CN114447206A - 一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片及制作、应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片及制作、应用方法。所述智能垫片包括垫片和压电纤维传感器，所述垫片由“阶梯状”上垫片和“阶梯状”下垫片啮合组成，在周向形成U形凹槽，所述压电纤维传感器为环形结构，布置在上下垫片形成的U形凹槽处，由敏感元件、环氧树脂组成；该智能垫片利用压电纤维传感器感知螺栓预紧力大小，监测输出信号变化波动，判断螺栓松动或失效情况，实现螺栓连接状态实时监测；该智能垫片的敏感元件是利用多根环形阵列的压电纤维进行并联组成，能均匀感知作用在垫片上的预紧力变化，灵敏度高，适用于各种螺栓连接件，能够承受一定的冲击载荷，可用于恶劣工况下的螺栓状态监测，有效避免传统人工检测方法劳动强度大，提高了监测效率，应用市场广。

Description

一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片及制作、应用方法
技术领域
本发明属于螺栓连接状态监测技术领域，提供了一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片用于实时监测螺栓连接状态。
背景技术
螺栓连接作为联接可拆卸部件和传递载荷的连接方式，被广泛的应用于机械、交通、电力、土木等各个行业中，其联接状态直接影响整个结构或者设备是否能正常工作，关系到整体的可靠性和安全性。在长期工作或者处于循环载荷的冲击和强迫振动的环境下，螺栓经常会出现松动或者失效等情况，导致设备寿命下降，甚至造成严重安全事故和重大财产损失。而对于工作在恶劣环境和复杂工况下的螺栓，其松紧程度和失效更难以直接判断。为了避免联接状态未达到正常要求的螺栓导致的灾难性后果，对螺栓连接状态实时在线监测显得尤为重要。
常用的螺栓紧固力测试方法有扭矩扳手法、电阻应变片电测法、光测力学法等，但是这些测试方法普遍存在效率低、精度不准确、受到螺栓安装形式的限制，很多工作场合难以实现等不足。现在采用压电材料主动式传感方式的螺栓联接状态检测技术由于其动态响应快，检测精度高，灵敏度高，适用范围宽、使用方便等优点受到广大研究者们青睐。其工作原理为利用布置在螺栓连接件的压电纤维传感器的压电特性进行感知应力应变等物理量，输出电信号，分析信号能量损耗和螺栓预紧力之间的关系，判断螺栓连接状态。
由于压电陶瓷传感器不耐冲击，易碎裂，性能不稳定，难以在循环载荷的冲击和强迫振动的环境中长期使用。而市面上比较的普遍的柔性压电传感器含金属芯压电纤维和MFC价格昂贵，制备工艺复杂，PVDF压电性能受环境温度影响波动很大。申请公开号CN107355464A发明专利公布了一种用于监测螺栓松动的堆栈式压电陶瓷智能垫片中并未克服传统压电陶瓷元件脆性大、硬度高，不耐冲击及振动的问题。申请公开号CN109632157A的发明专利公布了一种螺栓结合面动态应力装置中使用的PVDF压电薄膜不适用于工作温度恶劣的环境。
因此本专利阐述了一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片及制作、应用方法，该智能垫片通过阶梯状上、下垫片相互啮合，传感器放置在啮合形成的U形凹槽处，可以有效防止螺栓预紧过程中因扭矩过大造成传感器损坏；利用具有一定韧性、压电性能的压电纤维复合材料作为敏感元件，高效感知螺栓连接界面间的应力应变物理量变化；多根压电纤维环形阵列，进行并联连接，均匀感知螺栓连接状态并提高输出的检测信号幅度；环氧树脂充当敏感元件的保护层和绝缘层，能够承受一定的冲击载荷及振动，制备工艺简单，加工成本低，耐候性强，适用于复杂工况。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片及制作、应用方法，旨在实时监测螺栓连接件联接状态，利用压电传感器的压电效应特性，即外力加载到压电传感器上，外力使压电传感器形变，通过压电效应把输入的机械能转换为电信号。对螺栓顶部施加一定量的周期激励作为标定激励，此时，智能垫片中的压电纤维传感器发生一定形变，其利用自身压电效应特性将感知的应力应变量转换成电信号；采集智能垫片中压电纤维传感器所产生的电信号，以此信号作为基准信号；定时施加标定激励，将不同时间段所采集的电信号与基准信号进行对比，通过监测信号的差异程度，即可判断螺栓连接状态，进行实时预警，及时拧紧螺栓或者进行更换。
为了达到上述的目的，本发明的技术方案：一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片及制作、应用方法，其特征在于，所述智能垫片包括垫片和压电纤维传感器，所述垫片由“阶梯状”上垫片和“阶梯状”下垫片啮合组成，在周向形成U形凹槽，所述压电纤维传感器为环形结构，布置在上下垫片形成的U形凹槽处，由敏感元件、环氧树脂组成。
进一步的，所述敏感元件包括多根径向排列、围绕圆心环形阵列的压电纤维棒、内电极、外电极和接线端子；所述压电纤维棒一端与内电极连接，另一端与外电极连接，压电纤维棒在内、外电极间并联排布。所述环氧树脂作为敏感元件的保护层和上下绝缘层，对敏感元件进行封装形成环形压电纤维传感器。
进一步的，所述“阶梯状”下垫片内通孔周向设有第一阶梯状凸台结构，所述第一阶梯状凸台结构外圆面与压电纤维传感器内通孔间隙配合，所述“阶梯状”上垫片内通孔周向设有第二阶梯状凸台结构，所述第一阶梯状凸台结构与第二阶梯状凸台结构的凸起相互啮合装配成整体，形成智能垫片。
进一步的，所述垫片材料与尺寸根据监测的螺栓所处的工况进行选择；所述敏感元件由环形阵列的压电纤维棒于内、外电极组成，压电纤维棒的直径约为U形凹槽的高度的3/5倍，U形凹槽的高度为垫片总高度的1/3倍。敏感元件处于环氧树脂中间，环氧树脂形成的封装层上下高度均匀分布在压电纤维棒上下面，环氧树脂封装的压电纤维传感器整体厚度应等于或略大于U形凹槽的高度；所述环氧树脂由A胶和B胶混合形成，A胶为环氧树脂胶，B胶为固化剂，凝固后的环氧树脂具有一定柔韧性；所述内电极、外电极和接线端子材料为紫铜。
一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片制作，其特征在于：
S1: 压电纤维传感器的制作
所述压电纤维传感器采用模具浇铸成型，所述的模具型腔为环形槽，其内直径为所需的敏感元件内通孔直径，外直径为所需的敏感元件直径，型腔深度为传感器的厚度，环形槽外壁开有两个通孔，用于伸出内电极和外电极的接线端，所用模具的材料为易于脱模抗拉力强的气象胶；
一、按一定长度切割压电纤维棒，打磨切割口，得到多根光滑端口的等长度压电纤维棒，在一定温度和一定电场环境中进行极化；
二、将紫铜条弯曲成内电极和外电极，将极化后的等长度压电纤维棒的两端均匀分布在内、外电极间，纤维棒与内外电极采用导电胶进行粘接，得到敏感元件；
三、在压电纤维传感器制备的模具型腔内表面刷涂脱膜剂，第一次浇铸薄层环氧树脂作为基底，厚度约为型腔高度的1/5，将敏感元件放入模具的环形槽中，内、外电极的接线端通过圆柱外壁两个通孔伸出，在模具型腔内进行第二次环氧树脂浇铸，至型腔完全填满，实现压电敏感元件封装；
四、在环氧树脂凝固后，脱模并进行边缘处理，将接线端子弯制成孔状，得到压电纤维传感器；
S2:智能垫片的组装
平放预制的“阶梯状”下垫片，将带有圆形内通孔的压电纤维传感器套入“阶梯状”下垫片第一阶梯状凸台结构上，利用预制的“阶梯状”上垫片第二阶梯状凸台结构与第一阶梯状凸台结构相互啮合装配成整体，得到带有压电纤维传感器的智能垫片。
一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片应用方法，其特征在于：
对齐所连接的工件安装孔，将螺栓插入安装孔中，安装智能垫片和螺母，利用扭矩扳手将螺纹连接件旋紧，至设定预紧力。对螺栓顶部施加一定量的周期激励作为标定激励，此时，智能垫片中的压电纤维传感器发生一定形变，其利用自身压电效应特性将感知的应力应变量转换成电信号；采集智能垫片中压电纤维传感器所产生的电信号(如导纳信号或者时域信号等)，以此信号作为基准信号；定时施加标定激励，将不同时间段所采集的电信号(如导纳信号或者时域信号等)与基准信号进行对比，通过监测信号的差异程度，即可判断螺栓连接状态，进行实时预警，及时拧紧螺栓或者进行更换。
本发明的有益效果：
(1) 本发明可以实现对螺栓连接状态的实时监测，利用压电纤维传感器高效感知螺栓连接界面间的应力应变物理量变化，分析输出信号和螺栓预紧力之间的关系，即可判断螺栓连接状态，节省人工检测成本，可远程监测螺栓连接状态，不受外界环境因素干扰，降低检测人员在高危环境工作的风险；
(2) 该智能垫片设计阶梯状上下垫片相互啮合，传感器放置在啮合形成的U形凹槽处，保护传感器在螺栓预紧过程中不被过大扭矩破坏，无需对螺栓标准件进行改造，避免改造螺栓造成螺栓连接件自身性能下降，设计的垫片结构部件少，生产成本低，通用于普通垫片的工作场合；
(3) 采用多根压电纤维环形阵列并联连接，形成敏感元件能均匀感知螺栓连接状态，提高输出的检测信号幅度，利于结果分析，提高监测识别精度；环氧树脂充当敏感元件的保护层和绝缘层，能够承受一定的冲击载荷及振动，适用于复杂工况，提高了耐候性，且无需再次设计绝缘层，简化了制作工艺，加工成本低。
附图说明
图1为本发明一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片的三维组装示意图；
图2为本发明一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片的三维结构分解图；
图3为本发明一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片的垫片装配图；
图4为本发明一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片的敏感元件结构图；
图5为本发明一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片的制作压电纤维传感器的模具结构图；
图6为本发明一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片的部件装配示意图。
图中:
1—“阶梯状”上垫片、2—压电纤维传感器、3—“阶梯状”下垫片、4—接线端子、5—压电纤维棒、6—内电极、7—外电极、8—环氧树脂、9—模具、10—U型凹槽、31—第一阶梯状凸台结构、32—第二阶梯状凸台结构、91—通孔、92—环形槽。
具体实施方式
如图1，2，3所示，一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片及制作、应用方法，其特征在于，所述智能垫片包括垫片1、3和压电纤维传感器2，所述智能垫片由“阶梯状”上垫片1和“阶梯状”下垫片3啮合组成，在周向形成U形凹槽10，所述压电纤维传感器2为环形结构，布置在上、下垫片1、3形成的U形凹槽10处，由敏感元件、环氧树脂8组成。
如图4所示的敏感元件包括多根径向排列、围绕圆心环形阵列的压电纤维棒5、内电极6、外电极和接线端子4；所述压电纤维棒5一端与内电极6连接，另一端与外电极7连接，压电纤维棒5在内、外电极6、7间并联排布。所述环氧树脂8作为敏感元件的保护层和上下绝缘层，对敏感元件进行封装形成环形压电纤维传感器2。
所述“阶梯状”下垫片3内通孔周向设有第一阶梯状凸台结构31，所述第一阶梯状凸台结构31外圆面与压电纤维传感器2内通孔间隙配合，所述“阶梯状”上垫片1内通孔周向设有第二阶梯状凸台结构32，所述第一阶梯状凸台结构31与第二阶梯状凸台结构32的凸起相互啮合装配成整体，形成智能垫片。
所述垫片材料与尺寸根据监测的螺栓所处的工况进行选择；所述敏感元件由环形阵列的压电纤维棒5于内、外电极6、7组成，压电纤维棒5的直径约为U形凹槽10的高度的3/5倍，U形凹槽10的高度为垫片总高度的1/3倍。敏感元件处于环氧树脂8中间，环氧树脂8形成的封装层上下高度均匀分布在压电纤维棒5上下面，环氧树脂8封装的压电纤维传感器2整体厚度应等于或略大于U形凹槽10的高度；所述环氧树脂8由A胶和B胶混合形成，A胶为环氧树脂胶，B胶为固化剂，凝固后的环氧树脂8具有一定柔韧性；所述内电极6、外电极7和接线端子4材料为紫铜。
一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片制作，其特征在于：
S1: 压电纤维传感器2的制作
所述压电纤维传感器2采用模具浇铸成型，如图5所示，所述的模具型腔为环形槽92，其内直径为所需的敏感元件内通孔直径，外直径为所需的敏感元件直径，型腔深度为压电纤维传感器的厚度，环形槽92外壁开有两个通孔91，用于伸出内电极6和外电极7的接线端，所用模具的材料为易于脱模抗拉力强的气象胶；
一、按一定长度切割压电纤维棒，打磨切割口，得到多根光滑端口的等长度压电纤维棒5，在一定温度和一定电场环境中进行极化；
二、将紫铜条弯曲成内电极6和外电极7，将极化后的等长度压电纤维棒5的两端均匀分布在内、外电极6、7间，压电纤维棒5与内、外电极6、7采用导电胶进行粘接，得到敏感元件；
三、在压电纤维传感器2制备的模具型腔内表面刷涂脱膜剂，第一次浇铸一薄层环氧树脂8作为基底，厚度约为型腔高度的1/5，将敏感元件放入模具的环形槽92中，内、外电极6、7的接线端通过圆柱外壁两个通孔91伸出，在模具型腔内进行第二次环氧树脂8浇铸，至型腔完全填满，实现压电敏感元件封装；
四、在环氧树脂8凝固后，脱模并进行边缘处理，将接线端子4弯制成孔状，得到压电纤维传感器2；
S2:智能垫片的组装：
平放预制的“阶梯状”下垫片3，将带有圆形内通孔的压电纤维传感器2套入“阶梯状”下垫片3第一阶梯状凸台结构31上，利用预制的“阶梯状”上垫片1第二阶梯状凸台结构32与第一阶梯状凸台结构31相互啮合装配成整体，得到带有压电纤维传感器2的智能垫片。
一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片应用方法，其特征在于：
对齐所连接的工件安装孔，将螺栓插入安装孔中，安装智能垫片和螺母，利用扭矩扳手将螺纹连接件旋紧，至设定预紧力。对螺栓顶部施加一定量的周期激励作为标定激励，此时，智能垫片中的压电纤维传感器2发生一定形变，其利用自身压电效应特性将感知的应力应变量转换成电信号；采集智能垫片中压电纤维传感器2所产生的电信号(如导纳信号或者时域信号等)，以此信号作为基准信号；定时施加标定激励，将不同时间段所采集的电信号(如导纳信号或者时域信号等)与基准信号进行对比，通过监测信号的差异程度，即可判断螺栓连接状态，进行实时预警，及时拧紧螺栓或者进行更换。

Claims (6)

1.一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片及制作、应用方法，其特征在于，所述智能垫片包括垫片和压电纤维传感器，所述垫片由“阶梯状”上垫片和“阶梯状”下垫片啮合组成，在周向形成U形凹槽，所述压电纤维传感器为环形结构，布置在上下垫片形成的U形凹槽处，由敏感元件、环氧树脂组成。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片，其特征在于：所述敏感元件包括多根径向排列、围绕圆心环形阵列的压电纤维棒、内电极、外电极和接线端子；所述压电纤维棒一端与内电极连接，另一端与外电极连接，压电纤维棒在内、外电极间并联排布;所述环氧树脂作为敏感元件的保护层和上下绝缘层，对敏感元件进行封装形成环形压电纤维传感器。
3.根据权利要求1、2所述的一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片，其特征在于：所述“阶梯状”下垫片内通孔周向设有第一阶梯状凸台结构，所述第一阶梯状凸台结构外圆面与压电纤维传感器内通孔间隙配合，所述“阶梯状”上垫片内通孔周向设有第二阶梯状凸台结构，所述第一阶梯状凸台结构与第二阶梯状凸台结构的凸起相互啮合装配成整体，形成智能垫片。
4.根据权利要求1、2、3所述的一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片，其特征在于：所述垫片材料与尺寸根据监测的螺栓所处的工况进行选择；所述敏感元件由环形阵列的压电纤维棒于内、外电极组成，压电纤维棒的直径约为U形凹槽的高度的3/5倍，U形凹槽的高度为垫片总高度的1/3倍；敏感元件处于环氧树脂中间，环氧树脂形成的封装层上下高度均匀分布在压电纤维棒上下面，环氧树脂封装的压电纤维传感器整体厚度应等于或略大于U形凹槽的高度；所述环氧树脂由A胶和B胶混合形成，A胶为环氧树脂胶，B胶为固化剂，凝固后的环氧树脂具有一定柔韧性；所述外电极、内电极和接线端子材料为紫铜。
5.根据权利要求1、2、3、4所述的一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片制作，其特征在于：
S1: 压电纤维传感器的制作
所述压电纤维传感器采用模具浇铸成型，所述的模具型腔为环形槽，其内直径为所需的敏感元件内通孔直径，外直径为所需的敏感元件直径，型腔深度为传感器的厚度，环形槽外壁开有两个通孔，用于伸出内电极和外电极的接线端，所用模具的材料为易于脱模抗拉力强的气象胶；
一、按一定长度切割压电纤维棒，打磨切割口，得到多根光滑端口的等长度压电纤维棒，在一定温度和一定电场环境中进行极化；
二、将紫铜条弯曲成内电极和外电极，将极化后的等长度压电纤维棒的两端均匀分布在内、外电极间，纤维棒与内、外电极采用导电胶进行粘接，得到敏感元件；
三、在压电纤维传感器制备的模具型腔内表面刷涂脱膜剂，第一次浇铸一薄层环氧树脂作为基底，厚度约为型腔高度的1/5，将敏感元件放入模具的环形槽中，内、外电极的接线端通过圆柱外壁两个通孔伸出，在模具型腔内进行第二次环氧树脂浇铸，至型腔完全填满，实现压电敏感元件封装；
四、在环氧树脂凝固后，脱模并进行边缘处理，将接线端子弯制成孔状，得到压电纤维传感器；
S2:智能垫片的组装
平放预制的“阶梯状”下垫片，将带有圆形内通孔的压电纤维传感器套入“阶梯状”下垫片第一阶梯状凸台结构上，利用预制的“阶梯状”上垫片第二阶梯状凸台结构与第一阶梯状凸台结构相互啮合装配成整体，得到带有压电纤维传感器的智能垫片。
6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的一种螺栓松动监测的压电纤维智能垫片应用方法，其特征在于：
对齐所连接的工件安装孔，将螺栓插入安装孔中，安装智能垫片和螺母，利用扭矩扳手将螺纹连接件旋紧，至设定预紧力；对螺栓顶部施加一定量的周期激励作为标定激励，此时，智能垫片中的压电纤维传感器发生一定形变，其利用自身压电效应特性将感知的应力应变量转换成电信号；采集智能垫片中压电纤维传感器所产生的电信号(如导纳信号或者时域信号等)，以此信号作为基准信号；定时施加标定激励，将不同时间段所采集的电信号(如导纳信号或者时域信号等)与基准信号进行对比，通过监测信号的差异程度，即可判断螺栓连接状态，进行实时预警，及时拧紧螺栓或者进行更换。
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