CN113155430A - 一种螺栓松动监测系统 - Google Patents

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CN113155430A CN202110432285.6A CN202110432285A CN113155430A CN 113155430 A CN113155430 A CN 113155430A CN 202110432285 A CN202110432285 A CN 202110432285A CN 113155430 A CN113155430 A CN 113155430A
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vibration
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金城
王瑞琪
毛雨阳
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Abstract

本发明公开了一种螺栓松动监测系统，包括感应片、第一压电元件、第二压电元件，所述感应片的一端套设在螺栓上，且位于螺母与垫圈之间，所述感应片的另一端向外延伸形成悬臂；所述感应片的另一端上下两侧分别设置有第一压电元件、第二压电元件，且通过接地导线接地；所述第一压电元件通过第一导线与脉冲发生器连接，所述第二压电元件通过第二导线与幅频分析仪连接。本发明通过脉冲发生器间隔向第一压电元件施加脉冲电压，并通过第二压电元件感受感应片产生的瞬态振动，进而实现对螺栓松动的监测，具有成本低、易安装、环境适应能力强的优点。

Description

一种螺栓松动监测系统
技术领域
本发明属于螺栓松动检测装置的技术领域，具体涉及一种螺栓松动监测系统。
背景技术
螺栓紧固是工程上最常用的零部件紧固方式之一。螺栓连接是否紧固牢靠关系到工业设备、工程设施的是否能够正常、安全地工作。在大型工业设备和工程设施中，关键部位的螺栓松动会给生产安全带来巨大隐患，甚至导致重大事故。
目前，学术界针对螺栓松动监测问题，提出了多种技术途径，例如：基于压电阻抗的螺栓松动检测技术、基于超声导波的螺栓松动检测技术、基于图像识别的螺栓松动检测技术等。虽然对螺栓松动监测的需求迫切，但现有的各种螺栓松动监测技术却没有得到大量工程化应用。其主要原因在于：
1)现有技术工程化成本太高，例如：基于压电阻抗的螺栓松动检测技术需要昂贵的阻抗分析仪，基于超声导波的螺栓松动检测技术需要价格不菲的高速数采硬件，基于图像识别的螺栓松动检测技术需要昂贵的精密图像采集和处理系统。
2)抗干扰能力不足，例如：基于压电阻抗的螺栓松动检测技术和基于超声导波的螺栓松动检测技术的信号都较微弱，在复杂的工程现场容易受干扰信号淹没，难以成功提取，而基于图像识别的螺栓松动检测技术可能因螺栓或摄像头上附着异物、空气能见度低(如雾气、扬尘所致)等导致监测失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺栓松动监测系统，旨在解决上述问题，所述螺栓松动监测装置具有成本低、易安装、环境适应能力强的优点。
本发明主要通过以下技术方案实现：
一种螺栓松动监测系统，包括感应片、第一压电元件、第二压电元件，所述感应片的一端套设在螺栓上，且位于螺母与垫圈之间，所述感应片的另一端向外延伸形成悬臂；所述感应片的另一端上下两侧分别设置有第一压电元件、第二压电元件，且通过接地导线接地；所述第一压电元件通过第一导线与脉冲发生器连接，所述第二压电元件通过第二导线与幅频分析仪连接。
本发明在使用过程中，将感应片通过其安装孔固定到螺栓紧固环节中，感应片的端部伸出形成悬臂状态。外接的脉冲发生器通过第一导线每隔一段时间对第一压电元件施加一个脉冲电压，则第一压电元件由逆压电效应产生瞬态形变，该瞬态形变会对感应片产生瞬态激振力，感应片因此产生以固有频率f为主频的瞬态振动，第二压电元件可感受到此种瞬态振动并通过正压电效应产生与此瞬态振动幅频特征一致的电荷信号，通过第二导线可将该电荷信号传输给外接的幅频分析仪，最终得到瞬态振动的幅频信息。
根据振动力学理论，感应片振动的固有频率可近似为：
Figure BDA0003031836890000021
其中，k为感应片自身的刚度，kc为感应片与螺栓紧固件之间的接触刚度，m为感应片的质量。
由于螺栓预紧力越小，感应片与螺栓紧固件之间的接触刚度kc越小，感应片自身固有频率f越小，因此，可通过分析感应片瞬态振动信号的幅频特征，得到螺栓预紧力大小情况。当螺栓松动时，螺栓预紧力趋近于零，感应片与螺栓紧固件之间的接触刚度kc趋近于零，感应片自身固有频率f随之急剧降低到一定程度，第二压电元件输出的瞬态振动信号频率也急剧降低到一定程度，因此可通过第二压电元件输出的瞬态振动信号频率降低的程度判断螺栓是否松动。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述脉冲发生器每隔10s对第一压电元件施加一个脉冲电压，且脉冲电压的幅值为10V。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述感应片振动的固有频率为：
Figure BDA0003031836890000022
其中：k为感应片自身的刚度，
kc为感应片与螺栓紧固件之间的接触刚度，
m为感应片的质量。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述感应片振动的固有频率f在10000Hz以上。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述感应片由不锈钢或者弹性合金材料制备得到，且厚度为0.5mm-1mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一压电元件、第二压电元件由压电陶瓷制备得到，且厚度为0.5mm-1mm。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述感应片的一端对应螺栓设置有安装孔，所述安装孔的直径与螺栓的直径相同。
本发明的有益效果：
(1)成本低，易于安装。所述感应片可采用现有的常见金属薄板材料加工而成，第一压电元件和第二压电元件可采用常见压电陶瓷材料制备，所涉及的主要材料均价格低廉、易于加工生产。感应片带有安装孔，易于在螺栓紧固结构中安装固定；
(2)环境适应能力强。本发明主要利用感应片与螺栓紧固件之间接触刚度kc随螺栓预紧力下降而减小的物理规律，以及感应片振动固有频率f随接触刚度kc减小而减小的数学关系，实现利用感应片振动固有频率f的减小程度判断螺栓是否松动的功能。因此，螺栓是否松动的最终判断结果是与螺栓预紧力大小直接相关的。在普通的工程应用环境下，潮湿、扬尘、烟雾、噪声等复杂环境条件的作用无法对感应片的自身刚度k及接触刚度kc产生显著影响，感应片的振动固有频率不变，因此不会造成对螺栓松动的误判。
附图说明
图1为感应片与第一压电元件的连接结构示意图；
图2为感应片的结构示意图；
图3为本发明的工作示意图。
其中：1-感应片，2-第一压电元件，3-第一导线，4-接地导线，5-第二导线，6-第二压电元件，7-螺栓，8-螺母，9-垫圈，10-被紧固件。
具体实施方式
实施例1：
一种螺栓松动监测系统，如图1-图3所示，包括感应片1、第一压电元件2、第二压电元件6，所述感应片1的一端套设在螺栓7上，且位于螺母8与垫圈9之间，所述感应片1的另一端向外延伸形成悬臂；所述感应片1的另一端上下两侧分别设置有第一压电元件2、第二压电元件6，且通过接地导线4接地；所述第一压电元件2通过第一导线3与脉冲发生器连接，所述第二压电元件6通过第二导线5与幅频分析仪连接。
本发明在使用过程中，外接的脉冲发生器通过第一导线3每隔一段时间对第一压电元件2施加一个脉冲电压，则第一压电元件2由逆压电效应产生瞬态形变，该瞬态形变会对感应片1产生瞬态激振力，感应片1因此产生以固有频率f为主频的瞬态振动，第二压电元件6可感受到此种瞬态振动并通过正压电效应产生与此瞬态振动幅频特征一致的电荷信号，通过第二导线5可将该电荷信号传输给外接的幅频分析仪，最终得到瞬态振动的幅频信息。
进一步地，如图3所示，所述外接脉冲发生器通过第一导线3每隔一段时间对第一压电元件2施加一个脉冲电压的优选值为：每个脉冲电压之间的时间间隔为10s，脉冲电压幅值10V。
根据振动力学理论，感应片1振动的固有频率可近似为：
Figure BDA0003031836890000041
其中k为感应片1自身的刚度，kc为感应片1与螺栓7紧固件之间的接触刚度，m为感应片1的质量。
在本实施方式中，感应片1的固有频率f可达10000Hz以上。由于螺栓7预紧力越小，感应片1与螺栓7紧固件之间的接触刚度kc越小，感应片1自身固有频率f越小，因此，可通过分析感应片1瞬态振动信号的幅频特征，获知螺栓7预紧力大小情况。当螺栓7松动时，螺栓7预紧力趋近于零，感应片1与螺栓7紧固件之间的接触刚度kc趋近于零，感应片1自身固有频率f随之急剧降低到一定程度，第二压电元件6输出的瞬态振动信号频率也急剧降低到一定程度，因此可通过第二压电元件6输出的瞬态振动信号频率降低的程度判断螺栓7是否松动。
进一步地，所述感应片1由不锈钢或者弹性合金材料制备得到，且厚度为0.5mm-1mm。
进一步地，所述第一压电元件2、第二压电元件6由压电陶瓷制备得到，且厚度为0.5mm-1mm。
进一步地，如图2所示，所述感应片1的一端对应螺栓7设置有安装孔，所述安装孔的直径与螺栓7的直径相同。
本发明主要利用感应片1与螺栓7紧固件之间接触刚度kc随螺栓7预紧力下降而减小的物理规律，以及感应片1振动固有频率f随接触刚度kc减小而减小的数学关系，实现利用感应片1振动固有频率f的减小程度判断螺栓7是否松动的功能。因此，螺栓7是否松动的最终判断结果是与螺栓7预紧力大小直接相关的。在普通的工程应用环境下，潮湿、扬尘、烟雾、噪声等复杂环境条件的作用无法对感应片1的自身刚度k及接触刚度kc产生显著影响，感应片1的振动固有频率不变，因此不会造成对螺栓7松动的误判。
实施例2：
一种螺栓松动监测系统，如图1-图3所示，制备一个带有安装孔的感应片1，感应片1的端部上表面固定一个第一压电元件2，第一压电元件2连接第一导线3，感应片1的端部下表面固定一个第二压电元件6，第二压电元件6连接第二导线5，感应片1的端部连接接地导线4，接地导线4接地。
如图3所示，被紧固件10上设置有螺栓7，所述螺栓7上设置有螺母8，被紧固件10通过垫圈9与螺母8连接。所述感应片1的一端套设在螺栓7上，且位于垫圈9与螺母8之间。将感应片1通过其安装孔固定到螺栓7紧固环节中，感应片1的端部伸出形成悬臂状态。外接的脉冲发生器通过第一导线3每隔一段时间对第一压电元件2施加一个脉冲电压，则第一压电元件2由逆压电效应产生瞬态形变，该瞬态形变会对感应片1产生瞬态激振力，感应片1因此产生以固有频率f为主频的瞬态振动，第二压电元件6可感受到此种瞬态振动并通过正压电效应产生与此瞬态振动幅频特征一致的电荷信号，通过第二导线5可将该电荷信号传输给外接的幅频分析仪，最终得到瞬态振动的幅频信息。
根据振动力学理论，感应片1振动的固有频率可近似为：
Figure BDA0003031836890000051
其中，k为感应片1自身的刚度，kc为感应片1与螺栓7紧固件之间的接触刚度，m为感应片1的质量。
由于螺栓7预紧力越小，感应片1与螺栓7紧固件之间的接触刚度kc越小，感应片1自身固有频率f越小，因此，可通过分析感应片1瞬态振动信号的幅频特征，得到螺栓7预紧力大小情况。当螺栓7松动时，螺栓7预紧力趋近于零，感应片1与螺栓7紧固件之间的接触刚度kc趋近于零，感应片1自身固有频率f随之急剧降低到一定程度，第二压电元件6输出的瞬态振动信号频率也急剧降低到一定程度，因此可通过第二压电元件6输出的瞬态振动信号频率降低的程度判断螺栓7是否松动。
所述感应片1可采用现有的常见金属薄板材料加工而成，第一压电元件2和第二压电元件6可采用常见压电陶瓷材料制备，所涉及的主要材料均价格低廉、易于加工生产。感应片1带有安装孔，易于在螺栓7紧固结构中安装固定。本发明主要利用感应片1与螺栓7紧固件之间接触刚度kc随螺栓7预紧力下降而减小的物理规律，以及感应片1振动固有频率f随接触刚度kc减小而减小的数学关系，实现利用感应片1振动固有频率f的减小程度判断螺栓7是否松动的功能。因此，螺栓7是否松动的最终判断结果是与螺栓7预紧力大小直接相关的。在普通的工程应用环境下，潮湿、扬尘、烟雾、噪声等复杂环境条件的作用无法对感应片1的自身刚度k及接触刚度kc产生显著影响，感应片1的振动固有频率不变，因此不会造成对螺栓7松动的误判。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种螺栓松动监测系统，其特征在于，包括感应片(1)、第一压电元件(2)、第二压电元件(6)，所述感应片(1)的一端套设在螺栓(7)上，且位于螺母(8)与垫圈(9)之间，所述感应片(1)的另一端向外延伸形成悬臂；所述感应片(1)的另一端上下两侧分别设置有第一压电元件(2)、第二压电元件(6)，且通过接地导线(4)接地；所述第一压电元件(2)通过第一导线(3)与脉冲发生器连接，所述第二压电元件(6)通过第二导线(5)与幅频分析仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓松动监测系统，其特征在于，所述脉冲发生器每隔10s对第一压电元件(2)施加一个脉冲电压，且脉冲电压的幅值为10V。
3.根据权利要求2所述的一种螺栓松动监测系统，其特征在于，所述感应片(1)振动的固有频率为：
Figure FDA0003031836880000011
其中：k为感应片(1)自身的刚度，
kc为感应片(1)与螺栓(7)紧固件之间的接触刚度，
m为感应片(1)的质量。
4.根据权利要求3所述的一种螺栓松动监测系统，其特征在于，所述感应片(1)振动的固有频率f在10000Hz以上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种螺栓松动监测系统，其特征在于，所述感应片(1)由不锈钢或者弹性合金材料制备得到，且厚度为0.5mm-1mm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种螺栓松动监测系统，其特征在于，所述第一压电元件(2)、第二压电元件(6)由压电陶瓷制备得到，且厚度为0.5mm-1mm。
7.根据权利要求1所述的一种螺栓松动监测系统，其特征在于，所述感应片(1)的一端对应螺栓(7)设置有安装孔，所述安装孔的直径与螺栓(7)的直径相同。
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