CN114034269B - 一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，将分体式位移传感器的传感器本体与限位块共同形成框型结构并分别固定于两个连接法兰上，当法兰发生径向变形时，分体式位移传感器监测到法兰径向相对位移的变化，并将监测到的信号输出到上位机，从而实现法兰径向位移的监测。本发明提供的一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，充分利用大型法兰连接、且主要载荷为弯矩的大型设备或结构在受到弯矩载荷作用时，虽然在其法兰连接处很难出现间隙，但因法兰厚度较大，上法兰与下法兰在法兰径向方向比较容易出现相对位移的现象，针对法兰径向相对位移进行监控，从而实现法兰螺栓松动的精确判断。

Description

一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，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监测法兰间隙变化来监测螺栓松动情况，该技术方案存在如下缺点：

在通过监测法兰间隙来监测螺栓松动状态时，只有当法兰连接螺栓严重松动或断裂的情况下，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，无法判断螺栓松动状态，监测精度低。因此对于在大型设备或结构中使用较大尺寸法兰的情况，通过监测法兰间隙来监测螺栓松动的精度、灵敏性是不理想的。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，利用了大型法兰连接、且主要载荷为弯矩的大型设备或结构在受到弯矩载荷作用时，虽然在其法兰连接处很难出现间隙，但因法兰厚度较大，上法兰与下法兰在法兰径向方向比较容易出现相对位移的现象，针对法兰径向相对位移进行监控，从而实现法兰螺栓松动的精确判断。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，包括以下步骤：

S1、在法兰连接处的圆周均匀地布置一组分体式位移传感器；分体式位移传感器由相互分离的限位块和传感器本体组成，限位块和传感器本体通过磁体连接，限位块呈L字型，限位块和传感器本体共同组成框型结构并分别固定于两个相互连接的法兰上，限位块与法兰上远离传感器本体的侧壁之间固定连接有竖垫块；

S2、将位移传感器滑动基体外端与限位块接触面的中心点记为A点，将竖垫块与限位块接触面上边缘的中点记为B点，将在过A点和B点连线、垂直于法兰内圈表面或外圈表面的平面上、并且位于法兰上表面边缘线的点记为A₁点，将过A点、B点和A₁点的平面与法兰内圈表面或外圈表面的交线、且在B点下部与B点在法兰轴向距离等同于A₁点与A点在法兰轴向距离的点标记为B₁点；当法兰受到载荷作用，上法兰和下法兰在径向出现相对位移时，位移传感器所测A点、B点在法兰径向的相对位移近似等同于上法兰A₁点、下法兰B₁点在法兰径向的相对位移；

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，A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值；

S4、当处于法兰实际工作状态时，各分体式位移传感器实时监测法兰在承受各类主要载荷条件下各位移传感器处A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，数据采集仪收集各分体式位移传感器监测到的数据，并将数据上传至上位机；

S5、在上位机内对比试验或CAE有限元分析场景下以及法兰实际工作条件下的A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，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，再将各分体式位移传感器数据置零；

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，……，W_n}，记录在任意第i种主要载荷W_i下任意第m个分体式位移传感器处A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移△L_{m_i_80％}，当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰内侧时，△L_{m_i_80％}取正值；当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰外侧时，△L_{m_i_80％}取负值。

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，将所有分体式位移传感器数据置零；

S4.2、采集法兰在承受各类主要载荷的条件下，各分体式位移传感器所测A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，将在法兰受到第i种主要载荷时第m个分体式位移传感器所测A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移记为△L_{m_i}，当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰内侧时，△L_{m_i}取正值；当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰外侧时，△L_{m_i}取负值。

步骤S5根据以下逻辑过程判断法兰螺栓是否严重松动或断裂：

a、当△L_{m_i}为正值时，若△L_{m_i}≥△L_{m_i_80％}，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险；

b、当△L_{m_i}为负值时，若|△L_{m_i}|≥|△L_{m_i_80％}|，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险。

限位块内嵌地设有加强筋。

限位块与法兰的上表面或者下表面之间固定连接有横垫块。

限位块、竖垫块、横垫块和法兰之间通过粘接、磁力连接或螺纹连接固定。

传感器本体和法兰之间通过粘接、磁力连接或螺纹连接固定。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明中分体式位移传感器的传感器本体与限位块共同形成框型结构并分别固定于两个连接法兰上，传感器本体固定于法兰的上表面或者下表面，限位块通过竖垫块固定于法兰上远离传感器本体的侧壁上，当法兰发生径向变形时，分体式位移传感器监测到法兰径向相对位移的变化，并将监测到的信号输出到上位机，从而实现法兰径向位移的监测；

(2)本发明中竖垫块位于远离传感器本体的法兰侧壁上，使得限位块和传感器本体的接触位置与限位块的固定位置之间的距离最大化，当法兰整体出现相同径向变形的情况下，传感器可监测到更大的变形量，提高法兰径向位移监测的敏感度，监测精度高，同时可避免法兰内圈表面(或外圈表面)因设计、制造误差或受载荷变形后触碰限位块导致的测量误差较大的问题；

(3)本发明中分体式位移传感器安装方便，且通过设置横垫块，使得分体式位移传感器能够适用于不同尺寸的法兰上，确保限位块与传感器本体接触良好；

(4)本发明测得A点、B点在法兰径向的相对位移近似等同于上法兰A₁点、下法兰B₁点在法兰径向的相对位移，两者接近程度高，测试结果准确性好。

附图说明

图1为分体式位移传感器的分布示意图；

图2为本发明中基于分体式位移传感器的安装示意图；

图3为本发明中限位块的结构图；其中(a)、(b)分别为不同方向下限位块的立体结构图；

图4为本发明中竖垫块的结构图；

图5为本发明中横垫块的结构图；

图6为本发明中传感器本体的剖面结构示意图；

图7为本发明中传感器本体的外部结构示意图；

图中：1-上法兰，2-下法兰，3-限位块，4-传感器本体，41-壳体，42-PCB组件，43-导杆，44-滑动基体，45-高精密磁铁，46-磁体，47-限位弹簧，48-盖板，5-竖垫块，6-横垫块。

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。

本发明提供了一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，包括以下步骤：

S1、参照图1，在法兰连接处的圆周均匀地布置一组分体式位移传感器。

分体式位移传感器由相互分离的限位块3和传感器本体4组成，限位块和传感器本体通过磁体连接，分体式位移传感器安装于相互连接的上法兰1和下法兰2上，分体式位移传感器在法兰上的安装示意图如图2所示，所述限位块呈“L”字型，限位块内嵌设有加强筋，以提高限位块的刚度，减小因限位块自身弹性变形导致的监测误差，限位块的结构如图3所示。限位块和传感器本体共同组成框型结构并分别固定于两个相互连接的法兰上，其中传感器本体通过粘接、磁力连接或螺纹连接等方式固定于上法兰的上表面或者下法兰的下表面，本实施例中，传感器本体固定于上法兰的上表面，对应的限位块连接于下法兰上。若传感器本体固定于下法兰的下表面，则限位块对应连接于上法兰上。当法兰连接结构发生滑移时，法兰将会沿径向发生相对位移，传感器本体和限位块也会沿径向发生相对位移，从而使分体式位移传感器监测到法兰径向相对位移的变化，并将监测到的信号输出到上位机，从而实现法兰连接结构的监测。

本实施例中限位块对应连接于下法兰上，限位块与下法兰上远离传感器本体的侧壁之间固定连接有竖垫块5，使得限位块和传感器本体的接触位置与限位块的固定位置之间的距离最大化，当法兰整体出现相同径向变形的情况下，传感器可监测到更大的变形量，提高法兰径向位移监测的敏感度。竖垫块的厚度不小于1mm，竖垫块的实际厚度根据安装需要进行调整，从而实现限位块与传感器本体的良好接触，竖垫块的结构如图4所示。所述竖垫块靠近法兰的一面为弧形并与法兰形状相匹配，当法兰的尺寸较大时，竖垫块靠近法兰的一面接近平面；竖垫块靠近限位块的一面为平面，确保限位块与法兰连接可靠稳定。

本实施例中，若法兰的高度与限位块的长度偏差较大或者法兰与限位块的加工精度较低、误差较大时，限位块与下法兰的下表面之间固定连接有横垫块6，横垫块的厚度根据安装需要进行调整，确保限位块与传感器本体的良好接触以及限位块的稳定固定，横垫块的结构如图5所示。本实施例中限位块、竖垫块、横垫块和法兰之间通过粘接、磁力连接或螺纹连接等方式固定。

本实施例中分体式位移传感器的结构如图6和图7所示，传感器本体包括壳体41、位于壳体内的PCB组件42和导杆43、套在导杆上并能够沿导杆滑动的滑动基体44以及固定于滑动基体上并随滑动基体同步移动的高精密磁铁45，壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板48，所述壳体及盖板均为不锈钢材质，整体采用金属外壳设计，同时壳体内部还设置有防电磁干扰电路，因此可屏蔽外界对产品的干扰，产品稳定性极强。滑动基体的外端由壳体内伸出，滑动基体的外端设置有磁体46并通过磁力吸附固定于限位块上，所述磁体为强磁性永磁体。滑动基体的内端为套设在导杆上的滑块，所述导杆的两端均套设有限位弹簧47，限位弹簧位于滑块的左右两侧并限制滑块在自由状态下处于导杆上的中间位置。所述PCB组件中包括高精度电磁感应芯片和单片机。当上法兰和下法兰径向相对位移出现变化时，滑动基体沿导杆左右滑动，滑动基体滑动的同时带动高精密磁铁移动。随着高精密磁铁移动，PCB组件上的高精度电磁感应芯片周围的磁场会随之变化，高精度电磁感应芯片可快速捕捉磁场的变化，通过单片机采集电磁感应信号，然后单片机内部对数据进行处理，单片机通过CAN通讯、485通讯或以太网与数据采集仪或边缘计算网关相连接并发送信号给数据采集仪或边缘计算网关，以此来实现位移的测量，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PCB组件中还设置有用于采集环境温度数据的温度传感芯片，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，通过信号通讯传给数据采集仪或边缘计算网关。

所述PCB组件中还设置有振动传感芯片，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，通过信号通讯传给数据采集仪或边缘计算网关。

S2、将位移传感器滑动基体外端与限位块接触面的中心点记为A点，将竖垫块与限位块接触面上边缘的中点记为B点，将在过A点和B点连线、垂直于法兰内圈表面或外圈表面的平面上、并且位于法兰上表面边缘线的点记为A₁点，将过A点、B点和A₁点的平面与法兰内圈表面或外圈表面的交线、且在B点下部与B点在法兰轴向距离等同于A₁点与A点在法兰轴向距离的点标记为B₁点；当法兰受到载荷作用，上法兰和下法兰在径向出现相对位移时，位移传感器所测A点、B点在法兰径向的相对位移近似等同于上法兰A₁点、下法兰B₁点在法兰径向的相对位移。

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，A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，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，再将各分体式位移传感器数据置零；

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，……，W_n}。

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W_i下任意第m个分体式位移传感器处A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移△L_{m_i_80％}，当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰内侧时，△L_{m_i_80％}取正值；当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰外侧时，△L_{m_i_80％}取负值。

S4、当处于法兰实际工作状态时，各分体式位移传感器实时监测法兰在承受各类主要载荷条件下各位移传感器处A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，数据采集仪收集各分体式位移传感器监测到的数据，并将数据上传至上位机；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，将所有分体式位移传感器数据置零；

S4.2、采集法兰在承受各类主要载荷的条件下，各分体式位移传感器所测A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，将在法兰受到第i种主要载荷时第m个分体式位移传感器所测A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移记为△L_{m_i}，当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰内侧时，△L_{m_i}取正值；当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰外侧时，△L_{m_i}取负值。

S5、在上位机内对比试验或CAE有限元分析场景下以及法兰实际工作条件下的A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，判断法兰螺栓是否严重松动或断裂。具体可根据以下逻辑过程判断法兰螺栓是否严重松动或断裂：

a、当△L_{m_i}为正值时，若△L_{m_i}≥△L_{m_i_80％}，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险；

b、当△L_{m_i}为负值时，若|△L_{m_i}|≥|△L_{m_i_80％}|，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险。

本发明提供的一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，充分利用大型法兰连接、且主要载荷为弯矩的大型设备或结构在受到弯矩载荷作用时，虽然在其法兰连接处很难出现间隙，但因法兰厚度较大，上法兰与下法兰在法兰径向方向比较容易出现相对位移的现象，针对法兰径向相对位移进行监控，从而实现法兰螺栓松动的精确判断。

Claims (5)

1.一种基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、在法兰连接处的圆周均匀地布置一组分体式位移传感器；分体式位移传感器由相互分离的限位块和传感器本体组成，限位块和传感器本体通过磁体连接，限位块呈L字型，限位块和传感器本体共同组成框型结构并分别固定于两个相互连接的法兰上，限位块与法兰上远离传感器本体的侧壁之间固定连接有竖垫块；

S2、将位移传感器滑动基体外端与限位块接触面的中心点记为A点，将竖垫块与限位块接触面上边缘的中点记为B点，将在过A点和B点连线、垂直于法兰内圈表面或外圈表面的平面上、并且位于法兰上表面边缘线的点记为A₁点，将过A点、B点和A₁点的平面与法兰内圈表面或外圈表面的交线、且在B点下部与B点在法兰轴向距离等同于A₁点与A点在法兰轴向距离的点标记为B₁点；当法兰受到载荷作用，上法兰和下法兰在径向出现相对位移时，位移传感器所测A点、B点在法兰径向的相对位移近似等同于上法兰A₁点、下法兰B₁点在法兰径向的相对位移；

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，A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值；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，再将各分体式位移传感器数据置零；

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，……，W_n}，记录在任意第i种主要载荷W_i下任意第m个分体式位移传感器处A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移△L_{m_i_80%}，当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰内侧时，△L_{m_i_80%}取正值；当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰外侧时，△L_{m_i_80%}取负值；

S4、当处于法兰实际工作状态时，各分体式位移传感器实时监测法兰在承受各类主要载荷条件下各位移传感器处A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，数据采集仪收集各分体式位移传感器监测到的数据，并将数据上传至上位机；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，将所有分体式位移传感器数据置零；

S4.2、采集法兰在承受各类主要载荷的条件下，各分体式位移传感器所测A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，将在法兰受到第i种主要载荷时第m个分体式位移传感器所测A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移记为△L_{m_i}，当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰内侧时，△L_{m_i}取正值；当A₁点相对于B₁点在径向的相对位移指向法兰外侧时，△L_{m_i}取负值；

S5、在上位机内对比试验或CAE有限元分析场景下以及法兰实际工作条件下的A₁点和B₁点在法兰径向的相对位移值，根据以下逻辑过程判断法兰螺栓是否严重松动或断裂：

a、当△L_{m_i}为正值时，若△L_{m_i}≥△L_{m_i_80%}，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险；

b、当△L_{m_i}为负值时，若|△L_{m_i}|≥|△L_{m_i_80%}|，则判定法兰螺栓存在松动断裂风险。

2.根据权利要求1所述的基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，其特征在于：限位块内嵌地设有加强筋。

3.根据权利要求1所述的基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，其特征在于：限位块与法兰的上表面或者下表面之间固定连接有横垫块。

4.根据权利要求3所述的基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，其特征在于：限位块、竖垫块、横垫块和法兰之间通过粘接、磁力连接或螺纹连接固定。

5.根据权利要求1所述的基于法兰径向相对位移的螺栓松动监测方法，其特征在于：传感器本体和法兰之间通过粘接、磁力连接或螺纹连接固定。