CN102620877B - 利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法的技术领域，是利用螺栓固有频率与载荷之间的关系，实现对螺栓载荷的测量值数字显示输出的方法和电子设备。本发明是通过利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪进行测量的方法，及利用螺栓固有频率会随其载荷变化而发生相应的变化的原理在螺栓测量方面的新应用。本发明具有测量准确，测量精度高、便于携带及现场使用的优点。实现运行中的设备的螺栓载荷的在线测量，为设备运行检修过程中螺栓的状态提供了科学的依据。可以广泛地应用于施工建设及生产设备，各种规格螺栓的载荷测量，具有较大的社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法的技术领域，是利用螺栓固有频率与载荷之间的关系，实现对螺栓载荷的测量值数字显示输出的方法和电子设备。
背景技术
现代建筑施工的各个领域都离不开螺栓连接结构，螺栓紧固载荷的大小直接影响到这些钢结构的安全性。载荷太大时可能导致螺栓断裂，而载荷太小时可能达不到需要的紧固效果。目前工业上广泛使用力矩扳手来控制紧固力，因受到螺栓摩擦副间摩擦系数离散性的影响，确定的紧固力精度较低，可能导致不安全的后果。目前较为普遍的测量方法是利用超声波原理对螺栓载荷进行测量。利用超声波原理测量螺栓加载前后，螺栓长度的变化，即加载造成的应变，从而达到测量螺栓载荷的目的。
到目前为止，国内市场上存在的螺栓载荷测量设备主要为利用超声波原理测量螺栓载荷的设备，螺栓的载荷变化随超声波在介质中传播发生变化，达到测量螺栓载荷的目的。目前还没有利用螺栓固有频率随载荷变化关系实现螺栓载荷测量的设备，国内还没有将螺栓固有频率随载荷变化而发生变化的原理，应用到测量螺栓载荷的方法上。
发明内容
为了解决现有技术中的技术问题，本发明提供了一种利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，其目的在于解决施工现场螺栓载荷测量难、测量精度差，运行设备螺栓载荷监控难的问题。本发明提供了螺栓载荷测量的一种新方法，利用相同规格的螺栓载荷变化，固有频率成一定规律性的变化的原理，对螺栓载荷进行测量的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法是：
（1）通过电源组件提供电源给利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪主机接口组件，主机通过控制板组件采集到被测频率数据，测量到的频率数据通过控制板组件及数据存储组件进行数据存储之后，再将测量到的频率数据传输给固有频率采集分析组件；
（2）固有频率采集分析组件将接收到的频率数据进行分析，再将经过分析的数据传送到频率载荷关系数据库组件，由频率载荷关系数据库组件输出相应的载荷数据；
（3）输出的载荷数据通过液晶显示屏驱动板显示到液晶显示屏上。
利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪，包括主机及试验台：主机外部设有外部电源连接接口、键盘、显示器、外部电源连接接口及卡槽，卡槽内部设有电池直流电源与外部存储设备插口及数据采集接口；固有频率采集探头通过数据线与主机相连。主机内部包括频率采集分析组件、数据存储组件、不同型号规格螺栓固有频率随螺栓载荷变化数据库和电源组件及控制板组件；控制板组件通过接口组件连接电源组件和固有频率采集组件；控制板组件与数据存储组件连接、数据存储组件通过控制板组件与频率采集分析组件连接。
所述的试验台为螺栓固有频率采集试验台，是通过拉压力传感器上的数据接口通过仪表数据线连接到载荷显示仪表上；连接螺栓及垫圈、螺杆通过钢板组件上的四角开孔分别连接到拉压力传感器上；钢板组件紧固在螺杆上。
所述的拉压力传感器设有四个，拉压力传感器两端设有螺纹。
所述的钢板组件的四角均设有开孔，钢板组件设有中心孔。
所述的连接螺栓及垫圈、螺母及垫圈均设有4组，钢板组件设有3块。
利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的应用是：利用螺栓固有频率会随其载荷变化而发生相应的变化的原理在螺栓测量方面的应用。
优点及效果：
本发明是一种利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，还包括利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪测量螺栓载荷并将测量值以数字形式显示输出的一种电子设备，它利用螺栓固有频率会随其载荷变化而发生相应的变化的原理，达到测量螺栓载荷的目的，本发明解决了传统螺栓载荷测量方法控制精度低、测量仪器测量精度低，误差大的缺点；具有测量准确，测量精度高、便于携带及现场使用的优点。实现运行中的设备的螺栓载荷的在线测量，为设备运行检修过程中螺栓的状态提供了科学的依据。其应用范围极为广泛，可以应用于施工建设及生产设备，各种规格螺栓的载荷测量，如风电机组反向平衡法兰螺栓、发电机组汽轮机螺栓、输电塔架螺栓及其他领域应用的各种规格螺栓载荷测量。目前国内仍没有精度较高的螺栓载荷测量设备，因此本发明填补了本技术领域的空白，具有较大的社会效益和经济效益。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明主机与频率采集探头等主要外部结构示意图；
图2是本发明主机背面结构示意图；
图3是本发明主机电路示意图；
图4是本发明螺栓与固有频率采集试验台结构示意图；
图5是图4中的钢板组件结构示意图。
图中：主机1，固有频率采集探头2，数据线3，数据采集接口4，外部电源连接接口5，键盘6，显示屏7，内部电池直流电源与外部存储设备插口8，螺母及垫圈9，螺杆10，钢板组件11，接压力传感器12，拉压力传感器采集接口13，螺栓及垫圈14，中心孔15，仪表数据线16，载荷显示仪表17。
具体实施方式
本发明是一种利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，是通过利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪测量螺栓载荷并将测量值以数字形式进行显示输出。如图1和图2所示，利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪包括主机及试验台，在主机1外部设有外部电源连接接口5、键盘6、显示器7、外部电源连接接口5及卡槽，卡槽内部设有电池直流电源与外部存储设备插口8及数据采集接口4；固有频率采集探头2通过数据线3与主机1相连。固有频率采集探头2负责测量采集振动信号，主机1内部组件负责数据分析，结果由显示器7输出。
主机1内部包括频率采集分析组件、数据存储组件、读写卡组件、不同型号规格螺栓固有频率随螺栓载荷变化数据库、电源组件及控制板组件；电源组件和固有频率采集组件通过接口组件连接到控制板组件；控制板组件与数据存储组件连接、数据存储组件通过控制板组件与频率采集分析组件连接。且主机上有可显示信息的液晶显示器；带有LED发光二极管，便于光线暗的情况下观察。
主机1上的键盘6起到控制切换显示频率或载荷，并实现调节相关参数的作用。数据线3负责传输采集信号作用。电源组件包括：外部电源连接接口5和内部电池直流电源与外部存储设备插口8，方便现场不具备电源的情况下携带使用；内部电源槽下，可安装外部存储卡槽，方便输入输出数据。本发明的外部结构及连接关系如下：固有频率采集探头2通过数据线3及数据线接口连接到主机1的正面右上方；主机1的正面左上方设有外部电源连接接口5，正面左下方为键盘6、右侧为显示器7；主机1背面设有卡槽，内部即电池直流电源与外部存储设备插口8。
如图4所示，本发明中所述的试验台为螺栓固有频率采集试验台，是由4个拉压力传感器12、4组连接螺杆10、4个螺母及垫圈9、4组连接螺栓及垫圈14、3块钢板组件11构成的。拉压力传感器12两端带螺纹，侧面带有数据接口13，数据接口13通过仪表数据线16连接到载荷显示仪表17上；钢板组件11为四角开孔结构，并且如图5所示，钢板组件11的钢板中心设有中心孔15。4组连接螺栓及垫圈14、螺杆10通过钢板组件11的四角开孔连接到4个拉压力传感器12上；最后用4组螺母及垫片把钢板组件11紧固到螺杆10上，形成一个稳定的系统；被测量的螺栓通过钢板组件11的中心孔15进行加载试验。
钢板中心孔15用于测量相应规格试验螺栓的载荷，同时采集对应载荷下的特征频率，逐步建立起相应规格螺栓载荷与固有频率之间对应关系的数据库。数据库采集完成后，加入主机控制组件，即完成了利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪。
本发明的电路结构示意图如图3所示，电源由内部直流电源和外部交流电源组件提供，控制板组件将采集到的频率数据分配传送到固有频率采集分析组件，经过分析的数据再传送到频率载荷关系数据库组件，经过数据库分析后将螺栓载荷通过液晶显示屏驱动板显示到液晶显示屏上。
如图3所示，本发明利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，是：
（1）通过电源组件提供电源给主机接口组件，主机通过控制板组件采集到被测频率数据，测量到的频率数据通过控制板组件及数据存储组件进行数据存储之后，再将测量到的频率数据传输给固有频率采集分析组件；
（2）固有频率采集分析组件将接收到的频率数据进行分析，再将经过分析的数据传送到频率载荷关系数据库组件，由频率载荷关系数据库组件输出相应的载荷数据；
（3）输出的载荷数据通过液晶显示屏驱动板显示到液晶显示屏上，小键盘通过控制组件调整显示屏显示内容。
本发明利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，是一种将利用螺栓固有频率会随其载荷变化而发生相应的变化的原理在螺栓测量方面的新的应用。
本发明现已具备条件：具有固有频率采集系统，能够采集到固定规格的螺栓的载荷变化与之相应的固有频率变化，利用螺栓固有频率会随其载荷变化而发生相应的变化的原理，达到测量螺栓载荷的目的。下一步的工作是建立各规格的螺栓固有频率随载荷变化的数据库，能够实现采集到的信息与数据库进行比对，输出相应的载荷显示。
在机械系统中，当其固有频率和强迫振动的频率（激励频率）相吻合时，就会有共振的发生。共振是指一个物理系统在特定频率下，以最大振幅做振动的情形；此特定频率称之为共振频率、即固有频率。固有频率是物体的固有特性，与它的硬度、质量、外形尺寸有关，当其发生形变时，弹力使其恢复。弹力主要与尺寸和硬度有关，质量影响其加速度。同样外形时，硬度高的频率高，质量大的频率低。
建立各规格的螺栓载荷与固有频率之间对应关系的数据库，是本发明的重要部分。具有各种规格螺栓固有频率随载荷变化的数据库，该数据库由测量试验和计算机模拟两部分组成。
本发明工作过程如下：
采集流程：选取某一规格的螺栓，放入固有频率采集试验台的钢板中心孔15，使用扳手对螺栓进行加载，加载的同时载荷显示仪表17显示出螺栓承受的载荷；此时使用手锤敲击加载后的螺栓，使螺栓产生振动，使用固有频率采集探头2测量螺栓的固有频率，即此种规格螺栓对应载荷下的固有频率；通过载荷一定梯度，如1000N，不断的加载，同时测量即获得相应规格下螺栓的载荷与固有频率的对应关系。
另一方面通过有限元计算方法，利用相关计算机软件，对某一规格螺栓进行模拟计算，得到相应的载荷与固有频率对应关系，结果与固有频率采集试验台测试结果进行比对并修正。
测量流程：使用本发明利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪对螺栓载荷进行测量，首先测量仪需具备相应规格螺栓载荷与固有频率对应关系，即数据库中包含此种规格螺栓；测量时只需用手锤敲击使螺栓产生振动，接通测量仪电源，使用固有频率采集探头2放到螺栓端面进行测量，即可通过显示器7显示出相应的载荷值。
Claims (4)
1.利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，其特征是：
（1）通过电源组件提供电源给利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪主机接口组件，主机通过控制板组件采集到被测频率数据，测量到的频率数据通过控制板组件及数据存储组件进行数据存储之后，再将测量到的频率数据传输给固有频率采集分析组件；
（2）固有频率采集分析组件将接收到的频率数据进行分析，再将经过分析的数据传送到频率载荷关系数据库组件，由频率载荷关系数据库组件输出相应的载荷数据；
（3）输出的载荷数据通过液晶显示屏驱动板显示到液晶显示屏上；
利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的测量仪，包括主机及试验台：其中主机（1）外部设有外部电源连接接口（5）、键盘（6）、显示器（7）、外部电源连接接口（5）及卡槽，卡槽内部设有电池直流电源与外部存储设备插口（8）及数据采集接口（4）；固有频率采集探头（2）通过数据线（3）与主机（1）相连；
主机（1）内部包括频率采集分析组件、数据存储组件、不同型号规格螺栓固有频率随螺栓载荷变化数据库和电源组件及控制板组件；控制板组件通过接口组件连接电源组件和固有频率采集组件；控制板组件与数据存储组件连接、数据存储组件通过控制板组件与频率采集分析组件连接。
2.根据权利要求1所述的利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，其特征是：所述的试验台为螺栓固有频率采集试验台，是通过拉压力传感器（12）上的数据接口（13）通过仪表数据线（16）连接到载荷显示仪表（17）上；连接螺栓及垫圈（14）、螺杆（10）通过钢板组件（11）上的四角开孔分别连接到拉压力传感器（12）上；钢板组件（11）紧固在螺杆（10）上。
3.根据权利要求2所述的利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，其特征是：所述的拉压力传感器（12）设有四个，拉压力传感器（12）两端设有螺纹。
4.根据权利要求2所述的利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，其特征是：所述的钢板组件（11）的四角均设有开孔，钢板组件（11）设有中心孔（15）。
5.根据权利要求2所述的利用螺栓固有频率测量螺栓载荷的方法，其特征是：所述的连接螺栓及垫圈（14）、螺母及垫圈（9）均设有4组，钢板组件（11）设有3块。
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