CN115264054B - 一种监测变速箱是否异常的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种监测变速箱是否异常的方法和系统。方法包括：S1、获取变速箱中的油压；S2、判断油压差值是否大于或等于预设的第一阈值，如果是，则执行S3；S3、将大于或等于第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取变速箱在第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度；S4、判断加速度差值的绝对值是否大于或等于预设的第二阈值，如果是，则执行S5；S5、计算第二时刻和第一时刻之间的时间差值，并判断时间差值是否大于或等于预设的第三阈值，如果是，则执行S7；如果否，则执行S6；S6、判定变速箱正常；S7、判定变速箱异常。本方案降低了成本；简化了数据处理的复杂程度，提高了数据处理的效率和准确性。

Description

一种监测变速箱是否异常的方法和系统

技术领域

本发明涉及变速箱技术领域，特别涉及一种监测变速箱是否异常的方法和系统。

背景技术

在机械设备或者旋转设备的故障诊断、状态监测等方案中普遍需要使用高频的振动加速度信号来进行故障的分析处理。目前采集高频的振动加速信号需要安装压电式加速度传感器，同时还要配套相应的数据采集系统实现数据的采集和分析。

高空作业平台等机械设备均配置有变速箱，变速箱是否异常需要被监测。目前传统的监测方法在对变速箱是否异常进行监测时，由于变速箱的齿轮数量多、分布广，需要设置多个压电式加速度传感器采集多方向不同位置的振动加速度信号，通过时域和频域的数据分析来判断变速箱的状态。

然而，目前的监测变速箱是否异常的方法需要配置较多的压电式加速度传感器，采集的数据较多，需要快速传输和处理大量数据，导致成本较高；需要通过对时域和频域的数据分析来判断变速箱的状态是否异常，并且处理的数据较多，导致监测方法的运行过程比较复杂、效率较慢。

发明内容

本发明提供了一种监测变速箱是否异常的方法和系统，以解决现有的监测变速箱是否异常的方法成本较高、运行过程比较复杂和效率较慢的技术问题。

为解决上述技术问题， 本发明提供了一种监测变速箱是否异常的方法，包括以下步骤：

S1、获取所述变速箱中的油压；

S2、分别计算相邻时刻的两个油压之间的油压差值，并判断所述油压差值是否大于或等于预设的第一阈值，如果是，则执行S3；如果否，则返回所述S1；

S3、将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度；

S4、分别计算所述预设的时间段内相邻时刻的两个加速度之间的加速度差值，并判断所述加速度差值的绝对值是否大于或等于预设的第二阈值，如果是，则执行S5；如果否，则返回所述S1；

S5、将大于或等于所述第二阈值的加速度差值的绝对值所对应的后一时刻作为第二时刻，计算所述第二时刻和所述第一时刻之间的时间差值，并判断所述时间差值是否大于或等于预设的第三阈值，如果是，则执行S7；如果否，则执行S6；

S6、判定所述变速箱正常；

S7、判定所述变速箱异常。

可选的，所述S1具体包括以下步骤：获取所述变速箱的挡位进油口位置的油压。

可选的，所述S3具体包括以下步骤：将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱的轴向位置在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度。

可选的，所述S7之后还包括以下步骤：

S8、驱动预设的报警单元发出报警信号。

可选的，所述S7之后还包括以下步骤：

S9、对所述油压和所述加速度进行降采样，将降采样后的油压和加速度发送给预设的前端。

可选的，所述S7之后还包括以下步骤：

S10、将所述油压和所述加速度存储在预设的本地存储器中；

S11、将所述本地存储器中的所述油压和所述加速度上传至预设的服务器中。

本发明还提供了一种监测变速箱是否异常的系统，包括主控模块，所述主控模块用于执行以下步骤：

S1、获取所述变速箱中的油压；

S2、分别计算相邻时刻的两个油压之间的油压差值，并判断所述油压差值是否大于或等于预设的第一阈值，如果是，则执行S3；如果否，则返回所述S1；

S3、将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度；

S4、分别计算所述预设的时间段内相邻时刻的两个加速度之间的加速度差值，并判断所述加速度差值的绝对值是否大于或等于预设的第二阈值，如果是，则执行S5；如果否，则返回所述S1；

S5、将大于或等于所述第二阈值的加速度差值的绝对值所对应的后一时刻作为第二时刻，计算所述第二时刻和所述第一时刻之间的时间差值，并判断所述时间差值是否大于或等于预设的第三阈值，如果是，则执行S7；如果否，则执行S6；

S6、判定所述变速箱正常；

S7、判定所述变速箱异常。

可选的，所述系统还包括数据采集模块，所述数据采集模块包括相互通信连接的压力传感器和模数转换器，所述压力传感器安装在所述变速箱的挡位进油口位置；所述主控模块与所述模数转换器通信连接；所述主控模块通过所述压力传感器和所述模数转换器获取所述变速箱的挡位进油口位置的油压。

可选的，所述数据采集模块还包括压电式加速度传感器，所述压电式加速度传感器与所述模数转换器通信连接，所述压电式加速度传感器安装在所述变速箱的外表面并且位于所述变速箱的轴向位置；所述主控模块通过所述压电式加速度传感器和所述模数转换器获取所述变速箱的轴向位置的加速度。

可选的，所述系统还包括报警单元，所述报警单元与所述主控模块通信连接；所述主控模块还用于在判定所述变速箱异常之后，驱动所述报警单元发出报警信号。

本发明提供的一种监测变速箱是否异常的方法和系统，只需要配置一个压力传感器和一个压电式加速度传感器，不再需要配置多个压电式加速度传感器，降低了成本；所述方法采集的数据量和分析用的数据量明显降低，并且只需要根据时域的数据即可判断变速箱是否异常，简化了数据处理的复杂程度，提高了数据处理的效率和准确性。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种监测变速箱是否异常的方法流程图。

图2是本发明一实施例提供的一种监测变速箱是否异常的系统与变速箱之间的硬件连接示意图。

图3是本发明一实施例提供的变速箱的加速度、油压压力和时间之间的关系曲线图。

图4是本发明一实施例提供的数据流图。

[附图标记说明如下]：

变速箱-101、压电式加速度传感器-102、压力传感器-103、模数转换器-104、主控模块-105。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的一种监测变速箱是否异常的方法和系统作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等限定词是为了方便描述和引用而增加的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等限定词的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

如图1所示，本实施例提供了一种监测变速箱是否异常的方法，包括以下步骤：

S1、获取所述变速箱中的油压。

变速箱在换挡过程中的油压是变动的，可以通过压力传感器获取所述变速箱中的油压，再通过模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）将压力压力传感器检测的模拟信号转换成数字信号，ADC通过SPI接口（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）将数字信号发送给电路板，所述电路板即主控模块，所述电路板的型号可以是树莓派4B或其它类似的型号。

S2、分别计算相邻时刻的两个油压之间的油压差值，并判断所述油压差值是否大于或等于预设的第一阈值，如果是，则执行S3；如果否，则返回所述S1。

如图3所示，变速箱的油压在没有换挡前压力非常小接近0，在档把开始推动的一瞬间，油压会有波动，主控模块可以依次计算第一采样时刻的油压和第二采样时刻的油压之间的油压差值、第二采样时刻的油压和第三采样时刻的油压之间的油压差值……第n采样时刻的油压和第（n+1）采样时刻的油压之间的油压差值，并分别将所述油压差值与所述第一阈值a进行大小比较。第一阈值a可以等于5bar。

S3、将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度。

获取当采集到压力的波动值（压力的波动值即油压差值，即压力发生突变）达到第一阈值a以后记录下该时刻t1（图3中第一个虚线对应的时刻），t1即第一时刻，所述第一时刻即大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻，所述第一时刻的前一个采样时刻为大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的前一时刻。所述油压差值对应两个时刻，分别是所述第一时刻和所述第一时刻的前一时刻。从t1开始获取t1之后预设的时间段内的加速度，在获取加速度的同时可以同步获取变速箱中的油压，以便后期分析使用。所述预设的时间段可以是1秒，因为常规的变速箱在1秒内完成换挡才算正常，如果超过1秒，则表示变速箱出现异常。

S4、分别计算所述预设的时间段内相邻时刻的两个加速度之间的加速度差值，并判断所述加速度差值的绝对值是否大于或等于预设的第二阈值，如果是，则执行S5；如果否，则返回所述S1。

如图3所示，变速箱的加速度即振动幅度在没有换挡前波动的比较小，在换挡完成的一瞬间，加速度会发生突变。主控模块可以依次计算所述预设的时间段内相邻时刻的两个加速度之间的加速度差值，并分别将所述加速度差值的绝对值与所述第二阈值b进行大小比较。

S5、将大于或等于所述第二阈值的加速度差值的绝对值所对应的后一时刻作为第二时刻，计算所述第二时刻和所述第一时刻之间的时间差值，并判断所述时间差值是否大于或等于预设的第三阈值，如果是，则执行S7；如果否，则执行S6。

当在所述预设的时间段内采集到的加速度的波动值（加速度的波动值即加速度差值）的绝对值达到第二阈值b时，记录下第二阈值b对应的第二时刻t2图3中第二个虚线对应的时刻）。实际换挡时间tw = t2-t1。所述第三阈值可以是0.7秒左右，根据变速箱型号的不同可以调整所述第三阈值的大小。

S6、判定所述变速箱正常。

如果换挡时间tw小于所述第三阈值，表示所述变速箱的换挡时间在正常范围内，所述变速箱的状态正常。

S7、判定所述变速箱异常。

如果换挡时间tw大于或等于所述第三阈值，表示所述变速箱的换挡时间超出了正常范围，所述变速箱的状态异常。

本实施例提供的一种监测变速箱是否异常的方法，只需要配置一个压力传感器和一个压电式加速度传感器，不再需要配置多个压电式加速度传感器，降低了成本；所述方法采集的数据量和分析用的数据量明显降低，并且只需要根据时域的数据即可判断变速箱是否异常，简化了数据处理的复杂程度，提高了数据处理的效率和准确性。

可选的，所述S1具体包括以下步骤：获取所述变速箱的挡位进油口位置的油压。可以在所述变速箱的挡位进油口位置安装一个压力传感器用于监测所述变速箱的挡位进油口位置的油压，这样方便安装所述压力传感器。所述挡位进油口包括前进档进油口和后退档进油口，在实际使用的时候可以任意选一个都可以。在其它实施例中，所述压力传感器也可以安装在所述变速箱内的其它位置，从而获取其它位置的压力。

可选的，所述S3具体包括以下步骤：将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱的轴向位置在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度。所述变速箱的轴向位置靠近所述变速箱的中间位置，能够准确地反映所述变速箱的振动情况，并且方便在所述变速箱的轴向的外壳上安装压电式加速度传感器。在其它实施例中，所述压电式加速度传感器也可以安装在所述变速箱的外壳的其它位置，或者车身的车头或车尾等位置。

可选的，所述S7之后还包括以下步骤：S8、驱动预设的报警单元发出报警信号。所述报警单元可以是安装在驾驶舱内的报警灯或蜂鸣器，主控模块驱动所述报警单元发出报警信号，可以及时提醒操作人员变速箱异常。

可选的，所述S7之后还包括以下步骤：S9、对所述油压和所述加速度进行降采样，将降采样后的油压和加速度发送给预设的前端。降采样的方式可以使用均匀分布的方式，例如剔除索引除以3以后余数为0 的那行，保留原始数据三分之二的数据。利用降采样降低数据回传的数量，同时保证数据趋势展示尽可能完整，快速实现前端界面的数据展示，减少前端数据存储的压力。

可选的，所述S7之后还包括以下步骤：S10、将所述油压和所述加速度存储在预设的本地存储器中；S11、将所述本地存储器中的所述油压和所述加速度上传至预设的服务器中。先将数据存储在本地的存储器中，再利用空闲时间上传至服务器，可以减小数据传输的压力。所述S1-所述S11的顺序不是必须按照数字的顺序执行，有些步骤可以同时执行，或者有些步骤的先后顺序可以调整，例如，所述S8和所述S9同时执行，或者所述S9在所述S8之后执行，所述S10和所述S11可以在所述S1之后执行。

基于与上述一种监测变速箱是否异常的方法相同的技术构思，本实施例还提供了一种监测变速箱是否异常的系统，包括主控模块，所述主控模块用于执行以下步骤：

S1、获取所述变速箱中的油压；

S2、分别计算相邻时刻的两个油压之间的油压差值，并判断所述油压差值是否大于或等于预设的第一阈值，如果是，则执行S3；如果否，则返回所述S1；

S3、将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度；

S4、分别计算所述预设的时间段内相邻时刻的两个加速度之间的加速度差值，并判断所述加速度差值的绝对值是否大于或等于预设的第二阈值，如果是，则执行S5；如果否，则返回所述S1；

S5、将大于或等于所述第二阈值的加速度差值的绝对值所对应的后一时刻作为第二时刻，计算所述第二时刻和所述第一时刻之间的时间差值，并判断所述时间差值是否大于或等于预设的第三阈值，如果是，则执行S7；如果否，则执行S6；

S6、判定所述变速箱正常；

S7、判定所述变速箱异常。

本实施例提供的一种监测变速箱是否异常的系统，只需要配置一个压力传感器和一个压电式加速度传感器，不再需要配置多个压电式加速度传感器，降低了成本；所述方法采集的数据量和分析用的数据量明显降低，并且只需要根据时域的数据即可判断变速箱是否异常，简化了数据处理的复杂程度，提高了数据处理的效率和准确性。

可选的，如图2所示，所述系统具体包括压电式加速度传感器102、压力传感器103、模数转换器104、主控模块105；压电式加速度传感器102用于采集变速箱101的振动加速度；压力传感器103用于采集变速箱101内的油压压力；压电式加速度传感器102、模数转换器104、主控模块105顺次通信连接；压力传感器103与模数转换器104通信连接。压电式加速度传感器102可以称为振动传感器，电式加速度传感器102可以将加速度信号转换为电压信号；压力传感器103需要选用适合量程的油压传感器即可；模数转换器104可以称为ADC（Analog-to-Digital Converter）采集卡，ADC采集卡可以选用型号为AD7175-2的ADC采集卡，这是一款低噪声、快速建立、多路复用、2/4通道 (全差分/伪差分)Σ-Δ型模数转换器，适合低带宽输入，对于完全建立的数据，其最大通道扫描速率为50 kSPS (20 µs)，输出数据速率范围为5 SPS至250 kSPS；使用ADC的SPI接口（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）可以实现数据的传输，SPI数据传输速度快能够满足加速度的采样率。整体数据采集硬件设备连接比较简便，树莓派电路板使用比较灵活，采购方便，随车辆安装方便，只要5V的电源即可，可以通过USB供电。

借助ADC和主控模块的SPI接口的高效传输效率能最大能实现10M/s的采样速率；可以使用redis数据存储数据，redis数据存储速度是81000次/s；因此在采样率低于81k的情况下可以满足数据快速存储的需求；而且在很多旋转设备或者工程机械领域常用的采样率低于20k，因此，利用redis数据存的高效存储速度是能满足正常的压电式加速度传感器的数据需求的；可以利用redis实现数据提取，数据提取的数据可以达到110000次/s，同时可以将提取后的数据在数据库中删除，释放内存，增加的利用效率；根据ADC采样的通道标志位实现，由于ADC多路复用，数据采集是交替进行的，因此只要根据先进先出的机制提取数据即可；当一个主控模块连接多个压电式加速度传感器时，在多路加速度振动数据采集的时候也能够保证时序的一致性；为了避免数据远程传输的丢失，可以先将数据进行本地存储，然后再通过有线或无线把数据发送给服务器。

如图4所示，所述系统的数据主要分为两个路径进行传输，一个路径为：301-302-303-304-305-306。另一个路径为：301-302-303-304-307-308。301中的硬件数据采集是指传感器对数据的采集；302中的SPI数据传输可以基于python的spidev库来读取；303中和304中的redis数据存储和数据提取可以参考上段所述的步骤；将数据采集和数据存储分为两个进程，利用多进程实现数据的同步采集和存储，可以避免数据堵塞；305中的换挡时间计算的逻辑参见图1和图3所示；306使用的是降采样后的数据，实现数据与前端页面的上传交互；307对应的数据存储是将提取后的数据直接落盘到本地；308是可以利用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）协议把数据回传到数据服务器。

可选的，所述系统还包括数据采集模块，所述数据采集模块包括相互通信连接的压力传感器和模数转换器，所述压力传感器安装在所述变速箱的挡位进油口位置；所述主控模块与所述模数转换器通信连接；所述主控模块通过所述压力传感器和所述模数转换器获取所述变速箱的挡位进油口位置的油压。可以在所述变速箱的挡位进油口位置安装一个压力传感器用于监测所述变速箱的挡位进油口位置的油压，这样方便安装所述压力传感器。

可选的，所述数据采集模块还包括通压电式加速度传感器，所述压电式加速度传感器与所述模数转换器通信连接，所述压电式加速度传感器安装在所述变速箱的外表面并且位于所述变速箱的轴向位置；所述主控模块通过所述压电式加速度传感器和所述模数转换器获取所述变速箱的轴向位置的加速度。所述变速箱的轴向位置靠近所述变速箱的中间位置，能够准确地反映所述变速箱的振动情况，并且方便在所述变速箱的轴向的外壳上安装压电式加速度传感器。

可选的，所述系统还包括报警单元，所述报警单元与所述主控模块通信连接；所述主控模块还用于在判定所述变速箱异常之后，驱动所述报警单元发出报警信号。所述报警单元可以是安装在驾驶舱内的报警灯或蜂鸣器，主控模块驱动所述报警单元发出报警信号，可以及时提醒操作人员变速箱异常。

综上所述，本发明提供的一种监测变速箱是否异常的方法和系统，只需要配置一个压力传感器和一个压电式加速度传感器，不再需要配置多个压电式加速度传感器，降低了成本；所述方法采集的数据量和分析用的数据量明显降低，并且只需要根据时域的数据即可判断变速箱是否异常，简化了数据处理的复杂程度，提高了数据处理的效率和准确性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种监测变速箱是否异常的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取所述变速箱中的油压；

S2、分别计算相邻时刻的两个油压之间的油压差值，并判断所述油压差值是否大于或等于预设的第一阈值，如果是，则执行S3；如果否，则返回所述S1；

S3、将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度；

S4、分别计算所述预设的时间段内相邻时刻的两个加速度之间的加速度差值，并判断所述加速度差值的绝对值是否大于或等于预设的第二阈值，如果是，则执行S5；如果否，则返回所述S1；

S5、将大于或等于所述第二阈值的加速度差值的绝对值所对应的后一时刻作为第二时刻，计算所述第二时刻和所述第一时刻之间的时间差值，并判断所述时间差值是否大于或等于预设的第三阈值，如果是，则执行S7；如果否，则执行S6；

S6、判定所述变速箱正常；

S7、判定所述变速箱异常。

2.如权利要求1所述的一种监测变速箱是否异常的方法，其特征在于，所述S1具体包括以下步骤：获取所述变速箱的挡位进油口位置的油压。

3.如权利要求1所述的一种监测变速箱是否异常的方法，其特征在于，所述S3具体包括以下步骤：将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱的轴向位置在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度。

4.如权利要求1所述的一种监测变速箱是否异常的方法，其特征在于，所述S7之后还包括以下步骤：

S8、驱动预设的报警单元发出报警信号。

5.如权利要求1所述的一种监测变速箱是否异常的方法，其特征在于，所述S7之后还包括以下步骤：

S9、对所述油压和所述加速度进行降采样，将降采样后的油压和加速度发送给预设的前端。

6.如权利要求1所述的一种监测变速箱是否异常的方法，其特征在于，所述S7之后还包括以下步骤：

S10、将所述油压和所述加速度存储在预设的本地存储器中；

S11、将所述本地存储器中的所述油压和所述加速度上传至预设的服务器中。

7.一种监测变速箱是否异常的系统，其特征在于，包括主控模块，所述主控模块用于执行以下步骤：

S1、获取所述变速箱中的油压；

S2、分别计算相邻时刻的两个油压之间的油压差值，并判断所述油压差值是否大于或等于预设的第一阈值，如果是，则执行S3；如果否，则返回所述S1；

S3、将大于或等于所述第一阈值的油压差值所对应的后一时刻作为第一时刻，获取所述变速箱在所述第一时刻之后并且在预设的时间段之内的加速度；

S4、分别计算所述预设的时间段内相邻时刻的两个加速度之间的加速度差值，并判断所述加速度差值的绝对值是否大于或等于预设的第二阈值，如果是，则执行S5；如果否，则返回所述S1；

S5、将大于或等于所述第二阈值的加速度差值的绝对值所对应的后一时刻作为第二时刻，计算所述第二时刻和所述第一时刻之间的时间差值，并判断所述时间差值是否大于或等于预设的第三阈值，如果是，则执行S7；如果否，则执行S6；

S6、判定所述变速箱正常；

S7、判定所述变速箱异常。

8.如权利要求7所述的一种监测变速箱是否异常的系统，其特征在于，所述系统还包括数据采集模块，所述数据采集模块包括相互通信连接的压力传感器和模数转换器，所述压力传感器安装在所述变速箱的挡位进油口位置；所述主控模块与所述模数转换器通信连接；所述主控模块通过所述压力传感器和所述模数转换器获取所述变速箱的挡位进油口位置的油压。

9.如权利要求8所述的一种监测变速箱是否异常的系统，其特征在于，所述数据采集模块还包括压电式加速度传感器，所述压电式加速度传感器与所述模数转换器通信连接，所述压电式加速度传感器安装在所述变速箱的外表面并且位于所述变速箱的轴向位置；所述主控模块通过所述压电式加速度传感器和所述模数转换器获取所述变速箱的轴向位置的加速度。

10.如权利要求7所述的一种监测变速箱是否异常的系统，其特征在于，所述系统还包括报警单元，所述报警单元与所述主控模块通信连接；所述主控模块还用于在判定所述变速箱异常之后，驱动所述报警单元发出报警信号。

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