CN106286550A - 一种用于监测螺栓连接状况的智能螺母装置 - Google Patents

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宋钢兵
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Abstract

本发明属于土木工程以及机械工程的螺栓连接状态监测技术领域，提供一种用于监测螺栓连接状况的智能螺母装置。当螺栓连接界面发生松动时，超声波的传播路径会被影响，智能螺母可以监测这些微小的变化，通过发射和接收信号，利用接收到的阻抗信号以及其他测试手段得到的信号的变化可以反过来推测螺栓连接界面所处的状态，从而对螺栓螺母连接件的连接状态进行监测。这种基于压电陶瓷的智能螺母为工程上螺栓连接构件监测提供一种简便可行的方法。

Description

一种用于监测螺栓连接状况的智能螺母装置
技术领域
本发明主要用于土木工程以及机械工程的螺栓连接状态监测技术领域，具体的说，是当螺栓连接界面发生松动时，超声波的传播路径会被影响，智能螺母可以监测这些微小的变化，通过发射和接收信号，利用接收到的阻抗信号以及其他测试手段得到的信号的变化可以反过来推测螺栓连接界面所处的状态，从而对螺栓螺母连接件的连接状态进行监测。这种基于压电陶瓷的智能螺母为工程上螺栓连接构件监测提供一种简便可行的方法。
背景技术
现代大型土木结构，例如大跨度钢桥，超高层建筑以及大型输电塔等结构中，螺栓连接作为一种重要的连接方式，其可靠性是保证工程质量及结构正常服役的基础。因此，其连接界面损伤监测研究越来越受到人们的重视。
压电陶瓷作为一种新型的智能材料运用在很多方面。它具有的压电效应是任何压电材料都具有的一项重要特性。在满足一定的温度条件下，当对压电元件施加机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，且电荷密度与外力成比例，这种现象称为正压电效应。反之，在压电元件两个表面上施加电压，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件的变形，即逆压电效应。本发明正是利用压电陶瓷所特有的这种正压电与逆压电效应。
对具有众多螺栓连接质量检测而言,传统监测要依靠人工一个一个的去监测螺栓连接松动情况，这种监测不仅费时费力而且对于一些特殊结构的检测还具有一定危险性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于监测螺栓连接状态的智能螺母装置，智能螺母装置的实物模型(如图1)，该装置主要由两部分构成，一部分是普通螺母，另一部分是内部安装压电陶瓷的环形保护壳。
智能螺母的监测原理之一是利用通过测量压电片的阻抗特性来识别。由压电陶瓷的振动方程得到，与频率有关的电导纳表达式如式(1)所示，其中，la,wa,和ha分别为压电陶瓷片的长度、宽度和厚度，d31是压电应变常数，是压电陶瓷在常压应力情况下的复介电常数。为压电陶瓷材料在常电场情况下的复弹性模量，δ和η分别表示压电陶瓷的介电损失因子和机械损失因子。ω、κ、Za和Z分别表示角频率、波数、压电陶瓷的机械阻抗和主体结构的机械阻抗。图1是用压电陶瓷驱动的机械系统机电耦合模型。
Y ‾ = ω j w a l a h a [ ϵ ‾ 33 T + ( Z a Z + Z a ) d 31 2 Y ‾ 11 E ( tanκl a κl a ) - d 31 2 Y ‾ 11 E ] - - - ( 1 )
压电陶瓷驱动的机械系统机电耦合模型
除了利用智能螺母的阻抗信息，其他的一些监测方法例如主动监测能量衡量方法也同样适用。
需要说明的是当螺栓连接件松动时，连接的界面发生改变，智能螺母发射的超声波信号所经过的路径也会改变，导致接收的超声波信号改变，根据接收的信号改变信息可以判断出螺栓连接所处的状态。
一种用于监测螺栓连接状况的智能螺母装置，包括螺母1、PZT保护壳2、PZT环形压电陶瓷3、导线通道口4、导线5和螺栓6；将PZT环形压电陶瓷3焊接导线5，在PZT保护壳2内部开一个环形槽，将PZT环形压电陶瓷3安装在保护槽内，二者之间进行环氧树脂粘接至空隙完全填充，保证PZT环形压电陶瓷3产生的波完全传递，同时，PZT环形压电陶瓷3焊接的导线5通过导线通道口4连接到外部信号源。待环氧树脂完全风干后用万用表监测智能螺栓是否短路。
本发明的有益效果：
1、此装置依靠压电陶瓷具有的压电效应，利用压电陶瓷与结构之间的阻抗信息以及主动监测方法对螺栓连接状态进行监测，不需要人工现场检测，省时省力。而且对于螺栓的安装以及整体结构的性能没有影响。
2、此装置可以利用多种主动监测方法实时地对结构进行检测。
3、本发明构造简单，零件较少，制作和安装过程简单，适用性强，成本低且维护方便，能有效监测出螺栓连接构件安全状态，具有广阔的推广市场和应用前景。
附图说明
图1是本发明整体实物示意图。
图2是本发明整体实物前视图。
图中：1螺母；2PZT保护壳；3PZT环形压电陶瓷；4导线通道口；5导线；
6螺栓。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种用于监测螺栓连接状态的智能螺母装置，具体实施方式如下：
智能螺母的螺母1和PZT保护壳2采用同一型号钢材料制成，具有较强的强度和以及一定的韧性。将PZT保护壳2做出一个比PZT环形压电陶瓷3尺寸稍微大一些的环形槽，并在此保护壳边缘做出一个用于连接PZT环形压电陶瓷片3正负极的导线通道口4。PZT环形压电陶瓷3事先要进行以下处理：选用厚度较薄、尺寸略小于保护壳环形槽口的压电陶瓷片，在压电陶瓷表面正负极焊接导线。在焊接完导线的PZT环形压电陶瓷3表面涂敷环氧树脂涂层，涂敷环氧树脂是为了保证焊接完导线的压电陶瓷的绝缘性，待环氧树脂完全风干后安装到环形槽口内，安装过程中也要用环氧树脂填充PZT环形压电陶瓷3和环形槽口之间的间隙，为了进行信号的有效传递以及防水保护。待环氧树脂风干之后用万用表检测环形压电陶瓷正负极绝缘性，绝缘良好安装到螺母1外侧，两者之间进行焊接或者粘接均可。
此外此智能螺母装置可以视具体情况做一些变化，其可改变之处主要包括保护层开槽形状以及尺寸，压电陶瓷片的几何外形尺寸，压电陶瓷型号等一些主要参数的选择应用，还有就是智能螺母的安装位置和数量等。

Claims (1)

1.一种用于监测螺栓连接状况的智能螺母装置，其特征在于，该智能螺母装置包括螺母(1)、保护壳(2)、环形压电陶瓷(3)、导线通道口(4)、导线(5)和螺栓(6)；将环形压电陶瓷(3)焊接导线(5)，在保护壳(2)内部开一个环形槽，将环形压电陶瓷(3)安装在保护槽内，二者之间进行环氧树脂粘接至空隙完全填充，保证环形压电陶瓷(3)产生的波完全传递，同时，环形压电陶瓷3焊接的导线5通过导线通道口(4)连接到外部信号源。
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