CN113790843A - 一种法兰连接螺栓松动在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，在法兰连接处布置一组位移传感器，在试验或CAE有限元分析场景和法兰实际工作条件下，分别测量不同主要载荷情况下各个传感器的横纵向位移，对比判断法兰螺栓是否严重松动或断裂。本发明提供的一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，同时考虑了两测量点间沿法兰轴向的相对位移和沿法兰边缘切向的相对位移，这两个位移均与螺栓松动或断裂有关，可更加准确地监测螺栓严重松动或断裂问题，具有对螺栓松动反应敏感、监测结果精度高、应用范围广、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，属于法兰螺栓监测领域。
背景技术
法兰连接是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接，法兰连接结构在目前工业领域中极其常见，发挥着十分重要的作用。法兰连接结构中的螺栓在交变载荷作用下，承受拉、压循环作用。在拉、压交变载荷作用下，螺纹发生塑性变形而导致松弛，将导致螺栓预紧力减小。预紧力过小会造成连接的不可靠，工作时产生振动松弛、泄露、结构滑移等现象，从而影响机器正常工作；如果螺栓紧固的预紧力过大，导致螺栓在载荷作用下极易断裂，从而削弱了连接节点的承载力，严重时可能诱发结构失稳。因此为了防止螺栓预紧力的减少或消失，用力矩扳手检查螺栓的预紧力是定期维护的一项重要内容。运维地处偏远地带时，螺栓预紧力的定期检查运维策略一般为半年进行一次。这项工作既费时又费力，加之工作人员个人主观和客观方面的多因素影响，并不能保证每次及时发现和消除螺栓松动问题，所以有必要对螺栓松动进行在线监测。
因在法兰上安装传感器，通过监测法兰状态来监测螺栓松动的技术方案具有原理简单直观、现场安装方便、技术可靠性高等优点，目前市场上已有厂家开发通过监测法兰状态来监测螺栓松动的监测系统。
目前通过监测法兰状态来监测螺栓松动的主流技术方案是通过单一方向测距的位移传感器实时监测法兰螺栓松动状况，该技术方案存在如下缺点：
(1)只有当法兰连接螺栓严重松动或螺栓连接处受到极端载荷的情况下，两被连接法兰之间才可能出现间隙，此时位移传感器才能监测到明显位移；当螺栓已松动，但两被连接法兰之间无间隙时，位移传感器无法监测到明显位移，监测精度低。
(2)当法兰受到弯矩载荷作用时，靠近施加弯矩的法兰前端会产生轴向拉伸性位移，远离施加弯矩的法兰后端会产生轴向压缩性位移，安装在这两个位置的轴向位移传感器都可明显监测到位移变化。法兰中部的轴向位移很小，但上下法兰间可能产生较大的沿法兰边缘的切向位移，安装在该部位的轴向位移传感器可能无法有效监测切向位移，无法有效显示出法兰中部的螺栓松动状态和载荷状态。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，同时考虑了两测量点间沿法兰轴向的相对位移和沿法兰边缘切向的相对位移，这两个位移均与螺栓松动或断裂有关，可更加准确地监测螺栓严重松动或断裂问题，具有对螺栓松动反应敏感、监测结果精度高、应用范围广、成本低的优点。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，包括以下步骤：
S1、在法兰连接处的内圆周或外圆周均匀地布置一组位移传感器；
所述位移传感器包括壳体、限位块以及位于壳体内的传感模块，传感模块的一端由壳体内伸出并固定于限位块上，所述传感模块包括纵向传感单元、隔离支撑板和横向传感单元，其中纵向传感单元包括纵向PCB组件、纵向滑动基体、纵向高精密磁铁和纵向滑杆，横向传感单元包括横向PCB组件、横向滑动基体、横向高精密磁铁和横向滑杆，所述隔离支撑板固定于壳体上，纵向PCB组件和横向PCB组件分别位于隔离支撑板的上下面并与隔离支撑板固定连接，所述纵向PCB组件、横向PCB组件与隔离支撑板间均固定有隔离垫片；所述纵向滑动基体和横向滑动基体分别位于纵向PCB组件和横向PCB组件上远离隔离支撑板的一面，纵向滑动基体上沿传感器的长度方向设置有纵向滑道孔，纵向滑杆安装于纵向滑道孔内并固定于壳体上，纵向滑动基体沿纵向滑杆滑动，纵向高精密磁铁固定于纵向滑动基体上靠近纵向PCB组件的一面并随纵向滑动基体同步移动，纵向滑动基体的前端连接固定有连接头，连接头的前端固定于限位块上；所述横向滑动基体上沿传感器的宽度方向设置有横向滑道孔，横向滑杆安装于横向滑道孔内并固定于壳体上，横向滑动基体沿横向滑杆滑动，横向高精密磁铁固定于横向滑动基体上靠近横向PCB组件的一面并随横向滑动基体同步移动，横向滑动基体的前端固定连接有连接杆，连接杆与限位块紧密接触且在限位块的带动下沿垂直于传感器安装的方向来回移动，所述限位块与连接头和连接杆的接触面为光滑表面；所述纵向滑杆和横向滑杆的两端均套设有限位弹簧，限位弹簧限制纵向滑动基体或横向滑动基体在自由状态下处于纵向滑杆或横向滑杆上的中间位置；
位移传感器的壳体通过安装垫块安装于下法兰的下边缘，位移传感器的限位块通过安装垫块安装于上法兰的上边缘；通过调整位移传感器限位块的安装垫块和壳体的安装垫块，使得传感器纵向相对位移监测方向与法兰轴向方向相同，横向相对位移监测方向与法兰边缘切向方向相同，即位移传感器监测到的纵向相对位移即为两监测点间的轴向相对位移，位移传感器监测到的横向相对位移即为两监测点沿法兰边缘切向的相对位移；
S2、设位移传感器限位块安装垫块下边缘中点记为A点，位移传感器壳体安装垫块上边缘中点记为B点，每个位移传感器分别采集A点和B点间的轴向相对位移以及两点沿法兰边缘的切向相对位移；
S3、通过试验或CAE有限元分析的方式确定当螺栓拧紧力矩由100％设计值减小至80％设计值后，在不同种类的主要载荷下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值；
S4、在法兰实际工作条件下，实时监测法兰在承受各类主要载荷条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值；
S5、对比试验或CAE有限元分析场景下以及法兰实际工作条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值，判断法兰螺栓是否严重松动或断裂。
步骤S3具体包括以下过程：
S3.1、通过试验或CAE有限元分析的方式，先对所有螺栓施加100％拧紧力矩设计值，再将各位移传感器A点和B点间的相对位移置零；
S3.2、将拧紧力矩由100％设计值减小至80％设计值，然后在法兰上依次施加n种法兰在工作过程中受到的主要载荷，n种主要载荷记为工作载荷组{W1，W2，……，Wn}，记录在任意第i种主要载荷Wi下任意第m个位移传感器A点和B点间的相对位移△Lm_i_80％，以及该位移传感器A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移△Hm_i_80％；当该位移传感器A点和B点间轴向相对位移沿轴向伸长方向时，△Lm_i_80％取正值；当轴向相对位移沿轴向压缩方向时，△Lm_i_80％取负值；△Hm_i_80％取绝对值。
步骤S4具体包括以下过程：
S4.1、在法兰实际工作条件下，对所有法兰螺栓施加100％设计拧紧力矩后，将所有位移传感器的轴向相对位移和沿法兰边缘切向相对位移置零；
S4.2、采集法兰在承受各类主要载荷的条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值，其中第m个位移传感器在收到第i种主要载荷时A点和B点间的轴向相对位移记为△Lm_i，该位移传感器A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移分别记为△Hm_i。
步骤S5主要根据以下逻辑判断法兰螺栓是否松动或断裂：
a、当△Lm_i为正值时，若△Lm_i≥△Lm_i_80％，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险；
b、不管△Lm_i为值正或负值，若
或△Hm_i≥△Hm_i_80％，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险。
所述限位块上沿传感器安装方向设置有安装孔，安装孔贯穿限位块，连接杆连接于安装孔内并与安装孔紧密接触，所述安装孔的表面光滑；所述连接杆设置有两根，连接杆位于限位块的两侧并与限位块紧密接触；所述连接杆靠近限位块的侧面上设置有固定连接的凸出块和调节螺钉，通过调整螺钉调节凸出块的伸出高度，使得凸出块与限位块表面紧密接触，所述凸出块的表面光滑。
所述纵向PCB组件、横向PCB组件和隔离支撑板与隔离垫片之间通过螺栓连接或粘接固定；所述隔离支撑板两侧固定连接有耳板，隔离支撑板与外壳通过耳板固定连接，隔离支撑板为高磁阻性材料制成。
所述限位块或壳体与安装垫块通过粘接或磁铁吸附连接。
所述连接头的前端连接有磁体，连接头和限位块通过磁体连接固定，所述磁体为强磁性永磁体。
所述纵向PCB组件和横向PCB组件均包括用于捕获因纵向高精密磁铁和横向高精密磁铁移动而产生磁场变化信号的高精度电磁感应芯片、将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机的单片机、用于采集环境温度数据的温度传感芯片、用于采集环境振动讯号的振动传感芯片以及防电磁干扰电路，温度传感芯片和振动传感芯片与单片机连接。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，在壳体和限位块的底部分别设置安装垫块，可减小传感器壳体底部与法兰的接触面积，以增大测量点A、B的距离，限位块靠近上法兰的上边缘，位移传感器壳体安装垫块靠近下法兰的下边缘，既可监测当法兰间出现间隙时导致的两监测点位移增加的情况，又可监测在法兰间未出现间隙，但因螺栓严重松动或断裂，法兰被压缩量减小，所导致的两监测点相对位移增加的情况，对螺栓松动或断裂问题监测灵敏度高，可提前发现螺栓严重松动或断裂问题；
(2)本发明提供的一种法兰连接螺栓松动在线监测方法同时考虑了两测量点间沿法兰轴向的相对位移和沿法兰边缘切向的相对位移，这两个位移均与螺栓松动或断裂有关，可更加准确地监测螺栓严重松动或断裂问题；
(3)本发明提供的一种法兰连接螺栓松动在线监测方法可有效监测法兰受到弯矩载荷作用时，法兰中部的法兰边缘切向位移情况，可及时发现法兰中部的螺栓严重松动或断裂问题。
附图说明
图1为实施例1中位移传感器的内部结构示意图；
图2为实施例1中位移传感器的外部结构示意图；
图3为实施例1中位移传感器的内部结构俯视图；
图4为实施例1中安装垫块与外壳连接示意图；
图5为实施例1中纵向PCB组件、横向PCB组件与隔离支撑板固定连接示意图；
图6为实施例1中纵向滑动基体、纵向高精密磁铁和纵向滑杆的连接示意图；
图7为实施例1中横向滑动基体的结构示意图；
其中(a)和(b)分别为不同方向的结构图；
图8为实施例1中横向滑动基体、横向高精密磁铁和横向滑杆的连接示意图；
图9实施例1中位移传感器的安装示意图；
图10为实施例2提供的同时监测横向和纵向的位移传感器的外部结构示意图；
图11为实施例2中横向滑动基体的结构示意图；
图中：1-壳体，2-限位块，3-安装垫块，4-纵向传感单元，41-纵向PCB组件，42-纵向滑动基体，421-纵向滑道孔，422-连接头，43-纵向高精密磁铁，44-纵向滑杆，5-横向传感单元，51-横向PCB组件，52-横向滑动基体，521-横向滑道孔，522-连接杆，53-横向高精密磁铁，54-横向滑杆，6-隔离支撑板，61-耳板，7-螺栓，8-隔离垫片，9-限位弹簧，10-磁体，11-凸出块，12-调节螺钉，13-上法兰，14-下法兰，15-法兰螺栓，16-位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
参照图1至图9，本发明提供了一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，包括以下步骤：
S1、在法兰连接处的内圆周或外圆周均匀地布置4个位移传感器16；
位移传感器至少包括壳体1、限位块2以及位于壳体内的传感模块，用于监测上下法兰的位移变化，具体地，当限位块和壳体的安装面处于同一平面上时，限位块和壳体直接固定于两个被测的部件上，当限位块和壳体的安装面处于不同平面上时，所述限位块和壳体通过安装垫块3固定于两个被测的部件上，如图2和图4所示，通过调整限位块或壳体上连接的安装垫块的厚度，使安装完成后的传感器整体处于一个平面上。本实施例中，限位块和壳体与安装垫块通过粘接或磁铁吸附连接。
所述传感模块包括纵向传感单元4、隔离支撑板6和横向传感单元5，其中纵向传感单元包括纵向PCB组件41、纵向滑动基体42、纵向高精密磁铁43和纵向滑杆44；横向传感单元包括横向PCB组件51、横向滑动基体52、横向高精密磁铁53和横向滑杆54。
所述隔离支撑板两侧固定连接有耳板，隔离支撑板与外壳通过耳板61固定连接，纵向PCB组件和横向PCB组件分别位于隔离支撑板的上下面并与隔离支撑板固定连接，如图5所示，使纵向PCB组件和横向PCB组件固定于壳体上。本实施例中，纵向传感单元整体位于隔离支撑板的下方，横向传感单元整体位于隔离支撑板的上方，在实际生产时，纵向传感单元和横向传感单元整体的位置可以随意更换。隔离支撑板为高磁阻性材料制成，避免纵向传感单元和横向传感单元之间电磁信号相互干扰。具体地，所述纵向PCB组件、横向PCB组件与隔离支撑板通过螺栓连接或粘接固定，本实施例中通过位于四角的螺栓7连接固定，且纵向PCB组件、横向PCB组件与隔离支撑板之间均设置有隔离垫片8，隔离垫片的设置进一步减小了纵向传感单元和横向传感单元之间电磁信号相互干扰的可能性。
所述纵向滑动基体和横向滑动基体分别位于纵向PCB组件和横向PCB组件上远离隔离支撑板的一面，纵向滑动基体上沿传感器的长度方向设置有纵向滑道孔421，纵向滑杆安装于纵向滑道孔内并固定于壳体上，纵向滑杆的两端均套设有限位弹簧9，限位弹簧限制纵向滑动基体在自由状态下处于纵向滑杆的中间位置，纵向滑动基体沿纵向滑杆滑动，纵向高精密磁铁固定于纵向滑动基体上靠近纵向PCB组件的一面并随纵向滑动基体同步移动，纵向滑动基体、纵向高精密磁铁和纵向滑杆的连接如图6所示。纵向滑动基体的前端连接固定有连接头422，连接头的前端固定于限位块上，所述连接头的前端连接有磁体10，连接头和限位块通过磁体连接固定，所述磁体为强磁性永磁体，可保证纵向滑动基体与限位块接触良好，当被测的两部件发生纵向相对位移时，限位块带动纵向滑动基体移动。限位块与连接头的接触面为光滑表面，这样当被测的两部件发生横向相对位移时，限位块与连接头发生横向相对移动，而不影响纵向滑动基体。
所述横向滑动基体上沿传感器的宽度方向设置有横向滑道孔521，横向滑杆安装于横向滑道孔内并固定于壳体上，横向滑杆的两端也套设有限位弹簧，限位弹簧限制横向滑动基体在自由状态下处于横向滑杆上的中间位置，横向滑动基体沿横向滑杆滑动，横向高精密磁铁固定于横向滑动基体上靠近横向PCB组件的一面并随横向滑动基体同步移动，横向滑动基体、横向高精密磁铁和横向滑杆的连接如图7和图8所示。横向滑动基体的前端固定连接有连接杆522，本实施例中，所述连接杆设置有两根，连接杆位于限位块的两侧，所述连接杆靠近限位块的侧面上设置有固定连接的凸出块11和调节螺钉12，通过调整螺钉调节凸出块的伸出高度，使得凸出块与限位块表面紧密接触，便于传感器的安装，当被测的两部件发生向左或向右的横向相对位移时，限位块带动左侧连接杆或右侧连接杆移动，从而带动横向滑动基体移动。所述凸出块的表面光滑，这样当被测的两部件发生纵向相对位移时，限位块与连接杆发生纵向相对移动，而不影响横向滑动基体。
所述纵向PCB组件和横向PCB组件均包括用于捕获因纵向高精密磁铁和横向高精密磁铁移动而产生磁场变化信号的高精度电磁感应芯片、将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机的单片机、用于采集环境温度数据的温度传感芯片、用于采集环境振动讯号的振动传感芯片以及防电磁干扰电路，温度传感芯片和振动传感芯片与单片机连接。其中温度传感芯片为一款精密集成数字温度传感芯片，具有高分辨率的特性，测量精度为±0.5℃。温度传感芯片先采样外部环境的温度数据，然后和单片机通过I2C协议，把采样值传给单片机；单片机把采集过来的温度数据计算后，通过信号通讯传给上位机。振动传感芯片采用业界领先的芯片，具有高分辨率、极低功耗和长期稳定的特性；振动传感芯片的分辨率为1mg，测量范围为±5g，可同时采集X轴、Y轴、Z轴的振动量。振动传感芯片首先采样外界的振动讯号，然后内部转化为电平信号传给单片机；单片机把采集过来的振动数据计算后，通过信号通讯传给上位机。温度感应芯片和振动感应芯片能够实时监测环境状况获取环境的温度数据和振动数据，通过结合单片机内部预先设定的数据模型(将高精度位移传感器模拟实际安装固定在间隙两侧，将间隙固定为零，然后将间隙部件连同高精度位移传感器整体置于温度可调的密闭空间内；通过升温、降温模拟高精度位移传感器处于不同的温度环境下，记录高精度位移传感器受温度形变造成的位移偏移；再通过在不同温度下，将间隙部件连同高精度位移传感器置于振动台上，通过调节不同的振动条件模拟高精度位移传感器处于不同的振动环境，记录其受振动影响造成的位移偏移；重复上叙操作，统计计算出高精度位移传感器受温度、振动影响造成的位移偏移平均值，从而建立数据模型，写入高精度位移传感器的单片机内)，可自动修正由于受环境温度变化和环境振动变化而造成的测量误差，从而极大的提高产品持续监测的测量精度；并将修正后的位移数据与温度数据、振动数据打包发送给上位机。
当两被测部件间纵向距离减小时，纵向滑动基体受到限位块纵向推力作用，纵向滑动基体将沿纵向滑杆向壳体内部滑动，纵向滑动基体的纵向滑动位移值即为被测两部件间相对位移的减小值；当两被测部件间距离增加时，纵向滑动基体受到限位块纵向拉力作用，纵向滑动基体将沿纵向滑杆向壳体外部滑动，此时纵向滑动基体的纵向滑动位移值即为两被测部件间相对位移的增加值。纵向滑动基体上设置有高精密磁铁，当纵向滑动基体沿纵向滑杆滑动时，纵向PCB组件上的高精度电磁感应芯片周围的磁场将发生变化，单片机将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机，实现纵向相对位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。
当限位块与壳体间出现横向相对位移时，横向滑动基体受到限位块横向推力作用，横向滑动基体将沿横向滑杆滑动，横向滑动基体沿横向的滑动位移值等于限位块相对于壳体的横向相对位移。横向滑动基体上设置有高精密磁铁，当横向滑动基体沿横向滑杆滑动时，横向PCB组件上的高精度电磁感应芯片周围的磁场将发生变化，单片机将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机，实现横向相对位移的测量，精度可达0.5μm，可保持微米级精度持续监测产品的高精度相对位移。
所述限位块上沿传感器安装方向设置有安装孔，安装孔贯穿限位块，连接杆连接于安装孔内并与安装孔紧密接触，所述安装孔的表面光滑；所述连接杆设置有两根，连接杆位于限位块的两侧并与限位块紧密接触；所述连接杆靠近限位块的侧面上设置有固定连接的凸出块11和调节螺钉12，通过调整螺钉调节凸出块的伸出高度，使得凸出块与限位块表面紧密接触，所述凸出块的表面光滑。
所述纵向PCB组件、横向PCB组件和隔离支撑板与隔离垫片之间通过螺栓7连接或粘接固定；所述隔离支撑板两侧固定连接有耳板61，隔离支撑板与外壳通过耳板固定连接，隔离支撑板为高磁阻性材料制成。
所述限位块或壳体与安装垫块通过粘接或磁铁吸附连接。
所述连接头的前端连接有磁体10，连接头和限位块通过磁体连接固定，所述磁体为强磁性永磁体。
所述纵向PCB组件和横向PCB组件均包括用于捕获因纵向高精密磁铁和横向高精密磁铁移动而产生磁场变化信号的高精度电磁感应芯片、将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机的单片机、用于采集环境温度数据的温度传感芯片、用于采集环境振动讯号的振动传感芯片以及防电磁干扰电路，温度传感芯片和振动传感芯片与单片机连接。
位移传感器的壳体通过安装垫块3安装于下法兰14的下边缘，位移传感器的限位块通过安装垫块3安装于上法兰13的上边缘；通过调整位移传感器限位块的安装垫块和壳体的安装垫块，使得传感器纵向相对位移监测方向与法兰轴向方向相同，横向相对位移监测方向与法兰边缘切向方向相同，即位移传感器监测到的纵向相对位移即为两监测点间的轴向相对位移，位移传感器监测到的横向相对位移即为两监测点沿法兰边缘切向的相对位移。
S2、设位移传感器限位块安装垫块下边缘中点记为A点，位移传感器壳体安装垫块上边缘中点记为B点，每个位移传感器分别采集A点和B点间的轴向相对位移以及两点沿法兰边缘的切向相对位移。
S3、通过试验或CAE有限元分析的方式确定当螺栓拧紧力矩由100％设计值减小至80％设计值后，在不同种类的主要载荷下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值。具体包括以下过程：
S3.1、通过试验或CAE有限元分析的方式，先对所有螺栓施加100％拧紧力矩设计值，再将各位移传感器A点和B点间的相对位移置零；
S3.2、将拧紧力矩由100％设计值减小至80％设计值，然后在法兰上依次施加n种法兰在工作过程中受到的主要载荷，n种主要载荷记为工作载荷组{W1，W2，……，Wn}。
当法兰应用在不同设备或结构中，所受的载荷形式不同。
以风电机组塔筒法兰为例，其所承受的主要载荷是风载产生的弯矩、推力和法兰上方的风电机组重力，弯矩、推力的大小、方向与风力大小、方向相关，重力载荷与法兰所在位置有关。因此在风力、风向一定的情况下，该法兰所承受的弯矩、推力、法兰上方的风电机组重力就是一定的，此时可将法兰所承受的弯矩、推力和法兰上方的风电机组重力的组合看成是一种载荷。当风力、风向变化后，产生的弯矩、推力和重力组合将被看成另一种载荷。选取主要的、有限数量的风力、风向组合，即可设计合适的工作载荷组进行试验。
记录在任意第i种主要载荷Wi下任意第m个位移传感器A点和B点间的相对位移△Lm_i_80％，以及该位移传感器A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移△Hm_i_80％；当该位移传感器A点和B点间轴向相对位移沿轴向伸长方向时，△Lm_i_80％取正值；当轴向相对位移沿轴向压缩方向时，△Lm_i_80％取负值；△Hm_i_80％取绝对值。
S4、在法兰实际工作条件下，实时监测法兰在承受各类主要载荷条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值。具体包括以下过程：
S4.1、在法兰实际工作条件下，对所有法兰螺栓施加100％设计拧紧力矩后，将所有位移传感器的轴向相对位移和沿法兰边缘切向相对位移置零；
S4.2、采集法兰在承受各类主要载荷的条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值，其中第m个位移传感器在收到第i种主要载荷时A点和B点间的轴向相对位移记为△Lm_i，该位移传感器A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移分别记为△Hm_i。
仍以风电机组塔筒法兰为例，结合其他监测装置对风力和风向的采集数据，能够确定当前轴向或切向相对位移具体对应工作载荷组中的哪一类主要载荷，进而进入后续逻辑判断步骤。
S5、对比试验或CAE有限元分析场景下以及法兰实际工作条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值，判断法兰螺栓15是否严重松动或断裂。本步骤主要根据以下逻辑判断法兰螺栓是否松动或断裂：
a、当△Lm_i为正值时，若△Lm_i≥△Lm_i_80％，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险；
b、不管△Lm_i为值正或负值，若
或△Hm_i≥△Hm_i_80％，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险。
实施例二：
本实施例使用的位移传感器与实施例1的结构基本一致，所区别指出在于本实施例中连接杆只设置有一根，如图10至图11所示，此时限位块上沿传感器安装方向设置有安装孔，安装孔贯穿限位块，连接杆连接于安装孔内并与安装孔紧密接触，当被测的两部件发生向左或向右的横向相对位移时，限位块带动连接杆向左或向右横向移动，从而带动横向滑动基体移动。所述安装孔的表面光滑，这样当上下法兰发生纵向相对位移时，限位块与连接杆发生纵向相对移动，而不影响横向滑动基体。
本发明提供的一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，同时考虑了两测量点间沿法兰轴向的相对位移和沿法兰边缘切向的相对位移，这两个位移均与螺栓松动或断裂有关，可更加准确地监测螺栓严重松动或断裂问题，具有对螺栓松动反应敏感、监测结果精度高、应用范围广、成本低的优点。
Claims (9)
1.一种法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、在法兰连接处的内圆周或外圆周均匀地布置一组位移传感器；
所述位移传感器包括壳体、限位块以及位于壳体内的传感模块，传感模块的一端由壳体内伸出并固定于限位块上，所述传感模块包括纵向传感单元、隔离支撑板和横向传感单元，其中纵向传感单元包括纵向PCB组件、纵向滑动基体、纵向高精密磁铁和纵向滑杆，横向传感单元包括横向PCB组件、横向滑动基体、横向高精密磁铁和横向滑杆，所述隔离支撑板固定于壳体上，纵向PCB组件和横向PCB组件分别位于隔离支撑板的上下面并与隔离支撑板固定连接，所述纵向PCB组件、横向PCB组件与隔离支撑板间均固定有隔离垫片；所述纵向滑动基体和横向滑动基体分别位于纵向PCB组件和横向PCB组件上远离隔离支撑板的一面，纵向滑动基体上沿传感器的长度方向设置有纵向滑道孔，纵向滑杆安装于纵向滑道孔内并固定于壳体上，纵向滑动基体沿纵向滑杆滑动，纵向高精密磁铁固定于纵向滑动基体上靠近纵向PCB组件的一面并随纵向滑动基体同步移动，纵向滑动基体的前端连接固定有连接头，连接头的前端固定于限位块上；所述横向滑动基体上沿传感器的宽度方向设置有横向滑道孔，横向滑杆安装于横向滑道孔内并固定于壳体上，横向滑动基体沿横向滑杆滑动，横向高精密磁铁固定于横向滑动基体上靠近横向PCB组件的一面并随横向滑动基体同步移动，横向滑动基体的前端固定连接有连接杆，连接杆与限位块紧密接触且在限位块的带动下沿垂直于传感器安装的方向来回移动，所述限位块与连接头和连接杆的接触面为光滑表面；所述纵向滑杆和横向滑杆的两端均套设有限位弹簧，限位弹簧限制纵向滑动基体或横向滑动基体在自由状态下处于纵向滑杆或横向滑杆上的中间位置；
位移传感器的壳体通过安装垫块安装于下法兰的下边缘，位移传感器的限位块通过安装垫块安装于上法兰的上边缘；通过调整位移传感器限位块的安装垫块和壳体的安装垫块，使得传感器纵向相对位移监测方向与法兰轴向方向相同，横向相对位移监测方向与法兰边缘切向方向相同，即位移传感器监测到的纵向相对位移即为两监测点间的轴向相对位移，位移传感器监测到的横向相对位移即为两监测点沿法兰边缘切向的相对位移；
S2、设位移传感器限位块安装垫块下边缘中点记为A点，位移传感器壳体安装垫块上边缘中点记为B点，每个位移传感器分别采集A点和B点间的轴向相对位移以及两点沿法兰边缘的切向相对位移；
S3、通过试验或CAE有限元分析的方式确定当螺栓拧紧力矩由100％设计值减小至80％设计值后，在不同种类的主要载荷下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值；
S4、在法兰实际工作条件下，实时监测法兰在承受各类主要载荷条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值；
S5、对比试验或CAE有限元分析场景下以及法兰实际工作条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值，判断法兰螺栓是否严重松动或断裂。
2.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下过程：
S3.1、通过试验或CAE有限元分析的方式，先对所有螺栓施加100％拧紧力矩设计值，再将各位移传感器A点和B点间的相对位移置零；
S3.2、将拧紧力矩由100％设计值减小至80％设计值，然后在法兰上依次施加n种法兰在工作过程中受到的主要载荷，n种主要载荷记为工作载荷组{W1，W2，……，Wn}，记录在任意第i种主要载荷Wi下任意第m个位移传感器A点和B点间的相对位移△Lm_i_80％，以及该位移传感器A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移△Hm_i_80％；当该位移传感器A点和B点间轴向相对位移沿轴向伸长方向时，△Lm_i_80％取正值；当轴向相对位移沿轴向压缩方向时，△Lm_i_80％取负值；△Hm_i_80％取绝对值。
3.根据权利要求2所述的法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下过程：
S4.1、在法兰实际工作条件下，对所有法兰螺栓施加100％设计拧紧力矩后，将所有位移传感器的轴向相对位移和沿法兰边缘切向相对位移置零；
S4.2、采集法兰在承受各类主要载荷的条件下，各位移传感器A点和B点间的轴向相对位移值和沿法兰边缘切向相对位移值，其中第m个位移传感器在收到第i种主要载荷时A点和B点间的轴向相对位移记为△Lm_i，该位移传感器A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移分别记为△Hm_i。
4.根据权利要求3所述的法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于：步骤S5主要根据以下逻辑判断法兰螺栓是否松动或断裂：
a、当△Lm_i为正值时，若△Lm_i≥△Lm_i_80％，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险；
b、不管△Lm_i为值正或负值，若
或△Hm_i≥△Hm_i_80％，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险。
5.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于：所述限位块上沿传感器安装方向设置有安装孔，安装孔贯穿限位块，连接杆连接于安装孔内并与安装孔紧密接触，所述安装孔的表面光滑；所述连接杆设置有两根，连接杆位于限位块的两侧并与限位块紧密接触；所述连接杆靠近限位块的侧面上设置有固定连接的凸出块和调节螺钉，通过调整螺钉调节凸出块的伸出高度，使得凸出块与限位块表面紧密接触，所述凸出块的表面光滑。
6.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于：所述纵向PCB组件、横向PCB组件和隔离支撑板与隔离垫片之间通过螺栓连接或粘接固定；所述隔离支撑板两侧固定连接有耳板，隔离支撑板与外壳通过耳板固定连接，隔离支撑板为高磁阻性材料制成。
7.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于：所述限位块或壳体与安装垫块通过粘接或磁铁吸附连接。
8.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于：所述连接头的前端连接有磁体，连接头和限位块通过磁体连接固定，所述磁体为强磁性永磁体。
9.根据权利要求1所述的法兰连接螺栓松动在线监测方法，其特征在于：所述纵向PCB组件和横向PCB组件均包括用于捕获因纵向高精密磁铁和横向高精密磁铁移动而产生磁场变化信号的高精度电磁感应芯片、将捕获的磁场变化信号经过数据处理为位移信号并将位移信号发送至上位机的单片机、用于采集环境温度数据的温度传感芯片、用于采集环境振动讯号的振动传感芯片以及防电磁干扰电路，温度传感芯片和振动传感芯片与单片机连接。
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