CN114486047A - 基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法 - Google Patents

基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法 Download PDF

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CN114486047A CN202111609130.1A CN202111609130A CN114486047A CN 114486047 A CN114486047 A CN 114486047A CN 202111609130 A CN202111609130 A CN 202111609130A CN 114486047 A CN114486047 A CN 114486047A
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Abstract

本发明提供了一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，在上法兰和下法兰连接处的内圆周或外圆周均匀地布置一组法兰纵向横向相对位移传感器和一组法兰径向相对位移传感器，综合各传感器采集的三个方向相对位移，计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷，并进一步计算获得作用在法兰上的总工作载荷，当超过阈值时进行预警。本发明提供的一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，可同时监测法兰轴向、切向、径向相对位移，进而计算得到较精确的螺栓拉力和工作载荷，对于螺栓拉力和工作载荷超出设定阈值的情况，及时实施安全控制策略。

Description

基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，属于法兰螺栓拉力与工作载荷监测技术领域。
背景技术
螺栓连接结构在工程中的应用非常广泛，其工作环境往往受到各种交变载荷、冲击载荷的作用。在拉、压交变载荷作用下，螺纹可能发生塑性变形而导致螺栓松动，螺栓拉力减小。螺栓拉力过小会造成连接的不可靠，从而影响机器正常工作。如果螺栓拉力过大，可能导致螺栓在载荷作用下断裂，从而削弱了连接节点的承载力，严重时可能导致结构失稳。因此为了保证螺栓拉力处于正常状态，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。当产品运维地处偏远地区、高处、海上或其他不方便维护的位置时，螺栓拉力的定期检查运维策略一般为半年或一年进行一次。该工作费时费力，加上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螺栓拉力异常的问题，所以非常有必要对螺栓拉力进行在线监测。
法兰连接结构一般用于工作载荷较大的设备或结构中，工作载荷异常可能使得法兰连接失效，导致设备损坏或结构失稳，如果可以实时监测法兰工作载荷，将能极大地提升设备或结构工作的可靠性、安全性，因此也非常有必要对工作载荷进行在线监测。
目前对螺栓拉力进行监测的技术方案主要有法兰轴向相对位移监测方法、超声波式螺栓拉力监测方法、应变片式螺栓拉力监测方法等，现有技术方案存在如下问题：
1)监测法兰轴向相对位移式方法仅可监测与法兰轴向相对位移相关的螺栓拉力和工作载荷，但当法兰受到切向、径向载荷载荷导致上下法兰在切向、径向也出现相对位移，且对螺栓拉力和工作载荷监测精度要求较高时，通过法兰轴向相对位移监测式系统监测、计算出的螺栓拉力和工作载荷可能无法满足要求。
2)利用超声波技术在线监测螺栓拉力，该技术需在每个计划监测的螺栓上安装超声波探头等监测传感器或设备，成本高，准备时间和现场施工时间长；对于法兰螺栓，需要拆卸、再次安装螺栓，导致螺栓拧紧过程摩擦系数发生变动，影响监测数据的准确性；监测设备数量多，且安装易松动，故障概率高；可监测螺栓数量有限，无法实现全面、全方位监测。
3)利用电阻应变片技术测量螺栓拉力，该技术应用于现场测量首先需要解决的是电阻应变片信号传递，由于螺杆和螺孔之间间隙很小，使得电阻应变片的信号传递实现起来非常困难，同时法兰螺栓工作过程中在载荷作用下连接面将会发生微小的滑移，这可能会对电阻应变片造成伤害，因此电阻应变片测量螺栓拉力的方案可靠性不高，不适宜现场的工程应用。
综上所述，现有技术虽然对螺栓拉力和工作载荷在线监测有一定的贡献，但仍存在较多的不足之处，无法满足高精度在线监测螺栓拉力和工作载荷的需求。
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三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，利用法兰纵向横向相对位移传感器和法兰径向相对位移传同时监测法兰轴向、切向、径向相对位移，进而计算得到较精确的螺栓拉力和工作载荷，对于螺栓拉力和工作载荷超出设定阈值的情况，及时实施安全控制策略。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，包括以下步骤：
S1、在上法兰和下法兰连接处的内圆周或外圆周均匀地布置一组法兰纵向横向相对位移传感器和一组法兰径向相对位移传感器；
S2、将法兰纵向横向相对位移传感器的限位块安装垫块的下边缘中点记为A点，壳体安装垫块的上边缘中点记为B点，每个法兰纵向横向相对位移传感器分别采集A点和B点沿法兰轴向的相对位移u以及A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移v；
S3、将法兰径向相对位移传感器的滑动基体外端与L形限位块接触面的中心点记为C点，将竖垫块与限位块接触面上边缘的中点记为D点，将在过C点和D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C1点，将过C点、D点和C1点的平面与法兰内圈表面或外圈表面的交线、且在D点下部与D点在法兰轴向距离等同于C1点与C点在法兰轴向距离的点标记为D1点；采集法兰径向相对位移传感器所测C点和D点在法兰径向的相对位移w，该位移值近似等同于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，上法兰C1点和下法兰D1点在法兰径向的相对位移；
S4、综合A点和B点沿法兰轴向的相对位移u、A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移v以及C点、D点在法兰径向的相对位移w，计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷，并进一步计算获得作用在法兰上的总工作载荷；
S5、将计算得到的螺栓拉力和法兰上的总工作载荷分别与设置的阈值进行比对，当超过阈值时进行预警。
步骤S4中，通过以下过程计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
S4.1、对法兰所有螺栓施加初始预紧力F0后，在无工作载荷作用时，从上垫片外缘至下垫片外缘的距离即装夹厚度为L1，A点和B点间距为L2，C1点和D1点间距为L3，螺栓刚度为C1，螺栓连接处垫片与连接件整体的刚度为C2，连接件包括上法兰和下法兰；当施加预紧力F0后，螺栓连接处垫片与连接件整体被压缩量为F0/C2；
S4.2、计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
S4.2.1、当A点和B点沿法兰轴向的相对位移为向法兰外侧增加u时，则螺栓连接处受到拉伸性外载荷作用；
记参考长度
Figure BDA0003434592620000031
其中，ku表示A点和B点沿法兰轴向的相对位移为u时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰轴向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000032
所成的比例系数；kv表示A点和B点沿法兰切向的相对位移为v时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰切向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000033
所成的比例系数；kw表示当位移传感器所测C点和D点沿法兰径向的相对位移为w时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰径向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000034
所成的比例系数；
根据以下情况计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
(a)若△L≤F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：
△F1＝△L×C1
△F2＝△L×C2
(b)若△L＞F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F2＝F0，螺栓拉力增加值△F1通过以下公式计算：
△F1＝△L×C1
S4.2.2、当A点和B点沿法兰轴向的相对位移为向法兰内侧减少u时，则螺栓连接处受到压缩性外载荷作用；
记参考长度
Figure BDA0003434592620000041
ku1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰轴向的相对位移为u时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰轴向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000042
所成的比例系数；kv1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰切向的相对位移为v时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰切向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000043
所成的比例；kw1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰径向的相对位移为w时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰径向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000044
所成的比例系数；
通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：
△F1＝(-△L)×C1
△F2＝(-△L)×C2
S4.3、根据各个螺栓连接处的外部载荷计算作用在法兰上的总工作载荷。
步骤S1所述的法兰纵向横向相对位移传感器和法兰径向相对位移传感器分别通过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，并最终将所测相对位移数据传输至上位机，上位机可对数据进行存储、分析，并根据分析结果发出安全预警。
步骤S1所述的法兰纵向横向相对位移传感器包括第一壳体、限位块以及位于第一壳体内的传感模块，限位块通过限位块安装垫块固定于上法兰，第一壳体通过壳体安装垫块固定于下法兰，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第一壳体上，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第一壳体上，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第一壳体上，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第一限位弹簧，第一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。
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。
步骤S1所述的法兰径向相对位移传感器由相互分离的L形限位块和传感器本体组成，传感器本体包括第二壳体、位于第二壳体内的径向PCB组件和导杆、套在导杆上并能够沿导杆滑动的滑动基体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，第二壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板，滑动基体的外端由第二壳体内伸出，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第二限位弹簧，第二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。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，可同时监测法兰轴向、切向相对位移的位移传感器和可监测法兰径向相对位移的位移传感器的两端分别安装在两个法兰上，根据电磁感应原理，当法兰受到拉伸、挤压的外力或弯矩等工作载荷作用时，两个法兰将在轴向、切向、径向出现相对位移变化，此时各位移传感器处的磁感应强度将随之变化，且传感器电流信号将随之变化，经对电流信号进行采集、分析处理，可实现对轴向、切向、径向相对位移的精确测量，可保持微米级精度持续监测法兰在各方向上的相对位移；
(2)本发明提供的一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，在监测、计算过程同时考虑了上下法兰在轴向、切向、径向三个方向的相对位移，可进一步提高对螺栓拉力和工作载荷的监测、计算精度，适用于需要高精度在线监测螺栓拉力和工作载荷的工况场景。
附图说明
图1是本发明法兰纵向横向相对位移传感器和法兰径向相对位移传感器的安装位置示意图。
图2是图1的局部放大示意图。
图3是法兰纵向横向相对位移传感器的安装示意图。
图4是法兰纵向横向相对位移传感器的内部结构示意图。
图5是法兰纵向横向相对位移传感器的外部结构示意图。
图6是法兰纵向横向相对位移传感器的内部结构俯视图。
图7是法兰纵向横向相对位移传感器的安装垫块与外壳连接示意图。
图8是纵向PCB组件、横向PCB组件与隔离支撑板固定连接示意图。
图9是纵向滑动基体、纵向高精密磁铁和纵向滑杆的连接示意图。
图10是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11是横向滑动基体、横向高精密磁铁和横向滑杆的连接示意图。
图12是法兰径向相对位移传感器的安装示意图。
图13是传感器本体的剖面结构示意图。
图14是传感器本体的外部结构示意图。
图15是L形限位块的结构图；其中(a)、(b)分别为不同方向下限位块的立体结构图。
图16是竖垫块的结构图。
图17是横垫块的结构图。
图中，1-上法兰，2-下法兰，3-法兰纵向横向相对位移传感器，31-第一壳体，32-限位块，331-壳体安装垫块，332-限位块安装垫块，34-纵向传感单元，341-纵向PCB组件，342-纵向滑动基体，3421-纵向滑道孔，3422-连接头，343-纵向高精密磁铁，344-纵向滑杆，35-横向传感单元，351-横向PCB组件，352-横向滑动基体，3521-横向滑道孔，3522-连接杆，353-横向高精密磁铁，354-横向滑杆，36-隔离支撑板，361-耳板，37-螺栓，38-隔离垫片，39-第一限位弹簧，310-第一磁体，311-凸出块，312-调节螺钉，4-法兰径向相对位移传感器，41-第二壳体，42-径向PCB组件，43-导杆，44-滑动基体，45-高精密磁铁，46-第二磁体，47-第二限位弹簧，48-盖板，5-竖垫块，6-横垫块，7-L形限位块。
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三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，包括以下步骤：
S1、参照图1和图2，在上法兰1和下法兰2连接处的内圆周或外圆周均匀地布置一组法兰纵向横向相对位移传感器3和一组法兰径向相对位移传感器4。法兰纵向横向相对位移传感器和法兰径向相对位移传感器分别通过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，并最终将所测相对位移数据传输至上位机，上位机可对数据进行存储、分析，并根据分析结果发出安全预警。
参照图3至图11，法兰纵向横向相对位移传感器包括第一壳体31、限位块32以及位于第一壳体内的传感模块，限位块通过限位块安装垫块332固定于上法兰，第一壳体通过壳体安装垫块331固定于下法兰，传感模块包括纵向传感单元34、隔离支撑板36和横向传感单元35，其中纵向传感单元包括纵向PCB组件341、纵向滑动基体342、纵向高精密磁铁343和纵向滑杆344；横向传感单元包括横向PCB组件351、横向滑动基体352、横向高精密磁铁353和横向滑杆354所述隔离支撑板固定于第一壳体上，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38；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3421，纵向滑杆安装于纵向滑道孔内并固定于第一壳体上，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3422，连接头的前端固定于限位块上。连接头的前端可连接第一磁体310，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3521，横向滑杆安装于横向滑道孔内并固定于第一壳体上，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3522，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第一限位弹簧39，第一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。
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311和调节螺钉312，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37连接或粘接固定；所述隔离支撑板两侧固定连接有耳板361，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。
参照图12至图17，所述的法兰径向相对位移传感器由相互分离的L形限位块7和传感器本体组成，传感器本体包括第二壳体41、位于第二壳体内的径向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，第二壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板48，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。
滑动基体的外端由第二壳体内伸出，滑动基体的外端可设置有第二磁体46并通过磁力吸附固定于限位块上，所述第二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第二限位弹簧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。
安装时，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。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。
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，限位块、竖垫块、横垫块和法兰之间可通过粘接、磁力连接或螺纹连接等方式固定。
S2、将法兰纵向横向相对位移传感器的限位块安装垫块的下边缘中点记为A点，壳体安装垫块的上边缘中点记为B点，每个法兰纵向横向相对位移传感器分别采集A点和B点沿法兰轴向的相对位移u以及A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移v；
S3、将法兰径向相对位移传感器的滑动基体外端与L形限位块接触面的中心点记为C点，将竖垫块与限位块接触面上边缘的中点记为D点，将在过C点和D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C1点，将过C点、D点和C1点的平面与法兰内圈表面或外圈表面的交线、且在D点下部与D点在法兰轴向距离等同于C1点与C点在法兰轴向距离的点标记为D1点；采集法兰径向相对位移传感器所测C点和D点在法兰径向的相对位移w，该位移值近似等同于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，上法兰C1点和下法兰D1点在法兰径向的相对位移；
S4、综合A点和B点沿法兰轴向的相对位移u、A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移v以及C点、D点在法兰径向的相对位移w，计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷，并进一步计算获得作用在法兰上的总工作载荷；
S5、将计算得到的螺栓拉力和法兰上的总工作载荷分别与设置的阈值进行比对，当超过阈值时进行预警。
步骤S4中，通过以下过程计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
S4.1、对法兰所有螺栓施加初始预紧力F0后，在无工作载荷作用时，从上垫片外缘至下垫片外缘的距离即装夹厚度为L1，A点和B点间距为L2，C1点和D1点间距为L3，螺栓刚度为C1，螺栓连接处垫片与连接件整体的刚度为C2，连接件包括上法兰和下法兰；当施加预紧力F0后，螺栓连接处垫片与连接件整体被压缩量为F0/C2；
S4.2、计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
S4.2.1、当A点和B点沿法兰轴向的相对位移为向法兰外侧增加u时，则螺栓连接处受到拉伸性外载荷作用；
记参考长度
Figure BDA0003434592620000101
其中，ku表示A点和B点沿法兰轴向的相对位移为u时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰轴向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000102
所成的比例系数；ku是随
Figure BDA0003434592620000103
变化的函数，可通过理论计算、CAE分析或试验得到。
kv表示A点和B点沿法兰切向的相对位移为v时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰切向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000104
所成的比例系数，kv是随
Figure BDA0003434592620000105
变化的函数，可通过理论计算、CAE分析或试验得到。
kw表示当位移传感器所测C点和D点沿法兰径向的相对位移为w时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰径向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000106
所成的比例系数；kw是随
Figure BDA0003434592620000107
变化的函数，可通过理论计算、CAE分析或试验得到。
根据以下情况计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
(a)若△L≤F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：
△F1＝△L×C1
△F2＝△L×C2
(b)若△L＞F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F2＝F0，螺栓拉力增加值△F1通过以下公式计算：
△F1＝△L×C1
S4.2.2、当A点和B点沿法兰轴向的相对位移为向法兰内侧减少u时，则螺栓连接处受到压缩性外载荷作用；
记参考长度
Figure BDA0003434592620000111
ku1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰轴向的相对位移为u时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰轴向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000112
所成的比例系数；ku1是随
Figure BDA0003434592620000113
变化的函数，可通过理论计算、CAE分析或试验得到。
kv1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰切向的相对位移为v时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰切向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000114
所成的比例；kv1是随
Figure BDA0003434592620000115
变化的函数，可通过理论计算、CAE分析或试验得到。
kw1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰径向的相对位移为w时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰径向的位移变化量与
Figure BDA0003434592620000116
所成的比例系数；kw1是随
Figure BDA0003434592620000117
变化的函数，可通过理论计算、CAE分析或试验得到。
通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：
△F1＝(-△L)×C1
△F2＝(-△L)×C2
S4.3、根据各个螺栓连接处的外部载荷计算作用在法兰上的总工作载荷。
本发明提供的一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，可同时监测法兰轴向、切向、径向相对位移，进而计算得到较精确的螺栓拉力和工作载荷，对于螺栓拉力和工作载荷超出设定阈值的情况，及时实施安全控制策略。

Claims (8)

1.一种基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、在上法兰和下法兰连接处的内圆周或外圆周均匀地布置一组法兰纵向横向相对位移传感器和一组法兰径向相对位移传感器；
S2、将法兰纵向横向相对位移传感器的限位块安装垫块的下边缘中点记为A点，壳体安装垫块的上边缘中点记为B点，每个法兰纵向横向相对位移传感器分别采集A点和B点沿法兰轴向的相对位移u以及A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移v；
S3、将法兰径向相对位移传感器的滑动基体外端与L形限位块接触面的中心点记为C点，将竖垫块与限位块接触面上边缘的中点记为D点，将在过C点和D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C1点，将过C点、D点和C1点的平面与法兰内圈表面或外圈表面的交线、且在D点下部与D点在法兰轴向距离等同于C1点与C点在法兰轴向距离的点标记为D1点；采集法兰径向相对位移传感器所测C点和D点在法兰径向的相对位移w，该位移值近似等同于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，上法兰C1点和下法兰D1点在法兰径向的相对位移；
S4、综合A点和B点沿法兰轴向的相对位移u、A点和B点沿法兰边缘切向的相对位移v以及C点、D点在法兰径向的相对位移w，计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷，并进一步计算获得作用在法兰上的总工作载荷；
S5、将计算得到的螺栓拉力和法兰上的总工作载荷分别与设置的阈值进行比对，当超过阈值时进行预警。
2.根据权利要求1所述的基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于：步骤S4中，通过以下过程计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
S4.1、对法兰所有螺栓施加初始预紧力F0后，在无工作载荷作用时，从上垫片外缘至下垫片外缘的距离即装夹厚度为L1，A点和B点间距为L2，C1点和D1点间距为L3，螺栓刚度为C1，螺栓连接处垫片与连接件整体的刚度为C2，连接件包括上法兰和下法兰；当施加预紧力F0后，螺栓连接处垫片与连接件整体被压缩量为F0/C2；
S4.2、计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
S4.2.1、当A点和B点沿法兰轴向的相对位移为向法兰外侧增加u时，则螺栓连接处受到拉伸性外载荷作用；
记参考长度
Figure FDA0003434592610000021
其中，ku表示A点和B点沿法兰轴向的相对位移为u时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰轴向的位移变化量与
Figure FDA0003434592610000022
所成的比例系数；kv表示A点和B点沿法兰切向的相对位移为v时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰切向的位移变化量与
Figure FDA0003434592610000023
所成的比例系数；kw表示当位移传感器所测C点和D点沿法兰径向的相对位移为w时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰径向的位移变化量与
Figure FDA0003434592610000024
所成的比例系数；
根据以下情况计算螺栓拉力和螺栓连接处的工作载荷：
(a)若△L≤F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：
△F1＝△L×C1
△F2＝△L×C2
(b)若△L＞F0/C2，通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F2＝F0，螺栓拉力增加值△F1通过以下公式计算：
△F1＝△L×C1
S4.2.2、当A点和B点沿法兰轴向的相对位移为向法兰内侧减少u时，则螺栓连接处受到压缩性外载荷作用；
记参考长度
Figure FDA0003434592610000025
ku1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰轴向的相对位移为u时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰轴向的位移变化量与
Figure FDA0003434592610000026
所成的比例系数；kv1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰切向的相对位移为v时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰切向的位移变化量与
Figure FDA0003434592610000027
所成的比例；kw1表示当位移传感器所测A点和B点沿法兰径向的相对位移为w时，螺栓上下夹紧处两中心点沿法兰径向的位移变化量与
Figure FDA0003434592610000028
所成的比例系数；
通过以下公式计算螺栓拉力F1和螺栓连接处工作载荷F2：
F1＝F0+△F1
F2＝△F1+△F2
其中，△F1表示螺栓拉力增加值，△F2表示连接处垫片与连接件整体的压紧力减小值，通过以下公式计算：
△F1＝(-△L)×C1
△F2＝(-△L)×C2
S4.3、根据各个螺栓连接处的外部载荷计算作用在法兰上的总工作载荷。
3.根据权利要求1所述的基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于：步骤S1所述的法兰纵向横向相对位移传感器和法兰径向相对位移传感器分别通过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，并最终将所测相对位移数据传输至上位机，上位机可对数据进行存储、分析，并根据分析结果发出安全预警。
4.根据权利要求1所述的基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于：步骤S1所述的法兰纵向横向相对位移传感器包括第一壳体、限位块以及位于第一壳体内的传感模块，限位块通过限位块安装垫块固定于上法兰，第一壳体通过壳体安装垫块固定于下法兰，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第一壳体上，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第一壳体上，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第一壳体上，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第一限位弹簧，第一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。
5.根据权利要求4所述的基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，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4所述的基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，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4所述的基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，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。
8.根据权利要求1所述的基于三向位移的法兰螺栓拉力和工作载荷在线监测方法，其特征在于：步骤S1所述的法兰径向相对位移传感器由相互分离的L形限位块和传感器本体组成，传感器本体包括第二壳体、位于第二壳体内的径向PCB组件和导杆、套在导杆上并能够沿导杆滑动的滑动基体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，第二壳体的顶面设置有开口，开口处设置有盖板，滑动基体的外端由第二壳体内伸出，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第二限位弹簧，第二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。
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