CN108778914A - 履带销通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于监测重型设备的履带链的履带销的运行状况的履带销传感器。所述履带销传感器可以结合到通信系统中来监测所述履带链的多个履带销。还公开了一种监测履带销的运行状况的方法。

Description

履带销通信系统和方法

技术领域

本申请涉及一种用于从履带销向远程设备无线地传送信息的系统和方法，更具体地涉及在履带链领域中为重型设备的中的一个或多个履带销提供通信系统。

背景技术

链条是机械领域中几乎普遍存在的部件，并且已存在很长时间。链条通常由一系列互锁链节或链条链节组成。并且在许多情况下，相邻链节通过滑过相邻链节的相应孔的销联接在一起。这种类型的互锁链系统用于各种应用中，包括重型设备的履带链。作为实例，诸如挖掘机或推土机的重型设备可包括一组履带链或履带组，其包括围绕一个或多个轮毂驱动的多个链节和相关联的履带板。履带链可以帮助重型设备向前运动、向后运动和转向。这种类型的履带链的节段、区段或链节经由一种通常被描述为履带销的销而互锁在一起。

在使用期间，履带链的部件经常受到磨损并且有时会失效。部分地由于重型设备中所涉及的力以及履带销表面与周围表面之间的旋转摩擦，相邻链节之间的连接是可能的失效点。已经努力增强相邻链节之间连接的坚固性，包括利用密封和润滑型连接以产生通常被描述为密封和润滑履带(SALT)的履带链。在图16所示实施方案中的剖视图中示出了SALT构型的传统的基于履带销的连接的实例。每个链节主要通过履带销和阶梯式衬套联接在一起。在许多构型中，履带销被压配合而穿过阶梯式衬套的孔和其中一个链节的外孔。为了减小衬套和履带销之间的内摩擦，图16的示例性实施方案中的履带销设置有油箱以及与履带销和衬套之间的机械界面流体连通的油道。这种构型可以延长连接的使用寿命—但是，由于各种原因(例如正常磨损和开裂)，连接可能会失效或劣化到即将失效的程度。

应该理解，并非所有的履带链构型都采用SALT型系统。相反，本文描述了SALT型系统以有助于理解用于重型车辆或重型设备的基于履带销的履带链。

发明内容

本公开涉及一种履带销传感器，其用于监测重型设备的履带链的履带销的运行状态。所述履带销传感器可以结合到通信系统中来监测履带链的多个履带销。还描述了一种监测履带销的运行状态的方法。

在一个实施方案中，所述履带销传感器可以被配置成监测履带销的运行状态，并且可以至少部分地布置在履带销的空隙内。所述履带销传感器可包括被配置成提供指示履带销的温度特性的输出的温度感测元件，以及被配置成向远程设备传送信息的无线发射器。所述信息可以指示履带销的运行状态或状况。所述履带销传感器可包括可操作地耦合到温度感测元件和无线发射器的控制器。所述控制器可以被配置成基于温度感测元件的输出来确定所述信息。

在另一实施方案中，所述温度感测元件可以是热电发电器，其被配置成向无线发射器和控制器供电以有助于传送指示履带销的运行状态或状况的信息，并且其中热电发电器的电压输出指示履带销的温度特性。所述履带销传感器可以保持休眠状态，直至在履带销中出现足以产生足够的热量来激励热电发电器的失效情况或异常情况。

在另一实施方案中，所述履带销传感器可以形成通信系统的一部分，其中多个履带销传感器、至少一个远程设备和至少一个用户设备进行通信以提供并跟踪履带链的多个履带销的运行状况信息。作为实例，所述用户设备可以通过将每个履带销传感器物理地映射到履带链的履带销来辅助配置所述通信系统。所述配置过程可以包括用户操作提供足够的热量以对每个履带销传感器进行靶向激活的测试探头，以及结合映射过程执行靶向激活。以这种方式，可以结合特定的履带销来识别每个履带销传感器。

在另一实施方案中，一种检测关于重型设备的履带链的履带销的状况信息的方法可以包括在履带销的空隙中设置履带销传感器，其中所述空隙基本上被密封并且填充有润滑油。所述方法可以包括利用履带销传感器来感测履带销的温度特性，基于所述温度特性来确定状况信息，以及将所述状况信息无线传送到远程设备。

根据一个实施方案的履带销传感器或通信系统或其组合可以有助于识别关于履带销或与履带销接合的周围结构或两者的潜在失效情况或异常运行情况。通过参考当前实施方案和附图的描述，将更全面地理解和领会本发明的这些和其他优点和特征。

在详细解释本发明的实施方案之前，应当理解，本发明不限于以下描述中阐述的或附图中示出的操作细节或构造细节以及部件布置。本发明可以在各个其他实施方案中实现，并且可以以未在本文中明确公开的替代方式实践或实施。此外，应当理解，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被视为是限制性的。“包括”和“包含”及其变型的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目及其等同物。此外，列举可以用在各个实施方案的描述中。除非另有明确说明，否则列举的使用不应被理解为将本发明限制于任何特定顺序或数量的部件。也不应将列举的使用理解为从本发明的范围中排除可能结合或并入所列举的步骤或部件中的任何附加步骤或部件。

附图说明

图1示出了根据一个实施方案的履带链系统和通信系统；

图2示出了履带链系统的一个或多个链段；

图3示出了通信系统内的履带链传感器或节点以及通信系统的远程设备和用户设备的可能位置，所述用户设备包括被配置成有助于履带链传感器的识别和配置的用户设备；

图4示出了图2中的通信系统的放大部分；

图5示出了图2中的通信系统的放大部分；

图6示出了图2中的通信系统的放大部分；

图7示出了根据一个实施方案的通信系统的代表性视图，包括远程设备和多个传感器节点；

图8示出了根据一个实施方案的履带销传感器的代表性视图；

图9示出了图5的履带销传感器的代表性电气图；

图10示出了根据另一实施方案的履带销传感器的代表性视图；

图11描绘了热电发电器及其转换特性；

图12示出了根据另一实施方案的履带销传感器的代表性视图；

图13示出了根据一个实施方案的操作方法；

图14描绘了热管构造；

图15描绘了相变材料的运行特性；

图16示出了现有技术的履带区段的剖视图，所述履带区段包括传统的履带销；

图17示出了根据一个实施方案的磨损失效和失效事件表，包括随时间的温升或温差以及磨损失效和失效事件的阈值；以及

图18示出了根据本公开的一个实施方案的传感器，其被配置成感测多个应用中的一个或多个运行特性。

具体实施方式

一种用于链系统的通信系统，更具体地是车辆履带链，在图1-6中示出并且总体标记为100。如图1-3所示，通信系统100可以结合到车辆履带链10中，所述车辆履带链作为用于提供牵引力以驱动车辆(例如重型车辆设备)的履带链，但不限于此。通信系统100可以结合到任何类型的链条或旋转系统或具有热源的系统中，包括不用于车辆或提供牵引力的系统。实际上，履带销传感器可以与任何类型的销、轴承、衬套或旋转组件(包括发动机和变速器)结合使用。在图18的所示实施方案中描绘了另外的实例，其包括与传送带系统、制动系统和加热系统一起布置的传感器。在图1和图3所示的实施方案中，车辆履带链10包括多个链节12或履带区段，其中相邻的链节或履带区段至少部分地通过履带销110联接在一起。在本文中没有进一步详细描述形成相邻链节12之间的联接的附加部件，例如衬套、止推环和环形密封件，这些部件被认为是常规的，因此未尽力详细说明它们的构造和操作。

在图2所示的实施方案中，履带销110被更详细地示出，并且可包括适于容纳履带销传感器的内部空隙112，例如结合图8所示的实施方案示出和描述并总体标记为200的履带销传感器。履带销110的内部空隙112可以是经由油道114与履带销110的外轴承面116流体连通的油箱。在所示实施方案中，外轴承面116可在操作期间与衬套14机械地接合。尽管可能被油润滑，但操作期间的这种机械相互作用可由于摩擦而产生热量。应当理解，内部空隙112不限于利用油箱的构造，并且内部空隙112和履带销110可以不同地配置，例如没有油箱的油浸销。

可以设置多个履带销110和相应的履带销传感器200以连接多个履带区段12。在一个实施方案中，履带销110可以具体被配置成与履带销传感器200接合。然而，本公开不限于此-履带销110中的一个或多个可以是传统的履带销，并且履带销传感器200可以适于与这种传统的履带销接合。以这种方式，传统的履带销和传统的履带链可以用一个或多个履带销传感器200和通信系统100进行改装。应当理解，履带区段12之间的每个连接点并非严格必须地包括具有履带销传感器200的履带销110，并且例如可以使用没有履带销传感器200的传统履带销来更换失效的履带销110。

如本文所述，履带销传感器200可以将信息无线地传送到远程设备150。从履带和传感器200传送的信息类型的实例包括传感器信息，例如由热电发电器产生的温度或电压、识别码或ID、通信标识符或传输计数、以及Ack/Nak验证信息或其组合。额外实例包括与履带销传感器200的状况有关的信息或与履带销110的运行情况有关的信息，例如磨损指示或关于异常运行的警告。

根据一个实施方案的履带销传感器200可以利用响应于失效事件而产生的热能，以便提供热电发电。所述热电发电功率可用于为履带销传感器的部件供电，例如微处理器、用于温度验证的温度传感器和用于发送关于温度、发电电压、ID、传输次数和Ack/Nak验证信息的传感器信息的BTLE发射器。履带销传感器200的环境和空间可能限制整体构造，因为履带销传感器可能被布置在非常具有破坏性的环境中。如上所述，重型设备的履带销110可以填充有油，所述油随着时间的推移被分配到销和衬套的磨损表面上。中空销中心或空隙112是用于所述油的油箱。橡胶塞234可以用作密封件，并且通常包括允许填充油箱的透明塑料塞或油塞。在用油填充油箱之后，可以将塞子捣入到橡胶塞中，以将油密封到位。所述腔或空隙112可在工厂进行压力测试以确保适当的配合。随着时间的推移，油可以通过与衬套14的中心相关的履带销110中心中的孔或油通道分配。当履带销110和衬套14磨损时，轴承面允许更多的摩擦，这可能产生热量。重型设备可受益于知道何时发生这种热量，因为热量可以指示潜在的失效模式。通过监测潜在失效模式的多种影响，可以启用预防性维护。例如，如果早期检测到，诸如衬套14或履带销110的部件可以被更换或润滑以获得更长的寿命。作为另一个实例，如果检测到失效模式，则可以使用压力测试来检测装配或缺乏适当装配。另外，通过跟踪感测到的信息，可以获得针对运行效果的理解，并且可以基于可能导致传统电池失效的能量水平和温度来识别失效水平。

根据一个实施方案的通信系统100可以包括远程设备，诸如结合图3-6所示的实施方案示出和描述并总体标记为150的远程设备。一个或多个远程设备150可以布置在车辆的一个或多个车辆轮毂附近，并且可以例如结合到车辆轮毂中。在用于重型设备的车辆履带链领域中，可以在履带链10的区域周围布置数个远程设备150，包括例如形成车辆履带驱动系统的一部分的前惰轮20、驱动链轮22、顶辊24、一个或多个下辊26和后惰轮28。远程设备150可以布置在这些旋转部件中的每一个的轮毂处或轮毂附近，并且履带销110随着履带链10的行进在远程设备附近行进。至少部分地由于它们在随着履带链10行进时可能非常接近履带销传感器200，可以在较低的功率传输水平下实现履带销传感器200与远程设备150之间的通信。作为实例，如果履带销传感器200检测到履带销110正在经历异常运行情况，则履带销传感器200可以与每个远程设备150就在与履带链10一起行进时履带销110通过的信息进行通信。传送到每个远程设备150的信息可以指示异常运行情况。

通信系统100还可以包括用户设备180，其被配置成接收信息和/或将信息发送到布置在车辆上的一个或多个远程设备150。用户设备180本身可以布置在车辆上，例如在重型设备的驾驶室中。替代地或另外地，用户设备180可以是由用户携带的便携式设备，诸如移动电话或密钥卡。用户设备180可以与一个或多个远程设备150接合，并且向用户提供关于一个或多个履带销110以及相应的履带销传感器200的状况信息或运行情况信息。以这种方式，可以向用户通知关于履带链10的履带销110的潜在失效或异常运行情况。基于该信息，用户可以在可能的失效之前采取主动步骤来更换一个或多个履带销110。换句话说，通过布置在履带链10的履带区段12之间的连接处的多个履带销110和相应的履带销传感器200，以及向用户通知运行情况的能力，根据一个实施方案的通信系统100可以有助于主动维护。

I.履带销传感器

结合图8和图9的所示的实施方案示出并描述了根据本公开的一个实施方案的履带销传感器200。履带销传感器200可以适于装配在履带销110的空隙112内，并且可以由热电发电器202自供电。履带销传感器200还可包括天线204和传感器电路206。传感器电路206可以包括被配置成与热电发电器202和天线204接合的一个或多个部件，使得传感器电路206能够从热电发电器202接收电力并且经由天线204无线地传送信息。在一个实施方案中，传感器电路206可以包括电源210、通信接口214(例如低功耗蓝牙(BLTE)收发器)、微处理器212、传感器输入216和非易失性存储器218。应当理解，这些部件中的一个或多个可以集成到单个部件中，诸如被配置成包括BLTE收发器、传感器输入和非易失性存储器的控制器或微处理器。

在一个实施方案中，所述履带销传感器200可以与橡胶塞234集成，所述橡胶塞至少部分地密封履带销110的空隙112以基本上防止油从空隙112或油箱泄漏。橡胶塞234可以适于在油塞孔236中接收油塞，所述油塞孔可以被配置成与油塞一起操作以增加橡胶塞234抵靠履带销110的内表面118的密封压力，以助于实质上防止漏油。

天线204可以至少部分地延伸穿过橡胶塞234，以通过将天线的一部分定位在空隙112外部或更靠近履带销110的外部来有助于无线通信。在所示实施方案中，天线204至少部分地被橡胶塞234包围，并延伸穿过其以与环境空气接合。该构型可以有助于无线通信在较低能量水平下的有效传输。

履带销传感器200可包括热端导体230和冷端导体232，其可与热电发电器202热连接以提供跨越热电发电器202的热端表面240和冷端表面242的温差。这些导体230、232可以是铜并且包覆模制到橡胶塞234中。

热端导体230可以热耦合到履带销110限定空隙112的内表面118。该内表面118可以在使用中被加热，这至少部分是由于履带销110与提供了车辆履带链10的链节12之间的连接的其他部件(诸如衬套14)之间的摩擦。热端导体230和内表面118之间的热耦合可以经由直接接触来实现，诸如通过利用类似弹簧的连接来保持与内表面118的热耦合。

冷端导体232可以至少部分地布置在空隙112内并且热耦合到热电发电器202的冷端表面242。冷端导体232可以布置在与热端导体230不同的较低温度处，并且可以经由绝缘体250防止与履带销110的内表面118或其中的油直接热耦合而基本上热隔离。例如，冷端导体232的至少一部分可以由绝缘体250与油和内表面118热绝缘，并且冷端导体232的至少另一部分可以直接热耦合到温度低于履带销110的内表面118的温度的环境空气。通过跨越热端表面240和冷端表面242的温差，热电发电器202可以产生足以为履带销传感器200中的一个或多个部件供电的电力，或者提供存在跨越热电发电器202的温差的指示，或其组合。以这种方式，根据一个实施方案的履带销传感器200可以不完全由电池供电，在使用电池的某些情况下，电池可能太大而不能装配在空隙112内或者在使用中不能与空隙112内产生的热能量相匹配。

换句话说，热电发电器202可以适于收集能量，并且承受比传统电池或传统超级电容器或两者更多的热能。例如，空隙112内存在的热能量可足以破坏传统电池或传统超级电容器。通过利用热电发电器202，根据一个实施方案的履带销传感器200可以在极端温度下实现自供电配置。存在对于传统电池而言太大的热能量的条件可以被产生电力并且可能避免单独的电源来利用，从而减小尺寸并增强可靠性。此外，因为在某些情况下传统电池的尺寸在空隙112内使用可能是不切实际的，所以热电发电器202与大电源相比更可能可以使履带销传感器200能与较小的履带销110一起使用。

在所示实施方案中，所述履带销传感器200的传感器电路206可以经由绝缘体250以及冷端导体232的至少一部分而绝缘。在一个实施方案中，绝缘体250可以形成热电发电器202和传感器电路206的外壳的至少一部分。外壳可以是防油的，以基本上防止漏油并与油直接热耦合。绝缘体250可以包括耐油且不能很好地传导热量的保护涂层，诸如硕士邦德(Master bond)的ep21pnd或3M的Novec电子级涂层。

在一个实施方案中，如本文所述，来自热电发电器202的输出可以用作履带销110的热条件的指示器。例如，如果由履带销110周围的机械界面中一个或多个所产生的热能量足够大，使得热电发电器202具有足以从热电发电器202产生电力的温差，则热电发电器202可以同时提供指示热条件以及激活履带销传感器200的电路的功率的信号。

在一个实施方案中，这种热条件可以是履带销传感器200被激活或能够将事件或信息传送到远程设备的唯一模式。例如，电力可以使得履带销传感器200能够被供电，然后发送ID和传感器数据、温度和电压、或其组合。如本文所述的，履带销传感器200可以向远程设备重新发送信息，直至履带销传感器200从远程设备接收到确认收据。然后履带销传感器200可以在再次重新发送该信息之前等待一段时间，但是将继续直至履带销传感器200冷却，或者不存在使得能够从热电发电器202发电的热条件。多余的能量在信息传输之间累积，并且可以用于使LED闪烁透过透明的油密封销。以这种方式，闪烁的LED可以提供存在热条件的视觉指示，例如传感器脱扣。在一个实施方案中，闪烁的LED可以指示远程设备150已经验证或确认了信号传输。

在一个实施方案中，所述履带销传感器200可以响应于检测到潜在的失效模式或异常运行情况而激活持久视觉元件以改变状态。以这种方式，即使在足够的激活功率仅是暂时的并且可用于短时间段的情况下，履带销传感器200也可以指示状态改变。

如本文所述的，热电发电器202可基于热端导体230与冷端导体232之间存在的温差产生能量。这种类型的能量产生基于珀耳帖效应(Peltier effect)和塞贝克效应(Seebeck effect)背后的原理。珀耳帖效应被认为是通过向连接到半导体材料样品的两个电极之间施加电压来产生温差。这种现象可用于将热量从一种介质小规模地传递到另一种介质。塞贝克效应大致与珀耳帖效应相反：通过向半导体材料样品上施加温差来产生电压或功率。塞贝克效应和珀耳帖效应利用热能，即在许多情况下，是其他形式的能量(诸如化学能、机械能和电能)的副产品。将电能转换成热能的过程称为焦耳加热。这就是当电流流过电线时会导致电线发热的原因。传统热电发电器的实例可以从LED动力公司的表观子公司TEG Power购买。

在一个或多个实施方案中可以用作热电发电器202的另一种类型的基于热的发电器包括基于MEMS的热电发电器。基于MEMS的热电设备可以将废热转换成电并且可以用在履带销传感器200中。一种这样类型的基于MEMS的热电发电器是由橡树岭国家实验室(ORNL)开发的MEMS发电器。已经证明，ORNL MEMS发电器在将热量转换成电能方面实现了约14％的效率，其封装尺寸远小于许多传统电池的尺寸。ORNL MEMS发电器采用小型、1平方毫米大小的悬臂结构来构建一个在其核心不是热电但其基本元件每个可产生1至10毫瓦的设备。如果将1,000个这些设备堆叠在1平方英寸表面上，则可以按比例放大功率输出并且可以使用所获得的电力来驱动履带销传感器200。

应当理解，图8和图9所示实施方案中的履带销传感器200不限于由热电发电器202自供电，并且其他电源可以单独使用或与热电发电器202结合使用，包括例如电池、超级电容器、和无线电源中的一个或多个。

结合图12示出并描述了根据另一实施方案的履带销传感器，并总体标记为400。履带销传感器400大致类似于履带销传感器200，并且包括热发电器402、热端导体430、冷端导体432、电源410、传感器416、控制器412和通信收发器414，分别类似于热电发电器202、热端导体230、冷端导体232、电源210、通信收发器214、微处理器212和传感器输入216。在图12所示的实施方案中，履带销传感器400包括电力存储元件411，诸如电池或电容器。应当理解，可以不存在电力存储元件411，并且可以仅由热电发电器402提供电力。在一个实施方案中，电力存储元件411可以包括电容以提供电力或有助于电力的累积以激励履带销传感器400来传递信息。结合到电力存储元件411中的存储设备的能量容量和类型可以取决于多种因素，包括例如功率容量、总体尺寸和最大能量存储速率之间的权衡。

在所示实施方案中，热电发电器402可以用作一种温度传感器，以提供表明由热电发电器402感测到的温度的电压差。热端导体430可以热耦合到机械设备的热源或热辐射源(或潜在热源)，诸如履带销轴承、传送带系统轴承、制动系统和炉膛系统。根据本公开的一个实施方案的传感器可以与产生热量的任何类型的机械系统结合使用。其他实例包括管道系统、半挂车制动系统、炉膛系统上的风扇控制以及散热器监测和报告。在一个实施方案中，另外地或替代地，传感器可以包括一个或多个附加传感器，诸如加速度计。

在所示实施方案中，冷端导体432可以热耦合到将冷端导体432的热能传递到另一种介质的散热器，诸如环境空气、水或金属。作为实例，冷端导体432可以热耦合到天线404，所述天线又可以热耦合到环境空气。此外，在一个实施方案中，天线404可以被配置成耗散热能以及发送和接收通信。冷端导体432可以直接耦合到天线404，或者可以经由另一热介质间接耦合。

如本文所述的，热电发电器402和履带销传感器400可以被配置成使得失效点温度在热电发电器402上提供足够的差异，以给履带销传感器400供电以发送失效模式。在一个实施方案中，如果实际温度低于失效点温度阈值，则履带销传感器400可以保持休眠和未供电。以这种方式，履带销传感器402可以仅在条件超过异常温度或失效点温度阈值之后变为活动的。

在所示实施方案中，与热电发电器402通信的温度输入或热导体的位置或距离或两者可以根据应用而变化。作为实例，热电发电器402可以是细长设计，但是尺寸和长度可以根据应用而变化，包括更宽/更窄的构造或更长/更短的构造，或其组合。应当理解，不同的设计可以具有可变的温度范围，尽管主要温度范围如表1所示。此外，温度输入或热导体可以被配置成使得在热电发电器402在期望的温度范围、或最小和最大温度范围(包括表1中标识的温度)中发电，以有助于在选择的操作条件下为履带销传感器400供电，诸例如当存在异常模式或失效模式时。例如，如果温度输入或热导体被配置成低于履带销110的正常运行温度的温度范围，则履带销传感器400可能在正常条件下运行和发送信息，并且可能无法区分正常和异常模式(例如，热电发电器可以是饱和的，提供恒定的输出，或者在其峰值电压下运行)。或者，热电发电器可以在正常运行条件下运行，并提供同时指示正常和异常运行条件的传感器输出。

通过将温度输入和热导体与热电发电器402的接口配置为指示失效或异常模式，履带销传感器400可以被配置成在存在这种模式时向远程设备150上电并向远程设备150指示这种模式。作为实例，热电发电器402的温度输入的温度范围可以被选择为使得热电发电器402的电压输出在接近失效障温度阈值的温度范围内是可变的。以这种方式，履带销传感器400可以被配置成感测失效温度阈值附近的温度变化。

如结合履带道销传感器200所描述的，履带销传感器400的温度输入(诸如热端导体和冷端导体中的一个或两个)可以抵抗由于暴露于在油中存在的苛刻条件或者因与履带销110的内表面118接触而导致的劣化。热电发电器402和履带销传感器400的其他部件可以布置在绝缘外壳450内，以基本上防止由于暴露于这种苛刻条件而导致的劣化。

在一个实施方案中，所述履带销传感器400的热端导体430和冷端导体432可以是固体金属，诸如铜或铝。替代地或另外地，热端导体和冷端导体可以包括基于液体的热交换器或基于相变的系统或由其形成。在此结合图15描述根据一个实施方案的基于相变的系统。

履带销传感器400的热电发电器402可以形成履带销传感器400的主体。因此，在尺寸和功率效率与总可用功率输出之间存在权衡。通常，取决于履带销110的构造，热电发电器402可以被配置成尽可能大地装配在履带销110的空隙112内。通过这种设计考虑，可用功率输出的量可以实现可以检测失效模式的更大温度范围，并且为履带销传感器400供电更长的时间。

电源410可以包括电源管理能力，以便以有效的方式利用热电发电器402的功率输出。例如，电源410可以是能量收集电源，其基于由热电发电器402产生的电压产生稳压电源。在一个实施方案中，电源可以仅由热电发电器402供电。或者，可以通过使用单独的电源(诸如电池411)来增强电源的输出。在一个实施方案中，电源410可以仅由电池411供电，并且热电发电器402可以主要用作温度传感器。电源410可以包括电容器或其他调节电路，以调节或累积从热电发电器402接收的电力，从而驱动履带销传感器400的电路。在所示实施方案中，电源410可以被配置成提供用于为所有传感器部件供电的单个输出-但是应当理解，可以使用多个电源域，并且电源410可以根据部件额定值提供多个功率输出，例如对于某些部件为3.3V，对于其他部件为5V。电源410还可以被配置成允许以有效的方式从收发器414通信，例如根据其协议(例如，BLTE和用于有效通信的运行占空比)从收发器发送的额定功率量。

尽管主要结合利用热电发电器402作为温度传感器来描述了履带销传感器400，但是履带销传感器400可以另外地或替代地包括一个或多个传感器416，诸如专用温度传感器。在所示的实施方案中，其中专用温度传感器和热电发电器402两者用作用于确定温度的基础，履带销传感器400可以利用专用温度传感器来进一步提高由热电发电器402确定的温度的精度。应当理解，本公开不限于仅使用温度传感器，并且上述一个或多个传感器416可以结合到履带销传感器400中，并且可以包括任何类型的传感器，包括例如至少一个加速度计、环境温度传感器、热源温度传感器、控制器412的温度和电压。

在图12所示的实施方案中，控制器412和通信收发器414分开示出。但是应当理解，如本文所述的，这些部件可以集成。控制器412可以以与传感器416中的至少一个以及从热电发电器402可操作地传送的信号进行通信，以指示感测到的温度。基于该信息，控制器412可以经由通信收发器414将信息传送到远程设备150。如上所述的，根据一个实施方案的通信收发器414可以是BTLE收发器、BTLE工业收发器(例如，400MHz或900MHz)。在一个实施方案中，控制器412可以是从由电源410提供的调节轨运行的低电流微处理器。控制器412可以监测一个或多个传感器的输出，诸如一个或多个传感器416和热电发电器402的电压输出。如本文所述的，天线404可以可选地布线到外部环境空气或绝缘外壳450外部。

从本文对热电发电器402的主要操作的描述中应该显而易见的是，来自热电发电器402的能量输出主要取决于温度输入之间的温差的存在。如图8所示实施方案中所描绘并结合图12所示实施方案所描述的，履带销传感器200、400的冷端导体和电路可与油和履带销110的特征件绝缘。在一段时间内相对于热端导体和冷端导体的温度升高可产生能量。随着时间的推移并且尽管存在绝缘体，但在一些实施方案中，可以在热端导体和冷端导体之间达到实质温度平衡，从而减少可用功率的量。履带销传感器200、400可以被配置成在存在温差的时间内将信息传送到远程设备150，并且存在足够的能量来为传感器供电。

在一个实施方案中，热电发电器202、热端导体230和冷端导体232可以被配置成通过基本上防止冷端与热端热能平衡来延长温度差时长。延长温度差并延长功率的时长的因素可包括：冷端散热器的绝缘以及允许该热量被有效地移除。例如，冷端导体和热端导体之间的温度平衡可以通过布置或配置冷端导体以将能量热传导到散热器(诸如有助于热量向环境空气的对流转移的铜板)而被基本上避免。作为另一个实例，热端导体230和冷端导体232的物理构造可以适于在一段时间内有效地提供温度差。在图14所示的实施方案中可见一个这样的实例，其示出了可用于从电子部件(例如传感器电路206或发电器242的冷端)移除热量的热管。这种热管可以允许有效地去除热量(例如从冷端导体)，以基本上保持足以通过热电发电器202发电的温度差。热管可用于通过影响跨越热电发电器的相差温度来增加温差和功率。另外地或替代地，可以使用机械散热器或用于对流散热的通风表面来促进热量的转移。作为另一个实例，热端导体230或冷端导体232或两者可以由促进延迟温度平衡的相变材料形成。这种相变材料可以吸收能量直至材料改变相位。相变可以延长温差时间，并且能够在时间上有足够的功率以从履带销传感器发送通信，包括例如错误信号和情况报告。这种相变材料的运行特性在图15所示的实施方案中示出。换句话说，相变材料可用于在平衡期间延长冷端温度直至材料改变相位。这种效应可以延长到达平衡的时间量并允许更多时间来传递信息。

通过利用用于热电发电的温差，履带销传感器202、402可以避免使用如果使用则在存在异常情况或失效模式之前可能耗尽的电池。根据一个实施方案系统的履带销传感器202、402可以在每次存在温差时发送错误，并且可以跟踪使用寿命末期的温度变化。

根据一个实施方案的热电发电器的实例功率输出特性在图11所示的实施方案中示出。所示实施方案中的热电发电器是一平方英寸的设备，其被配置成提供足够的电力来为与图8和12所示出的实施方案中的通信收发器214、414相类似的小型收发器供电。

结合图10示出并描述了根据另一实施方案的履带销，并总体标记为300。履带销传感器300总体类似于履带销传感器200，但有几个例外。例如，履带销传感器300可以包括传感器电路306、电源310和天线304，在许多方面但不是所有方面类似于传感器电路206、电源210和天线204。应当理解，结合履带销传感器300描述的一个或多个特征或功能可以包括在履带销传感器200或履带销传感器400中，并且相反地，结合履带销传感器200、400描述的一个或多个特征或功能可以包括在履带销传感器300中。此外，可以不存在结合履带销传感器的任何实施方案描述的一个或多个特征或功能。

图10所示实施方案中的履带销传感器300可包括热电偶302，所述热电偶被配置成布置在存在油的空隙112内并测量油的温度。热电偶302可以以类似于热电发电器的方式(例如，热电效应)操作，以提供指示温度的信号。这种热电偶的一个实例是K型热电偶。在所示实施方案中，热电偶302可专用于测量温度并与油直接接触。可以另外使用热敏电阻或热电偶或两者来确认运行温度。

根据一个实施方案的温度差和运行温度范围的实例列于下表1中。

销温度范围-在车辆运行期间-未失效：

●最小-50F

●最大180F

销温度范围-在车辆运行期间-失效模式：

●最小190F-最大环境+10F防护带(例如，10F滞

后、10F误差范围或10F基线)

●Delta-T或T的变化可用作检测早期失效的基础，

包括例如在一段时间内变化大于10F

●最大275F-完全失效

销Delta-T-在车辆运行期间-未失效：

●偏离环境～10F

表1示例性温度范围和差

根据一个实施方案的温度差和运行温度范围的另一个实例描绘于图17所示的实施方案中。在所示实施方案中，示出了磨损失效和失效事件序列，包括Delta-T随时间的多次测量。如磨损失效序列所示，前九次测量的温度差或Delta-T保持在10F左右，然后逐渐开始上升。在Delta-T超出38F但仍然小于59F之后，系统100可以确定存在失效警告情况，并向用户提供该情况的指示。在Delta-T到达并通过59F之后，系统100可以确定存在磨损失效状态，并向用户提供磨损失效状态的指示。应当理解，磨损失效序列和失效事件序列中的阈值温度可以根据应用而变化。

如所示实施方案中的失效事件序列中所示，履带销110可以经历比在磨损失效序列中更快速的Delta-T增加。这种快速增加可能表示更突然的失效事件，而不是由于磨损导致的逐渐失效。可以看出，失效事件序列表示在一个测量时间范围的跨度内温度从10F快速升高到48F。这种快速增加加上温度高于48但低于78F可能表示早期失效，而78F或高于78F的温度可能被认为是晚期失效。出于公开的目的，将磨损时间标识符或时间段描绘为顺序编号-应当理解，每次测量之间的时间量可以根据应用而变化，并且在运行期间可以是静态的或可变的。此外，应当理解，磨损失效和失效事件的模式可以根据应用而变化。例如，取决于应用，可以定制与失效事件相关联的快速增加模式以与更渐近的温度增加或更快速的增加相关联。同样地，磨损失效模式可以适于识别特定应用中的磨损。

在图10所示的实施方案中，所述履带销传感器300可以被配置成与传统的履带销110的传统橡胶塞120一起操作。履带销传感器300可以构型成在物理上类似于装配在传统橡胶塞内的油塞，但具有若干结构和操作差异。例如，履带销传感器300可包括肩罩304，肩罩304可比传统的油塞从橡胶塞120的外表面延伸得更远。另一方面，履带销传感器300可以类似于传统的油塞，其中履带销传感器300被配置成装配在传统橡胶塞120的油塞孔内并增强橡胶塞120和履带销110之间的密封。以这种方式，履带销传感器300可用于改装现有的履带销110和油塞构型。在所示实施方案中，所述履带销传感器300可以包括作为电源的电池310，但是应当理解，电源可以不同地配置，并且例如履带销传感器300可以根据本文描述的任何实施方案自供电。

履带销传感器300可以向远程设备150传送信息，类似于本文结合履带销传感器200所描述的通信方法。

II.远程设备(例如轮毂传感器)

根据本公开的一个实施方案的远程设备在图7中示出并且总体标记为150。远程设备可以是位于重型设备上的可配置监测设备。在一个实施方案中，远程设备可以是重型交互式(“HDi”)监测器，例如Steketee等人于2016年1月15日提交的、名称为FLEET,EQUIPMENTAND MAINTENANCE INFORMATION MANAGEMENT SYSTEM的国际专利申请号PCT/US2016/013667中所描述的HDi监测器，其全部内容通过引用结合于此。术语HDi监测器、可配置监测器和远程设备可以互换使用。HDi监测器150的一个实施方案在图7中示出。HDi监测器150的该实施方案包括自供电加速度、位置、驾驶员ID、车辆状况和磨损监测器。HDi监测器的其他实施方案可以具有不同的、附加的或更少的功能。HDi监测器可以包括被配置成与一个或多个履带销传感器200通信的通信收发器152，诸如低功耗蓝牙(BTLE)收发器。在一个实施方案中，基于从与多个履带销传感器200通信而获得的接收信号强度指示器(RSSI)，HDi监测器150可以大体知道哪些履带销传感器200相对于其他履带销传感器更接近于HDi监测器150。

根据一个实施方案的HDi系统(或仅HDi)可以包括通信系统100，并且可以涉及一套低成本的传感器以将客户与他们的机器、作业工具和部件连接起来。也就是说，HDi系统可以包括机器/车辆、作业工具、部件和多个HDi监测器150，其可以以各种不同的方式配置并且可以包括各种不同的部件。HDi监测器150可以是安装的附加设备，用于改造已经运行了数年的重型设备。另外地或替代地，HDi监测器可以结合到车辆和计算机系统中或与车辆和计算机系统集成。这种类型的集成可以使HDI监测器150能够利用车辆信息，例如压力、控制状况、发动机传感器和诊断，来增强当前性能和磨损诊断。

在图7所示的实施方案中，HDi监测器150可以包括以下中的一个或多个：用于识别模式和活动的微处理器监测系统和信号处理系统、耦合到RFID Tx/Rx线圈的RFID接口、GPS系统、蜂窝通信系统、无线充电器、电池和电源、充电电路、带陀螺仪的3轴加速度计、车辆总线接口、超声波换能器、以及使用WiFi、低功耗蓝牙和802.15.4协议进行通信的电路。具体地，如果需要更长距离的通信，则可以包括低功率BTLE收发器152和可能更长距离的收发器，用于与用户设备180通信。

在所示实施方案中，自供电轮毂或HDi监测器150可以基于从一个或多个履带销传感器200、300、400接收的信息将状况信息或事件(例如失效或异常运行条件)传送到用户设备180。也可以报告其他类型的信息，和/或包括例如在HDi监测器150中获得的加速度信息。如结合图3所示实施方案所描绘和描述的，多个HDi监测器150可以布置在车辆上的不同位置，包括与履带链10接合的滚轮轮毂。

HDi监测器150可以由车辆电源154直接供电，或者可以以各种方式自供电，包括例如电池或无线电力接收器。

在一个实施方案中，监测设备或HDi监测器150可以被配置成用于与包括一个或多个履带销传感器200、300、400的通信系统100进行操作或通信。使用移动设备180，用户可以有助于在代表性的图形履带图上识别每个履带销110正在何处被使用，从而关联识别码并将每个履带销传感器200的ID与物理位置相关联。同一移动设备180可以通过BTLE与远程设备150通信。可以利用销加热器测试设备来触发热电设备或传感器200，从而激活传感器200。这种类型的靶向测试和来自各个传感器20的响应可用于产生将为警报供电并在安装之前指示正确运行的温差。此外，测试和响应过程可以有助于履带链10上的每个履带销传感器的进入和物理位置识别。还可以通过移动设备180并设置应用来验证和确认传感器200的正确运行。

III.操作方法

根据一个实施方案的履带销传感器的操作方法在图13中示出并且总体标记为1000。所述方法可以在本文描述的履带销传感器(包括上述的履带销传感器200、300、400)中的一个或多个上实现。所述方法总体包括操作循环，其步骤在电源的电力可用(例如，电力可从热电发电器获得)的同时开始。操作循环可以从稳定状态开始并返回到稳定状态，在该稳定状态下没有错误或失效模式被检测到或者没有可用的电力来运行。步骤1002。应当理解，履带销传感器200、300、400中的一个或多个可以被配置成在正常运行期间或在没有失效模式时被供电，并且在这种正常运行期间，履带销传感器200、300、400可以保持在稳态模式。

如果检测到错误或失效模式，例如销、轴承、变速器或发动机的温度超过阈值，则如本文所述，失效障模式本身可在热电发电器中产生能量。步骤1004。该能量可以为设备供电，或者可以累积直至已经存储了足够的能量来为设备供电并且无线地传送信息。步骤1008、1010。通过可用来传送信息并为传感器供电的足够能量，传感器的控制器可以从存储器中检索与误差累加器相关的值或标志，增加该值，并将所述增加的值存储在存储器中。步骤1012、1014。另外地或替代地，传感器读数或状况信息或两者也可以存储在存储器中。使用非易失性存储器使传感器能够跟踪错误或失效模式事件，即使在电力不足以保持传感器激活的情况下也是如此。例如，如果传感器正在经历波动读数，诸如检测到失效模式然后未检测到故障模式，并且传感器因此变为被供电和未被供电，则传感器可以跟踪失效模式事件的累积以向远程设备150传送该信息。

传感器可以无线地传送与失效模式有关的信息，包括例如关于传感器的识别信息(例如，识别经历失效模式的特定履带销)、传感器值、警报级别、温度、电压和累加器值或标识、或其组合。步骤1016。传感器可以等待一段时间以接收发送确认。步骤1018。如果在等待时段内没有接收到确认收据，则传感器可以重复累积功率以及发送与失效模式有关的信息的循环。步骤1018、1006。如果接收到确认收据，则类似于步骤1014，传感器可以将一个或多个值或传感器读数存储在存储器中，并且如果不再存在失效模式则返回稳定状态。步骤1022、1002。如果失效模式仍然存在，则传感器可以重复该循环并发送关于失效模式的进一步信息。步骤1022、1004。

应当注意，根据一个实施方案的系统产生的热电功率可以用于其他传感器和测量系统。另一传感器系统的实例包括检测销之间的范围或距离。例如，超宽带(UWB)无线电收发器可以结合到履带销传感器中，或者布置在履带销上或附近，以测量履带销110之间的距离或者距离一个或多个履带销110到远程设备150的距离，或其组合。这种UWB收发器的实例由DecaWave以部件名称DWM1000销售，并且能够实时定位对象，同时还能够实现如本文所述的信息通信。可以跟踪所测量的一个或多个距离，并且可选地在时间上被平均。销110之间的跟踪距离或从销到远程设备150的跟踪距离或两者可以用作用于确定随时间的磨损的基础。另一示例性传感器系统可包括一个或多个加速度计，其被布置为感测一个或多个轴上的加速度。来自加速度计的数据可以指示并用作确定异常运行何时开始发展或何时存在异常运行或两者的基础。

在本公开的一个实施方案中，对履带销传感器200、300、400使用绝缘和环境涂层可以有助于温差存在一段时间。该时间可足够长到提供电力以报告错误情况或失效模式，并确认从轮毂或远程设备150接收该信息。图13所示的实施方案描绘了一个或多个步骤，这些步骤聚焦于逻辑序列以确认和记录关于特定传感器和传感器ID发生错误或失效模式的次数。根据图13的方法还可以包括随时间记录温度水平和电压传感器信号，以允许确定情况是否随时间变得更差。这种类型的跟踪可以允许轮毂或远程设备150将数据共享到云设备或用户设备180以用于进一步的分析和解析。然后可以分析由履带销传感器获得的阈值、限制和传感器信息，以生成额外的操作配置文件，包括有助于识别预失效、中间失效和突然失效的新阈值。

方向术语，诸如“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“内部”、“向内”、“外部”和“向外”，用于基于图示中所示的实施方案的取向来协助描述本发明。方向术语的使用不应解释为将本发明限制于任何一个或多个特定取向。

以上描述是本发明的当前实施方案的描述。在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和更广泛的方面的情况下，可以进行各种改变和变化，所附权利要求将根据包括等同原则的专利法原则来解释。本公开是出于说明性目的而给出的，并且不应被解释为对本发明的所有实施方案的详尽描述或将权利要求的范围限制为结合这些实施方案示出或描述的特定元件。例如但不限于，所描述的发明的任何单个元件可以由提供基本相似的功能或以其他方式提供充分操作的替代元件代替。这包括，例如，目前已知的替代元件，诸如本领域技术人员当前可能知道的那些元件，以及可能在将来开发的替代元件，诸如本领域技术人员在开发时可能承认作为替代的元件。此外，所公开的实施方案包括一致描述并且可以协作地提供一系列益处的多个特征。除了在所公开的权利要求中另外明确阐述的程度之外，本发明不仅限于包括所有这些特征或提供所有所述益处的那些实施方案。以单数形式对权利要求元素的任何引用，例如使用冠词“一个”、“一种”、“该”或“所述”，不应被解释为将所述元素限制为单数。对权利要求元素的任何引用“X、Y和Z中的至少一个”意味着分别包括X、Y或Z中的任何一个，以及X、Y和Z的任何组合，例如X、Y、Z；X、Y；X、Z；和Y、Z。

Claims (23)

1.一种用于监测重型设备的履带链的运行状况的通信系统，所述通信系统包括：

履带销，其被配置成有助于所述履带链的履带区段之间的互连，其中所述履带销包括内部空隙；

履带销传感器，其至少部分地布置在所述履带销的所述内部空隙内，所述履带销传感器包括：

温度感测元件，其被配置成提供指示所述履带销的温度特性的输出；

无线发射器，其被配置成将信息传送到远程设备，所述信息指示所述履带销的运行状态；以及

控制器，其可操作地耦合到所述温度感测元件和所述无线发射器，所述控制器被配置成基于所述温度感测元件的所述输出来确定所述信息。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其中所述温度感测元件是热电发电器，所述热电发电器被配置成向所述无线发射器和所述控制器供电以助于所述信息的传送，并且其中所述热电发生器的电压输出指示所述履带销的温度特性。

3.根据权利要求2所述的通信系统，其中所述履带销传感器保持休眠状态直至出现失效情况。

4.根据权利要求3所述的通信系统，其中所述失效情况包括热量产生，并且其中所述热电发电器被配置成基于所述热量产生来为所述无线发射器和所述控制器提供电力。

5.根据权利要求1所述的通信系统，其中所述远程设备布置在重型车辆履带驱动系统的一个或多个下辊的旋转轮毂上或其附近，并且其中所述履带销传感器被配置成与所述远程设备无线通信。

6.根据权利要求1所述的通信系统，还包括用户设备，其被配置成与所述履带销传感器和所述远程设备中的至少一者通信，所述用户设备被配置成监测所述履带销传感器的状况。

7.根据权利要求6所述的通信系统，其中所述用户设备被配置成辅助初始化多个相应履带区段的多个履带销传感器的设置，其中所述用户设备被配置成映射所述履带链上的所述多个履带销传感器的物理位置。

8.根据权利要求7所述的通信系统，其中履带销传感器中的每个被配置成响应于与测试探头的接触而激活以经由所述通信系统进行通信，并且其中所述用户设备允许基于由所述测试探头激活履带销传感器来识别所述物理位置。

9.根据权利要求1所述的通信系统，其中由所述履带销传感器传送的所述信息包括所述履带销传感器的识别码、一个或多个警报级别、温度、电压和运行事件累加器值中的至少一个。

10.一种用于监测重型设备的履带链的履带销的运行状况的履带销传感器，所述履带销传感器包括：

温度感测元件，其被配置成提供指示所述履带销的温度特性的输出；

无线发射器，其被配置成将信息传送到远程设备，所述信息指示所述履带销的运行状态；以及

控制器，其可操作地耦合到所述温度感测元件和所述无线发射器，所述控制器被配置成基于所述温度感测元件的所述输出来确定所述信息。

11.根据权利要求10所述的履带销传感器，其中所述温度感测元件是热电发电器，所述热电发电器被配置成向所述无线发射器和所述控制器供电以助于所述信息的传送，并且其中所述热电发生器的电压输出指示所述履带销的温度特性。

12.根据权利要求11所述的履带销传感器，其中所述履带销传感器保持休眠状态直至出现失效情况。

13.根据权利要求12所述的履带销传感器，其中所述失效情况包括热量产生，并且其中所述热电发电器被配置成基于所述热量产生来为所述无线发射器和所述控制器提供电力。

14.根据权利要求10所述的履带销传感器，其中所述远程设备布置在重型车辆履带驱动系统的一个或多个下辊的旋转轮毂上或其附近，并且其中所述履带销传感器被配置成与所述远程设备无线通信。

15.根据权利要求10所述的履带销传感器，其中所述履带销传感器被配置成与用户设备通信以将状况信息发送到所述用户设备。

16.根据权利要求15所述的履带销传感器，其中所述履带销传感器被配置成响应于与测试探头的接触而激活以经由所述通信系统进行通信。

17.根据权利要求10所述的履带销传感器，其中由所述履带销传感器传送的所述信息包括所述履带销传感器的识别码、一个或多个值、一个或多个警报级别、温度、电压和运行事件累加器值中的至少一个。

18.一种检测关于重型设备的履带链的履带销的状况信息的方法，所述方法包括：

在所述履带销的空隙中设置履带销传感器；

用所述履带销传感器感测所述履带销的温度特性；

基于所述温度特性来确定状况信息；以及

将所述状况信息无线传送到远程设备。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：基于通过所述履带销响应于其失效情况而获得的热能来以热电方式发电；以及利用所述以热电方式所发的电为传感器电路和无线通信电路供电，由此，在没有足以提供热量以产生热电功率的失效情况下，所述传感器电路和所述无线通信保持休眠状态。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述状况信息指示所述履带销的异常运行情况。

21.一种检测关于产生热能的机械系统的状况信息的方法，所述方法包括：

基于所述热能来产生电能；

向控制单元提供所述电能；

利用所述控制单元基于所述电能的电压来感测所述机械系统的温度特性；

基于所述温度特性来确定所述机械系统的状况信息；以及

将所述状况信息无线传送到远程设备。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：基于通过所述机械系统响应于其失效情况而获得的热能来以热电方式发电；以及利用所述以热电方式所发的电为传感器电路和无线通信电路供电，由此，在没有足以提供热量以产生热电功率的失效情况下，所述传感器电路和所述无线通信保持休眠状态。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述状况信息指示所述机械系统的异常运行情况。