CN114110002B - 垫圈组件、紧固结构及垫圈服役状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本申请的垫圈组件、紧固结构及垫圈服役状态监测方法，垫圈组件包括垫圈本体、至少一支耳和检测模块，支耳位于垫圈本体的外沿并在垫圈本体所在平面延伸；支耳包括第一部分和第二部分，第一部分连接垫圈本体和第二部分，第一部分的厚度小于或等于垫圈本体的厚度，第二部分的厚度大于垫圈本体的厚度；检测模块设置在第一部分的至少一侧表面，检测模块包括应变传感器和/或加速度传感器。垫圈服役状态监测方法，包括：获取检测模块的检测数据；根据检测数据确定垫圈组件的垫圈本体的服役状态，服役状态包括振动状态和/或预紧力。本申请的垫圈组件结构简单，可对垫圈安装过程及使用过程中的预紧力和/或振动状态进行有效监测。

Description

垫圈组件、紧固结构及垫圈服役状态监测方法

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种垫圈组件、紧固结构及垫圈服役状态监测方法。

背景技术

螺栓是实现机械部件连接的重要零部件之一。螺栓在拧紧过程中拧紧力矩会产生沿螺栓轴心线方向的预紧力，螺栓预紧力是保证螺栓连接可靠性、防松能力、抗疲劳程度、连接紧密性和刚性的重要参数之一，不同尺寸、结构的螺栓具有不同大小的预紧力要求，若预紧力过低无法将被紧固件紧密连接，若预紧力过高可能会导致连接失效，因此准确确定螺栓预紧力对保障机械设备安全运用十分重要。

螺栓预紧力检测方法可分为力矩扳手法、电阻应变片电测法、磁敏电阻传感器测量法、光纤应变测量法、超声波应力测量法等，其中力矩扳手法测量结果准确性较低，电阻应变片电测法需寻找并确定结构薄弱点粘贴应变片，而其他方法的测试设备价格昂贵不利于工业产品化。现有技术中，电阻应变片电测法大都通过改良垫圈结构以实现螺栓预紧力检测，有将在特殊场景下应用的类似鞍形的垫圈结构改良成马鞍状、利用中间设置的端平面检测螺栓预紧力的；也有将垫圈尺寸加大并在增加部分上开槽制造应力薄弱位置的。这些方法或是对垫圈结构改动较大，可能对垫圈原有结构功能产生影响，或是改造后的垫圈加工工艺繁复、安装时还需考虑布置线槽以实现传输采集数据等功能、仅适用于大尺寸垫圈，故这些方法在工程应用中存在较大的困难，尚无法实现工业化应用。

发明内容

针对上述技术问题，本申请提供一种垫圈组件、紧固结构及垫圈服役状态监测方法，垫圈组件结构简单，便于加工，适用范围广，可对垫圈安装过程及使用过程中预紧力和/或振动状态进行有效监测。

为解决上述技术问题，本申请提供一种垫圈组件，包括：

垫圈本体；

至少一支耳，所述支耳位于所述垫圈本体的外沿并在所述垫圈本体所在平面延伸；所述支耳包括第一部分和第二部分，所述第一部分连接所述垫圈本体和所述第二部分，所述第一部分的厚度小于或等于所述垫圈本体的厚度，所述第二部分的厚度大于所述垫圈本体的厚度；

检测模块，设置在所述第一部分的至少一侧表面，所述检测模块包括应变传感器和/或加速度传感器。

可选地，所述支耳的第一表面与所述垫圈本体的一侧表面连接形成一连续平面，所述第一部分的厚度小于所述垫圈本体的厚度，所述检测模块设置在所述第一部分的背向所述第一表面的第二表面。

可选地，所述第二部分的高于所述垫圈本体预设高度的一侧表面用于朝向被紧固件，所述预设高度与第一长度呈正相关，与第二长度呈负相关；所述第一长度为所述第一部分与所述垫圈本体之间的最大距离，所述第二长度为所述第一部分的宽度。

可选地，所述第一长度小于或等于所述垫圈本体的外径的一半，且所述第一长度大于或等于所述垫圈本体的外径和内径的差值的一半。

可选地，所述支耳上还设置有无线传输接口与控制模块，所述控制模块的输入端与所述检测模块连接，所述控制模块的输出端与所述无线传输接口连接。

本申请还提供一种紧固结构，包括被紧固件、紧固件及如上所述的垫圈组件，所述垫圈组件的垫圈本体夹设在所述紧固件与所述被紧固件之间；所述垫圈组件的第二部分的高于所述垫圈本体预设高度的一侧表面接触被紧固件，在预设预紧力作用下，所述垫圈本体相对所述被紧固件保持悬空或与所述被紧固件接触。

可选地，所述垫圈本体相对所述被紧固件保持悬空或与所述被紧固件接触，包括：

所述垫圈组件的第一部分未产生形变，所述垫圈本体不接触所述被紧固件而相对所述被紧固件保持悬空状态；或，

所述第一部分产生形变，但所述垫圈本体不接触所述被紧固件而相对所述被紧固件保持悬空状态；或，

所述第一部分产生形变，使所述垫圈本体接触所述被紧固件。

本申请还提供一种垫圈服役状态监测方法，应用于如上所述的紧固结构，所述方法，包括：

获取所述检测模块的检测数据；

根据所述检测数据确定所述垫圈组件的垫圈本体的服役状态，所述服役状态包括振动状态和/或预紧力。

可选地，所述根据所述检测数据确定所述垫圈本体的服役状态之前，还包括：

根据所述检测数据确定施加于所述垫圈本体的预紧力达到预设预紧力。

可选地，所述根据所述检测数据确定所述垫圈组件的垫圈本体的服役状态，包括以下至少一项：

根据所述应变传感器发送的承载应力确定施加于所述垫圈本体的预紧力；

根据所述加速度传感器发送的振动加速度确定所述垫圈本体的振动状态；

根据所述振动加速度和所述承载应力确定施加于所述垫圈本体的预紧力。

本申请的垫圈组件、紧固结构及垫圈服役状态监测方法，垫圈组件包括垫圈本体、至少一支耳和检测模块，支耳位于垫圈本体的外沿并在垫圈本体所在平面延伸；支耳包括第一部分和第二部分，第一部分连接垫圈本体和第二部分，第一部分的厚度小于或等于垫圈本体的厚度，第二部分的厚度大于垫圈本体的厚度；检测模块设置在第一部分的至少一侧表面，检测模块包括应变传感器和/或加速度传感器。紧固结构包括被紧固件、紧固件及垫圈组件，垫圈组件的垫圈本体夹设在紧固件与被紧固件之间；垫圈组件的第二部分的高于垫圈本体预设高度的一侧表面接触被紧固件，在预设预紧力作用下，垫圈本体相对被紧固件保持悬空或与被紧固件接触。垫圈服役状态监测方法，包括：获取检测模块的检测数据；根据检测数据确定垫圈组件的垫圈本体的服役状态，服役状态包括振动状态和/或预紧力。本申请的垫圈组件结构简单，便于加工，适用范围广，可对垫圈安装过程及使用过程中预紧力和/或振动状态进行有效监测。

附图说明

图1是根据第一实施例示出的垫圈组件的仰视图；

图2是根据第一实施例示出的垫圈组件的俯视图；

图3是图2中的垫圈本体沿A-A线的剖视图；

图4是根据第二实施例示出的紧固结构的结构示意图；

图5是根据第二实施例示出的紧固结构的又一结构示意图；

图6是根据第三实施例示出的垫圈服役状态监测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

第一实施例

如图1、图2与图3所示，本实施例的垫圈组件10，包括：垫圈本体11、至少一支耳12和检测模块(未标识)。

支耳12位于垫圈本体11的外沿并在垫圈本体11所在平面延伸，以凸伸出垫圈本体11的服役区域，避免或减少对垫圈本体11的服役状态的影响。支耳12包括第一部分121和第二部分122，第一部分121连接垫圈本体11和第二部分122，第一部分121的厚度小于或等于垫圈本体11的厚度，第二部分122的厚度大于垫圈本体11的厚度。检测模块设置在第一部分121的至少一侧表面，包括应变传感器13和/或加速度传感器14。

垫圈本体11为片状圆环结构，中间设有用于供紧固件穿过的通孔，使用时，垫圈本体11夹设在被紧固件20与紧固件之间，以保护被紧固件20的表面不受紧固件擦伤，同时分散紧固件对被紧固件20的压力。垫圈组件10的与被紧固件20的贴合的一侧表面面积应小于或等于被紧固件20对应的表面面积，使垫圈组件10安装于被紧固件20时，第二部分122能与被紧固件20贴合。如图3所示，由于第二部分122的厚度大于垫圈本体11的厚度，使得第二部分122的至少一侧表面会相对垫圈本体11的对应侧表面更高，将第二部分122的高出垫圈本体11的一侧朝向被紧固件20进行安装时，第二部分122先与被紧固件20接触，可以利用表面的高度差使垫圈本体11在初始状态下相对被紧固件20悬空，使垫圈本体11和第一部分121相对于第二部分122形成一悬臂，垫圈组件10整体形成悬臂梁结构。垫圈组件10受到轴向的预紧力时，由于第一部分121连接垫圈本体11和第二部分122，故应力在第一部分121集中，可利用该第一部分121的应力响应监测垫圈组件10的预紧力。在此基础上，通过第一部分121设置的检测模块获取应变响应数据，基于仿真或试验手段可标定出第一部分121的应变传感器13数据和/或加速度传感器14数据与垫圈组件10的预紧力之间的对应关系，由此实现对垫圈组件10在服役条件下或紧固过程中的预紧力变化情况的监测。此外，加速度传感器14还可用于监测垫圈组件10的振动状态，实现对垫圈组件10在服役条件下或紧固过程中的振动变化情况的监测，而振动状态与预紧力存在关联关系，可通过仿真或试验手段预先进行标定，然后根据实时监测的振动状态结合应变响应数据共同监测垫圈组件10的预紧力变化，提高监测地准确性。

可选地，垫圈组件10包括多个支耳12时，需要对多个支耳12的第一部分121采集的应变响应数据加和，进而根据应变响应数据之和通过仿真软件计算得到对应的预紧力数据。本发明基于悬臂梁结构原理，仅在垫圈本体11的侧边增加至少一个支耳12，加工工艺简单，易于实现，在支耳12上设置检测模块即可监测垫圈组件10的预紧力及振动状态，且不影响垫圈本体11原有的结构、功能和使用性，使得本发明的垫圈组件10与现有技术中的常规垫圈产品装配、使用功能一致，可实现无差别替代，适用范围广。

可选地，支耳12的第一表面与垫圈本体11的一侧表面连接形成一连续平面，第一部分121的厚度小于垫圈本体11的厚度，检测模块设置在第一部分121的背向第一表面的第二表面。从而，可以使加工更加简单，利用第一部分121相对垫圈本体11之间的高度差区域设置检测模块，结构更加紧凑，布线更加可靠。

如图3所示，垫圈本体11的厚度为h，第一部分121的厚度为h₂，第二部分122的厚度为h₁，其中，h₁>h>h₂。垫圈本体11的与支耳12的第一表面连接的表面受到垂直方向的预紧力作用，第二部分122与被紧固件20贴合，垫圈本体11相对于被紧固件20悬空。在垫圈组件10形成的悬臂梁结构中，第二部分122为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座，垫圈本体11和第一部分121为悬臂梁的自由端，自由端受预紧力作用产生应变和应力分布，应力主要集中在第一部分121，并且在第一部分121的厚度小于垫圈本体11的厚度时具有更好的应力集中作用，应力作用下位于第一部分121的应变传感器13的压阻也发生变化，压阻的变化和预紧力的变化呈正相关，故第一部分121的应力响应可用于确定预紧力。

如图2和图3所示，第二部分122的高于垫圈本体11预设高度Δh的一侧表面用于朝向被紧固件20，预设高度Δh与第一长度D呈正相关，与第二长度H呈负相关。其中，第一长度D为第一部分121与垫圈本体11之间的最大距离，第二长度H为第一部分121的宽度。第一长度D小于或等于垫圈本体11的外径L的一半，且第一长度D大于或等于垫圈本体11的外径L和内径l的差值的一半。对于不同尺寸的垫圈本体11，第一部分121的第一长度D的取值可以不同。设计第一部分121的尺寸时，可根据第一长度D和第二长度H的值综合确定，以获得更精确、灵敏的应力响应数据。支耳12的第一部分121呈曲边梯形柱，第二部分122可呈半圆柱状、长方体状或三棱柱状等多种形状，本发明不作限制。

请继续参考图1，支耳12的第一部分121上设有应变传感器13、加速度传感器14、微型采集电路板15、控制模块16和无线传输接口17等电子元件。上述电子元件可分布于第一部分121的同一侧或两侧，本实施例优选位于同一侧，安装过程简单，且电子元件收容于第一部分122的凹侧，避免影响垫圈组件10的正常使用且结构紧凑。控制模块16的输入端与检测模块连接，控制模块16的输出端与无线传输接口17连接。

加速度传感器14用于监测垫圈组件10的预紧力及振动状态，优选MEMS加速度传感器。应变传感器13和加速度传感器14共同用于确定预紧力和振动状态，这样基于垫圈应变响应与振动的联合监测结果更加精确。为防止过多的引线导致垫圈安装困难及影响机械设备工作等，采用无线传输接口17将采集的应变及加速度数据传输至终端处理保存。本发明的垫圈组件10在多种机械设备应用场景中均适用，安装使用过程与常规垫圈产品一样，对机械设备装配、使用无附加影响。此外，本发明所需各类电子元器件配件产品成本较低、采购渠道广，装置整体成本较低。

本申请的垫圈组件包括垫圈本体、至少一支耳和检测模块，支耳位于垫圈本体的外沿并在垫圈本体所在平面延伸；支耳包括第一部分和第二部分，第一部分连接垫圈本体和第二部分，第一部分的厚度小于或等于垫圈本体的厚度，第二部分的厚度大于垫圈本体的厚度；检测模块设置在第一部分的至少一侧表面，检测模块包括应变传感器和/或加速度传感器。本申请的垫圈组件结构简单，便于加工，适用范围广，可对垫圈安装过程及使用过程中预紧力和/或振动状态进行有效监测。

第二实施例

图4是根据第二实施例示出的紧固结构的结构示意图。如图4所示，紧固结构100，包括被紧固件20、紧固件30及第一实施例的垫圈组件10，紧固件30包括螺栓31和螺母32。垫圈组件10的垫圈本体11夹设在紧固件30与被紧固件20之间，具体地，垫圈本体11固定于螺母32和被紧固件20之间。垫圈组件10的第二部分122的高于垫圈本体11预设高度的一侧表面接触被紧固件20，在预设预紧力作用下，垫圈本体11相对被紧固件20保持悬空或与被紧固件20接触。

本实施例中，垫圈本体11固定于被紧固件20表面，使垫圈本体11和第一部分121形成悬臂，垫圈组件10整体构成悬臂梁结构。第二部分122相对垫圈本体11厚度高出的预设高度Δh设计的不同，产生的效果也将不同：Δh较小时，当垫圈组件10受到标准预紧力F作用后，垫圈本体11仍然保持悬空状态，第一部分121可保持不变，或产生弹性形变；Δh较大时，当受到螺栓标准预紧力F作用后，垫圈本体11与被紧固件20紧密贴合，第一部分121发生弹性形变。

可选地，如图4所示的紧固结构100中，垫圈组件10的第二部分122与被紧固件20紧密贴合，第一部分121未产生形变，垫圈本体11不接触被紧固件20而相对被紧固件20保持悬空状态。

可选地，图5是根据第二实施例示出的紧固结构的又一结构示意图。如图5所示的紧固结构100中，垫圈组件10的第二部分122与被紧固件20紧密贴合，第一部分121产生形变，使垫圈本体11接触被紧固件20。

可选地，在又一种状态下，垫圈组件10的第二部分122与被紧固件20紧密贴合，第一部分121可产生形变，但垫圈本体11不接触被紧固件20而相对被紧固件20保持悬空状态。

本申请的紧固结构包括被紧固件、紧固件及垫圈组件，垫圈组件的垫圈本体夹设在紧固件与被紧固件之间；垫圈组件的第二部分的高于垫圈本体预设高度的一侧表面接触被紧固件，在预设预紧力作用下，垫圈本体相对被紧固件保持悬空或与被紧固件接触。本申请的紧固结构，能通过垫圈组件监测作用于垫圈本体的预紧力和振动状态。

第三实施例

图6是根据第三实施例示出的垫圈服役状态监测方法的流程示意图。如图6所示，本实施例的垫圈服役状态监测方法，应用于第二实施例的紧固结构，方法包括：

步骤410：获取检测模块的检测数据；

步骤420：根据检测数据确定垫圈组件的垫圈本体的服役状态，服役状态包括振动状态和/或预紧力。

本实施例中，预先基于仿真或试验手段可标定出应变传感器和/或加速度传感器采集的检测数据与垫圈组件的预紧力之间的对应关系。接着，获取检测模块中应变传感器和/或加速度传感器采集的检测数据之后，通过仿真软件计算出对应的预紧力和/或振动状态。

在一实施方式中，根据检测数据确定垫圈本体的服役状态之前，还包括：

根据检测数据确定施加于垫圈本体的预紧力达到预设预紧力。

本实施例中，确定一预设预紧力作为垫圈处于正常服役状态的参考标准，当实时检测到的预紧力不等于预设预紧力时，可能出现服役状态异常，需提醒用户及时检修。

在一实施方式中，根据检测数据确定垫圈组件的垫圈本体的服役状态，包括以下至少一项：

根据应变传感器发送的承载应力确定施加于垫圈本体的预紧力；

根据加速度传感器发送的振动加速度确定垫圈本体的振动状态；

根据振动加速度和承载应力确定施加于垫圈本体的预紧力。

本实施例中，通过仿真软件或试验测试确定承载应力与预紧力的对应关系，由此可根据应变传感器实时采集的承载应力数据确定当前作用于垫圈本体的预紧力大小。或者，通过仿真软件或试验测试确定振动加速度和承载应力之和与预紧力的对应关系，由此可根据加速度传感器实时采集的振动加速度和应变传感器实时采集的承载应力数据共同确定当前作用于垫圈本体的预紧力大小。此外，还可通过加速度传感器实时监测垫圈本体的振动状态，以此判断垫圈处于服役状态时是否出现异常情况，有助于及时定位并解决紧固结构发生松动等问题。

在一实施方式中，若服役状态的变化超过阈值范围，则执行对应的预警措施。

本实施例中，当根据检测数据得到的预紧力数值或预紧力变化值超过阈值范围，和/或，加速度数值或加速度变化值超过阈值范围时，可通过预警措施提醒用户。预警措施可以是发出警报、灯光或语音提醒等，还可根据异常类型的不同发出不同的警报，便于用户及时发现异常，提高紧固结构的安全性。

本申请的垫圈服役状态监测方法，获取检测模块的检测数据；根据检测数据确定垫圈组件的垫圈本体的服役状态，服役状态包括振动状态和/或预紧力。本申请通过垫圈组件实现垫圈服役状态的数据监测，根据垫圈的振动状态和预紧力及时准确地识别异常情况，可靠性高。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种垫圈组件，其特征在于，包括：

垫圈本体；

至少一支耳，所述支耳位于所述垫圈本体的外沿并在所述垫圈本体所在平面延伸；所述支耳包括第一部分和第二部分，所述第一部分连接所述垫圈本体和所述第二部分，所述第一部分的厚度小于或等于所述垫圈本体的厚度，所述第二部分的厚度大于所述垫圈本体的厚度；

检测模块，设置在所述第一部分的至少一侧表面，所述检测模块包括应变传感器和/或加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的垫圈组件，其特征在于，所述支耳的第一表面与所述垫圈本体的一侧表面连接形成一连续平面，所述第一部分的厚度小于所述垫圈本体的厚度，所述检测模块设置在所述第一部分的背向所述第一表面的第二表面。

3.根据权利要求1所述的垫圈组件，其特征在于，所述第二部分的高于所述垫圈本体预设高度的一侧表面用于朝向被紧固件，所述预设高度与第一长度呈正相关，与第二长度呈负相关；所述第一长度为所述第一部分与所述垫圈本体之间的最大距离，所述第二长度为所述第一部分的宽度。

4.根据权利要求3所述的垫圈组件，其特征在于，所述第一长度小于或等于所述垫圈本体的外径的一半，且所述第一长度大于或等于所述垫圈本体的外径和内径的差值的一半。

5.根据权利要求1所述的垫圈组件，其特征在于，所述支耳上还设置有无线传输接口与控制模块，所述控制模块的输入端与所述检测模块连接，所述控制模块的输出端与所述无线传输接口连接。

6.一种紧固结构，其特征在于，包括被紧固件、紧固件及如权利要求1至5任一项所述的垫圈组件，所述垫圈组件的垫圈本体夹设在所述紧固件与所述被紧固件之间；所述垫圈组件的第二部分的高于所述垫圈本体预设高度的一侧表面接触被紧固件，在预设预紧力作用下，所述垫圈本体相对所述被紧固件保持悬空或与所述被紧固件接触。

7.根据权利要求6所述的紧固结构，其特征在于，所述垫圈本体相对所述被紧固件保持悬空或与所述被紧固件接触，包括：

所述垫圈组件的第一部分未产生形变，所述垫圈本体不接触所述被紧固件而相对所述被紧固件保持悬空状态；或，

所述第一部分产生形变，但所述垫圈本体不接触所述被紧固件而相对所述被紧固件保持悬空状态；或，

所述第一部分产生形变，使所述垫圈本体接触所述被紧固件。

8.一种垫圈服役状态监测方法，其特征在于，应用于如权利要求6所述的紧固结构，所述方法，包括：

获取所述检测模块的检测数据；

根据所述检测数据确定所述垫圈组件的垫圈本体的服役状态，所述服役状态包括振动状态和/或预紧力。

9.根据权利要求8所述的垫圈服役状态监测方法，其特征在于，所述根据所述检测数据确定所述垫圈本体的服役状态之前，还包括：

根据所述检测数据确定施加于所述垫圈本体的预紧力达到预设预紧力。

10.根据权利要求8所述的垫圈服役状态监测方法，其特征在于，所述根据所述检测数据确定所述垫圈组件的垫圈本体的服役状态，包括以下至少一项：

根据所述应变传感器发送的承载应力确定施加于所述垫圈本体的预紧力；

根据所述加速度传感器发送的振动加速度确定所述垫圈本体的振动状态；

根据所述振动加速度和所述承载应力确定施加于所述垫圈本体的预紧力。