CN111829768B - 一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置，属于机械紧固件监测领域，本发明为解决现有监测技术设计复杂、能耗高、成本高、灵敏性低等问题。本发明装置包括连接端片、弹簧、压电片、金属弹片、底托和信号处理模块；底托内部嵌入信号处理模块，底托的上端面垂直设置金属弹片，压电片贴附于金属弹片的上端，金属弹片的悬空端连接弹簧的尾端，弹簧的首端固定设置有连接端片，连接端片压在螺母的侧面上；当螺栓松动，连接端片随同螺母摆动，连接端片带动弹簧伸缩，弹簧伸缩产生的牵引力对贴有压电片的金属弹片施加荷载使其弯曲，弯曲变形诱发压电片产生压电信号，信号处理模块接收该压电信号以实现对螺栓松动的感知。

Description

一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置
技术领域
本发明涉及一种监测螺栓松动的装置，属于机械紧固件监测领域。
背景技术
螺栓连接作为一种最为常见的连接方式，广泛存在于国民生产的各个领域如各种建筑、铁路、风力发电、机械、仪器以及航空航天器件中，为器件和部件的连接装配提供了极大的便利。通常情况下，螺栓发生失效主要有断裂和松动两种原因，其中松动是最常见的问题。虽然螺栓松动是常有的事，甚至常常被忽视，但小问题往往会酿成大灾难。螺栓的拧紧状态轻则影响设备的工作性能如设备异常振动、部件损坏等，严重则造成人员伤亡和企业的巨大经济损失。因此对螺栓松动情况进行有效监测，及时发现松动问题，对于器件和设施的正常安全运行及生命财产安全的保障至关重要。
由于螺栓的特殊性和重要性，人们对螺栓的松动防治、检测和监测开展了大量研究。对螺栓外形和强度进行设计预防螺栓松动，并定期人工检测巡检安全隐患。由于人工检测耗时耗力，而且常常取决于师傅的经验，对于人员要求很高。当检测人员在大量工作后可能出现效率低下、因疲劳而引起错检、漏检等。通过设计智能装置和监测系统，对螺栓实施在线实时监测是近年来发展的一种常用监测手段。这类智能装置或系统含有感知元件和信息处理模块，通过感知元件获得螺栓应力状态、松动状态等信息，并将采集数据通过有线或无线方式传输至监测信息系统中。其中，感知元件因设计制作方法的不同，而呈现不同的监测效果。常见的方法有(1)将压电材料作为垫片或者声发射装置，通过压电材料感知螺栓内的应力或螺杆的长度，进而判断螺栓的松紧状态；(2)磁性材料作为垫片或背板，通过感知与螺栓相连的部件的相对运动感知螺栓是否有松动；(3)通过设置螺母回旋接触点或者接触电阻触发松动预警。这些方法可以有效感知螺栓的松动状态，但这些感知组件的设计要么制作复杂，要么需要借助高性能外围设备，能耗和成本都很高，不利于在实际生产中广泛使用。
发明内容
本发明为了解决现有监测技术设计复杂、能耗高、成本高、灵敏性低等问题，提供了一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置。
本发明所述一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置包括连接端片5、弹簧6、压电片7、金属弹片8、底托9和信号处理模块；
底托9内部嵌入信号处理模块，底托9的上端面垂直设置金属弹片8，压电片7贴附于金属弹片8的上端，金属弹片8的悬空端连接弹簧6的尾端，弹簧6的首端固定设置有连接端片5，连接端片5压在螺母的侧面上；
当螺栓松动，连接端片5随同螺母摆动，连接端片5带动弹簧6伸缩，弹簧6伸缩产生的牵引力对贴有压电片的金属弹片8施加荷载使其弯曲，弯曲变形诱发压电片7产生压电信号，信号处理模块接收该压电信号以实现对螺栓松动的感知。
优选地，金属弹片8上端贴附有压电片7，其制备过程为：在条形弹性金属片上粘贴两面覆电极的压电陶瓷或单晶，并设置电极引线。
优选地，连接端片5与螺母接触面为片状平板接触面，连接形式为物理接触。
优选地，与连接端片5连接的弹簧6首端为等距螺旋线平面结构。
优选地，连接端片5与螺母界面平整，有较好的滑动性和接触性。
本发明的优点：本发明结构简单、能耗低，能够直接快速对螺栓松动进行判断，解决现有监测技术需要复杂信号处理、耗时等问题。
当螺栓松动幅度大，螺母大角度转动时，由于本发明连接端片只是在弹簧的作用下压在螺母侧面，并不与螺母固定连接，因此，连接端片只是从螺母的一个侧面切换至另一个侧面，避免压电片大牵引下的松动或损伤断裂；安装使用都方便快捷。
此外该系统具有造价低廉的优点，可集成组网，可广泛用于各类静态和动态的螺栓监测。
附图说明
图1是本发明所述基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置的结构示意图；
图2是图1的局部放大图；
图3是图2的俯视图；
图4是弹簧首端示意图；
图5是基于压电牵引效应的螺栓松动转角与压电信号关系图；
图6是信号处理模块原理框图。
具体实施方式
本发明通过在螺母和基体之间设置牵引线与压电金属弹片，通过对金属弹片上的压电片的弯曲电压进行测量和捕捉，并通过采集模块和信号处理模块对紧固件中的螺栓松动问题进行直接判别。
具体实施方式一：下面结合图1至图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述一种压电牵引效应的螺栓松动感知装置包括连接端片5、弹簧6、压电片7、金属弹片8、底托9和信号处理模块；
底托9内部嵌入信号处理模块，底托9的上端面垂直设置金属弹片8，压电片7贴附于金属弹片8的上端，金属弹片8的悬空端连接弹簧6的尾端，弹簧6的首端固定设置有连接端片5，连接端片5压在螺母的侧面上；
当螺栓松动，连接端片5随同螺母摆动，连接端片5带动弹簧6伸缩，弹簧6伸缩产生的牵引力对贴有压电片的金属弹片8施加荷载使其弯曲，弯曲变形诱发压电片7产生压电信号，信号处理模块接收该压电信号以实现对螺栓松动的感知。
弹片8为弹性金属片，其上端贴附压电7，制备过程为：在条形弹性金属片上粘贴压电陶瓷或旋涂压电膜，覆电极，并进行极化处理形成压电片，再设置电极引线。
压电片7设置在压电弹片8的上端。这种设置方式在弹片8受到弹簧牵引变形时能更快速的变形感知。
连接端片5与螺母2接触面为片状平板接触面。螺母2大多为六角形，每个边侧面均为平面，为了更好的压在螺母2侧面上，将连接端片5压在螺母2上的端面设置为平板接触面。
当螺栓1松动一个微小相对转角α，带动弹簧6伸缩，从而对弹片8施加弯曲荷载，从而使弹片8上的压电片7弯曲，由于正压电效应，压电片产生电压，并在一定范围内产生线性信号。当螺栓持续松动，相对转角大于60度时，连接端片的平板接触面切换到螺母2的另一个侧面，此时的压电信号发生抖动；当螺栓1继续转动，线性信号重复出现，形成周期信号，具体螺栓松动转角与压电信号关系波形如图5所示。本实施方式中平板接触面不需要与螺母2相连，这样即使得安装使用方便快捷，而且避免压电片在大牵引力下的松动或者损伤断裂。
压电片产生的压电信号通过电极引线传递至底托9内部的信号处理模块，参见图6所示，压电信号通过数模转换模块采集至处理芯片，经过简单运算，将松动信号传输至远端系统。
具体实施方式二：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，与连接端片5连接的弹簧6首端为等距螺旋结构，优选一体成型式连接。弹簧的等距螺旋结构具有优异的稳定结构和较大的接触面，使连接更加可靠。
常规弹簧的端部为单圆圈，截断处常有突出端头，不利于与连接端片5的连接以及压持在螺母的平稳度。
本实施方式将弹簧6的首端改为等距螺旋结构是为增大与连接端片5的接触面积，使弹簧6传递的力能更平稳正面地通过连接端片5加持至螺母2上，使测量的精度更高。

Claims (4)

1.一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置，其特征在于，包括连接端片(5)、弹簧(6)、压电片(7)、金属弹片(8)、底托(9)和信号处理模块；
底托(9)内部嵌入信号处理模块，底托(9)的上端面垂直设置金属弹片(8)，压电片(7)贴附于金属弹片(8)的上端，金属弹片(8)的悬空端连接弹簧(6)的尾端，弹簧(6)的首端固定设置有连接端片(5)，连接端片(5)压在螺母的侧面上；
当螺栓松动，连接端片(5)随同螺母摆动，连接端片(5)从螺母(2)的一个侧面切换至另一个侧面，连接端片(5)带动弹簧(6)伸缩，弹簧(6)伸缩产生的牵引力对贴有压电片的金属弹片(8)施加荷载使其弯曲，弯曲变形诱发压电片(7)产生压电信号，所述压电信号为线性-抖动的周期性压电信号：连接端片(5)的平板接触面在螺母(2)相邻两个侧面切换时压电信号发生抖动，在一个侧面内时压电信号为线性，信号处理模块接收该周期性压电信号以实现对螺栓松动的感知。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置，其特征在于，金属弹片(8)上端贴附有压电片(7)，其制备过程为：在条形弹性金属片上粘贴两面覆电极的压电陶瓷或单晶，并设置电极引线。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置，其特征在于，连接端片(5)与螺母接触面为片状平板接触面，连接形式为物理接触。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电牵引效应的螺栓松动感知装置，其特征在于，与连接端片(5)连接的弹簧(6)首端为等距螺旋线平面结构。
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