CN113188709A - 一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，该垫圈可以发生变形，包括垫圈主体、两个应变片、一个集成电路板和嵌入在弹性体上的小支撑件，垫圈外形类似马鞍状，但其和普通常用鞍形弹性垫圈的区别在于：鞍形两边加工出了四个端平面，而且鞍形凹处上、下面多加工出了四个弧面，所述四个弧面的两个下凹面粘贴有相同的两个应变片和嵌入有八个对称的小支撑件，垫圈两侧开设有放置微型集成电路板的凹槽，与一端凹槽相连的有开设的引线槽。本发明实用性强、灵敏度高，并且引线槽和放置微型集成电路板的凹槽的设置使结构与功能具有一体化的特点，在达到实时监测螺栓预紧力和防松目的的前提下，又可以达到降本增效、广泛使用的目的，具有广阔的应用前景，再加上该垫圈和普通鞍形垫圈材质一样，因此可作为智能垫圈长期使用。
Description
技术领域：
本发明涉及一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，属于机械工程螺栓连接技术和传感器技术结合的领域。
背景技术：
螺栓连接应用于各行各业，具有强化连接、密封等作用。在大多情况下，螺栓连接长时间受到碰撞和冲击时，螺栓就会发生松动或失效，最后出现连接件分离、泄露等重大事故。因此，现今大多数螺栓采用增加垫圈的方式进行连接，当垫圈被压后，产生反弹力，增加螺纹间的摩擦力，以此摩擦力来有效防止螺栓的松动。从这一点出发，技术研究人员想到在垫圈里增加监测螺栓松动的传感器来对设备的安全进行预知。随着现代自动化技术的发展，国家对“无人安全监测”技术加大关注，因此采用应变片式垫圈传感器的需求越来越旺盛。
螺栓使用时必须拧紧，在拧紧时螺栓受到拉伸载荷的作用，从而受到轴向的拉力，这种力称为预紧力。当螺栓松动或失效时，其间预紧力会发生变化，以此为出发点，在现有的技术中大多采用监测螺栓预紧力和扭矩的方法。扭矩测量法：当螺栓拧紧时存在一个扭矩力，螺栓松动时，扭矩发生变化，可采用扭矩仪对螺栓连接进行定时检测，但由于扭矩仪感应在动力头上，检测时不稳定，会产生测量误差，且操作人员不能实时监测；应变式传感器法：如上文所述，在垫圈里增加应变片来感应螺栓预紧力的变化，但在现有技术中，垫片里的架构过于复杂，采用应变片过多，外接电路复杂，导致制造成本高，并不能解决根本性问题。
发明内容：
针对上述问题存在的不足，本发明提供一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，在类似鞍形垫圈的结构上设置四个端平面，在垫圈下凹处弧面上嵌入小支撑件和粘贴应变片，两个下凹面粘贴两个相同的应变片，所述应变片的引出线经过引线槽连接到凹槽处的微型集成电路板上。在垫圈主体受到的预紧力改变时，应变片感受到垫圈主体发生形变，经引线传输到微型集成电路板上，通过微型集成电路板把感受到的形变信号经过无线通讯的方式传输出去，能有效提高对螺栓预紧力监测的效率。通过在连接电路无线传输原理、粘贴应变片位置及数量和垫圈外形构造等角度上进行改进，不但能实时监测螺栓的预紧力，也能降低成本问题。
为了达到上述要求，一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，其特征在于，包括类似马鞍状的鞍形垫圈主体、两个应变片、一个集成电路板和八个小支撑件，所述垫圈结构设置有四个端平面、四个弧面、两个引线槽和两个凹槽，在所述四个弧面的下凹面上粘贴有应变片和嵌入有支撑件，所述的支撑件相同，数量为8个，所述的应变片也相同，数量为2个，通过把应变片的引出线经过引线槽引出，接到凹槽处的微型集成电路板上，可接电桥电路、放大器、A/D转换电路等，再经过微处理器、接插件，经过无线通讯模块传输到云端，可再接到数据库，进行数据的传输和工作人员的实时监测。
优选地，所述垫圈主体外形类似马鞍状的鞍形。
优选地，所述鞍形垫圈结构设置有端平面，平面数量为4个。
优选地，所述鞍形垫圈结构设置有弧面，弧面数量为4个，两个下凹面和两个上凸面。
优选地，所述的两个下凹面粘贴有相同的应变片，应变片数量为2个。
优选的，所述的两个下凹面嵌入有相同的支撑件，支撑件数量为8个。
优选地，所述鞍形垫圈主体设置有两个应变片引线引出槽。
优选地，所述鞍形垫圈主体设置有两个凹槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、该鞍形垫圈上嵌入的8个小支撑件，当弹性垫圈运用于螺栓连接被压平时，小支撑件起到保护应变片不受挤压的作用；
2、鞍形垫圈主体凹处设置有四个弧面，四个弧面的两个下凹面粘贴有相同的应变片，当垫圈主体受到的预紧力改变时，应变片感应出由螺栓连接振动而引起垫圈主体发生形变的信号，经过引线槽和凹槽的传输、处理控制、无线通讯，方便工作人员的远距离实时监测；
3、通过考虑应变片粘贴位置及数量、垫圈外形构造和集成电路板设计原理，在达到实时监测螺栓预紧力的前提下，使结构与功能具有一体化的特点，具有广阔的应用前景，再加上该垫圈和普通鞍形垫圈材质一样，从而可以达到实用性强、成本低的目的，可作为智能垫圈长期使用。
附图说明：
为更清楚说明本发明现有技术中的技术方案，下面对本发明和现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明提供的一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈的结构示意图；
图2为鞍形垫圈主体的正视图；
图3为鞍形垫圈主体的俯视图；
图4为鞍形垫圈凹槽处集成电路板的剖面视图；
图5为本发明的工作状态示意图。
附图标记说明：
1、弹性主体；2和3、应变片；4、5、6和7、端平面；8和9、凹槽；10、微型集成电路板；11和12、引线；13和14、引线槽；15、接插件；16、插头；17、小支撑件；18和19、下凹面；20、皮垫圈；21、连接板；22、螺母。
D、垫圈外径；d、垫圈内径；L、端平面宽度；H、垫圈厚度；h、鞍形梁处厚度。
具体实施方式：
本发明涉及一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，并不是全部的实施例。
请参阅图1-5本发明提供一种技术方案，一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，包括垫圈主体1、应变片2、应变片3和集成电路板10，所述弹性垫圈主体外形类似马鞍状鞍形，所述垫圈主体结构设置有四个端平面4、5、6、7，还设置有两个凹槽4和5、两个引线槽13和14，所述垫圈主体鞍形凹处设置有四个弧面，所述四个弧面的两个下凹面弧面18和弧面19嵌入有8个相同的小支撑件17，同时在两个弧面18和19上利用应变胶剂粘贴有相同的两个应变片2和3，把所述两个应变片的引出线经过引线11和引线12穿过引线槽13和14引出，与凹槽9处上的微型集成电路板10连接。同时，该垫圈的尺寸比例是根据常用螺栓连接进行设计的，也可根据实际使用情况进行尺寸大小的调整，具有较强的适用能力。
两个下凹面上的应变片引出线11和12经过引线槽13和14，连接到微型集成电路板10上的电桥电路，根据实际螺栓连接使用的情况，电桥电路可连接放大器，再连接微处理器、接插件15，其中微型集成电路板10通过插头16进行供电，经过无线通讯模块，把信号传输到云端，进入数据库，再进行数据传输，方便工作人员对螺栓连接使用情况进行实时监测。
工作原理：对于这类的垫圈，当运用于螺栓连接处时，将螺栓依次穿过连接板21、皮垫圈20、弹性垫圈主体1和螺母22，并将螺母旋紧，弹性垫圈是被压紧，此时，嵌入在下凹面上的小支撑件17就可以很好地保护应变片2和应变片3不受损害。当螺栓连接处于工作状态时，由于鞍形垫圈被压紧从而受到沿轴向的一个力，此力称为预紧力。因外部因素螺栓连接长时间发生振动和碰撞时，该垫圈受到的预紧力发生变化，螺栓连接发生松动，弹性垫圈主体1想改变被压平的状态，由此力发生一定的形变，与此同时，粘贴在弹性主体上的应变片2和应变片3感应到形变信号，发生一定的微应变，受到横向的拉应力，导致应变片阻值发生变化，从而经过应变片引出线11和12通过引线槽13和14接到凹槽9处的微型集成电路板10上，通过集成电路板上的电桥电路、放大器、A/D转换电路，微处理器等处理，在经过无线发射模块发送到接收模块，从而进一步对接收到的信号进行处理，分析得出螺栓连接是否发生松动或断裂。同时，由于弹性垫圈主体设置有四个端平面4、5、6、7，因此该垫圈也可以起到很好的防松作用。
使用时，可对该智能垫圈进行保护，对应变片2、3及其引出线11、12进行防潮和防锈保护，可采用防锈、防潮剂进行涂抹，也可对微型集成电路板10涂抹防潮剂或采用防潮电路板，以增加该智能垫圈的使用寿命。
综上所述，本发明考虑弹性垫圈结构、粘贴应变片数量和位置、应变片受力方向、电桥电路原理以及经济成本等问题，设计出了能实时监测螺栓预紧力变化的应变式垫圈传感器，同时该垫圈具有很好的防松能力。此外，应当理解虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个步骤方式仅包含一种技术方法，因此，此说明书的实施步骤仅仅是本人的设计思路，相关技术人员可以理解其他的实施方式。凡在本发明的思想和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，其特征在于，包括弹性主体1、应变片2、应变片3和集成电路板10，所述弹性主体1的两端设置有四个端平面4、5、6、7，所述弹性主体1的凹处设置有四个弧面，所述四个弧面可分为两个下凹面和两个上凸面，所述的两个下凹面粘贴有两个相同的应变片，即所述的应变片2和应变片3，所述两个应变片的引出线通过引线11和引线12引出，再连接到微型集成电路板10上，所述集成电路板设置有插接件15和插头16，所述弹性主体1从俯视图上看上去为圆环形垫圈，外形结构为马鞍状，其外形大致和普通鞍形垫圈一致。
2.根据权利要求1所述的一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，其特征在于，所述垫圈主体1的外径为垫圈主体厚度的1.5-6.5倍。
3.根据权利要求1所述的一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，其特征在于，所述垫圈主体1结构上粘贴的两个应变片受到的既可以是拉应力也可以是压应力。
4.根据权利要求1所述的一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，其特征在于，所述弹性垫圈主体1的结构内部设置有两个凹槽，即凹槽8和凹槽9，所述微型集成电路板10固定在凹槽9处。
5.根据权利要求1所述的一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，其特征在于，所述弹性垫圈主体1的结构内部开设有两个引线槽，即引线槽13和引线槽14，所述两个引线槽与凹槽9相通使结构与功能具有一体化的优点。
6.根据权利要求1所述的一种可动态监测螺纹联结预紧力的传感器式弹性垫圈，其特征在于，所述垫圈主体1的下凹面上嵌入有支撑件17，数量为8个，对称嵌入。
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| CN115031885A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-09-09 | 浙江维思无线网络技术有限公司 | 螺栓紧固力监测装置及其监测方法 |
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