CN113176031A - 一种螺栓预紧力监测设备、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺栓预紧力监测设备、方法及装置，包括处理器、设置于被连接件上靠近螺栓头部位置的超声波发射器和超声波接收器，超声波发射器发射端和超声波接收器的接收端均指向螺栓轴线、且超声波发射器和超声波接收器的连线经过轴线；超声波发射器，用于发射超声波检测信号；超声波接收器，用于接收超声波检测信号通过螺栓后的超声波接收信号；处理器，用于依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到螺栓当前的预紧力；本发明在使用过程中不需要破坏螺栓结构，能够保证螺栓结构强度，并且简单易行，有利于节约人力和成本。

Description

一种螺栓预紧力监测设备、方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及轨道交通技术领域，特别是涉及一种螺栓预紧力监测设备、方法及装置。

背景技术

轨道车辆走行部受到来自轮轨的较强振动作用，螺纹连接受到较大的工作载荷，可能导致预紧力丧失或螺栓松动，而预紧力丧失或螺栓松动都会给行车安全带来较大的隐患，因此通过对螺栓进行预紧力监测来确定螺栓状态，以便及时采取维护措施，来确保行车安全。目前，通常是采用计划维护的方式对螺栓松动进行检测，也即，通过测力螺栓进行螺栓松动检测，测力螺栓是在螺栓中部打孔，在孔中增设应变片，通过检测应变片的应变情况来检测螺栓松动情况，虽然能够保证列车结构的服役安全，但是这种方式需要破坏螺栓结构，影响螺栓结构强度，另外测力螺栓需对螺栓进行定制设计，耗费较大的人力、物力和财力。

鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的螺栓预紧力监测设备、方法及装置成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种螺栓预紧力监测设备、方法及装置，在使用过程中不需要破坏螺栓结构，能够保证螺栓结构强度，并且简单易行，有利于节约人力和成本。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种螺栓预紧力监测设备，包括处理器、设置于被连接件上靠近螺栓头部位置的超声波发射器和超声波接收器，所述超声波发射器发射端和所述超声波接收器的接收端均指向所述螺栓轴线、且所述超声波发射器和所述超声波接收器的连线经过所述轴线；

所述超声波发射器，用于发射超声波检测信号；

所述超声波接收器，用于接收所述超声波检测信号通过所述螺栓后的超声波接收信号；

所述处理器，用于依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到所述螺栓当前的预紧力。

可选的，所述处理器，具体用于依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力；其中：

所述第一计算关系式的建立过程为：

预先确定出螺栓的基准预紧力，及在所述基准预紧力下的螺栓对应的电压检测基准信号；

通过改变所述螺栓的预紧力，得到不同预紧力下的电压检测信号；

依据所述电压检测基准信号及各个所述电压检测信号，得到不同预紧力下的特征参数；

根据各组预紧力与特征参数进行二次曲线拟合，得到预紧力与特征参数相关的第一计算关系式。

可选的，所述依据所述特征参数为log(I)，所述

其中，sbi为电压检测基准信号的第i个采样点，sci为电压检测信号的第i个采样点，

为电压检测基准信号的平均值，

为电压检测信号的平均值，N为信号采样点总数量。

可选的，所述处理器，具体用于根据所述螺栓类型确定出预先建立的、与所述螺栓类型对应的第一计算关系式，并依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及所述第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力。

可选的，所述超声波发射器为第一压电陶瓷片，所述超声波接收器为第二压电陶瓷片。

本发明实施例还提供了一种螺栓预紧力监测方法，应用于如上述所述的螺栓预紧力监测设备，所述方法包括：

获取超声波接收器接收到的超声波接收信号，所述超声波接收信号为超声波发射器发送的超声波检测信号通过螺栓后形成的；

依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到所述螺栓当前的预紧力。

可选的，所述依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到所述螺栓当前的预紧力为：

依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力；其中：

所述第一计算关系式的建立过程为：

预先确定出螺栓的基准预紧力，及在所述基准预紧力下的螺栓对应的电压检测基准信号；

通过改变所述螺栓的预紧力，得到不同预紧力下的电压检测信号；

依据所述电压检测基准信号及各个所述电压检测信号，得到不同预紧力下的特征参数；

根据各组预紧力与特征参数进行二次曲线拟合，得到预紧力与特征参数相关的第一计算关系式。

可选的，所述特征参数为log(I)，所述

其中，sbi为电压检测基准信号的第i个采样点，sci为电压检测信号的第i个采样点，

为电压检测基准信号的平均值，

为电压检测信号的平均值，N为信号采样点总数量。

可选的，所述依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力的过程为：

根据所述螺栓类型确定出预先建立的、与所述螺栓类型对应的第一计算关系式；

依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及所述第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力。

本发明实施例还相应的提供了一种螺栓预紧力监测装置，应用于上述所述的螺栓预紧力监测设备，所述装置包括：

获取模块，用于获取超声波接收器接收到的超声波接收信号，所述超声波接收信号为超声波发射器发送的超声波检测信号通过螺栓后形成的；

计算模块，用于依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到所述螺栓当前的预紧力。

本发明实施例提供了一种螺栓预紧力监测设备、方法及装置，包括处理器、设置于被连接件上靠近螺栓头部位置的超声波发射器和超声波接收器，超声波发射器发射端和超声波接收器的接收端均指向螺栓轴线、且超声波发射器和超声波接收器的连线经过轴线；超声波发射器，用于发射超声波检测信号；超声波接收器，用于接收超声波检测信号通过螺栓后的超声波接收信号；处理器，用于依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到螺栓当前的预紧力。

可见，本发明在螺栓的被连接件上靠近螺栓头部的位置设置超声波发射器和超声波接收器，并预先确定出预紧力计算方法，然后在对螺栓预紧力进行监测时，通过超声波发射器发射超声波检测信号，并使超声波检测信号传播过程中透过螺栓，超声波接收器接收到透过螺栓的超声波接收信号，处理器根据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法即可计算出预紧力，本发明在使用过程中不需要破坏螺栓结构，能够保证螺栓结构强度，并且简单易行，有利于节约人力和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种螺栓预紧力监测设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种螺栓预紧力对特征参数变化的曲线图；

图3为本发明实施例提供的一种螺栓预紧力监测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种螺栓预紧力监测装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种螺栓预紧力监测设备、方法及装置，在使用过程中不需要破坏螺栓结构，能够保证螺栓结构强度，并且简单易行，有利于节约人力和成本。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种螺栓预紧力监测设备的结构示意图。

该螺栓预紧力监测设备，包括处理器1、设置于被连接件2上靠近螺栓头部位置的超声波发射器3和超声波接收器4，超声波发射器发射端3和超声波接收器4的接收端均指向螺栓轴线、且超声波发射器3和超声波接收器4的连线经过轴线；

超声波发射器3，用于发射超声波检测信号；

超声波接收器4，用于接收超声波检测信号通过螺栓后的超声波接收信号；

处理器1，用于依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到螺栓当前的预紧力。

需要说明的是，本发明实施例中预先在螺栓的被连接件2上靠近螺栓头部的位置处设置超声波发射器3和超声波接收器4，使超声波发射器3发射的超声波检测信号能够通过螺栓后传输至超声波接收器4处，并被超声波接收器4接收，得到超声波接收信号，并且本发明实施例中预先确定出根据与超声波接收信号对应的电压检测信号进一步计算出预紧力的方法，然后在超声波接收器4接收到超声波接收信号后，处理器1根据与超声波接收信号4对应的电压检测信号及预设计算方法即可计算出螺栓3当前的预紧力。本发明中只需要在螺栓的被连接件2上靠近螺栓头部的位置设置超声波发射器4和超声波接收器4即可，具体可以采用黏贴的方式进行设置，保证固定牢固即可，以免因车辆运行过程中产生的振动而脱落，本发明结构简单易行，并且不需要破坏螺栓结构，可以保证螺栓结构强度，还无需进行专门的定制，成本也会降低。

具体的，本发明实施例中的超声波发射器3为第一压电陶瓷片，超声波接收器4为第二压电陶瓷片。也即，由于压电陶瓷片比较轻薄、易于粘贴在被连接件2上，并且抗振动能量强，不易随着车辆运行时产生的振动而脱落。

进一步的，本发明实施例中的处理器1，具体可以用于依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出螺栓当前的预紧力；其中：

第一计算关系式的建立过程为：

预先确定出螺栓的基准预紧力，及在基准预紧力下的螺栓对应的电压检测基准信号；

通过改变螺栓的预紧力，得到不同预紧力下的电压检测信号；

依据电压检测基准信号及各个电压检测信号，得到不同预紧力下的特征参数；

根据各组预紧力与特征参数进行二次曲线拟合，得到预紧力与特征参数相关的第一计算关系式。

需要说明的是，在实际应用中可以根据设备的安装扭矩Mn，采用测力螺栓测定此时对应的预紧力Fn，也即按照安装扭矩Mn拧紧螺栓后螺栓的预紧力为Fn，可以将该预紧力Fn作为基准预紧力，以及通过超声波发射器3发射超声波检测信号后，超声波检测信号经过此时的螺栓后，被超声波接收器4接收后得到超声波接收信号，将与该超声波信号对应的电压检测信号作为电压检测基准信号S_b(t)。具体的，当拧紧力矩为其他数值时，也即改变螺栓的预紧力为其他数值，则超声波接收器4接收到的超声波接收信号对应的电压检测信号为S_c(t)，根据电压检测基准信号S_b(t)和电压检测信号S_c(t)，计算出两个信号的相关系数I，然后再进一步计算出特征参数log(I)，也即，通过改变螺栓的预紧力就能够得到与每个预紧力分别对应的特征参数，具体在标定过程中，可以通过熟练工人对螺栓进行拧紧三次以上，每次得到一组预紧力F0和特征参数log(I)，从而得到多组预紧力F0和特征参数log(I)，然后绘制预紧力F0和特征参数log(I)的散点图，进一步进行二次曲线拟合，得到预紧力F和特征参数log(I)相关的第一计算关系式。例如，针对某种类型的螺栓，通过上述方法确定出多组预紧力F0和特征参数log(I)，绘制出预紧力F0和特征参数log(I)的散点图，并进一步进行二次曲线拟合得到拟合曲线，具体如图2所示，此时得到的预紧力F0和特征参数log(I)相关的第一计算关系式具体为：

y＝28043x²+3551x+111.87，其中，F0为y，log(I)为x，误差为±5.6KN。其中，特征参数为log(I)，

其中，s_bi为电压检测基准信号的第i个采样点，s_ci为电压检测信号的第i个采样点，

为电压检测基准信号的平均值，

为电压检测信号的平均值，N为信号采样点总数量。

具体的，根据相关系数的定义，当0<I<1时，表示两个信号存在一定程度的线性相关，且I越接近于1，两个信号间线性关系越密切，I越接近0，两个信号间的线性相关越弱。对于服役过的螺纹连接，预紧力丧失越少S_b(t)和S_c(t)差异越小，I越接近1,；预紧力丧失越多，S_b(t)和S_c(t)差异越大，I越接近于0。

在实际应用中，可以通过实时检测到的电压检测信号S_c(t)计算出相关系数I，然后再进一步计算出log(I)，然后再根据对应的第一计算关系式计算出螺栓当前的预紧力F0，以便根据检测得到的预紧力判断螺栓的松动情况。

更进一步的，处理器1，具体用于根据螺栓类型确定出预先建立的、与螺栓类型对应的第一计算关系式，并依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及第一计算关系式计算出螺栓当前的预紧力。

也即，在实际应用中由于车辆上存在多种类型的螺栓，因此可以预先确定出每种类型的螺栓分别对应的第一计算关系式，并且可以预先建立好螺栓类型、第一计算关系式的对应关系，还可以建立螺栓编号、螺栓类型与超声波接收器编号的对应关系，然后再检测过程中处理器1可以根据获取到的电压检测信号来确定是哪个超声波接收器发送的，从而可以根据超声波接收器的编号来确定出对应的螺栓编号及螺栓类型，并进一步确定出对应的第一计算关系式，然后再计算出预紧力，若根据预紧力确定出对应的螺栓出现问题，也可以根据螺栓编号快速确定出螺栓的位置，以便及时采取运维措施。

可见，本发明在螺栓的被连接件上靠近螺栓头部的位置设置超声波发射器和超声波接收器，并预先确定出预紧力计算方法，然后在对螺栓预紧力进行监测时，通过超声波发射器发射超声波检测信号，并使超声波检测信号传播过程中透过螺栓，超声波接收器接收到透过螺栓的超声波接收信号，处理器根据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法即可计算出预紧力，本发明在使用过程中不需要破坏螺栓结构，能够保证螺栓结构强度，并且简单易行，有利于节约人力和成本。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种螺栓预紧力监测方法，应用于如上述的螺栓预紧力监测设备，具体请参照图3。该方法包括：

S110：获取超声波接收器接收到的超声波接收信号，超声波接收信号为超声波发射器发送的超声波检测信号通过螺栓后形成的；

S120：依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到螺栓当前的预紧力。

进一步的，上述S120中依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到螺栓当前的预紧力的过程，具体可以为：

依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出螺栓当前的预紧力；其中：

第一计算关系式的建立过程为：

预先确定出螺栓的基准预紧力，及在基准预紧力下的螺栓对应的电压检测基准信号；

通过改变螺栓的预紧力，得到不同预紧力下的电压检测信号；

依据电压检测基准信号及各个电压检测信号，得到不同预紧力下的特征参数；

根据各组预紧力与特征参数进行二次曲线拟合，得到预紧力与特征参数相关的第一计算关系式。

其中，上述特征参数为log(I)，

其中，s_bi为电压检测基准信号的第i个采样点，s_ci为电压检测信号的第i个采样点，

为电压检测基准信号的平均值，

为电压检测信号的平均值，N为信号采样点总数量。

另外，上述依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出螺栓当前的预紧力的过程，具体还可以为：

根据螺栓类型确定出预先建立的、与螺栓类型对应的第一计算关系式；

依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及第一计算关系式计算出螺栓当前的预紧力。

需要说明的是，本发明实施例中提供的螺栓预紧力监测方法具体与上述实施例中所提供的螺栓预紧力监测设备相同的有益效果，并且对于本发明实施例中所涉及到的螺栓预紧力监测设备的具体介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还相应的提供了一种螺栓预紧力监测装置，应用于上述的螺栓预紧力监测设备，具体请参照图4。该装置包括：

获取模块21，用于获取超声波接收器接收到的超声波接收信号，超声波接收信号为超声波发射器发送的超声波检测信号通过螺栓后形成的；

计算模块22，用于依据与超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到螺栓当前的预紧力。

需要说明的是，本发明实施例中提供的螺栓预紧力监测装置具体与上述实施例中所提供的螺栓预紧力监测设备相同的有益效果，并且对于本发明实施例中所涉及到的螺栓预紧力监测设备的具体介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种螺栓预紧力监测设备，其特征在于，包括处理器、设置于被连接件上靠近螺栓头部位置的超声波发射器和超声波接收器，所述超声波发射器发射端和所述超声波接收器的接收端均指向所述螺栓轴线、且所述超声波发射器和所述超声波接收器的连线经过所述轴线；

所述超声波发射器，用于发射超声波检测信号；

所述超声波接收器，用于接收所述超声波检测信号通过所述螺栓后的超声波接收信号；

所述处理器，用于依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到所述螺栓当前的预紧力。

2.根据权利要求1所述的螺栓预紧力监测设备，其特征在于，所述处理器，具体用于依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力；其中：

所述第一计算关系式的建立过程为：

预先确定出螺栓的基准预紧力，及在所述基准预紧力下的螺栓对应的电压检测基准信号；

通过改变所述螺栓的预紧力，得到不同预紧力下的电压检测信号；

依据所述电压检测基准信号及各个所述电压检测信号，得到不同预紧力下的特征参数；

根据各组预紧力与特征参数进行二次曲线拟合，得到预紧力与特征参数相关的第一计算关系式。

3.根据权利要求2所述的螺栓预紧力监测设备，其特征在于，所述依据所述特征参数为log(I)，所述

其中，s_bi为电压检测基准信号的第i个采样点，s_ci为电压检测信号的第i个采样点，

为电压检测基准信号的平均值，

为电压检测信号的平均值，N为信号采样点总数量。

4.根据权利要求2所述的螺栓预紧力监测设备，其特征在于，所述处理器，具体用于根据所述螺栓类型确定出预先建立的、与所述螺栓类型对应的第一计算关系式，并依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及所述第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力。

5.根据权利要求1所述的螺栓预紧力监测设备，其特征在于，所述超声波发射器为第一压电陶瓷片，所述超声波接收器为第二压电陶瓷片。

6.一种螺栓预紧力监测方法，应用于如权利要求1所述的螺栓预紧力监测设备，其特征在于，所述方法包括：

获取超声波接收器接收到的超声波接收信号，所述超声波接收信号为超声波发射器发送的超声波检测信号通过螺栓后形成的；

依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到所述螺栓当前的预紧力。

7.根据权利要求6所述的螺栓预紧力监测方法，其特征在于，所述依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到所述螺栓当前的预紧力为：

依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力；其中：

所述第一计算关系式的建立过程为：

预先确定出螺栓的基准预紧力，及在所述基准预紧力下的螺栓对应的电压检测基准信号；

通过改变所述螺栓的预紧力，得到不同预紧力下的电压检测信号；

依据所述电压检测基准信号及各个所述电压检测信号，得到不同预紧力下的特征参数；

根据各组预紧力与特征参数进行二次曲线拟合，得到预紧力与特征参数相关的第一计算关系式。

8.根据权利要求7所述的螺栓预紧力监测方法，其特征在于，所述特征参数为log(I)，所述

其中，s_bi为电压检测基准信号的第i个采样点，s_ci为电压检测信号的第i个采样点，

为电压检测基准信号的平均值，

为电压检测信号的平均值，N为信号采样点总数量。

9.根据权利要求7所述的螺栓预紧力监测方法，其特征在于，所述依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预先建立的第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力的过程为：

根据所述螺栓类型确定出预先建立的、与所述螺栓类型对应的第一计算关系式；

依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及所述第一计算关系式计算出所述螺栓当前的预紧力。

10.一种螺栓预紧力监测装置，应用于如权利要求1所述的螺栓预紧力监测设备，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于获取超声波接收器接收到的超声波接收信号，所述超声波接收信号为超声波发射器发送的超声波检测信号通过螺栓后形成的；

计算模块，用于依据与所述超声波接收信号对应的电压检测信号及预设计算方法得到所述螺栓当前的预紧力。

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