能取得所安装设备温度的安装螺栓及其列车车轴

摘要

本发明涉及一种能取得所安装设备温度的安装螺栓，包括螺栓体和设置在螺栓体上的无线测温模块以及无线传输天线，所述无线测温模块中设置有温度传感器和取得所述温度传感器测量的数值、并将其转换为无线信号发送出去的无线传输及控制单元；所述无线传输及控制单元与所述温度传感器电连接或者所述温度传感器集成在所述无线传输及控制的芯片内；所述天线设置在所述螺栓头外表面，并通过线缆与所述无线测温模块的射频端口连接。本发明还涉及一种使用上述螺栓的车轴。实施本发明的能取得所安装设备温度的安装螺栓，具有以下有益效果：由于温度传感器设置在在安装螺栓的螺栓体中，其测量的温度准确，且不会受到环境温度和列车运行速度的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及紧固件，更具体地说，涉及一种能取得所安装设备温度的安装螺栓及其列车车轴。

背景技术

在许多设备或部件中,由于其快速转动，可能由于摩擦发热，使得其工作时的温度成为一个极为重要的指标。例如，铁路车辆在快速运行时，由于轴承故障、轴承异常高温会导致车辆热轴、甚至发生热切轴事故。红外线轴温探测系统是发现铁路车辆热轴，防止热切轴事故，保证铁路运输安全的重要设备。但由于列车运行的特殊环境，现有的红外轴温探测系统常因天气、设备自身缺陷等原因出现故障，导致系统的可靠性差，热轴误报率高、热轴兑现率低，运行和维护成本偏高。近年来随着RFID技术的迅猛发展，通过射频识别技术将无线传输和温度传感技术相结合的方式来实现无线测温已经实现。但是现有的带温度传感器的无源RFID电子标签只能贴在列车轴承箱或轴承端盖的外表面，只能检测到其外表面的温度，该检测温度随外部环境温度及列车行驶的速度有很大的化，不能准确地测量车辆在高速行驶时轴承和车轴的温度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述只能检测部件外部温度、由于受环境温度和移动速度的影响而不准确的缺陷，提供一种能够检测部件内部温度、不会受到环境温度和速度的影响的能取得所安装设备温度的安装螺栓及其列车车轴。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种能取得所安装设备温度的安装螺栓，包括螺栓体和设置在螺栓体上的无线测温模块以及无线传输天线，所述无线测温模块中设置有温度传感器和取得所述温度传感器测量的数值、并将其转换为无线信号发送出去的无线传输及控制单元；所述无线传输及控制单元与所述温度传感器电连接或者所述温度传感器集成在所述无线传输及控制的芯片内；所述天线设置在所述螺栓头外表面，并通过线缆与所述无线测温模块的射频端口连接。 

更进一步地，所述安装螺栓的轴向中心位置上设置有经过所述螺栓头和所述螺栓体的盲孔，所述盲孔的末端位于所述螺栓的螺杆上，所述温度传感器或所述集成温度传感器的无线传输及控制芯片设置在所述盲孔末端。

更进一步地，所述天线设置在所述螺栓头顶部外表面；还包括用于保护所述天线、覆盖在所述天线上且粘接在所述螺栓头上的塑料防护套。 

更进一步地，所述螺栓头顶部外表面设置有与所述天线外形适配的凹陷，所述天线设置在所述凹陷中。

更进一步地，所述天线是在天线基板上制作的抗金属反射的超高频微带天线；所述天线基板的顶面和底面均设置有铜箔面，其一面为所述天线的辐射面，其另一面为所述天线的反射面。 

更进一步地，所述辐射面包括第一辐射铜箔面和第二辐射铜箔面；所述第一辐射铜箔面铺满所述天线基板的辐射面且在所述天线基板边缘留有一缺口，所述第二辐射铜箔面铺设在所述缺口位置且与所述第一辐射铜箔面相互绝缘；所述反射面包括第一反射面和被所述第一反射面包围的、位于所述天线基板中心位置的孤岛；所述第二辐射面通过设置在其上的至少一个过孔与所述第一反射面连接；所述第一辐射铜箔面通过设置在所述天线基板中心位置的过孔与所述反射面的孤岛连接，所述第一辐射铜箔面还通过设置在所述天线基板边缘并且与所述第二辐射面上的过孔关于天线基板的中心对称的位置的至少一个过孔与所述第一反射面连接。

更进一步地，连接所述天线和无线传输及控制单元或集成温度传感器的无线传输及控制的芯片的线缆包括设置在PCB电路板同一面或不同面的两条铜箔线；所述铜箔线分别经过设置在所述反射面的孤岛上的焊盘和设置在所述第一反射面的焊盘与所述天线连接。

更进一步地，所述天线还包括用于调节所述天线阻抗的阻抗调节单元，所述阻抗调节单元是至少一个跨接在所述第一辐射铜箔面和第二辐射铜箔面上的电容。

更进一步地，所述盲孔中设置有用于固定所述温度传感器或集成温度传感器的无线传输及控制的芯片和线缆的封胶。

更进一步地，所述螺栓头的六角头的侧面上有至少一个用于穿过施封锁钢丝的通孔。

更进一步地，所述用于穿过施封锁钢丝的通孔偏离螺栓的中心位置，所述通孔不与所述盲孔相交且不与所述凹陷相交。

在本发明中，还涉及一种列车车轴，包括用于固定列车轴承端盖的安装螺栓，所述安装螺栓是上述任意一项所述的安装螺栓。 

实施本发明的能取得所安装设备温度的安装螺栓及其列车车轴，具有以下有益效果：由于温度传感器设置在在安装螺栓的螺栓体中，通过螺栓伸入到设备（列车车轴）内部，其测得的温度就不是车轴表面和轴承外表面的温度，而是车轴内部的温度；同时，由于天线设置在螺栓头的外表面，因此不会受到金属屏蔽，可以将其测得的温度发送出去。因此其测得的温度准确，且不会受到环境温度和列车运行速度的影响。

附图说明

图1是本发明能取得所安装设备温度的安装螺栓及其车轴实施例中的安装螺栓的结构示意图；

图2是所述实施例中分立的温度传感器和无线传输单元的电路示意图；

图3是所述实施例中另一种集成温度传感器和无线传输及控制单元的无线传输模块示意图；

图4是所述实施例安装螺栓的另一种结构；

图5A是所述实施例中未设置无线传输模块的螺栓结构的侧面示意图； 

图5B是图5A的俯视图；

图6是所述实施例中安装螺栓的另一种结构示意图；

图7是所述实施例中安装螺栓的另一种结构示意图；

图8是所述实施例中安装螺栓的另一种结构示意图；

图9A是所述实施例中未设置无线传输模块的螺栓结构的侧面示意图；

图9B是图9A的俯视图；

图10是所述实施例中天线辐射面的结构示意图；

图11是所述实施例中天线反射面的结构示意图；

图12是所述实施例中用作线缆的线路板顶面结构示意图；

图13是所述实施例中用作线缆的线路板底面结构示意图。

图14是所述实施例安装螺栓的无线测温模块的另一种实施情况；

图15是所述实施例安装螺栓的无线测温模块的又一种实施情况。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明能取得所安装设备温度的安装螺栓栓及其车轴实施例中，该安装螺栓包括螺栓体（包括外六角螺栓头1、螺杆2以及位于六角螺栓头1上的2个用于施封锁的通孔5）和设置在螺栓体上的无线测温模块6以及无线传输天线7、覆盖在上述天线7上并将其固定在螺栓头1外表面的天线防护套8，其中无线测温模块6包括温度传感器61、无线传输及控制单元62以及它们之间的电连接线缆63（请参见图2）。

如图2所示，无线测温模块6可以是用分立的温度传感器61、无线传输及控制芯片62的组合，也可以是如图3所示的集成温度传感器的无线传输及控制芯片。温度传感器61与无线传输及控制单元62电连接，无线传输及控制单元62与天线7电连接。可选择地，为了更好地使天线7与无线传输及控制单元62阻抗匹配，可以在无线传输及控制单元62与天线7之间的电连接线64上并连不少于1个电容65。

如图4所示，为了方便标签天线的固定和防护，可以在螺栓的六角头上面加工一个凹陷4（如图5A和图5B所示），该凹陷4的形状与天线7的形状相适配，便于把标签天线7放置在凹陷4内，天线防护套8覆盖在天线7上并将其固定在螺栓头1外表面。

如图6所示，为了使温度传感器与螺栓更好接触和测量螺栓的温度，把无线温度检测模块设置在天线的下面直接与螺栓接触，可以在螺栓的六角头上面加工一个凹陷4（如图5 A和图5B所示），该凹陷4的形状与天线7的形状相适配，便于把标签天线7放置在凹陷4内，天线防护套8覆盖在天线7上并将其固定在螺栓头1外表面。

如图7所示，在本发明用于列车车轴端盖的安装螺栓及其车轴实施例中，该安装螺栓包括外六角螺栓头1、螺杆2、盲孔3、无线测温模块6、天线7、连接无线测温模块6和天线7的两条馈线64以及覆盖在上述天线7上并将其固定在螺栓头1外表面的天线防护套8。此外，在盲孔3内填充的耐高温且导热性能良好的灌封胶9、六角螺栓头1外部的天线防护套8粘接在螺栓头1的顶面，并将天线7固定在其顶面上。盲孔3位于在螺栓头1和螺栓体2的轴线方向的中心位置，盲孔3较深，贯穿螺栓头1并贯穿大半个螺杆2，达到螺杆2的底部（但是，不会贯穿螺杆2）；天线7的两个输入端分别通过两条馈线64连接到无线测温模块6的两个射频端口的管脚或连接到一个射频管脚和一个GND管脚上。把馈线64和无线测温模块6放入盲孔3中，无线测温模块6应尽量伸入到盲孔3最底部，天线7留在螺栓头1的外面。往盲孔3中填充耐高温的导热灌封胶9，填充足量的灌封胶9，至少让灌封胶9包住或触及无线测温模块6。用天线防护套8把标签天线7固定在螺栓头的六角头端面上。

在本实施例中，如图8、图9A和图9B所示，为了方便天线的固定和防护，可以在螺栓的六角头上面加工一个凹陷4，该凹陷4的形状与天线7的形状相适配，便于把天线7放置在凹陷4内。

天线7是能抵抗金属反射的超高频微带天线，比螺栓头1的六角头端面略小一点。天线7的上面是天线的辐射面，天线的下面是天线的反射面。在天线反射面的中心位置有两个焊盘，其中一个焊盘连接到反射面，另一个焊盘与反射面隔离，但是该焊盘上有至少一个过孔，通过该过孔把该焊盘连接到天线的辐射面。此外，在一些情况下天线7上也可以设计有阻抗匹配电路，使天线7的阻抗与无线测温模块6的射频端口相匹配。天线7的基板材料要选要选用高频PCB板或陶瓷基材。天线7在尺寸允许的范围内可以做成各种形状，可以是圆形、方形、长方形、其它特异形状等，只要天线的尺寸、阻抗匹配、天线　增益以及无线传输距离达到要求均可。天线7平放在螺栓头1的六角头的端面上，其反射面面向螺栓，辐射面向外，便于接收和反射电磁波。通过天线防护套8把天线7固定在螺栓的六角头端面上。

在本实施例中，馈线64有多种实现方式，可以是在PCB板上的两条金属导线或微带线，或双绞线或同轴线或两条平行导线。这些线的功能相同，但阻抗不同，需要视情况在天线7上进行不同的阻抗匹配。馈线64的长度比盲孔3略短一点，要求能够使无线测温模块6能伸入到盲孔3的底部，但不要冗长。

导热灌封胶9是能承受待测物体的高温和低温、能固化且热传导性能良好的灌封胶，灌封胶的用量至少需要使盲孔3的填胶深度达到无线测温模块6的高度，灌封胶9要包裹或触及到无线测温模块6。灌封胶9固化后起导热作用和固定无线测温模块6、固定馈线64的作用。

天线防护套8采用很坚硬的塑料外壳，天线防护套8包住天线7并与螺栓头1的六角头端面粘接在一起对天线7进行固定和防护。天线防护套8是不会对超高频电磁波产生屏蔽、干扰、衰减或吸收的、能承受高低温和强紫外线、油污等恶劣环境、硬度高、抗振能力强的塑料，能与螺栓头1的六角头端面牢固地粘结起来。

在本实施例中，该螺栓是用于铁路车辆轴温检测的，因此以铁路车辆轴温检测为例进行说明。如图8所示，在本实施例中，安装螺栓是用于固定列车轴承端盖的轴端螺栓，馈线采用在长条状的PCB板641上铺铜的金属导线，这两根馈线分别布置在PCB板641的上面（左面）和下面（右面），无线测温模块6设置在PCB板641的上面靠近PCB板的一端，与馈线相连，PCB板641的另一端的上、下两面各有一个焊接点，通过这两个焊接点把PCB馈线连接到天线的两个输入端上。焊接点不仅起电连接天线7和PCB板641上的馈线的作用，还起机械连接天线7和PCB板641的作用，使这两个部件结合在一起形成一个标签部件。把上述无线测温模块6放入盲孔3后，需要在盲孔3内填充耐高温且导热性能良好的灌封胶9，为了节约成本，不必把盲孔3内填满灌封胶9，灌封胶9的用量需要使填胶的深度达到无线测温模块6的高度，灌封胶包裹或触及无线测温模块6。灌封胶9固化后起加强热传导和固定PCB馈线的作用。在图9A和图9B中，轴端安装螺栓的六角头端面有一个凹陷4，把天线7放入凹陷4中，然后再把六角头端面封上塑料防护罩8。这样把整个标签安装在螺栓内，螺栓对标签形成一个坚强的保护外壳，有利于标签的抗振、抗摔、抗碰撞、抗人为破坏，提高标签的安全性、可靠性。

在本实施例中，轴端安装螺栓的机械结构如图10所示。为了加强对天线7的防护能力，把轴端安装螺栓的六角头端面开一个凹陷4，凹陷4的直径比螺栓的六角头的内切圆略小一点，凹陷4的深度与天线7的厚度相近，可以比天线7的厚度略浅一点或略深一点，便于把天线7放入到凹陷4内；在轴端安装螺栓的轴向中心钻出盲孔3，盲孔3较深，可以达到螺杆2的底部；在轴端螺栓头1的六角头的两个侧面上各有一个用于穿过施封锁钢丝的通孔5（如图9A和图9B所示），通孔5要偏离螺栓1的中心位置，避开盲孔3，不能与盲孔3相交，并且避开轴端螺栓的六角头上面的凹陷4，不能与凹陷4相交。

在本实施例中，天线7的基板选用TRF4.1高频板，天线外形为圆形，其直径比螺栓的六角头上的凹陷4的直径略小一点。在基板的上、下两面（即基板的顶层top layer和底层 bottom layer）铺铜，下面作为反射面，上面作为辐射面。如图10所示，在标签天线的辐射面上，有一大块的圆形的铺铜，是第一辐射铜箔面71，是天线辐射主体，其直径与基板等大或比基板的直径略小一点，其右边有一凹形缺口，在缺口内另有一小块的弧形的铺铜，是第二辐射铜箔面74。在第一辐射铜箔面71的中心有一个小金属化过孔72与天线下面的一个焊盘相连，在第一辐射铜箔面71的左边有几个小金属化过孔73与天线的反射面相连。在第二辐射铜箔面74的中间有几个小金属化过孔75与天线的反射面相连，在第二辐射铜箔面74的上下两头各有一个阻抗匹配器件651、652与第一辐射铜箔面71相连。阻抗匹配器件651、652是可选器件，通常是电容，当标签的天线和PCB馈线以及芯片的射频端口的阻抗无法匹配时，就需要用它们进行标签的阻抗匹配。

如图11所示，在标签天线的反射面上，有一大块的圆形的铺铜，是第一反射面78，是天线反射主体，其直径与基板等大或比基板的直径略小一点，在其中央位置有两个长圆形的焊盘，其中一个焊盘是孤立的，其四周没有铺铜（即孤岛7A），该焊盘的中心有一个金属化过孔72连接到标签天线的第一辐射铜箔面71；另一个焊盘7B直接与第一反射面78相连。第一反射面78的左、右两边各有一些金属化过孔73、75分别与天线上面的第一辐射铜箔面71、第二辐射铜箔面74相连。天线下面的两个焊盘7A、7B分别与长条状PCB板641上的两个焊盘焊接在一起，焊接点电连接天线7的两个焊盘和PCB馈线的作用，还起机械连接天线7和PCB板641的作用，使这两个部件结合在一起形成一个标签。

如图12、13所示，标签芯片RFID标签芯片6焊接在长条状PCB板641上面（左面）的一端，上面的一条馈线642直接连接到RFID标签芯片6的一个射频端口，RFID标签芯片6的另一个射频端口连接另一条导线643，并通过距离该管脚不远的一个金属化过孔644或几个金属化过孔组合644连接到PCB板下面（右面）的导线645上，形成另一条馈线通道。在PCB板641的另一端，在PBC的上面和下面各有一个焊盘646、647，各自与两条馈线642和645相连。PCB两边的焊盘646、647分别焊接到天线的两个焊盘。PCB板641的长度比盲孔3的深度略短一点，其宽度比盲孔3的直径略小一点，使PCB板上的标签芯片能插入到盲孔3的底部。

图14是用分立的温度传感器和无线传输及控制芯片组合的无线测温模块的另一实施例，把温度传感器61设置在PCB板641的底端，而把无线传输及控制芯片62设置在PCB板641的顶端并靠近天线，温度传感器61和无线传输及控制芯片62电连接，无线传输及控制芯片62的射频端口通过连线642、645连接到天线7上。温度传感器61伸入到盲孔3的底部，需要在盲孔3内填充耐高温且导热性能良好的灌封胶9，为了节约成本，不必把盲孔3内填满灌封胶9，灌封胶9的用量需要使填胶的深度达到温度传感器61的高度，灌封胶包裹或触及温度传感器61。灌封胶9固化后起加强热传导和固定PCB板641的作用。在图14中，轴端安装螺栓的六角头端面有一个凹陷4，把天线7放入凹陷4中，然后再把六角头端面封上塑料防护罩8。

图15是用分立的温度传感器和无线传输及控制芯片组合的无线测温模块的又一实施例，把温度传感器61设置在PCB板641的底端，而把无线传输及控制芯片62设置在天线7上，温度传感器61和无线传输及控制芯片62电连接，无线传输及控制芯片直接连接到天线7上。温度传感器61伸入到盲孔3的底部，需要在盲孔3内填充耐高温且导热性能良好的灌封胶9，为了节约成本，不必把盲孔3内填满灌封胶9，灌封胶9的用量需要使填胶的深度达到温度传感器61的高度，灌封胶包裹或触及温度传感器61。灌封胶9固化后起加强热传导和固定PCB板641的作用。在图14中，轴端安装螺栓的六角头端面有一个凹陷4，把天线7放入凹陷4中，然后再把六角头端面封上塑料防护罩8。

在图14和图15的实施例中，把分立的温度传感器和无线传输及控制芯片分开，使温度传感器设置在需在检测温度的位置，而把无线传输及控制芯片设置在天线上或靠近天线，可以避免因为无线传输及控制芯片与天线之间的电连接线缆过长而导致无线传输的损耗和干扰过大，传输距离缩短。

由于在螺栓上钻盲孔3并在螺栓的六角头部位加工凹陷4，降低了螺栓的机械强度。为了使螺栓的机械性能满足《TBT1479-1991 铁道车辆车轴轴端螺栓》标准的要求，需要提高螺栓材料的强度等级。在本实施例中，原来的轴端螺栓的强度等级是6.8级，因此选用8.8级强度的材料加工标签的螺栓，这样可确保在加工完螺栓的盲孔和凹陷后，螺栓的等效机械强度不低于原来的轴端螺栓的机械强度。这种方法可以使螺栓的机械性能满足相关标准的要求。

在本发明的实施例中，集成温度传感器的无线测温模块采用的是带有温度传感器的无源RFID标签芯片，所述RFID标签芯片不仅有一般RFID标签芯片的功能，还集成有温度传感器，它能把由标签天线接收的电磁波转换成电能为自己供电，能接收和响应由标签阅读器发送的工作指令，能测量芯片的温度并把温度测量数据和芯片内存储的数据由标签天线返回到标签阅读器； RFID标签芯片有两个射频管脚或有一个射频管脚和一个GND管脚。

实施例中为了适应列车高速行驶时快速通过地面标签阅读器天线电磁场区的应用需求，采用列车轴温检测专用的无源超高频温度检测RFID电子标签芯片。当由上述螺栓构成的标签经过地面标签阅读器天线的电磁场区时，标签芯片被激活并快速测量芯片的温度，然后把测量的温度数据和芯片内存储的关于车轴、轴承、轮对、标签安装位置以及温度报警阈值等信息快速、可靠地传输到地面标签阅读器，能适应铁路车辆快速行驶时的快速测温和数据传输要求。

当把本实施例的安装螺栓安装到列车车轴端头，螺栓伸入到车轴内与车轴紧密接触，由于螺栓有良好的导热性能，因此车轴端头的温度能很好地传导到温度传感器上，使温度传感器能准确地测量到车轴的温度，最大限度地减小了外部环境因素对轴温测量的影响。由于温度测量部件能深入到车轴内部，而天线却设置在轴端螺栓头的外面，天线不仅能感应安装在地面的RFID标签阅读器天线发射的电磁波为无线测温模块供电，接收由标签阅读器发送的工作指令，还可以把无线测温模块发出的温度数据以及存储的关于车轴、轴承、轮对、标签安装位置、标签ID识别码以及温度报警阈值等信息数据以无线传输方式发送到地面读写器，地面设备能根据返回的信息合理地设置温度报警阈值，因此地面设备能准确地对温度异常的轴承提出报警，从而减小热轴误报率，提高系统的可靠性，增强车辆运行的安全保障，同时减少车辆因故障检修而需要停止运行的时间和降低了车辆检修的成本。

值得一提的是，在本实施例中虽然使用列车车轴的安装螺栓作为实施例描述，但是，安装螺栓作为一种通用的紧固件，并不是仅仅局限于列车车轴。实际上，在本领域技术人员可以将该安装螺栓使用在任何使用安装螺栓且需要测量该设备或部件的温度的场合，只需要在其安装处设置固定或移动的RFID读写器即可实现设备或部件的温度测量。此外，由于在本发明中使用的无线测温模块采用采用无源方式，不用附带电源，因此进一步简化电路结构，降低成本；而通过电磁感应来获得电源，可在一定程度上节省了能源，增强了环保性能，也在一定程度上增强了设备的使用安全性，延长了设备的使用寿命。

在本实施例中，还涉及一种列车车轴，所述列车车轴用于固定列车轴承端盖的安装螺栓，所述安装螺栓是上述的安装螺栓。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。