伸(如果有的话)的程度。这种拉伸可归因于球头螺栓 224在服务过程中经受的加载、弯曲或任何其它物理应变情况。除了感测服务过程中球头螺栓224的应变和弯曲，还可以感测裂缝或其他结构状况。例如，裂缝513(在性质上显示为一组倾斜线)的出现可使超声发射器502发射的进入振动516扭曲或改变方向。这种改变方向或扭曲会造成进入振动506传输更长的距离或者全部或部分不能到达超声接收器504，由此降低其强度。超声接收器504可向处理器512提供关于进入振动516的强度的附加信息518。处理器512可分析该附加信息518以确定例如裂缝的任何物理异常是否已经造成影响进入振动516的强度的扭曲。信号5 通过处理器512提供给无线发送器线路514。信号5 表示处理器512 关于球头螺栓224的物理状况的确定。在一种实施方式中，信号5 可以在处理器512没有检测出故障时处于第一状态，在检测出故障时处于第二状态。这种故障包括球头螺栓224 的应变或弯曲、球头螺栓224中存在或形成裂缝等。在一种实施方式中，无线发送器线路514与超声传感器404集成在一起并包括允许无线发送信息的合适线路，包括天线517。天线517操作以产生表示由处理器512提供的信号528的状态的无线信号519。图6显示了用于机器602的球头螺栓监控系统的框图。机器602可以是非公路卡车101(图1)或具有其结构状况根据本发明监控的栓接接头的任何其它机器。机器602包括转向系统604，例如图2所示的转向系统200，其包括多个球头螺栓606。尽管显示了 5个球头螺栓，但更多或更少个球头螺栓可以包括在转向系统604或者机器的具有类似接头的任何其它系统中。多个球头螺栓606中的每个包括合适的传感器，传感器具有能够在操作过程中实时诊断多个球头螺栓606的每一个的结构状况的电子线路。例如，多个球头螺栓 606中的每一个可包括例如图5所示的球头螺栓224中所包括的超声传感器和接收器。在操作过程中，多个球头螺栓606中的每一个提供表示其各自状况的无线信号 608。因此，包括每个无线信号608的多个信号可呈现在机器中并被收集。在一种实施方式中，收集的无线信号608可提供在包含由多个球头螺栓606产生的所有信号的局域网 (LAN)610内。LAN 610通过机器602的电子控制器612产生和监控。电子控制器612包括接收表示多个球头螺栓606的每一个的状态的信息的天线614。由天线614收集的信息被提供给接收器616。由接收器616进行的无线信号608的收集可直接在天线614和多个球头螺栓606的每一个之间完成，或者这种信息可替代地通过接收器616从LAN 610聚集。在一种实施方式中，接收器616包括能够在每个无线信号608之间进行区分的适当功能，例如每个无线信号608在不同的射频发射或者不同的载频施加在无线电信号上。由接收器616接收的关于多个球头螺栓606的每一个的状态的信息被提供给故障诊断程序618。故障诊断程序618操作以根据在接收器616处接收的各个无线信号608确定在多个球头螺栓606的任何一个中是否出现故障。故障诊断程序618可在本地将信息提供给机器的操作者或者远程提供给基站。这种信息表示多个球头螺栓606的一个或多个中存在或没有故障，使得例如机器602可以被安排维护。这种功能是有利的，因为在多个球头螺栓606之一内出现的任何故障指示在机器602的操作过程中实时地提供。因此，那些可能不会被诊断出直到其严重性导致机器停止服务的失效可以在失效过程的早期即被检测， 并且与之前可获得的相比，可以在更短的时间和以更低的成本得到纠正。工业实用性本发明能够应用于具有在服务过程中暴露于应变或其他加载的栓接接头的任何类型的机器。本发明提供设置在用于机器的转向系统中的球头螺栓中的失效的实时诊断， 或更一般而言，提供用作栓接接头的一部分或者用在机器的运动部件上的紧固件中的失效的实时诊断。早期失效诊断促使及时维护，从而可使经营成本更低且减少停机时间。将会认识到，前面的描述提供了本发明的系统和技术的例子。然而可以想到，本发明的其他实施方式可以在细节上不同于前述例子。所有对本发明及其例子的引用旨在引用那时正在讨论的特定例子，并不意在更一般地暗示对本发明的范围的任何限制。除非另外指明，关于特定特征的所有区别和不利语言旨在表明对这些特征缺乏偏好，但并不是将其整体排除在本发明的范围外。除非另外指明，这里对数值范围的叙述仅仅意在用作单独引用落入该范围内的每个单独的值的简便方法，因此每个单独的值如同单独被列举在这里那样包含在本说明书中。除非这里另外指明或者通过上下文明显矛盾以外，这里描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。因此，如适用法允许的，本发明包括权利要求所述的主题的所有修改和等同。而且，除非这里另外指明或者通过上下文明显矛盾以外，上面描述的元件的所有可能变型的任何组合都包含在本发明内。
权利要求
1.一种机器(100)，其具有用于实时检测连接所述机器(100)的第一部件与所述机器 (100)的第二部件的紧固件OM)的结构失效的故障检测系统，所述机器包括超声传感器004)，其设置在所述紧固件(224)的一端处，所述超声传感器(404)与所述紧固件(224)成一体，并且能够发射传播经过所述紧固件(224)的长度的超声信号(506) 和接收返回的超声信号(506)；超声反射器006)，其设置在所述紧固件OM)的另一端处，所述超声反射器(406) 能够反射所述超声信号(506)并将所述返回的超声信号(506)发送到所述超声传感器 (404)；处理器(512)，其可操作地与所述超声传感器(404)相联，并能够接收表示发射所述超声信号(506)和接收所述返回的超声信号(506)之间的传播时间(510)的信号； 所述处理器(51 被设置成根据所述传播时间(510)计算所述紧固件OM)的实际长度； 将所述实际长度与所述紧固件(224)的预定长度进行比较；和向所述机器(100)的电子控制器(612)发射表示所述紧固件024)的实时结构状态的无线信号(519)。
2.根据权利要求1所述的机器(100)，其中，所述机器(100)还包括转向系统000)，所述第一部件和所述第二部件均为转向臂016)、致动器、横拉杆和支架中的至少一个，并且， 所述紧固件(224)是球头螺栓OM)，所述球头螺栓(224)包括将所述球头螺栓(224)与形成在所述转向臂016)中的匹配锥形孔(308)对准的锥形轴部分(306)。
3.根据前述任一项权利要求所述的机器(100)，其中，所述紧固件(224)在其一端处形成传感器腔G02)，在其相对端处形成反射器腔008)，并且，所述超声传感器(404)设置在所述传感器腔G02)中，所述超声反射器(406)设置在所述反射器腔008)中。
4.根据前述任一项权利要求所述的机器(100)，其中，所述紧固件(224)的结构状态包括在服务过程中通过加压于所述紧固件(224)而施加到所述紧固件(224)上的应变、或者在服务过程中由所述紧固件0 )的过度应变引起的裂缝。
5.根据前述任一项权利要求所述的机器(100)，其中，所述超声传感器(404)包括无线发送器和天线(517)，所述无线发送器被设置用来产生无线信号(519)，所述天线(517)被设置用来发射所述无线信号(519)。
6.根据前述任一项权利要求所述的机器(100)，其中，所述电子控制器(61 还包括故障诊断程序(618)，其被设置成根据所述无线信号(519)诊断所述紧固件OM)的结构状态。
7.根据前述任一项权利要求所述的机器(100)，其中，操作所述机器(100)的方法包括在操作过程中定期从所述超声传感器(404)发射超声信号(506)； 利用所述超声反射器(406)反射所述超声信号(506)； 在所述超声传感器(404)中接收所述超声信号(506)；根据所述超声信号(506)的发射和接收之间的时间并根据所述超声信号(506)的预定速度计算所述紧固件0 )的实际长度；定期将所述无线信号(519)从所述超声传感器(404)提供给所述电子控制器(612)；和在所述电子控制器(612)中根据所述无线信号(519)确定是否出现故障状况。
8.根据权利要求7所述的机器(100)，还包括提供多个无线信号(608)，所述多个无线信号(608)的每一个通过设置在所述机器(100)中的多个紧固件中的一个来提供。
9.根据权利要求7或8所述的机器(100)，还包括确定所述超声信号(506)的强度，并在所述超声信号(506)的强度低于期望值时为所述紧固件(224)设定表示出现裂缝(513) 的结构状态。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的机器(100)，还包括在所述电子控制器(612)确定已经出现故障状况时至少本地和/或远程地提供警报。
全文摘要
一种用于机器(100)中的紧固件(224)的故障检测系统，包括与紧固件(224)成一体并能够发射传播经过紧固件(224)的长度的超声信号(506)的超声传感器(404)。超声传感器(404)接收返回的超声信号(506)，处理器(512)计算发射超声信号(506)和接收返回的超声信号(506)之间的传播时间(510)。处理器(512)根据传播时间(510)计算紧固件(224)的实际长度(L)，将实际长度(L)与紧固件(224)的预定长度进行比较，并向机器(100)的电子控制器(612)发射表示紧固件(224)的结构状态的无线信号(519)。
文档编号B62D6/00GK102300760SQ200980155698
公开日2011年12月28日 申请日期2009年12月17日 优先权日2008年12月19日
发明者C·A·波鲁姆, D·W·霍尔托斯, J·P·怀特, J·W·莱因哈特, M·弗玛, R·J·赫勒 申请人:卡特彼勒公司